-
Universidade
Estadual de Londrina
LAÉRCIO JOSÉ GUARIENTE
ESTUDO COMPARATIVO DO DESEMPENHO
DE UM SISTEMA DE AQUECIMENTO DE
ÁGUA POR ENERGIA SOLAR COM
CIRCULAÇÃO NATURAL E COM
CIRCULAÇÃO FORÇADA
LONDRINA-PARANÁ
2005
1
LAÉRCIO JOSÉ GUARIENTE
ESTUDO COMPARATIVO DO DESEMPENHO
DE UM SISTEMA DE AQUECIMENTO DE
ÁGUA POR ENERGIA SOLAR COM
CIRCULAÇÃO NATURAL E COM
CIRCULAÇÃO FORÇADA
Dissertação
apresentada
ao
Programa
de Pós-Graduação em Engenharia de
Edificações e Saneamento da Universidade
Estadual de Londrina, para obtenção do título
de Mestre.
Área de Concentração: Sistemas Prediais
Linha de Pesquisa: Sistemas Construtivos e
Desempenho de Edificações
Orientador: Prof. Dr. Aron Lopes Petrucci
LONDRINA-PARANÁ
2005
2
LAÉRCIO JOSÉ GUARIENTE
ESTUDO COMPARATIVO DO DESEMPENHO
DE UM SISTEMA DE AQUECIMENTO DE ÁGUA
POR ENERGIA SOLAR COM CIRCULAÇÃO
NATURAL E COM CIRCULAÇÃO FORÇADA
Dissertação apresentada
ao
Programa de
Pós-Graduação em Engenharia de Edificações e
Saneamento da Universidade Estadual de Londrina,
para obtenção do título de Mestre.
Área de Concentração: Sistemas Prediais
Linha de Pesquisa: Sistemas Construtivos e
Desempenho de Edificações
Orientador: Prof. Dr. Aron Lopes Petrucci
COMISSÃO EXAMINADORA
__________________________________________
__________________________________________
__________________________________________
Londrina, _______ de ___________________de 2005.
3
CATALOGAÇÃO NA PUBLICAÇÃO ELABORADA PELA DIVISÃO DE PROCESSOS TÉCNICOS
DA BIBLIOTECA CENTRAL DA UNIVERSIDADE ESTADUAL DE LONDRINA
Dados Internacionais de Catalogação-na-Publicação (CIP)
G915e
Guariente, Laércio José.
Estudo comparativo do desempenho térmico de um sistema de
aquecimento de água por energia solar com circulação natural
e com circulação forçada / Laércio José Guariente. – Londrina,
2005.
158f. : il + apêndices e anexos no final da obra.
Orientador : Aron Lopes Petrucci.
Dissertação (Mestrado em Engenharia de Edificações e
Saneamento) − Universidade Estadual de Londrina, 2005.
Bibliografia: f. 128-134.
1. Energia solar – Teses. 2. Aquecimento solar – Teses.
3. Aquecedores solares de água – Teses. I. Petrucci, Aron
Lopes. II. Universidade Estadual de Londrina. III. Título.
CDU 620.91
697.7
4
Dedicatória
À minha amada esposa, Maria Helena,
Helena,
que além de incentivadora e
coco-orientadora deste trabalho,
é a grande inspiração da minha vida.
Aos meus filhos Suzana, Vitor e Viviane
que foram sempre compreensivos, interessados
e preocupados com a minha pesquisa
e mais do que isto, foram
muitas vezes meus auxiliares.
5
Agradecimentos
A Deus Pai
e a nossa Mãe celestial, Maria,
obrigado por estarem comigo todos
os dias da minha vida.
Aos meus pais Gerson e Dileta,
por me proporcionarem a educação
que me trouxe até esta realização.
Aos meus sogros Marcio e Diva,
pelos muitos momentos em que ajudaram
a cuidar de meus filhos na minha ausência.
Ao meu orientador e amigo,
Prof. Dr. Aron Lopes Petrucci,
pela confiança no meu trabalho
e principalmente pela humildade de me emprestar
seu conhecimento e muitas vezes
as suas mãos na montagem do experimento.
Ao Eng. Waldomiro Gross Jr.,
proprietário da Hidrotécnica Ltda, cujo interesse
pela ciência possibilitou a execução desta pesquisa
com a cessão do equipamento de aquecimento.
6
À Eluma S.A.,
pela doação dos tubos e conexões utilizados
na montagem do sistema de aquecimento.
Ao Centro de Tecnologia e Urbanismo
da Universidade Estadual de Londrina,
pela cessão de materiais, equipamentos e espaço físico
no Laboratório de Hidráulica e Saneamento.
Ao Departamento de Construção Civil
e principalmente aos colegas de área
que me substituíram durante a licença.
Ao Sr. José Reginaldo dos Santos,
funcionário do Laboratório de Hidráulica e Saneamento,
que não mediu esforços para me auxiliar
no dia a dia dos ensaios.
Ao amigo Carlos Augusto Radigonda
que contribuiu com seus conhecimentos
de computação gráfica para ilustrar este trabalho.
E finalmente aos colegas e docentes do Curso de Mestrado
que me guiaram e apoiaram durante esta jornada.
7
GUARIENTE, Laércio José. Estudo comparativo do desempenho de um
sistema de aquecimento de água por energia solar com circulação
natural e com circulação forçada. Londrina, Paraná, 2005. 158f. Dissertação
(Mestrado em Engenharia de Edificações e Saneamento) – Universidade Estadual de
Londrina.
RESUMO
O presente trabalho consiste em um estudo experimental de comparação entre o desempenho
de um sistema de aquecimento de água por energia solar operando com circulação natural
(termossifão) e operando com circulação forçada (por bombeamento). O parâmetro de
comparação de desempenho utilizado foi o tempo que o sistema foi capaz de fornecer água
quente, nas condições de temperatura e vazão pré-definidas por um perfil de consumo. Foi
instalado um equipamento de aquecimento solar para circulação natural, com reservatório
térmico horizontal e coletores planos nas condições recomendadas pela NBR 12269/1992 da
ABNT. A circulação forçada foi obtida com a conexão de uma bomba centrifuga em um “by
pass” instalado no mesmo sistema. A fonte auxiliar de energia (resistência elétrica) foi
mantida desligada. Os primeiros ensaios foram realizados para a obtenção da vazão ótima para
operação com circulação forçada. Posteriormente foram efetuados trinta e seis ensaios para a
comparação de desempenho entre os dois tipos de circulação. Estes ensaios foram realizados
diariamente, operando um dia por termossifão e no dia seguinte por bombeamento a fim de se
estabelecer uma homogeneização das condições climáticas entre os ensaios. As variações de
temperatura no sistema foram controladas ao longo do dia, por sensores do tipo PT100,
posicionados em cinco pontos diferentes do equipamento. Os sinais foram coletados por um
sistema de aquisição de dados acoplado a um computador e gerenciados por um programa
específico. O desempenho foi medido pela simulação do perfil de consumo no final do dia. Os
resultados indicaram um desempenho significativamente melhor do sistema com circulação
forçada em relação ao sistema operando com circulação natural. Foi detectada a necessidade
de controle do acionamento da bomba durante a operação com circulação forçada, para evitar
a perda de calor da água durante a circulação, quando os coletores ficam submetidos a
períodos prolongados de sombras proporcionadas por nuvens. Verificou-se também a pouca
estratificação de temperatura da água no interior do reservatório, devido ao seu formato
horizontal, e que a baixa taxa de vazão durante o bombeamento não interferiu na
estratificação.
Palavras-Chave: energia solar, aquecimento solar, aquecedores solares de água
8
GUARIENTE, Laércio José. Comparative study of the performance of a solar
water heating system with natural circulation and with forced circulation.
Londrina, Paraná, 2005. 158f. (Master’s thesis in Building Engineering and
Sanitation) – Universidade Estadual de Londrina.
ABSTRACT
The present work consists an experimental study of comparison between the
performance of a solar water heating system operating with natural circulation
(thermosiphon) and operating with forced circulation (by pumping). The parameter of
comparison was the time that the system was capable to supply hot water in the
temperature and flow conditions pre-defined by a consumption profile. One solar
water heating system with natural circulation was installed with horizontal thermal
tank and plane collectors in the conditions recommended by ABNT-NBR 12269/1992
standard. The forced circulation was obtained by connection of a pump in a by-pass
of the same system. The auxiliary source of energy (electrical resistance) was
maintained turned off. The initials tests were accomplished to obtain the optimun
flow to operate with forced circulation. Thirty-six more tests were made to compare
the performance of the two types of circulation. These tests were daily realized,
operating one day for thermosiphonic flow and the following day for pumped flow, in
order to homogenize the climatic conditions among the tests. The temperature
variations in the system were controlled along the day through thermoresistances
PT100 that was positioned in five different points from the equipment. The signs
were collected by a data acquisition system on line with a computer and managed by
a specific program. The performance was measured by simulation of the
consumption profile at the end of the day. The results indicated that the forced
circulation system had a significantly better performance in comparison with the
natural circulation system. The need of automatic control to the pump operation was
detected to avoid the water heat loss when the collectors are submitted to periods of
shadows caused by clouds. It was also verified a little stratification in the water
temperature inside the thermal tank, due his horizontal format. The low flow rates
during the forced circulation didn't interfere in the stratification.
Key words: solar energy, solar heating, solar water heaters
9
LISTA DE FIGURAS
FIGURA
2.1 Sistema ativo indireto de aquecimento solar ........................... 18
FIGURA
2.2 Sistema passivo direto de aquecimento solar ......................... 19
FIGURA
2.3 Sistema ativo direto de aquecimento solar ............................. 21
FIGURA
2.4
Coletor solar plano .................................................................. 25
FIGURA
2.5
Partes constituintes de um reservatório térmico ...................... 27
FIGURA
2.6 Estratificação da água no interior do reservatório térmico ...... 29
FIGURA
2.7 Resistência elétrica no interior do reservatório térmico ..........
FIGURA
2.8 Fonte auxiliar de energia instalada em paralelo com os
FIGURA
2.9 Fonte auxiliar de energia instalada em série com o
32
coletores solares ...................................................................... 32
aquecimento solar ................................................................... 33
FIGURA 2.10 Área de concentração de uma unidade de radiação em
função da latitude local ............................................................ 35
FIGURA 2.11 Inclinação do eixo de rotação da Terra em relação ao eixo
ortogonal ao plano de translação ............................................ 37
FIGURA 2.12 Translação e inclinação do eixo de rotação combinadas,
determinam as estações climáticas ......................................... 38
FIGURA 2.13 Posição do sol ao meio-dia (zênite) ......................................... 39
FIGURA 2.14 Altura mínima do sol durante o dia (ocaso) ............................. 40
FIGURA 2.15 Verão no hemisfério sul ........................................................... 41
FIGURA 2.16 Radiação solar na atmosfera e superfície terrestre ................. 42
10
FIGURA 2.17 Coletor voltado para o Norte com inclinação igual à latitude
local ......................................................................................... 44
FIGURA 2.18 Posição do reservatório térmico em sistema com circulação
natural ...................................................................................... 46
FIGURA 3.1 Sistema de aquecimento solar instalado e conectado ao
Laboratório de Hidráulica do CTU – UEL ................................ 50
FIGURA 3.2
Medidas usadas na montagem do sistema de aquecimento
solar ......................................................................................... 51
FIGURA 3.3
Desenho do esquema de montagem, materiais e
equipamentos do sistema utilizado na pesquisa ..................... 52
FIGURA 3.4
Coletor solar usado no experimento......................................... 54
FIGURA 3.5
Reservatório térmico e caixa de água fria ............................... 55
FIGURA 3.6
Saídas de água quente para consumo e de água fria para
coletores .................................................................................. 56
FIGURA 3.7
Entrada de água fria para o reservatório e retorno de água
quente dos coletores ............................................................... 56
FIGURA 3.8
Bomba centrífuga e hidrômetro para regulagem da vazão da
bomba ...................................................................................... 58
FIGURA 3.9
Termo-resistência PT 100 ....................................................... 59
FIGURA 3.10 Termo-resistência conectada na entrada do coletor ............... 60
FIGURA 3.11 Sistema de aquisição de sinais ............................................... 61
FIGURA 3.12 Sistema
de
aquisição
de
sinais
conectado
ao
microcomputador ..................................................................... 62
FIGURA 3.13 Cavalete simulador com hidrômetro e PT100 na saída da
ducha ....................................................................................... 63
FIGURA 3.14 Pares de temperatura X voltagem do sensor 1 ....................... 67
FIGURA 3.15 Pares de temperatura X voltagem do sensor 2 ....................... 68
11
FIGURA 3.16 Pares de temperatura X voltagem do sensor 3 .......................
69
FIGURA 3.17 Pares de temperatura X voltagem do sensor 4 .......................
70
FIGURA 3.18 Pares de temperatura x voltagem do sensor 5 ........................
71
FIGURA
4.1 Comparação entre os sensores 1-5 (22/05/2005) — Ensaio
FIGURA
4.2 Comparação entre os sensores 1-5 (05/03/2005) — Ensaio
com vazão de 5,21g/s.m2 ......................................................... 90
com vazão de 3,13 g/s.m2 .......................................................
FIGURA
4.3 Comparação entre os sensores 1-5 (03/03/2005) — Ensaio
FIGURA
4.4 Comparação entre os sensores 1-5 (02/03/2005) — Ensaio
FIGURA
4.5 Comparação entre os sensores 1-5 (17/02/2005) — Ensaio
FIGURA
4.6 Comparação
FIGURA
4.7 Comparação entre os sensores 1 - 5
FIGURA
4.8 Comparação entre os sensores 1 - 5 — Variação de
FIGURA
4.9 Comparação entre os sensores 1 - 5 — Variação de
90
com vazão de 11,34 g/s.m2 ...................................................... 91
com vazão de 1,81 g/s.m2 ........................................................ 92
com vazão de 9,30 g/s.m2 ........................................................ 93
entre os sensores 1- 5 — Variação de
temperatura no ensaio de 28/03/2005 ..................................... 106
— Variação de
temperatura no ensaio de 29/03/2005 ..................................... 106
temperatura no ensaio de 12/04/2005 ..................................... 107
FIGURA 4.10
FIGURA 4.11
temperatura no ensaio de 16/04/2005 ..................................... 108
Comparação entre os sensores 1 - 5 — Variação de
temperatura no ensaio de 22/04/2005, com perda de calor
por volta de 15:50h .................................................................. 109
Comparação entre os sensores 1 - 5 — Variação de
temperatura no ensaio de 11/05/2005 ..................................... 110
FIGURA 4.12 Comparação entre os sensores 1 - 5 — Variação de
temperatura no ensaio de 12/05/2005 ..................................... 110
12
FIGURA 4.13 Comparação entre os sensores 1 - 5 — Variação de
temperatura no ensaio de 13/05/2005 .....................................
— Variação de
temperatura no ensaio de 14/05/2005 .....................................
111
FIGURA 4.14 Comparação entre os sensores 1 - 5
111
FIGURA 4.15 Comparação entre os sensores 1 - 5 — Variação de
temperatura no ensaio de 26/05/2005 .....................................
118
FIGURA 4.16 Comparação entre os sensores 1 - 5 — Variação de
temperatura no ensaio de 27/05/2005 .....................................
118
13
LISTA DE TABELAS
TABELA 1.1 Total de consumo de energia (EJ = 10
18
J) por tipo de fonte,
2003 ............................................................................................ 4
TABELA 1.2 Principais fontes de energia elétrica no mundo .........................
5
TABELA 1. 3 Produção primária de energia no Brasil .....................................
7
TABELA 1.4 Energia primária — consumo por fonte no Brasil, 2003 ...........
8
TABELA 1.5 Composição
setorial
do
consumo
de
eletricidade
(Unidades: %) ............................................................................. 11
TABELA 3.1 Características da demanda de água quente em cinco
apartamentos .............................................................................. 74
TABELA 3.2 Posição do Registro X Vazão de Água Quente (l / min) ............. 79
TABELA 4.1 Ensaios para determinação da vazão ótima ............................... 88
TABELA 4.2 Ensaios para comparação do sistema com circulação natural e
com circulação forçada, 2005 ..................................................... 98
TABELA 4.3 Estatísticas como: médias, desvios padrão e números de
elementos (n) das variáveis estudadas nos dois grupos
(circulação natural e forçada) e Estatísticas do teste t com o
respectivo nível descritivo (p) ....................................................... 101
TABELA 4.4 Ensaios que apresentaram influência de sombreamento no
desempenho................................................................................ 104
TABELA 4.5 Ensaios realizados em dias com céu limpo ................................ 113
TABELA 4.6 Ensaios realizados nos dias 26/05/2005 e 27/05/2005 .............. 116
TABELA 4.7 Estratificação da água no reservatório térmico em ensaios com
circulação natural ....................................................................... 120
TABELA 4.8 Estratificação da água no reservatório térmico em ensaios com
circulação forçada ...................................................................... 121
14
LISTA
DE SIGLAS ABREVIATURAS
ABNT
Associação Brasileira de Normas Técnicas
AF
Água Fria
AQ
Água Quente
ASHRAE
American Society of Heating, Refrigeration and Air-Conditioning
Engineers
CAPES
Coordenação de Aperfeiçoamento de Pessoal de Nível Superior
CTU
Centro de Tecnologia e Urbanismo
EUA
Estados Unidos da América
GLP
Gás Liquefeito de Petróleo
IAPAR
Instituto Agronômico do Paraná
IPARDES
Instituto Paranaense de Desenvolvimento Econômico e Social
NBR
Norma Brasileira
PVC
Cloreto de Polivinila
REG
Registro
SAS
Sistema de Aquisição de Sinais
TRNSYS
Transient System Simulation Program
UEL
Universidade Estadual de Londrina
UFPR Universidade Federal do Paraná
15
LISTA DE SÍMBOLOS
LETRAS LATINAS
2
Ac
Área Útil da Placa Coletora Plana [m ]
Fr
Fator de Remoção de Calor da Placa Coletora
h1
Diferença de Nível Entre os Tubos de Entrada e de Saída de Água
dos Coletores [m]
h2
Diferença de Nível Entre os Tubos de Saída de Água para os
Coletores e de Retorno no Reservatório Térmico [m]
INSOL
Insolação Diária [h]
IT
Taxa de Radiação Solar Incidente na Superfície da Placa Coletora
[J / m2]
NB
Número de Banhos
q AQ
Vazão de Água Quente [l / min]
q AF
Vazão de Água Fria [l/min]
q MIST
Vazão de Água Misturada [l / min]
RAD
Radiação Solar Diária [cal/cm2]
T
Temperatura [ C]
Ta
Temperatura Ambiente [oC]
T AF
Temperatura de Água Fria [oC]
T AFi
Temperatura da Água Fria Inicial (de manhã) [oC]
T AFf
Temperatura da Água Fria Final (de noite) [oC]
T AQ
Temperatura da Água Quente no Início da Simulação do Perfil de
Consumo [oC]
Tci
Temperatura da Água que Entra no Coletor [oC]
T MAX
Temperatura Máxima Diária [oC]
o
16
T MED
Temperatura Média Diária [oC]
T MIN
Temperatura Mínima Diária [ C]
T MIST
Temperatura de Água Misturada [ C]
UL
Coeficiente Global de Perdas de Calor do Coletor [W / m . C]
U. REL.
Umidade Relativa do Ar [%]
V
Tensão Elétrica [V]
o
o
2 o
LETRAS GREGAS
θ
Latitude Local [o]
α
Absortância da Superfície Negra da Placa
β
o
Inclinação do Coletor Solar em Relação a Horizontal [ ]
τ
Transmitância da Cobertura de Vidro [W / m2. oC]
(τα
τα)
τα e
Produto Transmitância – Absortância Efetivo [W / m2. oC]
∆h
Distância Entre a Borda Superior dos Coletores e o Fundo do
Reservatório Térmico [m]
∆T AF
Variação da Temperatura da Água Fria Durante o Dia [oC]
∆T AQ
Ganho de Temperatura da Água Durante o Dia [ C]
o
17
SUMÁRIO
1 INTRODUÇÃO ....................................................................................... 1
1.1 Delineamento do Problema ......................................................... 9
1.2 Objetivos ...................................................................................... 14
1.2.1 Objetivo Geral .................................................................... 14
1.2.2 Objetivos Específicos ......................................................... 15
2 SISTEMAS DE AQUECIMENTO DE ÁGUA POR
ENERGIA SOLAR ................................................................................ 16
2.1 Tipos de Sistemas ...................................................................... 17
2.2 Componentes do Sistema ........................................................ 22
2.2.1 Coletores ............................................................................
2.2.2 Fluido Térmico ...................................................................
2.2.3 Reservatório Térmico ........................................................
2.2.4 Fonte Auxiliar de Energia .............................................
2.3 Condições de Funcionamento do Sistema ............................
2.3.1 O Sol na Superfície Terrestre .........................................
2.3.2 Instalação dos Coletores Planos .....................................
2.3.3 Instalação do Reservatório Térmico ................................
22
25
26
30
34
34
43
45
3 MATERIAIS E MÉTODOS ....................................................................
48
3.1 Instalações do Sistema de Aquecimento de
Água por Energia Solar .........................................................
49
3.2 Materiais e Equipamentos do Sistema de
Aquecimento de Água .............................................................
3.2.1 Coletores Solares ..............................................................
52
3.2.2 Reservatório Térmico ........................................................ 53
3.2.3 Tubulações Hidráulicas....................................................... 54
57
18
3.2.4 Reservatório de Água Fria ............................................... 57
3.2.5 Bomba Centrífuga .............................................................. 58
3.3 Instrumentos de Medição e Controle ..................................... 59
3.3.1 Termo-Resistências PT100 .............................................. 59
3.3.2 Sistema de Coleta de Sinais ....................................... 60
3.3.3 Microcomputador ................................................................ 61
3.3.4 Hidrômetro da Bomba ....................................................... 62
3.3.5 Hidrômetro da Ducha ...................................................... 63
3.3.6 Termômetro ........................................................................ 64
3.3.7 Cronômetro ......................................................................... 64
3.4 Calibragem dos Sensores PT100 .......................................... 64
3.5 Simulação do Perfil de Consumo ........................................... 71
3.5.1 Escolha de um Perfil de Consumo de
Água Quente ...................................................................... 71
3.5.2 Procedimentos da Simulação do Perfil
de Consumo ...................................................................... 76
3.6 Aferição do Volume de Água no Sistema .............................. 80
3.7 Determinação da Vazão Ótima da Bomba Centrífuga
para Funcionamento do Sistema Ativo ................................
3.8 Determinação do Desempenho do Sistema com Circulação
Natural (Sistema Passivo) e com Circulação Forçada
(Sistema Ativo) ..........................................................................
4 ANÁLISE DE DADOS E DISCUSSÃO
DOS RESULTADOS .............................................................................
4.1 Ensaios para a Determinação da Vazão Ótima
da Bomba Centrífuga ...............................................................
4.2 Comparação do Desempenho do Sistema Operando
com Circulação Natural e Forçada ........................................
4.3 Estratificação da Água no Reservatório Térmico ....................
82
84
86
87
96
119
19
5 CONCLUSÕES ........................................................................................
122
6 REFERÊNCIAS .......................................................................................
128
APÊNDICES
Apêndice A – Ficha ensaio ..................................................................... 136
Apêndice B – Demais 25 ensaios realizados para comparação entre
circulação natural e forçada................................................ 137
Apêndice C – Monitoramento de temperatura do ensaio
de 12/05/2005 .................................................................... 146
ANEXOS
Anexo 1 – Dados coletados na estação meteorólogica
do IAPAR ............................................................................... 155
20
1 INTRODUÇÃO
1
Na história do ser humano, várias formas de energia foram
utilizadas, predominando ainda hoje o uso de fontes primárias de energia, que são
aquelas que produzem energia pelo consumo direto de recursos naturais. Com o
advento das máquinas a vapor durante a Revolução Industrial do século XIX, o
carvão tornou-se a principal fonte de energia, em substituição à lenha, mais utilizada
até então. Ainda no final do século XIX, com o aumento sucessivo da exploração de
petróleo nos Estados Unidos, surgiu o recurso que permanece como o principal
utilizado para produção de energia. Mais prático para o transporte e viável
economicamente em virtude de seus subprodutos, o petróleo movimenta boa
parcela do mundo.
Nesta mesma época foi desenvolvido um tipo de energia
secundária, produzida a partir da transformação de energias primárias, que
modificaria completamente a maneira de viver da humanidade: a energia elétrica. A
comunicação, o transporte, a produção e tudo mais foi radicalmente influenciado
como observa Fernandes Filho et al. (2003, p. 1)
A eletricidade destacou-se ao longo do século XX devido à sua participação
e viabilização de atividades e processos, desde os primórdios da iluminação
pública até os atuais controles eletrônicos, destacando-se o advento dos
motores elétricos.
Contudo a revolução tecnológica que se desenvolveu no século XX,
promoveu também um enorme abismo entre países ricos e países pobres. O acesso
mais rápido às novas formas de obtenção e utilização de energia dividiu o mundo
em países desenvolvidos, em desenvolvimento e subdesenvolvidos. Nos países
desenvolvidos a escalada no consumo de energia foi muito rápida, sem que
2
houvesse uma preocupação em relação ao desperdício de energia. Em decorrência
disso existe na atualidade uma diferença maior que dez vezes no consumo de
energia per capita, entre os países industrializados onde vive 25% da população
mundial, e os países em desenvolvimento. Somente EUA e Canadá, que contam
com 6% da população mundial, consomem 25% da energia mundial disponível,
como pode ser identificado na Tabela 1.1.
3
4
A principal forma de geração de energia elétrica se dá pela
queima
de
combustíveis
fósseis,
conforme
indica
a
Tabela
1.2
(INTERNATIONAL ENERGY AGENCY apud MATOZZO, 2003, p. 1).
TABELA 1.2 – Principais fontes de energia elétrica no mundo.
FONTE
PARTE DO TOTAL
PRODUZIDO (%)
Petróleo
7,20
Carvão
38,84
Gás natural
19,00
Energia nuclear
16,49
Outros*
18,47
FONTE: International Energy Agency, dados de 2002.
*Combustíveis renováveis e de resíduos (1,55%), energia hidroelétrica (16,59%),
geotérmica, solar e eólica (0,33%).
A energia elétrica usada maciçamente na vida moderna é,
portanto, fruto da exploração de recursos naturais. A partir do momento em que
se percebeu a finitude destes recursos o mundo passou a se preocupar, como
pode ser verificado em Altmann (2002, p. 1) “A disponibilidade de energia é
base importante da existência humana, essencial à satisfação de necessidades
básicas tais como alimentação, vestuário, habitação e também a mobilidade e
comunicação”.
A autora ainda salienta que:
5
A fome de energia parece não ter limites em todo o mundo. Não são
apenas os países em desenvolvimento que fazem valer seu legítimo
direito ao crescimento econômico. Também nos países altamente
industrializados não se consegue vislumbrar um cenário de satisfação
plena desta demanda (ALTMANN, 2002, p.1).
Este fato se constitui um problema grave, uma vez que as
principais fontes geradoras de energia elétrica são consideradas não-renováveis,
porque demandam milhares de anos para se formarem na natureza.
No Brasil, o desenvolvimento da matriz energética se deu
principalmente através de fontes de energia renováveis como a energia
hidráulica, devido às características geográficas favoráveis do país. Porém a
capacidade de ampliação da produção de energia por hidroeletricidade, embora
sendo renovável, é limitada às condições da natureza, e principalmente aos
impactos ambientais provocados na construção de hidrelétricas.
O Ministério das Minas e Energias (2004) apresenta dados que
evidenciam que esta fonte não tem capacidade suficiente para tornar o país
auto-suficiente em geração de energia, uma vez que na última década cresceu
muito mais a produção de fontes não renováveis, como pode ser observado na
Tabela 1.3 (BRASIL, 2004).
6
TABELA 1.3 – Produção primária de energia no Brasil.
PRODUÇÃO DE ENERGIA PRIMÁRIA
FONTE
UNIDADE: 10³ tep
1993
2003
42291
97488
33169
77246
Gás Natural
7301
15675
Carvão Vapor
1784
1784
37
38
0
2745
67373
86388
Energia Hidráulica
20208
26301
Lenha
24803
25990
Produtos da Cana-de-Açúcar
19378
28348
2984
5749
109664
183876
NÃO RENOVÁVEL
Petróleo
Carvão Metalúrgico
Urânio (U3O8)
RENOVÁVEL
Outras Renováveis
TOTAL
FONTE: Ministério das Minas e Energia (2004).
OBS.: tep (tonelada equivalente de petróleo)
Embora o Brasil não esteja enquadrado entre as potências
mundiais de maior consumo de energia, identifica-se sua dependência da
geração de energia elétrica quando observamos a Tabela 1.4 de consumos por
tipo de fonte.
7
TABELA 1.4 – Energia primária — consumo por fonte no Brasil, 2003.
FONTE DE ENERGIA
PARTICIPAÇÃO (%)
Eletricidade
17,5
Óleo diesel
18,3
Lenha e carvão vegetal
12,3
Gasolina
7,4
Óleo combustível
4,3
Carvão mineral
1,7
Álcool
3,4
Outras
35,1
FONTE: Ministério das Minas e Energia (2004)
Uma das principais chaves para o desenvolvimento de qualquer
país no mundo atual, é portanto sua capacidade de gerar energia elétrica,
usando preferencialmente fontes renováveis e de recursos ilimitados. É também
fundamental o investimento em tecnologias que possam substituir ou
economizar o uso da energia elétrica. Este compromisso com o desenvolvimento
sustentável já foi assumido por diversos países como se pode constatar no
documento final da Conferência das Nações Unidas sobre Meio Ambiente e
Desenvolvimento, no Rio de Janeiro em 1992 (IPARDES, 2001, p. 18), onde
encontra-se
Especial atenção deve ser dedicada à demanda de recursos naturais
gerada pelo consumo insustentável, bem como ao uso eficiente desses
recursos, coerentemente com o objetivo de reduzir ao mínimo o
esgotamento desses recursos e de reduzir a poluição.
8
A energia solar insere-se neste cenário como uma das
alternativas mais promissoras, tendo sido pesquisada com maior interesse ao
longo dos últimos 40 anos. Como possui capacidade de renovação tão longa
quanto a vida do próprio planeta, se constitui numa opção bastante viável nas
regiões intertropicais, onde a incidência de radiação solar ao longo de todo o
ano, atinge excelentes índices. Outra característica favorável da energia solar é
a possibilidade de geração no próprio local de consumo, diminuindo assim
custos com o transporte da energia ao longo de grandes distâncias e facilitando
também a manutenção dos sistemas.
1.1 DELINEAMENTO DO PROBLEMA
As tecnologias atuais permitem o uso direto da energia solar de
duas formas: como fonte de luz e calor (contribuindo desta forma para economia
de energia elétrica) ou para a produção de eletricidade.
A produção de energia elétrica é feita utilizando-se painéis com
células fotovoltaicas, que ao absorverem luz, produzem corrente elétrica. Os
elevados custos de fabricação destas células ainda limitam seu uso a regiões
distantes (rurais por exemplo) onde fazer chegar linhas de transmissão de
eletricidade se torna muito caro. Na Europa, países como Alemanha, Áustria,
Suécia, Holanda, Grécia, Itália e Dinamarca participam de programas para
utilização de energia solar, e alguns deles estão promovendo a implantação de
telhados com painéis fotovoltaicos em edificações residenciais, para gerar a
energia elétrica necessária à edificação e através de um sistema de comutação
9
com a rede pública de energia, complementar automaticamente a demanda
quando o consumo exceder a autogeração. Existem ainda projetos para a
produção de eletricidade via satélite, captando e convertendo a energia solar por
meio de grandes painéis ao redor do planeta, e transmitindo a eletricidade para
a Terra por microondas.
O outro campo de utilização da energia solar, que vem a ser o
interesse principal deste trabalho, é a transformação da radiação do sol em
calor. Para este fim são utilizadas placas absorvedoras de radiação, onde estão
instalados tubos nos quais circula um fluido térmico. O fluido pode ser a própria
água que será consumida, ou um fluido trocador de calor que vai promover o
aquecimento esperado. Seu aproveitamento está ligado em maior escala ao
aquecimento de água para uso doméstico ou para sistemas de calefação.
Países da América do Norte e Europa, conforme artigo de Fisch, Guigas e
Dalenbäck (1998), desenvolvem estudos para a utilização da energia solar em
grande escala,
através
de projetos de vilas ou bairros com sistemas
coletivos de acumulação de água aquecida.
Países como o Brasil possuem no setor residencial o segundo
maior consumidor de energia elétrica, perdendo apenas para o setor industrial,
conforme se observa na Tabela 1.5.
10
TABELA 1.5 – Composição setorial do consumo de eletricidade (Unidades: %).
SETOR
1986
1990
1995
1998
3,40
3,14
3,13
3,14
3,19
3,19
3,54
RESIDENCIAL
19,11
22,36
24,01
25,85
25,84
25,18
23,80
COMERCIAL
10,47
10,94
12,19
13,54
13,85
14,31
14,36
PÚBLICO
7,94
8,33
8,72
8,87
8,81
8,96
9,18
AGROPECUÁRIO
2,67
3,06
3,46
3,78
3,93
4,00
4,25
TRANPORTES
0,62
0,55
0,46
0,38
0,37
0,38
0,41
55,79
51,61
48,02
44,43
44,00
43,98
44,45
CONSUMO FINAL
100,00
100,00
100,00
100,00
100,00
100,00
100,00
CONSUMO FINAL
(105 TEP*)
149,66
174,13
211,84
245,62
251,76
265,28
247,94
SETOR ENERGÉTICO
INDUSTRIAL
1999
2000
2001
FONTE: Ministério das Minas e Energia (2002).
* O fator de conversão para tep (tonelada equivalente de petróleo) de hidráulica e eletricidade
corresponde à equivalência térmica de geração: 1MWh = 3132 Mcal = 0,29 tep.
Importante
parcela
da
energia
elétrica
consumida
nas
residências é devido ao aquecimento de água com chuveiros elétricos. Segundo
Prado e Gonçalves (1992), em habitações populares a energia elétrica
consumida pelo chuveiro chega a 32% do total. Portanto a utilização da energia
solar para aquecimento de água neste tipo de habitação pode se tornar uma
importante ferramenta de redução de consumo de energia elétrica, bem como
proporcionar conseqüente melhoria das condições econômicas da população na
medida em que a energia solar é gratuita.
As principais barreiras à implantação desta alternativa, têm sido
o custo dos equipamentos que constituem o sistema de aquecimento solar, e as
11
limitações arquitetônicas que os sistemas mais comuns exigem das edificações
para um funcionamento satisfatório.
Pesquisas têm sido desenvolvidas com o objetivo de viabilizar
equipamentos com materiais mais baratos, como coletores de polietileno de alta
densidade sem cobertura estudados por Costa (2002) ou como Ríspoli (2001)
que trabalhou com cinco configurações diferentes para um aquecedor com
circulação natural, usando como coletores, desde tubos comuns de polietileno
enrolados em forma de caracol, passando por painéis abertos de chapa de aço
pintada de preto, até coletores industriais vendidos no comércio. O objetivo de
tais trabalhos é atingir um número maior de usuários.
Outra linha de trabalho é a que procura melhorar a eficiência dos
sistemas existentes, que embora vise incentivar o uso dos sistemas solares de
aquecimento de água em habitações coletivas ou unifamiliares de poder
aquisitivo melhor, tem sua importância na medida em que, viabiliza a
recuperação do investimento feito na implantação do sistema de maneira
mais rápida, incentiva a economia de energia elétrica e de combustíveis fósseis,
e cria um ciclo de desenvolvimento sustentável capaz de aprimorar tecnologias e
torná-las acessíveis a toda a população.
Várias destas pesquisas procuram encontrar combinações dos
parâmetros intervenientes no processo como a área dos coletores, o volume do
reservatório térmico, a potência e a posição da resistência elétrica auxiliar, de
forma a melhorar o desempenho do equipamento, através de simulações por
programas de computador já existentes, como é o caso do TRNSYS utilizado por
12
Vieira (2001). Outras pesquisas como a de Borges (2000), desenvolveu um
modelo matemático que foi convertido em programa de computador com a
finalidade de simular o desempenho térmico dos sistemas e assim melhorar o
entendimento de todo o processo. Alguns estudos como Siqueira (2003) e
Lourenço
Júnior
(2000)
combinaram
simulações
computacionais
com
experimentos no sentido de validar seus modelos matemáticos.
Nestes
trabalhos,
e
na
grande
maioria
das
pesquisas
cadastradas no Banco de Teses da CAPES sobre sistemas solares de
aquecimento de água, foram estudados sistemas com circulação natural, por ser
a configuração de sistema de menor custo, mas que apresenta um conjunto de
limitantes físicas para seu perfeito funcionamento, o que muitas vezes inviabiliza
a sua utilização.
Por outro lado, são escassos os trabalhos sobre sistemas com
circulação forçada, isto é, com o uso de uma bomba hidráulica para circular o
fluido pelos coletores solares, que embora necessitem de energia auxiliar
(geralmente elétrica) para seu funcionamento, tornam possível a instalação de
um sistema solar em qualquer configuração arquitetônica.
As características de cada um destes sistemas serão expostas
no Capítulo 2.
A ausência de parâmetros confiáveis para se projetar sistemas
com circulação forçada, com certeza têm levado profissionais da área a optar
por sistemas de aquecimento movidos por outras fontes de energia quando
13
encontram limitações físicas ao uso de sistemas solares por circulação natural.
Estima-se que nestes casos a energia consumida para aquecer a água é muito
maior do que aquela que seria necessária para movimentar a água pelos
coletores solares, representando portanto um desperdício de energia.
Diante deste panorama, esta dissertação se propõe a responder
questões como:
Qual
sistema
de
aquecimento
solar
obtém
melhor
desempenho, o passivo (com circulação natural) utilizado em
larga escala no Brasil, ou o sistema ativo (com circulação
forçada)?
Quais as condições de bombeamento recomendáveis para o
funcionamento com circulação forçada?
1.2 OBJETIVOS
1.2.1 OBJETIVO GERAL
Comparar o desempenho de um sistema passivo de
aquecimento
solar
(com
circulação
natural),
com
o
desempenho do mesmo sistema funcionando de forma ativa
(com circulação forçada), mediante um perfil de consumo de
água quente pré-definido.
14
1.2.2 OBJETIVOS ESPECÍFICOS
Estabelecer orientações confiáveis para o dimensionamento
e operação de bombas hidráulicas usadas para promover a
circulação forçada em sistemas ativos.
Pesquisar as variações de temperatura em um sistema de
aquecimento solar, com circulação natural e forçada, ao
longo da operação do sistema.
Avaliar as condições de temperatura da água no interior do
reservatório térmico após a captação de energia solar pelo
sistema.
15
2 SISTEMAS DE AQUECIMENTO
DE ÁGUA POR ENERGIA SOLAR
16
2.1 TIPOS DE SISTEMAS
Basicamente os sistemas de aquecimento de água por energia
solar são constituídos por receptores de radiação solar (em instalações
residenciais geralmente usam-se coletores planos), reservatórios de acumulação
de água aquecida, um sistema de distribuição para os pontos de utilização, e na
maioria das situações uma fonte auxiliar de energia para compensar períodos de
menor radiação solar ou de consumo acima de estimativas de dimensionamento.
A utilização de reservatórios de armazenamento permite que o fluido térmico
oriundo dos coletores seja diferente da água consumida, circulando pelo interior
do reservatório sem fazer contato direto com a mesma, o que se chama de
sistema indireto de aquecimento, representado na Figura 2.1, ou que o fluido
térmico seja a própria água a ser consumida, neste caso formando um circuito,
saindo do reservatório para os coletores e retornando aquecida para o
reservatório, o que se chama de sistema direto de aquecimento, conforme
Figura 2.2. O reservatório de acumulação se faz necessário também porque os
coletores são fontes de baixa capacidade calorífica, e portanto a vazão da água
na passagem pelos coletores deve ser pequena, para que ocorra uma maior
transmissão do calor, o que torna inviável o abastecimento direto de pontos de
utilização, uma vez que os perfis de consumo residenciais se concentram em
determinados horários do dia, exigindo maiores vazões (BUCKLES; KLEIN,
1980).
17
FIGURA 2.1 – Sistema ativo indireto de aquecimento solar.
18
FIGURA 2.2 – Sistema passivo direto de aquecimento solar.
Quanto à forma como acontece o processo de circulação do
fluido térmico pelos coletores solares existem dois tipos de sistema: o sistema
passivo e o sistema ativo.
No sistema passivo a circulação pelos coletores solares ocorre devido à
diferença de peso específico do fluido térmico nas regiões do reservatório de
acumulação e dos coletores. O fluido aquecido nos coletores fica mais leve e
tende a subir pelo princípio da convecção, enquanto o fluido que está na região
do reservatório, devido a estar mais frio, e portanto mais pesado, tende a descer
para os coletores, e assim se estabelece um processo de circulação que
permanece acontecendo enquanto houver diferença de temperatura. Esta
característica de funcionamento exige rigor quanto ao posicionamento do
19
reservatório de acumulação e dos coletores, devendo sempre o reservatório
estar em nível acima dos coletores, como na Figura 2.2, para que se torne
possível o fluido aquecido se deslocar de um nível inferior para um nível superior
e para dificultar o fluxo reverso, que pode ocorrer no período noturno devido à
inversão das temperaturas entre coletores e reservatórios (RUDNICK et al.,
1986).
A limitação no posicionamento dos componentes, muitas vezes
inviabiliza instalações que entram em conflito com características arquitetônicas
da edificação, porém possibilita o aquecimento da água e seu deslocamento até
o reservatório sem necessidade de consumo externo de energia. O processo de
circulação natural da água que ocorre no sistema passivo é conhecido no meio
científico
por
termossifão
(HOBSON;
NORTON,
1989;
KARAGHOULI;
ALNASER, 2001; KUDISH; SANTAMAURA; BEAUFORT, 1985;
YOUNG;
BERGQUAM, 1984).
No sistema ativo a circulação do fluido térmico entre os coletores
e o reservatório de acumulação é feita com o auxilio de uma bomba hidráulica
que transmite energia para o processo. O uso de energia auxiliar permite uma
maior
versatilidade
no
posicionamento
dos
componentes,
podendo
o
reservatório estar colocado em qualquer nível em relação aos coletores,
inclusive abaixo destes, conforme se observa na Figura 2.3, recomendando-se
nestes casos o uso de válvulas de retenção para se evitar situações de refluxo.
O acionamento da bomba pode ser feito por meio de termostatos controladores
das temperaturas do sistema, uma vez que promover a circulação do fluido
térmico em condições desfavoráveis pode provocar a perda de calor da água ao
invés do seu aquecimento. Podem ser usados também timers, para acionamento
20
da bomba em períodos específicos, nos quais a incidência de radiação solar
seja mais favorável, e se possa ter maior aproveitamento da energia.
FIGURA 2.3 – Sistema ativo direto de aquecimento solar.
No Brasil a quase totalidade dos sistemas residenciais de
aquecimento de água por energia solar utilizados é do tipo direto passivo,
ocorrendo em alguns casos, por imposições arquitetônicas ou por se tratar de
sistemas de grande porte, a necessidade de se optar por um sistema direto ativo
(SIQUEIRA, 1996).
Em países aonde o clima mais frio pode provocar o
congelamento da água no interior dos coletores, são usados com mais
freqüência sistemas ativos, uma vez que se pode acionar a circulação da água
com o objetivo de se evitar os efeitos da baixa temperatura, bem como os
sistemas
indiretos, utilizando fluidos térmicos com ponto de congelamento
inferior ao da água (LIMA, 2003).
21
2.2 COMPONENTES DO SISTEMA
2.2.1 COLETORES
Os coletores são os componentes responsáveis por captar a
energia solar que será absorvida pelo fluido térmico na forma de calor. Existem
coletores que concentram a radiação em pontos de absorção usando refletores
ou lentes. Este tipo de coletor tem como característica elevar o fluido térmico a
altas temperaturas, porém exige um sistema motorizado capaz de acompanhar o
deslocamento do sol de forma a manter sempre o foco concentrado no ponto de
absorção. Segundo Lima (2003), embora este coletor seja bastante eficiente, por
ser um equipamento caro e de difícil manutenção, não é usado em sistemas
residenciais de aquecimento de água.
Os coletores mais comumente usados são os coletores planos.
A superfície receptora neste tipo de coletor é a mesma que transfere o calor
para o fluido térmico. Segundo Hudson e Markell (1985) estes coletores
trabalham com temperaturas relativamente baixas se comparado com os
o
coletores concentradores, ficando abaixo de 93 C, porém exigem condições de
instalação e manutenção simples, e possibilitam a utilização da água em
temperaturas adequadas aos sistemas prediais de água quente.
O coletor plano ideal deve reunir um conjunto de características
capazes de absorver a maior quantidade possível de radiação solar e transmitir
o máximo de calor para o fluido térmico.
22
O modelo mais tradicionalmente utilizado, cujo esquema está
mostrado na Figura 2.4, é formado por uma caixa de superfície retangular, com
pequena espessura, geralmente de alumínio para ficar mais leve, tendo ao fundo
uma camada de material isolante térmico, que segundo Lima (2003), usa-se com
mais freqüência fibra mineral, fibra cerâmica, espuma de vidro, espuma de
plástico ou fibra de vidro.
Sobre o isolante térmico deve ser colocada uma
chapa de material com alta condutividade térmica. Treis (1991), recomenda que
se trabalhe com chapas metálicas, de cobre, alumínio, aço galvanizado ou aço
inox, sendo os dois primeiros materiais os mais preferidos por sua maior
durabilidade. Sobre a chapa absorvedora são instalados os tubos por onde irá
circular o fluido térmico, que também devem ser metálicos para facilitar a
transmissão de calor, trabalhando-se preferencialmente com tubos de cobre,
material bastante utilizado na tubulação que faz a ligação dos coletores com o
reservatório térmico, facilitando assim as conexões. Alguns modelos colocam
ainda uma segunda chapa metálica sobre o conjunto de tubos de circulação,
formando uma espécie de sanduíche, porém pesquisa feita por Rudnick et al.
(1986), mostrou ser desfavorável à transmissão de calor para a água este
procedimento. Para que os coletores absorvam uma maior quantidade de calor
deve-se criar sobre a chapa coletora uma superfície absorvedora de radiação.
Segundo Treis (1991, p. 27)
Existem dois tipos básicos, as superfícies não-seletivas e as seletivas.
As superfícies não-seletivas possuem alta absortância de radiação solar
e alta emitância de radiação térmica, o que provoca elevadas perdas de
calor por radiação. As superfícies seletivas também possuem alta
absortância de radiação solar, mas a emitância de radiação térmica é
baixa, produzindo melhores rendimentos.
Segundo Lenel e Mudd (1984), nas superfícies não-seletivas
utiliza-se tinta preto fosco a base de resina de poliéster, acrílico ou epóxi, pois
23
sua durabilidade é boa, e o custo acessível. Para superfícies seletivas usam-se
camadas de um tratamento eletro-químico que confere à placa propriedades
óticas que reduzem nela a emissão da radiação mantendo a sua capacidade de
absorção tão boa como a da tinta negra, porém os processos de obtenção
destas superfícies são ainda muito caros, inviabilizando sua aplicação em
coletores para sistemas prediais.
Para compensar as perdas radiativas da superfície absorvedora
e as perdas convectivas de calor para a atmosfera, é instalada uma superfície
transparente ligeiramente acima, fechando a caixa e formando um colchão de ar
sobre a região onde circulam os tubos, criando um efeito estufa ao refletir de
volta a radiação de ondas longas. O material mais utilizado é o vidro, que
conforme Treis (1991), possui alta transmitância de radiação solar, de 83% a
91%, baixa transmitância de radiação térmica, de 0 a 3% e ótima resistência a
intempéries. Outros materiais utilizados são acrílico, policarbonato e filme de
tedlar, que possuem boas propriedades óticas, mas podem deformar com a
temperatura e geralmente estão sujeitos à degradação pela radiação solar,
devido à radiação ultravioleta (LENEL; MUDD, 1984).
24
FIGURA 2.4 – Coletor solar plano.
2.2.2 FLUIDO TÉRMICO
O fluido térmico é o responsável por transmitir o calor absorvido
no coletor solar para a água acumulada no reservatório térmico. Pode fazer isto
diretamente, quando a própria água acumulada circula pelo coletor e retorna
para o reservatório, ver Figura 2.2, ou indiretamente através de um trocador de
calor, como na Figura 2.1.
25
Conforme Treis (1991) o fluido térmico deve possuir como
principais características, alta condutividade e capacidade térmica, baixa
viscosidade, baixa densidade e coeficiente de expansão, que são características
encontradas na água. Os defeitos da água são a possibilidade de congelamento,
a formação de vapor em temperaturas ambientes e a formação de incrustações
e corrosão em alguns materiais. Por isso são usados recursos como respiros e
válvulas drenantes acionadas automaticamente por termostatos em sistemas
passivos, e o acionamento automático da bomba de circulação em sistemas
ativos, para combater os problemas da água como fluido térmico.
Segundo Lima (2003), nos sistemas indiretos são usados como
fluido térmico, o etileno-glicol ou o propileno-glicol, que possuem excelentes
características de absorção e transmissão térmica.
2.2.3 RESERVATÓRIO TÉRMICO
O reservatório térmico tem a função de regular o fornecimento
de água quente para o sistema, compensando perfis de consumo com vazões
superiores àquelas que ocorrem na circulação pelos coletores solares, ou
possibilitando o fornecimento de água quente em períodos que não existe
radiação solar para promover o aquecimento, como por exemplo durante a noite
ou nas primeiras horas da manhã.
Petrucci (1998, p.18), descreve a constituição de um reservatório
térmico, e que pode ser verificada na Figura 2.5.
26
O reservatório de água quente geralmente é constituído de um tanque,
fundamentalmente cilíndrico, construído em chapa metálica, podendo
ser tanto em aço inoxidável, como em aço revestido internamente com
camada de material anticorrosivo. Externamente, tais tanques são
isolados termicamente por camadas de material de baixa
condutibilidade térmica, como a lã de vidro, espuma de poliuretano ou
similares, tendo uma capa metálica como acabamento, constituindo-se
tal capa, na parede externa do mesmo.
FIGURA 2.5 – Partes constituintes de um reservatório térmico.
São usados também com bastante freqüência tanques de cobre,
material que possui boa resistência à corrosão, é relativamente leve, e facilita a
conexão com as tubulações que fazem a circulação com os coletores, que
normalmente são do mesmo material. Sua desvantagem em relação ao aço
está na alta condutividade térmica, levando a maiores perdas de calor para
atmosfera, exigindo portanto, camadas mais espessas do material isolante
térmico de envolvimento. Alguns fabricantes têm experimentado a utilização de
materiais não metálicos como o polipropileno, polietileno ou fibra de vidro, que
27
são materiais com menor condutividade térmica, mas que apresentam
problemas nos pontos de adaptação quando são usados materiais metálicos nas
tubulações, e em alguns casos apresentam deteriorações relacionadas às
variações constantes de temperatura (RUDNICK et al., 1986).
Os reservatórios térmicos quanto à posição, podem ser
horizontais ou verticais. A posição do reservatório, bem como a maneira como a
água é introduzida no seu interior, seja por recarregamento devido ao consumo,
seja pela circulação no processo de aquecimento solar, são importantes para
definir a maneira como água se acomoda no interior do reservatório.
Petrucci (1998, p. 19) explica que
Devido à variação do peso específico da água em função da
temperatura, a água que entra no tanque, em temperatura mais baixa
que aquela que se encontra em seu interior, tende a se posicionar
abaixo desta. A este fenômeno dá-se o nome de estratificação, pois a
água se dispõe no interior do tanque como em camadas, segundo suas
temperaturas (ou densidades).
Segundo pesquisa de Phillips e Dave (1982) em reservatórios
verticais a estratificação ocorre com maior definição que nos horizontais, onde
acontece equilíbrio de temperatura mais rapidamente entre as camadas por
condução térmica, uma vez que a área de contato entre elas é maior, como
pode ser observado na Figura 2.6. Conforme Al-Ibrahim et al. (1998), os
reservatórios horizontais estão sujeitos também à ocorrência de maior mistura
durante a entrada de água.
28
FIGURA 2.6 – Estratificação da água no interior do reservatório térmico.
Em sistemas passivos diretos de aquecimento de água por
energia solar, a estratificação é importante para facilitar o processo de circulação
entre reservatório e coletores. Por isso conforme Morrison e Braun (1985) nestes
sistemas os reservatórios verticais são mais eficientes que os horizontais, porém
algumas
vezes,
restrições
arquitetônicas
dificultam
a
acomodação
do
equipamento, e influenciam na escolha do modelo. A necessidade do mercado
de atender um maior número de situações de instalação dos sistemas de
aquecimento solar, levou as fábricas a produzirem na maioria das vezes
reservatórios horizontais. Algumas delas desconhecendo a importância da
posição do reservatório no processo de aquecimento, sequer oferecem opção ao
consumidor. Em ASHRAE apud LIMA (2003, p.16), ressalta-se que “o projeto e
seleção do reservatório térmico tem sido um dos elementos mais negligenciados
nos sistemas de aquecimento solar”.
29
2.2.4 FONTE AUXILIAR DE ENERGIA
Os sistemas de aquecimento de água por energia solar são
sistemas cuja fonte principal de energia altera a sua potência ao longo do tempo,
devido às variações da radiação solar durante o ano e das constantes mudanças
climáticas. Como conseqüência o dimensionamento do equipamento leva em
consideração condições satisfatórias de funcionamento para a maior parte do
tempo. Segundo Fisch, Guigas e Dalenbäck (1998), os sistemas solares são
projetados para atender entre 50 a 70% da demanda de aquecimento, não
sendo viável atender as condições mais desfavoráveis, o que levaria a um
superdimensionamento em períodos de maior incidência de radiação e também
aumentaria consideravelmente o custo de implantação do equipamento.
Os perfis de consumo de sistemas residenciais de água quente
também são muito dinâmicos, podendo em diversas situações exigir uma
demanda maior que a capacidade do equipamento.
Para compensar o desempenho do sistema de aquecimento
solar em situações desfavoráveis, os equipamentos são apoiados por fontes
auxiliares de energia, normalmente acionadas automaticamente por meio de
termostatos instalados no interior do reservatório térmico. Quando a temperatura
da água no interior do reservatório atinge valores abaixo do recomendável para
a utilização, a fonte auxiliar de energia é acionada complementando o calor
necessário até atingir uma temperatura ideal para uso.
As principais fontes de energia auxiliar utilizadas são a energia
elétrica e a combustão de gás natural, GLP, óleo diesel ou lenha. Os
30
aquecedores auxiliares podem ser instalados no interior do reservatório térmico,
como é o caso de resistências elétricas, representados na Figura 2.7, ou fora
dele. Na segunda situação, podem ficar em paralelo aos coletores solares,
quando por exemplo, se utilizam aquecedores a gás de passagem, ver Figura
2.8, ou ainda podem estar ligados em série após a saída do reservatório térmico,
com a opção de se trabalhar com
aquecedores de passagem ou de
acumulação. O uso de aquecedores de passagem, elétricos ou a gás em série,
conforme a Figura 2.9, acaba restringindo a vazão de distribuição e portanto,
prejudicando uma das vantagens do sistema solar que é trabalhar por
acumulação. Quando se utilizam aquecedores de acumulação ligados em série,
elétricos ou a gás, estes recebem a água aquecida do equipamento solar,
acionando sua fonte de energia somente quando a temperatura mínima de uso
não for atingida.
31
FIGURA 2.7 – Resistência elétrica no interior do reservatório térmico.
FIGURA 2.8 – Fonte auxiliar de energia instalada em paralelo com os coletores
solares.
32
FIGURA 2.9 – Fonte auxiliar de energia instalada em série com o aquecimento
solar.
No Brasil a configuração mais usada é a da resistência elétrica
no interior do reservatório, por ser a de menor custo e também mais simples
para a instalação (VIEIRA, 2001).
O uso inadequado da fonte auxiliar de energia pode muitas
vezes prejudicar o funcionamento do sistema de aquecimento solar. Hollands e
Lightstone (1989) concluíram por exemplo, que água bombeada com elevada
vazão entrando no reservatório (possível ocorrência quando usado aquecedor a
gás de passagem em paralelo) pode causar importante interferência na
estratificação da temperatura no interior do aquecedor, provocando mistura entre
as camadas e assim prejudicando a circulação por termossifão entre coletores e
33
reservatório, devido à homogeneização da temperatura. Shariah e Löf (1997)
pesquisaram a influência das fontes auxiliares
simulando a utilização do
aquecimento solar para diferentes perfis de consumo e encontraram situações
em que a melhor solução foi a colocação da resistência elétrica auxiliar fora do
reservatório do sistema (dentro de um reservatório de apoio ligado em serie),
possibilitando assim uma maior participação do aquecimento solar no total da
energia utilizada. Em alguns casos como estes pode ocorrer uma inversão de
funções, passando a energia solar a funcionar como auxiliar da outra fonte de
energia, deturpando o objetivo principal do sistema.
2.3 CONDIÇÕES DE FUNCIONAMENTO DO SISTEMA
2.3.1 O SOL NA SUPERFÍCIE TERRESTRE
A principal energia utilizada para aquecimento da água em um
sistema por energia solar é a energia eletromagnética gerada e irradiada pelo
sol. Por isso os coletores planos usados nos sistemas residenciais devem ser
instalados de forma a captar a maior quantidade possível de radiação para ser
convertida em calor.
Instalar os coletores depende portanto de que sejam conhecidas
as condições como a radiação solar atinge a superfície terrestre.
A
radiação
sofre,
por exemplo,
a
influência
da forma
arredondada da Terra. Regiões localizadas próximo à linha do Equador devido
ao ângulo de incidência, recebem uma determinada quantidade de radiação
concentrada em uma área menor. Na medida em que a latitude de uma região é
34
maior, seja para o norte ou para o sul, aumenta a área de incidência da
radiação, diminuindo portanto, sua concentração, como se observa na Figura
2.10.
FONTE: Hudson e Markell (1985).
FIGURA 2.10 – Área de concentração de uma unidade de radiação em função
da latitude local.
O movimento de translação da Terra ao redor do Sol, ocorre
segundo uma órbita elíptica plana. Já o eixo de rotação da Terra encontra-se
com uma inclinação de 23o 27’ em relação ao eixo ortogonal ao plano de
translação, como indicado na Figura 2.11. Essa inclinação faz com que cada
35
hemisfério receba quantidades de energia diferentes, dependendo da posição
em que a Terra se encontra. É o movimento de translação da Terra, associado a
essa inclinação, que determina as estações do ano, primavera, verão, outono e
inverno, provocando portanto, períodos de maior e menor captação de radiação
durante o ano, representados na Figura 2.12. Quando a Terra passa pelos eixos
do maior raio da elipse, duas latitudes no planeta recebem energia máxima. Isto
ocorre, em dezembro, na latitude de 23° ao sul do equador, conhecida como
Trópico de Capricórnio e, em junho na latitude de 23° ao norte do equador,
conhecida como Trópico de Câncer. Quando o Sol se encontra no Trópico de
Capricórnio dizemos que é o solstício de verão no hemisfério Sul e de inverno no
hemisfério norte. Quando o sol se encontra no Trópico de Câncer é inverno no
hemisfério sul e verão no hemisfério norte. Durante março e setembro a Terra se
encontra em posições igualmente distantes do sol. Nesta época, a quantidade
de energia que incide sobre o planeta é a mesma em todas as latitudes. Esta
situação é conhecida como equinócios (UNIVERSIDADE FEDERAL DO
PARANÁ, 2003).
36
FIGURA 2.11 – Inclinação do eixo de rotação da Terra em relação ao eixo
ortogonal ao plano de translação.
37
FONTE: Hudson e Markell (1985)
FIGURA 2.12 – Translação e inclinação do eixo de rotação combinadas,
determinam as estações climáticas.
A rotação terrestre faz com que a cada hora do dia os raios
solares atinjam determinada superfície sob diferentes ângulos. O recebimento
de energia em qualquer localidade do planeta depende da posição do sol no
céu, independentemente de sua latitude e é esta posição que define a altura do
sol em relação aos observadores na superfície da Terra. A altura do sol é
máxima quando ela está no centro do céu por volta do meio dia, como se vê na
Figura 2.13. Esta posição é conhecida como zênite. Quando o sol está no zênite
a energia que atinge a superfície é máxima. A altura do sol é mínima quando ele
38
se põe no horizonte, conforme a Figura 2.14, momento chamado de ocaso.
Quando sol está no ocaso a energia que atinge a superfície é mínima. Durante a
noite uma face do globo encobre totalmente a outra, impedindo-a de receber
radiação (UFPR, 2003).
FIGURA 2.13 – Posição do sol ao meio-dia (zênite).
39
FIGURA 2.14 – Altura mínima do sol durante o dia (ocaso).
O movimento aparente do sol e a latitude também definem a
duração do dia. Os dias são longos no verão e curtos no inverno. Assim, quanto
maior o dia, maior é a quantidade de insolação recebida pela superfície e quanto
menor o dia menor a quantidade de insolação recebida pela superfície. Por isso
o hemisfério de verão recebe mais energia solar que o de inverno. No caso da
Figura 2.15, é o hemisfério sul.
40
FIGURA 2.15 – Verão no hemisfério sul.
As
condições
atmosféricas
também
exercem
importante
influência sobre a radiação solar. Embora a atmosfera seja muito transparente à
radiação solar incidente, somente em torno de 25% penetra diretamente na
superfície da Terra sem nenhuma interferência da atmosfera, constituindo a
insolação direta. O restante é refletido de volta para o espaço, ou absorvido, ou
espalhado em volta, até atingir a superfície da Terra. Aproximadamente 30% da
energia solar é refletida de volta para o espaço, pela atmosfera, pelas nuvens e
pela superfície terrestre. Embora a radiação solar incida em linha reta, os gases
41
e aerossóis podem causar seu espalhamento, dispersando-a em todas as
direções, para cima, para baixo e para os lados. A insolação difusa é constituída
de radiação solar que é espalhada ou refletida de volta para a Terra.
Esta insolação difusa é responsável pela claridade do céu durante o dia e
pela iluminação de áreas que não recebem iluminação direta do sol (UFPR,
2003). Em dias nublados a radiação difusa é normalmente toda a radiação
disponível. Segundo Hudson e Markell (1985), em dias claros, 10% da radiação
que chega à superfície terrestre é difusa. Este conjunto de situações observa-se
na Figura 2.16.
FONTE: UFPR (2003)
FIGURA 2.16 – Radiação solar na atmosfera e superfície terrestre.
42
2.3.2 INSTALAÇÃO DOS COLETORES PLANOS
A posição dos coletores solares planos em um sistema de
aquecimento por energia solar deve ser de tal forma que estes recebam a maior
quantidade possível de radiação durante o dia. Isto será obtido se os coletores
ficarem expostos à insolação por maior período de tempo e de maneira que a
incidência dos raios aconteça com ângulo mais favorável nos momentos de
maior disponibilidade de energia. Como foi visto na Subseção 2.3.1., a latitude
do local de instalação está relacionada com o ângulo de incidência e o
hemisfério em que o local está situado vai determinar a direção de inclinação do
Sol durante o dia, para o Norte no hemisfério sul ou para o Sul no hemisfério
norte. O movimento de rotação da Terra determina que o Sol apareça no
horizonte a Leste e desapareça no final do dia a Oeste, portanto posicionar os
coletores voltados para uma destas direções ocasionará a formação de sombra
do coletor sobre ele próprio em metade do dia, perdendo portanto energia. . Por
isso deve-se tomar como base as características de insolação da região em que
o equipamento será utilizado. De acordo com a NBR 12269 (ABNT 1992, p.3),
temos a seguinte recomendação, ilustrada na Figura 2.17, para instalações no
Brasil:
Os coletores solares devem ser instalados voltados para o Norte
o
verdadeiro. Desvios de até 15 desta direção não prejudicam
seriamente a eficiência. Instalações executadas nas regiões brasileiras
situadas no hemisfério Norte devem ter seus coletores solares voltados
para o Sul verdadeiro.
A fim de que se obtenha um ângulo de incidência da radiação
direta perpendicular à superfície coletora, os coletores planos devem ser
43
instalados com uma inclinação em relação à horizontal equivalente ao ângulo da
latitude local, conforme a Figura 2.17. A NBR 12269 (ABNT, 1992, p.3), salienta
que, “nos sistemas termossifão, qualquer que seja a latitude, não deve ser
o”
utilizada uma inclinação inferior a 10 . Isto se deve à necessidade de se
provocar uma condição mínima de desnível que possibilite a movimentação
devido à diferença de peso específico entre a água aquecida que é mais leve e
tende a subir e a água fria que é mais pesada e que portanto tende a descer.
θ =
FIGURA 2.17 – Coletor voltado para o Norte com inclinação igual à latitude local.
Como ocorre ainda uma variação no ângulo do sol em relação
ao horizonte durante o ano, devido à combinação do movimento de translação
da Terra com a inclinação do eixo de rotação, alguns autores estudaram os
efeitos na captação de energia para diferentes inclinações nos coletores solares.
Duffie e Beckman (1991) concluíram que se capta a maior quantidade de
44
energia durante todo o ano quando a inclinação dos coletores (θ) é igual à
latitude do local, porém se obtém a maior quantidade de energia no inverno
(período de maior necessidade de aquecimento) quando θ = latitude + 15o.
Arruda (2004), simulou em computador várias inclinações para coletores
o
instalados na cidade de São Paulo (latitude 23 S), e encontrou que a melhor
combinação de ganho de energia no inverno (+ 4,6%) e de perda global no ano
(-1,5%) em relação ao obtido para θ = latitude, ocorreu para θ = latitude + 10o.
2.3.3 INSTALAÇÃO DO RESERVATÓRIO TÉRMICO
Considerando-se o princípio de que a água aquecida nos
coletores planos irá se deslocar para cima, nos sistemas operando sob as
condições de termossifão é imprescindível que o reservatório térmico fique
localizado em nível superior aos coletores, conforme mostra a Figura 2.18.
Durante o dia à medida que os coletores captam energia e transferem calor para
a água, ocorre naturalmente o deslocamento da água mais fria da região inferior
do reservatório térmico, para os coletores, e da água aquecida nos coletores
para o reservatório térmico. Um fator capaz de interferir neste processo,
segundo Morrison e Ranatunga (1980), é a perda de pressão causada pelo atrito
da água com a tubulação durante o deslocamento, logo se deduz que, quanto
menor for o trecho percorrido pela água, dos coletores até o reservatório, melhor
para a circulação natural. Por isso recomenda-se que os reservatórios térmicos
fiquem imediatamente acima da borda superior dos coletores planos.
45
FIGURA 2.18 – Posição do reservatório térmico em sistema com circulação
natural.
Existe ainda a possibilidade no período noturno, especialmente
nos dias mais frios, de ocorrer fluxo reverso, ou seja, a perda de calor dos
coletores para a atmosfera, provoca o deslocamento da água em sentido
contrário, ocasionando perda da energia que havia sido acumulada no processo
durante o dia.
Algumas pesquisas foram feitas procurando identificar as
condições para minimizar a possibilidade de ocorrer fluxo reverso sem prejudicar
a circulação natural. Norton e Probert (1983) recomendaram uma média de
50cm de distância entre a borda superior dos coletores e o fundo do reservatório
térmico (∆h), e Morrison (1986) concluiu que a distância entre a borda superior
46
dos coletores e o fundo do reservatório térmico (∆h), deve variar conforme a
diferença de nível entre a posição da saída de água para os coletores e a
posição de retorno da água para o reservatório térmico (h2). Para h2 = 0 deve
ser utilizado ∆h = 5 cm e para h2 = 1 m deve ser utilizado ∆h = 25 cm. Vaxman e
Sokolov (1986) considerando uma instalação convencional com tubo de saída
para os coletores posicionado no fundo do reservatório térmico, e tubo de
retorno conectado no topo deste, compararam a redução de eficiência do
sistema durante o dia no fluxo normal e durante a noite no fluxo reverso, devido
ao aumento de perda por atrito causado pelo comprimento de tubulação, e
recomendaram um ∆h, entre 30cm e 80cm, para balancear as perdas ocorridas
nos dois períodos. A maioria dos fabricantes no Brasil tem recomendado uma
distância mínima de 10 a 30cm para esta condição de instalação (CUMULUS
AQUECEDORES S.A., 1996; HELIOTEK, 2004; HIDROTECNICA, 2004;
SOLETROL INDÚSTRIA E COMÉRCIO LTDA, 2000; TRANSEN INDÚSTRIA E
COMÉRCIO LTDA, 1997).
Em sistemas ativos, em que o fluxo da água através dos
coletores é feito por meio de bombeamento, a posição do reservatório térmico
pode ser até em nível inferior ao dos coletores planos, e também distante dos
mesmos, devendo nestes casos ser utilizadas válvulas de retenção nas
tubulações de ligação entre o reservatório e os coletores a fim de se evitar o
fluxo inverso quando a bomba estiver desligada. A bomba e a tubulação devem
ser dimensionadas de forma que a vazão ideal para o melhor rendimento dos
coletores possa se estabelecer no circuito.
47
3 MATERIAIS E MÉTODOS
48
3.1 INSTALAÇÕES DO SISTEMA DE AQUECIMENTO DE
ÁGUA POR ENERGIA SOLAR
A pesquisa apresentada nesta dissertação foi do tipo descritiva
experimental, tendo sido realizada em terreno anexo ao Laboratório de
Hidráulica do Centro de Tecnologia e Urbanismo
(CTU), da Universidade
Estadual de Londrina (UEL).
A cidade de Londrina está localizada no norte do Estado do
Paraná, e possui uma população de 447.065 habitantes, ocupando uma área de
2
o
o
1.724 km . Fica na latitude 23 S, longitude 51 O, a uma altitude média de
576m (LONDRINA, 2005).
A UEL é uma instituição de ensino superior, mantida pelo
Governo do Estado, com 41 cursos de graduação e 32 cursos de pós-graduação
Stricto Sensu.
O Laboratório de Hidráulica do CTU, conta com um setor onde
funciona um laboratório de saneamento, um outro setor de hidráulica geral e
fenômenos do transporte, e uma ala destinada a sistemas hidráulicos prediais,
cujas instalações serviram de apoio para a montagem do sistema objeto desta
pesquisa e também para abrigar o sistema de aquisição de dados.
Devido à falta de equipamentos adequados para a coleta de
dados de radiação solar, temperatura ambiente, umidade relativa do ar e horas
de insolação, foram utilizados os dados coletados na estação meteorológica do
Instituto Agronômico do Paraná
(IAPAR), localizado a 5 km do local da
49
realização dos ensaios, o que para esta pesquisa de caráter comparativo
mostrou-se suficiente. As tabelas do IAPAR encontram-se no Anexo A.
Na Figura 3.1 pode ser observado o sistema de aquecimento
solar instalado ao lado do Laboratório de Hidráulica, e a tubulação por onde
passavam os cabos de ligação dos sensores de temperatura com o sistema de
aquisição de dados.
FIGURA 3.1 – Sistema de aquecimento solar instalado e conectado ao
Laboratório de Hidráulica do CTU – UEL.
O sistema foi instalado segundo as recomendações da NBR
12269 — Execução de Instalações de Sistemas de Energia Solar, que utilizam
coletores solares planos para aquecimento de água (ABNT, 1992). Os coletores
solares foram posicionados voltados para o Norte, com uma inclinação de 23o,
equivalente à latitude de Londrina. Em um nível 30 cm acima da borda superior
dos coletores, foi instalado o reservatório térmico, que era do tipo horizontal, e
30 cm acima da geratriz superior deste, foi posicionado o reservatório de água
50
fria. O equipamento utilizado (reservatório térmico e coletores solares) foi obtido
por empréstimo junto a uma empresa que comercializa aquecedores solares na
cidade de Londrina. Portanto o equipamento utilizado e as condições de
instalação do sistema de aquecimento solar objeto desta pesquisa foram
similares àquelas encontradas nos sistemas utilizados nas residências da
cidade. Apesar do reservatório térmico possuir uma resistência elétrica instalada
como fonte auxiliar de energia, esta foi mantida desligada, a fim de que a
energia acumulada pela água fosse somente devido à radiação solar absorvida
pelos coletores solares.
CX. ÁGUA FRIA
RESERVATÓRIO
TÉRMICO
0,60m
0,30m
COLETOR SOLAR
0,85m
23º
0,50m
FIGURA 3.2 – Medidas usadas na montagem do sistema de aquecimento solar.
51
3.2 MATERIAIS E EQUIPAMENTOS DO SISTEMA DE
AQUECIMENTO DE ÁGUA
FIGURA 3.3 – Desenho do esquema de montagem, materiais e equipamentos
do sistema utilizado na pesquisa.
52
3.2.1 COLETORES SOLARES
Foram utilizados dois coletores solares planos, do tipo em que a
circulação da água é feita através de tubos dispostos paralelamente. Cada
unidade é constituída por 7 tubos paralelos, de diâmetro igual a 12,7mm (1/2
polegada). Os tubos são interligados na base por um tubo perpendicular
distribuidor e no topo por um tubo perpendicular coletor, ambos com 19mm (3/4
polegada) de diâmetro. O espaçamento entre os tubos paralelos é de 100mm. A
grade de tubos é soldada por cima de uma chapa de alumínio de 1mm de
espessura. Tubos e chapa são pintados com tinta preta fosca resistente a altas
temperaturas. As dimensões de cada coletor são 1,67m de comprimento por
0,72m de largura, totalizando as duas placas uma área de captação de 2,4m2.
Este conjunto de tubos e chapa é montado em uma caixa de
perfis de alumínio, ficando a região inferior separada do fundo externo por um
camada de isolante térmico constituída de 25mm de lã de vidro. A face superior
é recoberta por uma lâmina de vidro transparente de 3mm de espessura a uma
distância de 15mm da chapa absorvedora.
53
FIGURA 3.4 – Coletor solar usado experimento.
3.2.2 RESERVATÓRIO TÉRMICO
O reservatório de água quente é do tipo cilíndrico horizontal, com
0,60m de diâmetro e 1,20m de comprimento externos, confeccionado em chapa
de cobre, envolvido por uma camada de 50 mm de espessura de lã de vidro
para isolamento térmico, e tendo como acabamento externo uma chapa de aço
cromada de 2mm. O volume de acumulação é de 200 litros.
54
FIGURA 3.5 – Reservatório térmico e caixa de água fria.
Nas duas faces circulares foram instaladas conexões roscáveis
tipo BSP com 1 polegada de diâmetro, ficando em uma face na região inferior a
saída de água fria para os coletores e na parte superior a saída de água quente
para consumo. Na outra face na região central fica a conexão de retorno de
água quente dos coletores e na parte inferior a entrada de água fria oriunda do
reservatório de abastecimento. Por se tratar de um modelo de reservatório
comercializável, ele possui também na primeira face descrita, na região central,
a instalação de uma resistência elétrica auxiliar do aquecimento.
55
FIGURA 3.6 – Saídas de água quente para consumo e de água fria para
coletores.
FIGURA 3.7 – Entrada de água fria para o reservatório e retorno de água
quente dos coletores.
56
3.2.3 TUBULAÇÕES HIDRÁULICAS
Na interligação entre o reservatório térmico e os coletores solares
foram utilizados tubos de cobre soldáveis com diâmetro externo comercial de
22mm ou 3/4 polegadas, classe E segundo NBR 13206 (ABNT, 2004), conexões
de cobre soldáveis e de bronze roscáveis segundo a NBR 11720 (ABNT, 2005),
registros de gaveta e válvulas de esfera de bronze com diâmetros compatíveis
com a tubulação. Foram utilizados os mesmos materiais no trecho de
abastecimento de água quente do cavalete para ducha, acoplado ao aquecedor
solar para simulação de perfis de consumo. Todos os trechos de circulação de
água quente foram envolvidos com isolamento térmico de espuma de polietileno
expandido com 5mm de espessura. As tubulações e conexões de ligação do
reservatório de água fria ao reservatório de água quente, e ao cavalete de
simulação da ducha, foram executadas em PVC soldável classe 15 conforme a
Norma a NBR 5648 (ABNT, 1999).
3.2.4 RESERVATÓRIO DE ÁGUA FRIA
Foi utilizada uma caixa de fibrocimento com volume de 500
litros, com base retangular de 1,05m de comprimento por 0,90m de largura e
altura de 0,65m. A conexão das tubulações de abastecimento foi executada
através da abertura de passagens por meio de furadeira e a utilização de flanges
de PVC com vedação de borracha.
57
3.2.5 BOMBA CENTRÍFUGA
A escolha da bomba centrífuga levou em consideração a
necessidade de variação da vazão para se identificar qual padrão de fluxo seria
o ideal para se atingir o melhor desempenho do sistema de aquecimento quando
este funcionar como sistema ativo. Então foi selecionada a bomba marca
Schneider modelo BCR 2000 com caracol e rotor em bronze para resistir à água
quente, motor com potência de ¼ CV, 60Hz e 3450rpm, conexões de entrada e
saída de ¾ polegadas.
FIGURA 3.8 – Bomba centrífuga e hidrômetro para regulagem da vazão da
bomba.
58
3.3 INSTRUMENTOS DE MEDIÇÃO E CONTROLE
3.3.1 TERMO-RESISTÊNCIAS PT100
O controle de temperaturas no sistema de aquecimento solar foi
efetuado por 5 termo-resistências PT100 ohms, com cabeçote de proteção de
alumínio de 8cm de comprimento, com uma extremidade fechada, preenchido
com pó de óxido de magnésio de forma a permitir boa transferência de calor e
proteger o sensor de choques mecânicos, e uma extremidade aberta para a
passagem dos fios, porém selada com resina epóxi. A ligação do PT100 com a
tubulação de água foi executada com conexão roscável BSP ½ polegada
soldada na região inferior do cabeçote. A fim de não interferir no fluxo da água
durante o processo, o ponto de conexão na tubulação foi ajustado com pedaços
de tubo de forma que a extremidade do PT100 ficasse tangenciando uma das
geratrizes da tubulação do escoamento. O cabo condutor dos fios até o sistema
de aquisição de sinais foi protegido com um espaguete de PVC a fim de evitar
problemas de umidade devido à exposição às intempéries.
FIGURA 3.9 – Termo-resistência PT 100.
59
FIGURA 3.10 – Termo-resistência conectada na entrada do coletor.
3.3.2 SISTEMA DE COLETA DE SINAIS
Os sinais emitidos através das termo-resistências PT100, foram
coletados utilizando-se o sistema de aquisição de sinais ADS 2000 da Lynx
Tecnologia Eletrônica, equipado com um módulo de entradas
2160
analógicas AI
com 16 canais independentes, possuindo cada canal: amplificador de
instrumentação na entrada com 5 faixas de ganho selecionados por jumpers,
ajuste contínuo do ganho por trimpot, ajuste contínuo do zero de saída por
trimpot, filtro para baixas de 2a ordem. A comunicação do módulo de entrada
com o microcomputador foi feita através de um módulo controlador modelo AC
2120 por meio de interface paralela.
60
FIGURA 3.11 – Sistema de aquisição de sinais.
O gerenciamento dos sinais no microcomputador foi executado
pelo
programa
AQDADOS
5
para
Windows
(LYNX
TECNOLOGIA
ELETRÔNICA LTDA., 1993) armazenando-os em arquivos formato TXT. Estes
arquivos foram transferidos para o programa Excel da Microsoft aonde foram
inseridas as constantes de conversão das medidas em volts para oC , obtidas
através da calibração dos PT100.
3.3.3 MICROCOMPUTADOR
Para recepcionar os sinais digitalizados pelo sistema de
aquisição, foi utilizado um microcomputador Pentium II —
MMX 200 MHz,
operando com ambiente Windows 98.
61
FIGURA 3.12 – Sistema de aquisição de sinais conectado ao microcomputador.
3.3.4 HIDRÔMETRO DA BOMBA
A regulagem da vazão de funcionamento da bomba quando o
sistema estava operando ativamente, foi efetuada através da passagem do
escoamento por um hidrômetro unijato magnético, marca Arad, de ¾ polegada,
com vazão nominal de 1,5m3/h, classe metrológica B, para a medição do
volume, e com o auxílio de um cronômetro para controlar o tempo. Como os
períodos de funcionamento da bomba foram preestabelecidos e controlados
manualmente, ao final de cada ciclo foi possível, através da leitura do relógio do
hidrômetro,
fazer a averiguação do volume total circulado e
obter a vazão
média do ciclo.
62
3.3.5 HIDRÔMETRO DA DUCHA
A regulagem da vazão de escoamento da ducha quando foi
simulado o perfil de consumo, foi efetuada através de um hidrômetro unijato
magnético, marca Schlumberger, de ¾ polegada, com vazão nominal de
1,5m3/h, classe metrológica B, para a medição do volume, e com o auxílio de um
cronômetro para controlar o tempo.
FIGURA 3.13 –
Cavalete simulador com hidrômetro e PT100 na saída da
ducha.
63
3.3.6 TERMÔMETRO
Para a calibragem das termo-resistências PT100, e eventuais
checagens de temperatura da água escoada pelo cavalete de simulação dos
perfis de consumo, foi utilizado um termômetro de vidro opalino, com bulbo e
capilar preenchidos por mercúrio puro, escala de -10oC até 110oC, divisões de
1/10oC, marca Incoterm.
3.3.7 CRONÔMETRO
A fim de regular a vazão da bomba centrífuga, quando o sistema
funcionava ativamente, e também para ajustar a vazão de escoamento no
cavalete de simulação dos perfis de consumo, foi utilizado um cronômetro digital,
tipo stop watch, marca MONDAINE.
3.4 CALIBRAGEM DOS SENSORES PT100
As termo-resistências ou termômetros de resistência são
sensores de temperatura que operam baseados no princípio da variação da
resistividade elétrica de um metal, em função da temperatura. Suas principais
características são a alta estabilidade mecânica e térmica, a relação
resistência/temperatura praticamente linear e alto sinal elétrico de saída. O
elemento primário é um sensor, feito de um fio metálico de alta pureza,
encapsulado em vidro ou cerâmica. Os valores de resistência são padronizados
64
o
a uma temperatura fixa, no caso do PT100, 100 ohms a 0 C. Como o sinal
elétrico de saída ocorre na forma de voltagem, é necessário que seja feita uma
calibragem relacionando temperatura com sinal emitido, de forma a se obter a
função linear característica de cada sensor.
A calibragem foi efetuada, utilizando-se um recipiente de isopor
com tampa, um termômetro, um fogareiro, um bule, gelo produzido
antecipadamente, um sistema de aquisição de sinais e um microcomputador.
Cada sensor PT100 foi conectado a um canal do sistema de
aquisição
de
sinais
(SAS),
que
por
sua
vez
estava
interligado
ao
microcomputador operando o programa específico de recepção dos dados.
Inicialmente o recipiente de isopor foi preenchido com água e gelo em
quantidade suficiente para estabelecer uma temperatura de 0oC, medida através
do termômetro. Os sensores foram mergulhados no recipiente, e por meio de um
trimpot em cada canal do SAS foi regulado o ‘0’ dos sinais de saída.
Em seguida o recipiente foi esvaziado, e os sensores foram
fixados ao recipiente de forma que suas extremidades pudessem ficar imersas
somente em contato com a água, e sem que houvesse necessidade de remoção
durante a medição.
Água foi colocada no bule e aquecida no fogareiro até próximo
o
de 100 C, e em seguida despejada no recipiente de isopor que foi
imediatamente tampado. Com o termômetro imerso no recipiente, foi identificada
a temperatura estabilizada, e então acionado o programa para proceder a leitura
dos sinais. O programa foi configurado para registrar um sinal por segundo ao
65
longo de 1 minuto, arquivando os resultados em um arquivo de terminação TXT.
Portanto para cada sensor foram registrados 60 resultados de sinais relativos a
cada
medida
de
temperatura.
Estes
resultados
foram
posteriormente
transferidos para o programa Excel aonde se obteve a média dos sinais de cada
sensor, representativa de cada temperatura. Uma vez registrados os sinais de
uma dada temperatura, o recipiente era aberto e era adicionada pequena
quantidade de água mais fria para provocar a diminuição de temperatura, o
conteúdo era misturado com o auxílio de uma colher e recolocada a tampa no
recipiente. Assim que o termômetro indicava uma temperatura estabilizada o
programa era acionado. Este processo foi repetido para 32 temperaturas
diferentes. Os pares de valores temperatura/voltagem e as curvas resultantes
podem ser verificados nas Figuras 3.3, 3.4, 3.5, 3.6 e 3.7.
De posse dos 32 pares de voltagem/temperatura de cada
sensor, estes dados foram introduzidos no módulo estatístico do programa
Excel, aonde foram executadas regressões lineares e obtidas as constantes das
funções de cada sensor, que estão indicadas nas Equações 3.1, 3.2, 3.3, 3.4 e
3.5. Desta maneira os sinais obtidos durante a operação dos ensaios do
experimento puderam ser convertidos em temperaturas a serem analisadas.
❒ EQUAÇÕES DOS SENSORES:
T = - 44 ,7849 .V - 2 ,41658
(EQUAÇÃO 3.1)
T = - 44 ,4091 .V - 0 ,13568
(EQUAÇÃO 3.2)
66
T = - 44 ,5115 .V - 0 ,08868
(EQUAÇÃO 3.3)
T = - 44 ,7639 .V + 0 ,084090
(EQUAÇÃO 3.4)
T = - 44 ,4920 .V + 1 ,07704
(EQUAÇÃO 3.5)
SENSOR 1
100
90
80
70
60
50 oC
40
30
20
10
0
-2,2
-2
-1,8
-1,6
-1,4
-1,2
-1
-0,8
-0,6
-0,4
-0,2
0
milivolts
TEMP
0
3
6
9
12
14
18
20
23
25
29
31
34
37
40
42
VOLT -0,06 -0,14 -0,20 -0,25 -0,32 -0,36 -0,45 -0,50 -0,57 -0,60 -0,68 -0,75 -0,80 -0,88 -0,95 -0,99
TEMP
45
48
51
54
58
64
66
69
71
74
76
78
80
83
86
91
VOLT -1,06 -1,11 -1,18 -1,25 -1,35 -1,48 -1,53 -1,60 -1,64 -1,73 -1,75 -1,80 -1,84 -1,92 -1,98 -2,09
FIGURA 3.14 – Pares de temperatura X voltagem do sensor 1.
67
SENSOR 2
100
90
80
70
60
50 oC
40
30
20
10
0
-2,2
-2
-1,8
-1,6
-1,4
-1,2
-1
-0,8
-0,6
-0,4
-0,2
0
milivolts
TEMP
0
4
7
11
16
18
20
23
26
29
31
33
35
37
43
45
VOLT -0,03 -0,11 -0,17 -0,25 -0,35 -0,40 -0,45 -0,53 -0,58 -0,65 -0,69 -0,74 -0,80 -0,83 -0,97 -1,01
TEMP
49
52
54
57
59
63
65
67
69
73
75
77
81
82
88
90
VOLT -1,09 -1,16 -1,21 -1,28 -1,33 -1,42 -1,46 -1,51 -1,56 -1,65 -1,70 -1,74 -1,83 -1,88 -1,98 -2,03
FIGURA 3.15 – Pares de temperatura X voltagem do sensor 2.
68
SENSOR 3
100
90
80
70
60
50
oC
40
30
20
10
0
TEMP
-2,2
-2
0
4
-1,8
7
-1,6
11
-1,4
16
-1,2
-1
milivolts
18
20
23
-0,8
26
-0,6
29
-0,4
31
-0,2
33
0
35
37
43
45
VOLT -0,02 -0,11 -0,17 -0,25 -0,35 -0,40 -0,45 -0,53 -0,58 -0,65 -0,69 -0,74 -0,80 -0,83 -0,97 -1,01
TEMP
49
52
54
57
59
63
65
67
69
73
75
77
81
82
88
90
VOLT -1,09 -1,16 -1,20 -1,28 -1,32 -1,41 -1,46 -1,51 -1,56 -1,64 -1,69 -1,73 -1,83 -1,88 -1,98 -2,02
FIGURA 3.16 – Pares de temperatura X voltagem do sensor 3.
69
SENSOR 4
100
90
80
70
60
50 oC
40
30
20
10
0
-2,1
-1,9
-1,7
-1,5
-1,3
-1,1
-0,9
-0,7
-0,5
-0,3
-0,1
0,1
milivolts
TEMP
VOLT
TEMP
0
4
8
10
14
16
18
20
23
26
32
34
36
39
42
44
0,00 -0,08 -0,16 -0,18 -0,30 -0,33 -0,38 -0,42 -0,49 -0,56 -0,71 -0,74 -0,80 -0,86 -0,94 -0,98
46
53
56
59
62
65
67
69
71
73
75
77
80
82
84
89
VOLT -1,02 -1,16 -1,20 -1,28 -1,34 -1,42 -1,48 -1,52 -1,57 -1,62 -1,66 -1,71 -1,75 -1,82 -1,87 -1,99
FIGURA 3.17 – Pares de temperatura X voltagem do sensor 4.
70
SENSOR 5
100
90
80
70
60
50 oC
40
30
20
10
0
-2,2
TEMP
VOLT
TEMP
VOLT
0
-2
-1,8
3
7
-1,6
10
-1,4
13
15
-1,2
-1
milivolts
18
21
-0,8
23
-0,6
26
-0,4
28
-0,2
31
34
0
37
39
41
0,00 -0,05 -0,13 -0,20 -0,28 -0,31 -0,37 -0,45 -0,49 -0,56 -0,59 -0,67 -0,73 -0,80 -0,85 -0,90
43
46
48
54
56
58
63
67
69
71
74
78
80
83
87
90
0,00 -0,05 -0,13 -0,20 -0,28 -0,31 -0,37 -0,45 -0,49 -0,56 -0,59 -0,67 -0,73 -0,80 -0,85 -0,90
FIGURA 3.18 – Pares de temperatura x voltagem do sensor 5.
3.5 SIMULAÇÃO DO PERFIL DE CONSUMO
3.5.1 ESCOLHA DE UM PERFIL DE CONSUMO DE
ÁGUA QUENTE
O desempenho de um sistema predial de aquecimento de água
está diretamente relacionado com as características do consumo da água
quente. Ao conjunto destas características chama-se de perfil de consumo, logo
para se comparar o desempenho de um sistema solar de aquecimento de água
71
trabalhando de forma passiva, com o mesmo sistema de forma ativa, é
necessário que se faça uma definição de perfis de consumo a serem simulados.
Como a definição de perfis residenciais de consumo água
quente não é o objetivo principal desta pesquisa, recorreu-se ao trabalho de Ilha
(1991), que fez extensa revisão bibliográfica do assunto, propôs procedimentos
para o levantamento de dados relacionados ao padrão de utilização de água
quente em edifícios residenciais, e realizou coleta de dados e medições de
parâmetros característicos de consumo de água quente em apartamentos
residenciais na cidade de São Paulo.
Segundo Ilha (1991, p.58)
“a utilização de água quente nos
edifícios possui uma marcada variabilidade, uma vez que é determinada pelas
atividades dos usuários, influenciada por fatores sociais, culturais, climáticos,
etc.”.
Inicialmente
foi
constatado
que
o
uso
de
sistema
de
aquecimento de água, com aquecedor e instalação de distribuição de água
quente, é uma característica de unidades residenciais de maior porte, já que
COMGÁS/TESIS apud Ilha (1991), identificou que em quatorze edifícios na
cidade de São Paulo, com apartamentos de 2 dormitórios/1 banheiro, apenas
64% dos apartamentos possuía água quente, sendo que 60% utilizava chuveiro
elétrico e apenas 4% possuía um sistema de aquecimento de água. Este fator
levou Ilha (1991), a pesquisar padrões de consumo de água quente em
72
apartamentos de 3 dormitórios/2 banheiros aonde com freqüência eram
encontrados sistemas de aquecimento de água.
Numa primeira etapa de seu trabalho, a pesquisadora aplicou
um questionário a 2524 usuários de 686 apartamentos, de onde se destacam os
resultados:
a) “Média de 3,86 usuários/apartamento com desvio padrão de 1,35
usuários” (ILHA, 1991, p.91).
b) “Grande incidência de usuários nas faixas etárias de 0 a 13 anos e de
30 a 40 anos” (ILHA, 1991, p.92).
c) “Os horários de utilização do chuveiro mostraram ser bastante
variados, ocorrendo, basicamente, dois picos de utilização: um pela
manhã das 6:00 às 8:00 horas, e outro mais significativo, entre 18:00 e
21:00 horas” (ILHA, 1991, p.93).
d)
Considerando-se que o uso da pia da cozinha concentra-se uma hora
antes e uma hora após o almoço e o jantar “[...] pode-se evidenciar
que o horário de maior solicitação do sistema de água quente ocorre
no período da noite e tem uma duração de, aproximadamente, três
horas” (ILHA, 1991, p.96), haja vista a coincidência de usos do
chuveiro e da pia.
A fim de identificar características da demanda de água quente
em apartamentos deste porte, Ilha (1991) efetuou também um conjunto de
medições em chuveiros, pias de cozinha, lavatórios e aquecedores de um
pequeno número de apartamentos (cinco), num total de 23 usuários, uma vez
73
que possuía limitações na quantidade de equipamentos de monitoramento e de
tempo para a realização da pesquisa. Na Tabela 3.1 apresenta-se um resumo
dos resultados obtidos na pesquisa.
TABELA 3.1 – Características da demanda de água quente em cinco
apartamentos.
CARACTERÍSTICAS
Duração média de uso (s)
CHUVEIRO
PIA DE COZINHA
LAVATÓRIO
465
25
32
Vazão água quente + fria (l/s)
0,106
0,086
0,092
Vazão água quente (l/s)
0,064
0,049
0,059
Temperatura água quente + fria (oC)
34
34
34
Temperatura água quente (oC)
45
47
44
0,75
16,18
0,83
No de usos em período de pico por
pessoa por hora
FONTE: Adaptado de Ilha (1991).
O monitoramento nos apartamentos possibilitou também, que a
pesquisadora avaliasse o consumo diário per capita de água quente, que
embora tenha seu valor estatístico prejudicado devido ao pequeno número de
amostras, indicou um valor de 61 l/pessoa/dia.
Como forma de corroborar os dados de Ilha (1991) de maior
interesse na definição de um perfil de consumo, foram pesquisados mais dois
trabalhos cuja característica diferencial foi consultar um grande universo de
usuários em sistemas prediais de água quente. Kamata e
Ichikawa (1987)
realizaram pesquisa no Japão com 825 pessoas, e concluíram que para banho
74
de chuveiro (ducha) a vazão média utilizada estava na faixa de 11 a 12 l/min
o
(0,18 a 0,20 l/s) e a temperatura média preferida entre 39 e 41 C. Papakostas,
Papageorgiou e Sotiropoulos (1995), em pesquisa realizada na Grécia com 330
o
pessoas, consideraram 42 C a temperatura média para banho de chuveiro.
Não obstante o objeto principal desta pesquisa seja um
aquecedor de água por energia solar que na maioria das vezes é instalado em
casas, onde o espaço disponível para os coletores solares é compatível com os
volumes utilizados, uma vez que o consumo de água quente no Brasil está
vinculado a atividades de higiene com aparelhos (chuveiros, lavatórios, pias de
cozinha) utilizados dentro das edificações, tornou-se possível considerar que as
condições de utilização da água quente em apartamentos e em casas de mesmo
porte sejam bastante similares, diferente das condições de consumo de água
fria, que levam em consideração também serviços externos.
Portanto para a simulação da utilização do sistema solar de
aquecimento de água, funcionando por circulação natural ou por circulação
forçada, foram considerados hipoteticamente os seguintes parâmetros, a fim de
se avaliar o desempenho do equipamento:
O local de instalação do equipamento é uma residência
unifamiliar com 3 dormitórios / 2 banheiros na cidade de
Londrina.
O número de usuários do sistema é de 4 pessoas, sendo um
casal com faixa etária entre 30 a 40 anos, e duas crianças
com faixa etária entre 0 e 13 anos.
75
Como o horário de pico de consumo ocorre das 18:00 às
21:00 horas, foi simulado o perfil abaixo
para a
diferenciação do desempenho dos sistemas:
I) Um número “NB” de banhos de chuveiro em seqüência,
cada um com duração de 8 min (480 s) e vazão de água
misturada (quente + fria) de 0,11 l/s, mais o uso
simultâneo de uma torneira de pia de cozinha com vazão
de água misturada (quente + fria) de 0,086 l/s, atingindo
uma vazão total de 0,196 l/s (aproximadamente 12 l/min).
A temperatura adotada para a água misturada foi de
40oC e o horário de uso dos aparelhos foi considerado
entre 18:00 e 21:00 horas. Embora o tempo médio de
duração de um uso da pia da cozinha na pesquisa de Ilha
(1991) seja de 25 s, percebe-se que ela foi acionada em
média 16 vezes ao longo de uma hora, o que leva a
suposição da possibilidade de simultaneidade de uso a
maior parte do tempo de utilização dos chuveiros.
3.5.2 PROCEDIMENTOS DA SIMULAÇÃO DO PERFIL
DE CONSUMO
A simulação do perfil de consumo durante os ensaios de
determinação do desempenho do sistema, deveria ser capaz de reproduzir na
saída da ducha instalada no experimento, as condições de vazão e temperatura
definidas na Subseção 3.5.1 item I. Como esta situação exigiria o controle
simultâneo de vazão e temperatura da água fria, quente e misturada, e os
equipamentos instalados no experimento não eram suficientes para atender
estas necessidades, optou-se por operar somente com a água quente e
76
considerar as condições de mistura da água, conforme a Equação 3.6 definida
por Petrucci (1998):
qAQ = [ (TMIST TAF) ÷ (TAQ TAF) ] × qMIST
(EQUAÇÃO 3.6)
Considerando vazão de água quente (q
AF),
vazão de água misturada (qMIST),
AQ),
temperatura
vazão de água fria (q
de
água
quente
(TAQ),
temperatura de água fria (TAF) e temperatura de água misturada (TMIST).
Assim trabalhando com os dados de TAF e TAQ aferidos
imediatamente antes do início de cada ensaio, por meio de escoamento
passando pelo PT 100 instalado na ducha e pela leitura na tela do computador,
gerou-se uma planilha através do programa Excel (previamente alimentada com
a Equação de mistura (3.6) e com os valores de temperatura e vazão do perfil
pré-definido), onde foram calculadas as variações da vazão de água quente
necessárias a obtenção do perfil de consumo e que foram proporcionadas
através de manobras no registro de água quente da ducha simuladora, à medida
que a TAQ foi diminuindo durante o ensaio (devido à estratificação no interior do
reservatório térmico e também por causa da mistura provocada pelo
reabastecimento da água fria). Desta forma foi possível simular a contribuição
de água quente que estaria sendo utilizada caso os usuários do sistema
estivessem efetivamente usando a ducha e promovendo a mistura necessária
com água fria, para gerar a vazão e temperatura definidas no perfil.
77
Então a simulação do perfil de consumo durante os ensaios foi
obtida mediante os seguintes procedimentos:
O controle de temperatura foi efetuado através dos sensores
ºs
n 5 e 1, que enviaram sinais para o sistema de aquisição de
dados
simultaneamente
acompanhamento
das
à
simulação,
variações
de
possibilitando
temperatura
o
pelo
monitor de vídeo do microcomputador. O sensor no 1
acompanhou a temperatura da água quente, na saída do
cavalete simulador da ducha, enquanto o sensor
no 5
acompanhou as variações de temperatura da água quente
na saída do reservatório térmico. A temperatura da água fria
(que foi considerada constante durante o ensaio) foi avaliada
inicialmente, acionando-se somente o registro de água fria
no cavalete simulador e registrando-se o valor através da
o
leitura dos sinais do sensor n 1. O mesmo procedimento foi
efetuado acionando-se somente o registro de água quente
para se identificar a temperatura inicial na saída do
reservatório térmico (para este procedimento em todos os
ensaios padronizou-se a colocação do registro na posição 2
(Tabela 3.2)
por um período de 3min, ou seja, consumindo
sempre 18 litros de água quente antes do início da
simulação).
A necessidade do controle da vazão de escoamento exigiu
uma calibragem prévia do registro de água quente no
cavalete simulador da ducha. Foram marcadas ao redor do
volante do registro 8 posições relativas a variações de vazão,
78
possibilitando assim durante o procedimento de simulação
do perfil, o aumento da contribuição de água quente pela
manobra do registro. As regulagens ocorreram sempre que
o
se identificou uma diminuição de temperatura no sensor n 1
para valores que exigiam um aumento de vazão de água
quente, conforme a planilha gerada no programa Excel. A
Tabela 3.2. mostra os números atribuídos a cada posição do
registro e a respectiva vazão obtida na saída da ducha.
TABELA 3.2 – Posição do registro X Vazão de água quente (l / min).
POSIÇÃO REG
AQ
ENSAIO 1
ENSAIO 2
1
4,0
4,0
4,0
4,0
2
6,0
6,0
6,0
6,0
3
7,5
7,0
7,5
7,3
4
8,5
8,5
8,5
8,5
5
9,5
9,5
9,5
9,5
6
10,5
10,5
10,5
10,5
7
11,5
11,0
11,5
11,3
0
12,0
11,5
12,0
11,8
ENSAIO
3
média
A calibragem do volante do registro, bem como a checagem
da vazão durante a simulação foi efetuada com o auxílio de
um hidrômetro instalado na saída da ducha e de um
cronômetro controlador do tempo de funcionamento.
O ensaio foi iniciado regulando-se o registro de água quente
de forma a se obter a vazão e a temperatura necessárias ao
79
perfil pré-definido na saída do simulador da ducha. À medida
que transcorreu o ensaio, a temperatura da água oriunda do
reservatório térmico foi acompanhada pelo monitor do vídeo,
e o registro de água quente no cavalete simulador foi
acionado sempre que se identificou a necessidade de
aumento de vazão. O ensaio foi encerrado quando a
temperatura da água quente não atingiu mais o valor do perfil
(40oC).
A leitura do hidrômetro no início e final da simulação,
acompanhado do tempo de ensaio registrado no cronômetro,
possibilitou que se averiguasse se a vazão média do ensaio
esteve de acordo com a vazão média de água quente
esperada pela combinação das diferentes vazões obtidas em
cada posição do registro e o tempo de funcionamento em
cada uma das posições.
3.6 AFERIÇÃO DO VOLUME DE ÁGUA NO SISTEMA
A fim de se averiguar qual o volume de água existente no interior
do sistema, portanto contido no reservatório térmico, coletores solares e
tubulações de interligação do circuito, efetuou-se o enchimento inicial do
sistema, abrindo-se o registro de alimentação de água fria e mantendo-se a
saída de água quente aberta até que se iniciasse algum escoamento. Em
seguida fechou-se a válvula de esfera na saída de água quente de forma que o
respiro ficasse totalmente preenchido com água, o que se identificou pelo
transbordamento provocado pelo golpe de aríete gerado no fechamento da
válvula.
Para a retirada de eventuais bolhas de ar na região dos coletores,
efetuou-se a abertura do ponto de drenagem dos coletores provocando
80
escoamento de água durante alguns segundos. Fechado o dreno aguardou-se
alguns minutos de forma que o sistema ficasse totalmente preenchido e em
repouso.
Em seguida foi conectado um hidrômetro na saída do dreno dos
coletores, por ser o ponto mais baixo do sistema. Para se efetuar a aferição do
volume, o registro da tubulação de entrada de água fria no sistema foi fechado,
impedindo assim a reposição de água, e a válvula de esfera localizada no dreno
dos coletores foi aberta, fazendo com que toda a água contida no interior do
sistema saísse passando pelo hidrômetro. O volume total aferido desta forma foi
de 244 litros.
81
3.7 DETERMINAÇÃO DA VAZÃO ÓTIMA DA BOMBA
CENTRÍFUGA PARA FUNCIONAMENTO DO SISTEMA
ATIVO
Para encontrar a situação mais eficiente de funcionamento do
sistema com circulação forçada (sistema ativo), foi necessário submeter o
sistema a diferentes situações de bombeamento.
O parâmetro inicial utilizado foi a vazão/área de coletor de 5
g/s.m2 indicada como sendo a mais adequada por Siqueira (1996), que simulou
através de programa de computador diferentes condições de funcionamento
para um sistema ativo. Baseado na recomendação de Duffie e Beckman (1991)
para a utilização de vazões mais baixas (de 2 a 7 g/s.m2) a fim de não prejudicar
a estratificação da água no interior do reservatório térmico, e também em Arruda
(2004), que realizou ensaios em condições semelhantes às desta pesquisa e
concluiu que sistemas forçados devem trabalhar com vazões de 1 a 3 vezes a
2
vazão média do mesmo sistema operando com termossifão (3,2 g/s.m ), foram
2
2
operadas também situações com vazões nas faixas de 2,5 g/s.m e 10 g/s.m .
Em todas as situações, optou-se pela operação da bomba sem interrupção no
período das 10 até as 16 horas, horário que segundo Siqueira (1996) começa a
ocorrer queda da captação de energia.
Efetuou-se durante os ensaios, a simulação do perfil de
consumo definido na Subseção 3.5.1 item I, considerando-se como melhor
desempenho do sistema a situação em que foi possível utilizar o ponto de
simulação de ducha por maior período de tempo, atendendo as condições de
vazão e temperatura definidas no perfil.
82
A fim de se criar um parâmetro de comparação entre os ensaios,
o tempo final de funcionamento do simulador da ducha em cada ensaio,
foi dividido por 8min, tempo representativo de um banho no perfil de consumo
pré-definido. Considerou-se como melhor desempenho aquele que atingiu maior
número de banhos NB.
Assim antes do início de cada ensaio desta etapa, no horário
entre 7 e 8 horas, quando os coletores estavam recebendo ainda pouca
radiação, o sistema foi completamente esvaziado e em seguida preenchido
novamente com água fria a fim de se criar uma condição inicial de temperatura
uniforme em todo o sistema.
A vazão da bomba foi regulada colocando-a em funcionamento
durante alguns minutos, variando-se a abertura do registro no recalque e
realizando a leitura do volume de passagem pelo hidrômetro em intervalos
cronometrados de 1 minuto, até se obter o valor desejado. Para checagem da
vazão obtida, a bomba foi acionada pelo menos mais duas vezes durante o
período de 1 minuto cada, conferindo-se o volume de passagem no hidrômetro.
Os ensaios foram então executados com o acionamento da
bomba durante o dia, no período pré-determinado, e efetuando-se a simulação
do perfil de consumo sempre após as 18 horas.
Os dados referentes às condições de temperatura, vazões,
volumes e tempos obtidos durante os ensaios foram registrados em fichas cujo
modelo se encontra no Apêndice A.
83
3.8 DETERMINAÇÃO DO DESEMPENHO DO SISTEMA
COM CIRCULAÇÃO NATURAL (SISTEMA PASSIVO)
E COM CIRCULAÇÃO FORÇADA (SISTEMA ATIVO)
Os ensaios para a determinação do desempenho do sistema
com circulação natural e com circulação forçada foram realizados sempre
durante o período de um dia. É importante frisar que algumas pesquisas como a
de Morrison, Gilliaert e Tebaldi (1992), propõe a necessidade de se avaliar o
desempenho de sistemas de aquecimento solar em funcionamento a longo
prazo, para se detectar a influência de determinadas variáveis como a atuação
da fonte de energia auxiliar ou a simulação de diferentes perfis de consumo,
porém a impossibilidade de ter dois sistemas instalados lado a lado, as
dificuldades de monitorando das variáveis climáticas e a intenção de se trabalhar
sem fonte auxiliar de energia, apontaram para a opção de se realizar ensaios
diários como a forma viável de se obter resultados confiáveis.
No início dos ensaios, no horário entre 7 e 8 horas, quando os
coletores
ainda
estavam
recebendo
pouca
insolação,
o
sistema
foi
completamente esvaziado e em seguida preenchido novamente com água fria a
fim de se criar uma condição inicial de temperatura uniforme em todo o sistema,
e também de minimizar possíveis influências relacionadas à variações de
temperatura ambiente durante a noite, ou mesmo da própria água em virtude de
resquícios da operação no dia anterior.
Em seguida, no horário entre 8 e 9 horas, quando foi ensaiado o
sistema com circulação natural, acionou-se o sistema de recepção de sinais
com uma programação para receber informações durante 12 horas ininterruptas.
84
Quando foi ensaiado o sistema com circulação forçada, antes de se acionar o
sistema
de recepção de sinais, foi regulada a vazão da bomba, com
procedimento idêntico ao descrito na Seção 3.7, para o valor aproximado de
2
5g/s.m .
Para a avaliação do desempenho do sistema (seja com
circulação natural ou com circulação forçada) submetido ao perfil de consumo
definido na Subseção 3.5.1, no final da tarde, após as 18 horas, procedeu-se a
simulação do perfil conforme os procedimentos descritos na Subseção 3.5.2,
operando-se durante o período de tempo até que a temperatura da água no
simulador da ducha não conseguiu mais atingir o valor definido no perfil de
consumo. Este tempo de operação foi então divido por 8 minutos de forma a se
obter o desempenho do sistema em número de banhos “NB”.
Para se obter condições climáticas (temperatura, umidade
relativa, horas de insolação e radiação solar) mais semelhantes, os ensaios com
circulação natural e com circulação forçada foram realizados em dias alternados
dentro do período de uma semana. Posteriormente os resultados obtidos foram
submetidos a um teste estatístico, cujos resultados se encontram na Seção 4.2,
para que pudessem ser considerados homogêneos, a fim de se efetuar o estudo
comparativo.
85
4 ANÁLISE DE DADOS E
DISCUSSÃO DOS RESULTADOS
86
4.1 ENSAIOS PARA A DETERMINAÇÃO DA VAZÃO
ÓTIMA DA BOMBA CENTRÍFUGA
O período de monitoramento do sistema de aquecimento solar
foi iniciado em 14/02/2005 e até a data de 05/03/2005 foram realizados 11
ensaios com o objetivo de determinar a vazão ótima para funcionamento do
sistema com circulação forçada. Neste período a coleta de dados não foi
efetuada em vários dias por motivo de interferências importantes do clima, como
dias com chuva ou com o céu encoberto desde o período matutino e por falhas
na operação do sistema durante a regulagem do registro de água quente na
simulação do perfil. Dos 11 ensaios realizados, 2 deles tiveram que ser
abandonados devido a importantes variações no clima durante o dia do ensaio,
isto é,
céu claro no início passando a totalmente encoberto durante o dia,
prejudicando desta forma os resultados, uma vez que o objetivo era comparar o
desempenho do sistema operando para 3 vazões diferentes (Seção 3.7) em dias
com condições de radiação semelhantes.
Os resultados dos 9 ensaios considerados válidos
e as
características climáticas de cada dia estão apresentados na Tabela 4.1.
87
.
88
Comparando os melhores desempenhos para as 3 faixas de
2
vazão ensaiadas, observa-se que para a vazão de 5,21 g/s.m (dia 22/02/2005)
obteve-se 4,19 NB (número de banhos com duração de 8 minutos cada), para a
2
vazão de 3,13 g/s.m (dia 05/03/2005) obteve-se 3,88 NB e para a vazão de
2
11,34 g/s.m (dia 03/03/2005) obteve-se 3,56 NB. As Figuras 4.1, 4.2 e 4.3
mostram as curvas de temperatura X tempo nas 5 termo-resistências instaladas
no experimento, durante estes ensaios. As posições de cada sensor no
equipamento eram as seguintes:
SENSOR 1 – saída de água na ducha de simulação do perfil.
SENSOR 2 – saída de água dos coletores solares.
SENSOR 3 – entrada de água nos coletores solares.
SENSOR 4 – entrada de água quente no reservatório térmico
proveniente dos coletores.
SENSOR 5 – saída de água quente do reservatório térmico
para a ducha.
89
SENSOR 1
SENSOR 2
SENSOR 3
SENSOR 4
19:27
18:27
17:27
16:27
15:26
14:26
13:26
12:26
11:26
10:26
09:26
SENSOR 5
08:26
T (oC)
70
65
60
55
50
45
40
35
30
25
20
15
10
5
0
HO R A S
FIGURA 4.1 – Comparação entre os sensores 1-5 (22/05/2005) — Ensaio com
vazão de 5,21g/s.m2.
65
60
55
50
45
T (oC)
40
35
30
SENSOR 1
25
20
SENSOR 2
15
SENSOR 3
10
SENSOR 4
5
0
19:27
18:27
17:27
16:27
15:27
14:27
13:27
12:27
11:27
10:27
09:26
08:26
SENSOR 5
HORAS
FIGURA 4.2 – Comparação entre os sensores 1-5 (05/03/2005) — Ensaio com
vazão de 3,13 g/s.m2.
90
60
55
50
45
40
T (oC)
35
SENSOR 1
30
25
SENSOR 2
20
15
SENSOR 3
10
SENSOR 4
5
0
19:59
18:59
17:59
16:59
15:59
14:59
13:59
12:59
11:58
10:58
09:58
08:58
SENSOR 5
HORAS
FIGURA 4.3 – Comparação entre os sensores 1-5 (03/03/2005) — Ensaio com
2
vazão de 11,34 g/s.m .
As variações bruscas de temperatura, ocorridas nos sensores 1
e 5 no final do ensaio, representam o período em que foram feitas as simulações
do perfil de consumo através da ducha. As pequenas depressões de
temperatura nos sensores 2 e 4 indicam a passagem de nuvens esparsas
durante o dia, sombreando ligeiramente os coletores.
Agrupando os ensaios de cada vazão para os dias com clima
semelhante (temperatura, umidade relativa, radiação e insolação), obtém-se
também o melhor desempenho para a faixa de vazão de 5 g/s.m2 (421 cal/cm2 e
9,0h de insolação) com 4,19 NB (dia 22/02/2005), contra 3,75 NB
(dia
02/03/2005) para a faixa de vazão de 2,5 g/s.m2 (440 cal/cm2 e 9,7h de
91
insolação) e 3,5 NB (dia 17/02/2005) para a faixa de vazão de 10 g/s.m2
2
(440cal/cm e 9,9h de insolação). As Figuras 4.4 e 4.5 mostram as curvas de
temperatura x tempo para os ensaios de 02/03/2005 e 17/02/2005, sendo que
90
85
80
75
70
65
60
55
50
45
40
35
30
25
20
15
10
5
0
SENSOR 1
SENSOR 2
SENSOR 3
SENSOR 4
20:11
19:11
18:11
17:11
16:11
15:11
14:11
13:11
12:11
11:11
10:10
SENSOR 5
09:10
T (oC)
Figura 4.1 refere-se ao dia 22/02/2005.
HORAS
FIGURA 4.4 – Comparação entre os sensores 1-5 (02/03/2005) — Ensaio com
vazão de 1,81 g/s.m2.
92
65
60
55
50
45
T (oC)
40
35
30
SENSOR 1
25
20
SENSOR 2
15
SENSOR 3
10
SENSOR 4
5
0
19:59
18:59
17:59
16:59
15:58
14:58
13:58
12:58
11:58
10:58
09:58
08:58
SENSOR 5
HORAS
FIGURA 4.5 –
Comparação entre os sensores 1-5 (17/02/2005) —
2
com vazão de 9,30 g/s.m .
Ensaio
A variação de temperatura dos sensores 2 e 4 na Figura 4.4,
mostra um fenômeno interessante ocorrendo quando se opera a bomba com
vazões muito baixas. Devido à pequena velocidade de escoamento nos
coletores, aconteceu maior transferência de calor para água, que chegou a
atingir 85oC na saída dos coletores (sensor 2), porém criou-se um fluxo de água
concentrado no centro da tubulação que vai para o reservatório térmico,
conforme ficou evidenciado pela temperatura bem menor medida no sensor 4.
Isto ocorreu porque a posição da extremidade da termo-resistência estava
coincidindo com a geratriz mais externa da seção transversal do tubo, de forma
a não interferir no escoamento, e a temperatura que acabou captada foi a da
camada periférica do escoamento, menor que a temperatura do fluxo central.
93
Apesar de atingir altas temperaturas, o desempenho final deste ensaio não foi
melhor porque a vazão muito baixa operada durante 6h, circulou um volume (94
l) bem menor que o total acumulado no sistema (244 l).
É necessário compreender também, que neste método proposto
para a simulação do perfil pré-definido, a temperatura da água dentro do sistema
no início do ensaio (TAF i) é um dos fatores determinantes na quantidade de calor
a ser transferida pelo coletor solar para água, bem como que a temperatura da
água fria no final do ensaio (TAF f) influencia de maneira inversamente
proporcional a vazão de água quente necessária para se atingir a temperatura
do perfil (40oC), interferindo portanto, no desempenho final (NB) do ensaio.
Por isso era importante que não houvesse grandes diferenças
destas temperaturas durantes os ensaios, a fim de não prejudicar a comparação,
e sob este ponto de observação, identifica-se na Tabela 4.1 que a variação de
TAF i foi pequena entre todos os ensaios (de 22oC a 24oC), bem como a variação
de TAF f (de 27 oC a 30 oC). Nos dias com melhor desempenho, 22/02/2005 e
04/03/2005 (que também trabalhou com vazão na faixa de 5 g/s.m2), a TAF i não
estava em situação inicial mais vantajosa (23oC e 22oC respectivamente), o
mesmo acontecendo com a TAF
f
(29oC). No dia 14/02/2005 que foi o mais
prejudicado nestes fatores (TAF i = 22oC e TAF f = 27oC) operou-se com vazão de
10,78 g/s.m2 e se atingiu o desempenho de 3,00 NB, porém no dia 03/03/2005,
que foi o mais favorecido (TAF i = 23oC e TAF f = 30oC), também se trabalhou na
faixa de 10 g/s.m2 e o desempenho não foi muito diferente atingindo 3,56 NB,
94
o que sinaliza ter sido a vazão o principal fator de influência no desempenho
do sistema nestes ensaios.
Baseado nestes resultados definiu-se então a vazão de 5g/s.m
2
para a realização dos ensaios de comparação entre o sistema operando com
circulação forçada e com circulação natural. Este valor alinha-se com aqueles
obtidos em pesquisas como a de Wuestling, Klein e Duffie (1985) apud Hollands
e Lighstone (1989), que encontraram uma vazão mássica ótima para um sistema
com circulação forçada na faixa de 2g/s.m
2
e que segundo os autores
representava a vazão capaz de circular uma vez todo o volume do reservatório
térmico pelos coletores solares no período de insolação de um dia. O sistema
objeto desta pesquisa acumulava no total 244 l, que circulados uma vez no
tempo pré-determinado de 6 h pela área de 2,4 m2 dos coletores, resultam em
uma vazão de 4,7g/s.m2. A recomendação de Arruda (2004), para que se utilize
em sistemas ativos vazões da ordem de 1 a 3 vezes a vazão do mesmo sistema
funcionando por termossifão, também se confirma, se forem considerados os
valores de vazão medidos em sistemas com circulação natural, da ordem de
2,87g/s.m
2
segundo Kudish, Santamaura e Beaufort (1985), de 5,7g/s.m2
segundo Young e Bergquam (1984) e de 3 a 6g/s.m2 conforme Morrison e Braun
(1985).
95
4.2 COMPARAÇÃO DO
DESEMPENHO DO SISTEMA
OPERANDO COM CIRCULAÇÃO NATURAL E FORÇADA
Entre os dias 07/03/2005 e 28/05/2005, foram realizados os
ensaios para a comparação do desempenho do sistema funcionando com
circulação natural e forçada, sendo que 36 ensaios foram considerados em
condições válidas para os objetivos desta pesquisa. Destes 36 ensaios, 2 deles
não atingiram a temperatura mínima de 40oC definida para a simulação do perfil
de consumo e foram então realizados para a temperatura máxima atingida por
circulação natural e seus resultados foram analisados à parte no final desta
seção. Dos 34 ensaios que ficaram disponíveis para análise, 18 foram realizados
com circulação natural e 16 com circulação forçada. O ensaio do dia 19/05/2005,
ficou sem o registro do índice de radiação solar diária devido a problemas
operacionais ocorridos na estação de meteorologia do IAPAR, responsável pela
coleta dos dados climatológicos. Nesta seção foram destacados os gráficos de
variação de temperatura ao longo do dia de 11 ensaios importantes, os demais
25 gráficos podem ser consultados no Apêndice B. A título de exemplo o
Apêndice C mostra a tabela de dados geradora do gráfico de um destes ensaios.
Experimentos com o objetivo de analisar o desempenho de
sistemas de aquecimento de água por energia solar através de coletores planos
devem levar em consideração as variáveis intervenientes no processo. O modelo
matemático usado com freqüência em trabalhos como Uhlemann e Bansal
(1985), Treis (1991), Duffie e Beckman (1991), Siqueira (1996), Shariah e
96
Shalabi (1997) e Lima (2003) para expressar o calor útil fornecido por um coletor
plano para a água circulante é a equação de Hottel-Whillier-Bliss,
Qu = Ac . Fr . [IT . (τα
τα)
τα e – UL . (Tci – Ta)]
(EQUAÇÃO 4.1)
onde se encontram os fatores físicos como a Ac área útil da placa coletora plana,
o Fr fator de remoção de calor da placa coletora, a τ transmitância da cobertura
de vidro, a α absortância da superfície negra da placa, o (τα)e
produto
transmitância-absortância efetivo, o UL coeficiente global de perdas de calor do
coletor e também os fatores climáticos como a IT
taxa de radiação solar
incidente na superfície da placa coletora com inclinação β a Tci temperatura da
água que entra no coletor e a Ta temperatura ambiente, que são responsáveis
pelo desempenho deste tipo de aquecedores solares.
Os equipamentos disponíveis para realizar esta pesquisa não
permitiram a montagem ideal do experimento, isto é, a colocação de um sistema
funcionando por termossifão operando lado a lado com um sistema funcionando
por bombeamento, com as mesmas características físicas (montagem, coletores
solares, reservatório térmico e tubulações) e que neste caso estariam
submetidos às mesmas condições climáticas. Foi então instalado um único
sistema para circulação natural, com a alternativa de conexão de uma bomba
para funcionamento por circulação forçada, o que manteve constantes os fatores
físicos e foram efetuados ensaios em dias alternados, um dia com circulação
natural e no outro com circulação forçada, a fim de se obter condições
homogêneas de temperatura, umidade relativa, radiação e insolação entre as
duas formas de se operar o sistema. O conjunto de resultados obtidos nos
ensaios encontra-se registrado na Tabela 4.2.
97
98
99
Estes ensaios foram submetidos a uma análise estatística para
se verificar a validade dos resultados obtidos. Para tanto foi utilizado o programa
Statistica 6.0 (STATSOFT INC, 2001), efetuando-se a análise descritiva dos
dados e os testes para amostras independentes, chamados testes t. A
verificação da normalidade dos dados e da homogeneidade das variâncias foi
realizada para todas as variáveis a fim de assegurar a validade destes testes.
Neste caso a hipótese que foi testada é a de que as médias dos grupos,
circulação natural e circulação
Assim, testes com valor
forçada,
não
diferem
significativamente.
p < 0,05 (o valor p é chamado nível descritivo do
teste, quanto menor este valor maior a indicação contra a hipótese de igualdade
entre as médias dos ensaios com circulação natural e forçada) foram
considerados significativos, ou seja, foram considerados com resultados
diferentes entre suas médias e testes com p > 0,05 foram considerados não
significativos, ou seja foram considerados em condições estatisticamente iguais.
A Tabela 4.3 apresenta os valores obtidos na análise estatística.
100
101
Para que os ensaios com circulação natural pudessem ser
considerados sob as mesmas condições climáticas que os ensaios com
circulação forçada seria ideal que o valor p das variáveis T
MED,
T
MAX,
T
MIN,
U. REL., INSOL e RAD fosse maior que 0,05, o que ocorreu com todas elas. O
mesmo se esperava das variáveis TAFi e TAFf que representam a temperatura
da água fria no início do ensaio e no momento da simulação do perfil de
consumo, que também deveriam ser homogêneas entre os dois grupos e
acabaram se confirmando pelos valores
p
obtidos. Já as variáveis TAQ e
Tempo, que são relativas ao desempenho dos sistemas, apresentaram
diferenças significativas entre os ensaios com circulação natural e forçada, com
os níveis descritivos de 0,00322 e 0,01619, respectivamente. O fato dos valores
p obtidos serem menores que 0,05 representa que os desempenhos dos grupos
apresentaram diferenças estatísticas significativas. Assim pode-se afirmar que o
sistema com circulação forçada foi capaz de elevar a temperatura da água no
o
início da simulação do perfil, em média, até 46,6 C, enquanto o sistema
o
funcionando com circulação natural atingiu média de 43,3 C. Pode-se verificar
ainda, que o ensaio com circulação natural mantém em média, a água na
temperatura e vazão do perfil de consumo por 19,14min, com intervalo de
confiança de 95% variando entre 16,22 e 22,06min. Já o ensaio com circulação
forçada mantém uma média significativamente superior à do grupo natural sendo
de 25,31min, com intervalo de confiança de 95% variando entre 20,92 e
29,70min. Na comparação entre os tempos de funcionamento dos dois grupos
mantendo as condições pré-definidas para o perfil de consumo, conclui-se que o
sistema funcionando com circulação forçada mantém a água na temperatura e
102
vazão do perfil de consumo por um tempo médio de 6,17min a mais que o
sistema funcionando com circulação natural. Isto significa que, em média, o
sistema funcionando com circulação forçada tem um desempenho 32,26% maior
que o sistema funcionando com circulação natural.
Além da análise estatística geral, o estudo dos gráficos da
variação de temperatura no sistema ao longo do dia, mostrou que alguns
ensaios embora tivessem recebido quantidades de radiação importantes,
acabaram ficando com seus desempenhos prejudicados devido a nuvens que
provocaram sombreamento nos coletores durante horários fundamentais ao
processo de transferência de calor para a água.
Na Tabela 4.4 são
apresentados 4 ensaios em que se pode detectar estas influências.
103
104
Nos dias 28/03/2005 e 29/03/2005 foram realizados ensaios com
circulação forçada sob condições climáticas bastante semelhantes e no entanto
o desempenho do sistema apresentou resultados significativamente diferentes
(tempos iguais a 36min e 28min respectivamente). A análise das Figuras 4.6 e
4.7 mostra períodos de queda de temperatura após as 12 horas nos sensores 2
e 4 que monitoravam a saída do coletor e a entrada do reservatório térmico.
Estes períodos representam momentos em que os coletores ficaram
sombreados por nuvens, diminuindo a insidência de radiação direta sobre eles.
No ensaio do dia 29/03/2005 estes períodos foram mais prolongados fazendo
com que em alguns instantes a temperatura na entrada do coletor (sensor 3)
ficasse igual à temperatura de saída (sensor 2), portanto diminuindo ou mesmo
anulando a transferência de calor.
105
65
60
55
50
45
T (oC)
40
35
30
SENSOR 1
25
SENSOR 2
20
SENSOR 3
15
10
SENSOR 4
5
SENSOR 5
18:54
17:54
16:54
15:54
14:54
13:54
12:53
11:53
10:53
09:53
08:53
0
HORAS
FIGURA 4.6 – Comparação entre os sensores 1-5
no ensaio de 28/03/2005.
—
Variação de temperatura
65
60
55
50
45
T (oC)
40
35
30
SENSOR 1
25
SENSOR 2
20
15
SENSOR 3
10
SENSOR 4
5
SENSOR 5
19:33
18:33
17:33
16:33
15:32
14:32
13:32
12:32
11:32
10:32
09:32
08:32
0
HORAS
FIGURA 4.7 – Comparação entre os sensores 1 - 5
no ensaio de 29/03/2005.
—
Variação de temperatura
106
Nos ensaios com circulação natural realizados nos dias
12/04/2005 e 16/04/2005, também se pode perceber a acentuada diferença de
desempenho apesar das características do clima e das temperaturas iniciais da
água fria estarem muito próximas nestes dias. Nas Figuras 4.8 e 4.9 pode-se
observar os períodos de influência do sombreamento nestes dias, especialmente
no dia 16, quando ocorreram períodos com sombra de até 1 hora, fazendo com
que a temperatura se igualasse na entrada e saída do coletor, o que para
sistemas passivos significa a interrupção do processo de circulação da água.
60
55
50
45
T (oC)
40
35
30
SENSOR 1
25
SENSOR 2
20
SENSOR 3
15
10
SENSOR 4
5
SENSOR 5
18:45
17:45
16:45
15:45
14:45
13:45
12:45
11:45
10:45
09:45
08:44
0
HORAS
FIGURA 4.8 – Comparação entre os sensores 1-5
no ensaio de 12/04/2005.
—
Variação de temperatura
107
55
50
45
40
T (oC)
35
30
25
SENSOR 1
20
SENSOR 2
15
19:07
18:07
17:07
16:07
15:07
14:06
13:06
SENSOR 5
12:06
0
11:06
SENSOR 4
10:06
5
09:06
SENSOR 3
08:06
10
HORAS
FIGURA 4.9 – Comparação entre os sensores 1-5
no ensaio de 16/04/2005.
—
Variação de temperatura
A constatação da influência das sombras sobre os coletores no
desempenho do sistema, permite que se afirme a necessidade de se fazer um
controle do acionamento da bomba em sistemas com circulação forçada,
conforme descrito por Arruda (2004), através de sensores automáticos
(termostatos) que monitorem a temperatura na entrada e na saída dos coletores,
interrompendo o funcionamento sempre que a temperatura na entrada for maior
ou igual à temperatura na saída. Como os ensaios realizados nesta pesquisa
não possuíam este tipo de controle, em alguns dias chegou a ocorrer perda de
calor da água durante a passagem pelos coletores, ocorrendo temperaturas na
saída do coletor (sensor 2) inferiores às temperaturas de entrada (sensor 3),
como pode ser observado na Figura 4.10 relativa ao ensaio do dia 22/04/2005.
108
60
55
50
45
T (oC)
40
35
30
25
SENSOR 1
20
SENSOR 2
15
SENSOR 3
10
SENSOR 4
5
SENSOR 5
18:51
17:51
16:51
15:51
14:51
13:51
12:50
11:50
10:50
09:50
0
HORAS
FIGURA 4.10 – Comparação entre os sensores 1-5 — Variação de
temperatura no ensaio de 22/04/2005, com perda de calor por
volta de 15:50h.
Em sistemas com circulação natural não existe a necessidade
deste controle já que no momento em que ocorre equilíbrio de temperaturas na
entrada e saída dos coletores, o peso específico da água se iguala
interrompendo o processo de termossifão.
A análise dos gráficos de temperatura ao longo do dia
possibilitou também a identificação dos chamados dias claros, apresentando céu
limpo sem nuvens ao longo de todo o período de captação da radiação solar e
que segundo Norton e Probert (1984) e Uhlemann e Bansal (1985) são
considerados como ideais para a avaliação do desempenho do equipamento. As
Figuras 4.11 a 4.14 apresentam uma seqüência de 4 dias de ensaios realizados
no mês de maio com céu limpo.
109
60
55
50
45
T (oC)
40
35
30
SENSOR 1
25
20
SENSOR 2
15
SENSOR 3
10
SENSOR 4
5
SENSOR 5
19:11
18:11
17:11
16:11
15:11
14:11
13:11
12:11
11:11
10:11
09:10
0
HORAS
FIGURA 4.11 – Comparação entre os sensores 1-5 — Variação de temperatura
no ensaio de 11/05/2005.
60
55
50
45
T (oC)
40
35
SENSOR 1
30
25
SENSOR 2
20
SENSOR 3
15
SENSOR 4
10
SENSOR 5
5
18:42
17:41
16:41
15:41
14:41
13:41
12:41
11:41
10:41
09:41
08:41
0
HORAS
FIGURA 4.12 – Comparação entre os sensores 1-5 — Variação de temperatura
no ensaio de 12/05/2005.
110
55
50
45
40
T (oC)
35
30
25
SENSOR 1
20
SENSOR 2
15
SENSOR 3
10
SENSOR 4
5
SENSOR 5
18:51
17:50
16:50
15:50
14:50
13:50
12:50
11:50
10:50
09:50
08:50
0
HORAS
FIGURA 4.13 – Comparação entre os sensores 1-5 — Variação de
temperatura no ensaio de 13/05/2005.
55
50
45
40
T (oC)
35
30
25
SENSOR 1
20
SENSOR 2
15
SENSOR 3
10
SENSOR 4
5
SENSOR 5
19:20
18:20
17:20
16:19
15:19
14:19
13:19
12:19
11:19
10:19
09:19
08:19
0
HORAS
FIGURA 4.14 – Comparação entre os sensores 1-5
no ensaio de 14/05/2005.
—
Variação de temperatura
111
Nos dias 11 e 12 os ensaios foram realizados com circulação
forçada e nos dias 13 e 14 com circulação natural. Identifica-se nestes ensaios
que as curvas de temperatura dos sensores 2 e 4 não sofreram variações
bruscas ou picos ao longo de todo o período de insolação, pois os coletores não
estiveram submetidos a períodos de sombreamento provocados por nuvens. É
possível se visualizar também que todas as curvas apresentam traçado bastante
semelhante entre os dias de mesmo tipo de circulação, caracterizando o
comportamento da temperatura da água no sistema.
A fim de se realizar uma comparação do desempenho do
equipamento nestes dias considerados ideais, a Tabela 4.5 apresenta os
resultados dos ensaios.
112
113
Comparando-se inicialmente os ensaios com o mesmo tipo de
circulação, pode-se dizer que submetido a condições climáticas bastante
semelhantes
o
sistema
de
aquecimento
alcançou
resultados
também
homogêneos. Na circulação forçada, o dia 12/05/2005 que recebeu uma
pequena quantidade de radiação a mais que o dia 11/05/2005 (310 cal/cm
2
contra 290 cal/cm2) atingiu um desempenho também ligeiramente maior (22min
contra 21min), o mesmo ocorrendo na circulação natural onde o dia 14/05/2005
obteve maior índice de radiação (305 cal/cm2 contra 271 cal/cm2) que o dia
13/05/2005 e teve um tempo de funcionamento nas condições do perfil de
consumo de 17,5min contra 15,5min.
Uma vez que nestes dias não ocorreram nuvens para interferir
nos desempenhos, tornou-se interessante também fazer a comparação entre os
resultados alcançados nos dois tipos diferentes de circulação. Emparceirando os
dias de circulação forçada com os dias de circulação natural que estiveram
submetidos a valores de radiação solar mais aproximados, pode-se comparar o
dia 11 com o dia 13, onde o dia 11 para uma quantidade de radiação 7% maior,
alcançou um desempenho 35,4% melhor e comparando o dia 12 com o dia 14,
para um índice de radiação solar 1,6% superior, obteve-se um desempenho final
25,7% maior no dia 12. Nos dois casos confirma-se o melhor desempenho do
sistema com circulação forçada, estando a diferença percentual do desempenho
em torno do valor encontrado na comparação dos tempos médios de todos os
ensaios efetuados, que foi de 32,26%.
114
No dia 26/05/2005 foi realizado um ensaio com circulação
natural e antes de se efetuar a simulação do perfil de consumo pré-definido,
durante a medição da temperatura alcançada no interior do reservatório térmico,
o
encontrou-se 38 C, valor abaixo daquele definido para o perfil de consumo, que
o
era de 40 C. As características climáticas do dia com temperaturas ambientes
baixas, associadas ao período do ano, já se aproximando do solstício de
inverno, quando o ângulo de incidência da radiação torna-se mais desfavorável
para a captação dos coletores, fez com que diminuísse a eficiência do sistema.
Optou-se então por se realizar a simulação, considerando a temperatura de
o
banho de 38 C, com a vazão do perfil de consumo de 12 l/min. No dia seguinte
com o objetivo de se estabelecer um padrão para comparação, realizou-se um
ensaio com circulação forçada e efetuou-se a simulação dentro dos mesmos
parâmetros ou seja, temperatura de banho de 38 oC com vazão de 12 l/min. Os
resultados alcançados nos dois dias estão apresentados na Tabela 4.6.
115
116
Posteriormente, de posse dos dados meteorológicos fornecidos
pelo IAPAR (Anexo A), e analisando-se as curvas de temperatura dos dois
ensaios, que estão apresentadas nas Figuras 4.15 e 4.16, identificou-se que
estes dias também foram dias com céu limpo, e com condições de radiação
muito aproximadas, estando então, em boas condições para se efetuar uma
comparação de desempenho entre tipos de circulação. O índice de radiação
solar dos dois dias foi praticamente idêntico, com diferença de 0,69% (290
cal/cm2 e 288 cal/cm2) entre eles e os resultados de desempenho (12min e
15min) apontaram um valor 25% superior para o ensaio do dia 27, efetuado com
circulação forçada. Estes valores são praticamente idênticos aos obtidos na
comparação feita anteriormente para os dias 12/05/2005 e 14/05/2005 e
sinalizam para uma regularidade na comparação dos desempenhos em
condições de simulação diferentes (a temperatura do perfil neste caso), porém
com condições climáticas ideais. A confirmação destas afirmações depende da
realização de um maior número de ensaios em condições ideais, por longo
período de tempo, o que não foi possível realizar nesta pesquisa.
117
50
45
40
35
T (oC)
30
25
SENSOR 1
20
SENSOR 2
15
SENSOR 3
10
SENSOR 4
5
SENSOR 5
18:43
17:42
16:42
15:42
14:42
13:42
12:42
11:42
10:42
09:42
08:41
0
HORAS
FIGURA 4.15 – Comparação entre os sensores 1-5 — Variação de temperatura
no ensaio de 26/05/2005.
55
50
45
40
T (oC)
35
30
SENSOR 1
25
20
SENSOR 2
15
SENSOR 3
10
SENSOR 4
5
SENSOR 5
18:37
17:37
16:37
15:37
14:37
13:36
12:36
11:36
10:36
09:36
0
HORAS
FIGURA 4.16 – Comparação entre os sensores 1-5
no ensaio de 27/05/2005.
—
Variação de temperatura
118
4.3 ESTRATIFICAÇÃO DA ÁGUA NO RESERVATÓRIO
TÉRMICO
Embora não tenha sido feito um controle de temperatura em
pontos no interior do reservatório térmico, foi possível avaliar a situação da
estratificação da água no horário em que se realizaram as simulações do perfil
de consumo através da análise das temperaturas e respectivos volumes de água
registrados durante os ensaios. A temperatura foi acompanhada através da
leitura dos sinais registrados pelo sensor 1 na tela do computador e o tempo
registrado pelo cronômetro durante a simulação. Estes valores puderam ser
conferidos posteriormente nos arquivos gerados pelo programa gerenciador dos
sinais. Os volumes de água relativos a cada temperatura foram calculados
multiplicando-se o tempo de permanência da simulação em cada posição do
registro no cavalete da ducha, pela respectiva vazão proporcionada por cada
posição (Tabela 4.7).
A Tabela 4.7 mostra os resultados dos 5 ensaios de
melhor desempenho do sistema funcionando por circulação natural.
119
TABELA 4.7 – Estratificação da água no reservatório térmico em ensaios com
circulação natural.
DIA
10/MAR
T (ºC) Volume (l)
26/MAR
Volume (l)
%
Volume (l)
%
58,51
94,9
45,67
94,9
45,67
94,9
45,41
124,1
46
87,6
41,91
34
45
8,5
34
44
8,5
43
9,5
12,68
42
209
12/ABR
%
47
TOTAL
09/ABR
100
32,06
13/ABR
Volume (l)
%
Volume (l)
%
146
72,01
146
72,01
4,25
17
25,5
4,75
4,25
25,5
17
4,75
9,5
8,66
14,25
27,99
14,25
27,99
207,8
100
202,75
100
202,75
100
10,5
9,43
212,1
100
Percebe-se a concentração das maiores quantidades de água
em uma ou duas faixas de temperatura, pouco tempo após o térmico da
circulação de água entre coletores e reservatório térmico. Isto confirma a
afirmação de Phillips e Dave (1982) que em reservatórios horizontais acontece
equilíbrio de temperatura mais rapidamente entre as camadas por condução
térmica, uma vez que a área de contato entre elas é maior.
Na Tabela 4.8 encontram-se os resultados da estratificação da
água no interior do reservatório térmico para os 5 melhores desempenhos do
sistema funcionando com circulação forçada. Verifica-se que nos ensaios que
atingiram maior temperatura ocorreu uma distribuição maior de volumes em até
3 faixas de temperatura (estratificação maior que a ocorrida no sistema passivo),
o que mostra a possibilidade de se manter certa estratificação de temperatura
em sistemas ativos, quando se trabalha com baixas vazões, conforme
afirmaram Hollands e Lightstone (1989).
120
TABELA 4.8 – Estratificação da água no reservatório térmico em ensaios com
circulação forçada.
DIA
09/MAR
Volume
%
28/MAR
Volume
06/ABR
%
Volume
11/ABR
%
Volume
19/ABR
%
Volume
(ºC)
(l)
52
42
51
42
50
42
49
36
48
14,6
21,9
21,9
7,3
14,6
47
14,6
14,6
21,9
7,3
17
46
21,9
45
4,25
8,5
4,25
4,25
44
4,25
4,75
4,25
4,25
43
4,75
TOTAL
(l)
37,11
132
(l))
(l)
55,28
60
21,9
34,46
22,58
5,85
226,35 100
21,9
8,5
%
(l))
27,13
60
18,34
18,84
126,0
29,2
58,06
33,64
66
7,3
56,97
9,90
4,75
7,54
9,5
8,29
4,75
5,99
238,8
100
217,0
100
221,15
100
162
19
76,20
23,80
0,00
212,6
100
121
5 CONCLUSÕES
122
O objetivo deste trabalho foi comparar o desempenho de um
sistema de aquecimento de água por energia solar operando com circulação
natural (sistema passivo) com o desempenho do mesmo sistema operando com
circulação forçada (sistema ativo). O parâmetro de comparação de desempenho
foi o período de tempo em que o sistema foi capaz de fornecer água quente, nas
condições de temperatura e vazão pré-definidas para um perfil de consumo.
O sistema de aquecimento foi instalado, utilizando equipamentos
e materiais que são comercializados por empresas do ramo na cidade de
Londrina, Paraná, nas condições recomendadas pela NBR 12269 da ABNT
(1992). A circulação forçada foi obtida com a conexão de uma bomba centrifuga
em um by
pass
do sistema preparado para a circulação natural. A fim de
garantir que o desempenho do sistema seria proporcionado exclusivamente pela
energia solar captada, a fonte auxiliar de energia (resistência elétrica) foi
mantida desligada.
Para se obter o melhor desempenho possível do sistema
operando com circulação forçada, foram realizados ensaios com três faixas
diferentes de vazão, baseadas no resultado obtido por simulação computacional
no trabalho de Siqueira (1996) e em recomendações de Duffie e Beckman
(1991) e Arruda (2004). Concluiu-se que, para o sistema utilizado nesta
2
pesquisa, a vazão mássica de 5,21 g/s.m proporcionou o melhor desempenho.
Este resultado mostrou coerência com experimentos realizados por Arruda
(2004), que utilizou equipamento com dimensões semelhantes às desta
pesquisa, com diferença apenas no modelo do reservatório térmico que era
123
2
vertical, e encontrou melhores resultados para vazões de 3,6 g/s.m a 5,4
2
g/s.m .
Para a comparação entre o sistema operando com circulação
natural e com circulação forçada, foram realizados ensaios alternando o tipo de
circulação de um dia para o outro. Desta forma foi possível se estabelecer uma
homogeneização das condições climáticas entre os ensaios com tipos diferentes
de circulação. Concluiu-se que nas condições de operação desta pesquisa
ocorreu uma diferença significativa de desempenho, ficando o sistema com
circulação forçada em média 32,26% mais tempo em funcionamento nas
condições de vazão e temperatura do perfil pré-definido.
Este resultado indica que sistemas com circulação forçada
podem proporcionar uma gama maior de possibilidades de utilização, com
vantagem de desempenho em relação ao sistema por circulação natural.
Sistemas
de
pequeno
porte
que
possuem
restrições
arquitetônicas à montagem de sistemas com circulação natural, podem usar a
circulação forçada, compensando o custo de instalação da bomba, com um
menor consumo de energia auxiliar para complementar a temperatura em dias
de pouca radiação solar, ou mesmo podem, conforme o perfil dos usuários, até
utilizar equipamentos de menor porte, baseado neste melhor desempenho.
Embora nesta pesquisa não tenha sido foco de atenção a medição da potência
necessária para proporcionar o funcionamento da bomba, infere-se pela vazão
muito baixa obtida para promover a circulação forçada, que a quantidade de
124
energia necessária para fazer a água circular é muito menor que a quantidade
de energia que seria preciso para complementar o aquecimento da água.
Nos sistemas de grande porte onde a circulação forçada é
obrigatória devido à maior perda de energia provocada pelo comprimento de
tubulação nos coletores e também no circuito entre coletores e reservatório
térmico, é fundamental que seja efetuado o dimensionamento hidráulico de
forma que se atinja a vazão ótima ao longo de todo o sistema. O melhor
desempenho pode resultar na redução da área de coletores solares, geralmente
um dos problemas para a implantação destes sistemas, devido ao pouco espaço
disponível.
Conclui-se também que o controle do acionamento da bomba
durante o dia, pela diferença de temperaturas na entrada e saída dos coletores,
é importante nos sistemas ativos, uma vez que as curvas de temperatura em
alguns ensaios mostraram que períodos longos de sombreamento, devido à
ocorrência de nuvens no céu, podem provocar um resfriamento dos coletores a
ponto de causar perda de calor da água durante a circulação. Recomenda-se o
uso de termostatos regulados de forma a interromper o funcionamento da
bomba sempre que a temperatura na saída dos coletores se igualar à
temperatura na entrada.
Confirmando
a
recomendação
de
Arruda
(2004),
o
funcionamento da bomba deve ser interrompido quando ocorre a redução do
125
índice de radiação solar no final da tarde, o que aconteceu por volta das 16:00 h
durante os ensaios realizados.
A análise da estratificação de temperatura no interior do
reservatório térmico, efetuada através da medição do volume de água em cada
faixa de temperatura durante a simulação do perfil de consumo (entre 18:30h e
19:30h), mostrou que em reservatórios horizontais ocorre uma concentração em
2 ou 3 faixas de temperatura. Isto pode prejudicar o desempenho do sistema, na
circulação natural porque quanto menor for a diferença de temperatura entre
saída e entrada de água no reservatório menor o efeito de termossifão no
processo e na circulação forçada quanto maior a temperatura da água na
entrada do coletor menor a troca de calor entre a superfície absorvedora de
radiação e a água circulante. Os resultados mostraram também que a baixa
vazão de circulação no sistema ativo, não provocou mistura significativa no
interior de reservatório, a ponto de interferir na estratificação, uma vez que se
encontraram um número maior de faixas com temperaturas diferentes nestes
ensaios que naqueles com circulação natural. Reafirma-se então a preferência
pela utilização de reservatórios verticais sempre que possível.
Espera-se que o método adotado nesta pesquisa de cunho regional,
possa ser utilizado em outras regiões, considerando-se as especificidades
sociais, culturais e climáticas locais.
Recomenda-se que sejam efetuadas pesquisas com equipamentos
alternativos de menor custo, como coletores solares e reservatórios térmicos
126
construídos com materiais diferentes dos convencionalmente utilizados, porém
funcionando em sistemas com circulação forçada, como forma de melhorar o
desempenho e viabilizar o uso destes equipamentos.
Recomenda-se ainda que outros trabalhos sejam desenvolvidos
considerando sistemas com circulação forçada como pré-aquecimento para
sistemas de grande porte, possibilitando assim uma redução no consumo total
de energia.
Por fim espera-se que os resultados deste trabalho possam
contribuir para que novas pesquisas sejam realizadas, considerando sistemas
com circulação forçada como uma das principais alternativas para viabilizar a
implantação de sistemas solares de aquecimento de água, em substituição a
sistemas movidos por energias não renováveis e contribuindo desta forma para
que se atinja o desenvolvimento sustentável e a preservação ambiental do
planeta.
127
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PRADO, R. T. A.; GONÇALVES, O. M. Gerenciamento de demanda e consumo
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Resumo
132
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Civil, Universidade Estadual de Campinas, Campinas.
RUDNICK, A. et al. A study of solar collector aging, installation and materials
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SHARIAH, A.; SHALABI, B. Optimal design for a termosyphon solar water
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SIQUEIRA, A.M.O. Análise Térmica de Aquecedores Solares Operando em
Circulação Natural e em Circulação Forçada. 1996. 113 f. Dissertação
(Mestrado em Engenharia Mecânica) - Universidade Federal de Minas Gerais,
Belo Horizonte.
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computacional de sistemas de aquecimento solar para água. 2003. 147 f. Tese
(Doutorado em Engenharia Mecânica) – Escola de Engenharia,
Universidade Federal do Rio Grande do Sul, Porto Alegre.
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solar com circulação natural. 1991. 98 f.. Dissertação (Mestrado em
Engenharia Mecânica) - Universidade Federal do Rio Grande do Sul, Porto
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and nonpressurized solar water heting thermosiphon system. Solar Energy,
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APOSTILA de Meteorologia. cap. 2. Disponível em:
http://www.fisica.ufpr.br/grimm/aposmeteo/cap2. Acesso em: 16 nov. 2003.
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VIEIRA, L.R. Estratégias para minimizar o consumo de energia elétrica no apoio
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(Mestrado em Engenharia Mecânica) – Escola de Engenharia, Universidade
Federal do Rio Grande do Sul, Porto Alegre.
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domestic hot water system with hot water removal. Solar Energy, Oxford, v. 32,
n. 5, p. 655-658, 1984.
134
Apêndices
135
APÊNDICE A
FICHA ENSAIO
ENSAIO :
DIA :
T AF no canal 1 =
TIPO :
Hora =
BOMBA
Q bomba =
l / min
Aplaca=2,4
g /s
Hidrometro bomba : inicio =
m3
final =
m3
Volume circulado no dia =
l
tempo circulado no dia =
h
l / min
Q media =
g /s
Aplaca=2,4
g / s . m2
g / s . m2
DUCHA
T AF =
T AQ =
Hidrometro ducha :
inicio =
m3
hora =
final =
m3
hora =
Volume =
l
tempo =
min
Q media =
l / min
Controle de vazão durante o ensaio:
Tmist
T AF
T AQ
Q AQ
R AQ
tempo
Q do R AQ
Volume
136
APÊNDICE B
75
70
65
60
55
50
45
40
35
30
25
20
15
10
5
0
SENSOR 1
SENSOR 2
SENSOR 3
SENSOR 4
20:15
19:15
18:15
17:15
16:15
15:15
14:15
13:15
12:14
11:14
10:14
SENSOR 5
09:14
T (oC)
GRÁFICOS COM AS VARIAÇÕES DE
TEMPERATURA
DURANTE OS ENSAIOS
HORAS
60
55
50
45
40
35
30
25
20
15
10
5
0
SENSOR 1
SENSOR 2
SENSOR 3
19:43
18:43
17:43
16:43
15:43
14:43
13:43
12:42
11:42
10:42
09:42
SENSOR 4
08:42
T (oC)
FIGURA B1 – Comparação entre os sensores 1 - 5 (09/03/05).
SENSOR 5
HORAS
FIGURA B2 – Comparação entre os sensores 1 - 5 (10/03/05).
137
SENSOR 1
SENSOR 2
SENSOR 3
SENSOR 4
18:59
17:59
16:59
15:59
14:58
13:58
12:58
11:58
10:58
09:58
08:58
SENSOR 5
07:58
T (oC)
60
55
50
45
40
35
30
25
20
15
10
5
0
HORAS
60
55
50
45
40
35
30
25
20
15
10
5
0
SENSOR 1
SENSOR 2
SENSOR 3
SENSOR 5
18:38
17:38
16:38
15:38
14:38
13:38
12:37
11:37
10:37
09:37
SENSOR 4
08:37
T (oC)
FIGURA B3 – Comparação entre os sensores 1 - 5 (26/03/05).
HORAS
FIGURA B4 – Comparação entre os sensores 1 - 5 (30/03/05).
65
60
55
50
45
40
35
30
25
20
15
10
5
0
SENSOR 1
SENSOR 2
SENSOR 3
20:11
18:46
17:45
16:45
15:45
14:45
13:45
12:45
11:45
10:45
09:45
08:45
SENSOR 4
SENSOR 5
H OR A S
FIGURA B5 – Comparação entre os sensores 1 - 5 (31/03/05).
138
SENSOR 1
SENSOR 2
SENSOR 3
SENSOR 5
18:56
17:56
16:56
15:56
14:56
13:56
12:56
11:56
10:56
09:56
SENSOR 4
08:56
T (oC)
60
55
50
45
40
35
30
25
20
15
10
5
0
HORAS
65
60
55
50
45
40
35
30
25
20
15
10
5
0
SENSOR 1
SENSOR 2
SENSOR 3
SENSOR 5
18:54
17:54
16:54
15:53
14:53
13:53
12:53
11:53
10:53
09:53
SENSOR 4
08:53
T (oC)
FIGURA B6 – Comparação entre os sensores 1 - 5 (01/04/05).
HORAS
60
55
50
45
40
35
30
25
20
15
10
5
0
SENSOR 1
SENSOR 2
SENSOR 3
SENSOR 4
19:17
18:17
17:17
16:17
15:17
14:17
13:17
12:17
11:17
10:16
09:16
SENSOR 5
08:16
T (oC)
FIGURA B7 – Comparação entre os sensores 1 - 5 (06/04/05).
HORAS
FIGURA B8 – Comparação entre os sensores 1 - 5 (07/04/05).
139
SENSOR 1
SENSOR 2
SENSOR 3
SENSOR 4
18:57
17:57
16:57
15:57
14:57
13:57
12:57
11:57
10:57
09:56
SENSOR 5
08:56
T (oC)
65
60
55
50
45
40
35
30
25
20
15
10
5
0
HORAS
60
55
50
45
40
35
30
25
20
15
10
5
0
SENSOR 1
SENSOR 2
SENSOR 3
19:15
18:14
17:14
16:14
15:14
14:14
13:14
12:14
11:14
10:14
09:14
SENSOR 4
08:13
T (oC)
FIGURA B9 – Comparação entre os sensores 1 - 5 (08/04/05).
SENSOR 5
HORAS
70
65
60
55
50
45
40
35
30
25
20
15
10
5
0
SENSOR 1
SENSOR 2
SENSOR 3
SENSOR 4
19:05
18:05
17:05
16:05
15:05
14:05
13:05
12:05
11:05
10:04
SENSOR 5
09:04
T (oC)
FIGURA B10 – Comparação entre os sensores 1 - 5 (09/04/05).
HORAS
FIGURA B11 – Comparação entre os sensores 1 - 5 (11/04/05).
140
SENSOR 1
SENSOR 2
SENSOR 3
SENSOR 4
18:43
17:43
16:42
15:42
14:42
13:42
12:42
11:42
10:42
09:42
SENSOR 5
08:42
T (oC)
60
55
50
45
40
35
30
25
20
15
10
5
0
HORAS
65
60
55
50
45
40
35
30
25
20
15
10
5
0
SENSOR 1
SENSOR 2
SENSOR 3
SENSOR 4
18:46
17:46
16:46
15:46
14:46
13:46
12:46
11:45
10:45
09:45
SENSOR 5
08:45
T (oC)
FIGURA B12 – Comparação entre os sensores 1 - 5 (13/04/05).
HORAS
65
60
55
50
45
40
35
30
25
20
15
10
5
0
SENSOR 1
SENSOR 2
SENSOR 3
SENSOR 4
18:42
17:41
16:41
15:41
14:41
13:41
12:41
11:41
10:41
09:41
SENSOR 5
08:41
T (oC)
FIGURA B13 – Comparação entre os sensores 1 - 5 (14/04/05).
HORAS
FIGURA B14 – Comparação entre os sensores 1 - 5 (19/04/05).
141
SENSOR 1
SENSOR 2
SENSOR 3
SENSOR 4
18:33
17:33
16:33
15:33
14:33
13:33
12:33
11:33
10:33
09:33
SENSOR 5
08:32
T (oC)
55
50
45
40
35
30
25
20
15
10
5
0
HORAS
55
50
45
40
35
30
25
20
15
10
5
0
SENSOR 1
SENSOR 2
SENSOR 3
SENSOR 4
19:15
18:15
17:15
16:15
15:15
14:15
13:15
12:15
11:15
10:15
09:14
SENSOR 5
08:14
T (oC)
FIGURA B15 – Comparação entre os sensores 1 - 5 (11/04/05).
HORAS
60
55
50
45
40
35
30
25
20
15
10
5
0
SENSOR 1
SENSOR 2
SENSOR 3
SENSOR 4
19:36
18:36
17:36
16:36
15:36
14:36
13:36
12:36
11:36
10:36
09:35
SENSOR 5
08:35
T (oC)
FIGURA B16 – Comparação entre os sensores 1 - 5 (30/04/05).
HORAS
FIGURA B17 – Comparação entre os sensores 1 - 5 (02/05/05).
142
SENSOR 1
SENSOR 2
SENSOR 3
SENSOR 4
18:30
17:30
16:30
15:29
14:29
13:29
12:29
11:29
10:29
09:29
SENSOR 5
08:29
T (oC)
55
50
45
40
35
30
25
20
15
10
5
0
HORAS
60
55
50
45
40
35
30
25
20
15
10
5
0
SENSOR 1
SENSOR 2
SENSOR 3
SENSOR 4
18:13
17:13
16:13
15:13
14:13
13:13
12:13
11:12
10:12
SENSOR 5
09:12
T (oC)
FIGURA B18 – Comparação entre os sensores 1 - 5 (03/05/05).
HORAS
55
50
45
40
35
30
25
20
15
10
5
0
SENSOR 1
SENSOR 2
SENSOR 3
SENSOR 4
19:05
18:05
17:05
16:05
15:05
14:05
13:05
12:05
11:05
10:04
09:04
SENSOR 5
08:04
T (oC)
FIGURA B19 – Comparação entre os sensores 1 - 5 (04/05/05).
HORAS
FIGURA B20 – Comparação entre os sensores 1 - 5 (05/05/05).
143
SENSOR 1
SENSOR 2
SENSOR 3
SENSOR 4
18:42
17:42
16:42
15:42
14:42
13:42
12:42
11:42
10:42
09:42
SENSOR 5
08:42
T (oC)
55
50
45
40
35
30
25
20
15
10
5
0
HORAS
55
50
45
40
35
30
25
20
15
10
5
0
SENSOR 1
SENSOR 2
SENSOR 3
18:46
17:46
16:46
15:46
14:46
13:45
12:45
11:45
10:45
09:45
SENSOR 4
08:45
T (oC)
FIGURA B21 – Comparação entre os sensores 1 - 5 (10/05/05).
SENSOR 5
HORAS
19:06
18:06
17:06
16:06
15:06
14:06
13:06
12:06
11:06
10:06
60
55
50
45
40
35
30
25
20
15
10
5
0
09:05
T (oC)
FIGURA B22 – Comparação entre os sensores 1 - 5 (17/05/05).
SENSOR
1
SENSOR
2
SENSOR
3
SENSOR
4
SENSOR
5
HORAS
FIGURA B23 – Comparação entre os sensores 1 - 5 (18/05/05).
144
SENSOR 1
SENSOR 2
SENSOR 3
SENSOR 4
18:32
17:32
16:32
15:32
14:32
13:32
12:31
11:31
10:31
09:31
SENSOR 5
08:31
T (oC)
55
50
45
40
35
30
25
20
15
10
5
0
HORAS
60
55
50
45
40
35
30
25
20
15
10
5
0
SENSOR 1
SENSOR 2
SENSOR 3
SENSOR 4
18:42
17:42
16:42
15:42
14:42
13:41
12:41
11:41
10:41
09:41
SENSOR 5
08:41
T (oC)
FIGURA B24 – Comparação entre os sensores 1 - 5 (19/05/05).
HORAS
FIGURA B25 – Comparação entre os sensores 1 - 5 (20/05/05).
145
APÊNDICE C
MONITORAMENTO DE TEMPERATURA DO
ENSAIO DE 12/05/2005
DATA
12/05/05
12/05/05
12/05/05
12/05/05
12/05/05
12/05/05
12/05/05
12/05/05
12/05/05
12/05/05
12/05/05
12/05/05
12/05/05
12/05/05
12/05/05
12/05/05
12/05/05
12/05/05
12/05/05
12/05/05
12/05/05
12/05/05
12/05/05
12/05/05
12/05/05
12/05/05
12/05/05
12/05/05
12/05/05
12/05/05
12/05/05
12/05/05
12/05/05
12/05/05
12/05/05
12/05/05
12/05/05
12/05/05
12/05/05
12/05/05
12/05/05
12/05/05
12/05/05
12/05/05
12/05/05
12/05/05
12/05/05
12/05/05
12/05/05
12/05/05
12/05/05
12/05/05
12/05/05
12/05/05
12/05/05
12/05/05
12/05/05
12/05/05
12/05/05
12/05/05
12/05/05
12/05/05
12/05/05
12/05/05
12/05/05
12/05/05
12/05/05
12/05/05
12/05/05
12/05/05
12/05/05
12/05/05
12/05/05
HORA SENSOR1 SENSOR2 SENSOR3 SENSOR4 SENSOR5
08:41:05
08:42:05
08:43:05
08:44:05
08:45:06
08:46:06
08:47:06
08:48:06
08:49:06
08:50:06
08:51:06
08:52:06
08:53:06
08:54:06
08:55:07
08:56:07
08:57:07
08:58:07
08:59:07
09:00:07
09:01:07
09:02:07
09:03:07
09:04:07
09:05:08
09:06:08
09:07:08
09:08:08
09:09:08
09:10:08
09:11:08
09:12:08
09:13:08
09:14:08
09:15:09
09:16:09
09:17:09
09:18:09
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