ANÁLISE ENERGÉTICA COMPARATIVA ENTRE SISTEMAS DE
CONDICIONAMENTO DE AR COM UTILIZAÇÃO DE ENERGIA SOLAR:
ESTUDO DE CASO PARA O EDIFÍCIO DO BLOCO G DO CENTRO DE
TECNOLOGIA DA UNIVERSIDADE FEDERAL DO RIO DE JANEIRO
Rafael Japiassú Leitão
Projeto de Graduação apresentado ao Curso de
Engenharia Mecânica da Escola Politécnica da
Universidade Federal do Rio de Janeiro, como
parte dos requisitos necessários à obtenção do
título de Engenheiro.
Orientador: Antonio MacDowell de Figueiredo
RIO DE JANEIRO, RJ - BRASIL
FEVEREIRO DE 2014
UNIVERSIDADE FEDERAL DO RIO DE JANEIRO
Departamento de Engenharia Mecânica
DEM/POLI/UFRJ
ANÁLISE ENERGÉTICA COMPARATIVA ENTRE SISTEMAS DE
CONDICIONAMENTO DE AR COM UTILIZAÇÃO DE ENERGIA SOLAR:
ESTUDO DE CASO PARA O EDIFÍCIO DO BLOCO G DO CENTRO DE
TECNOLOGIA DA UNIVERSIDADE FEDERAL DO RIO DE JANEIRO
Rafael Japiassú Leitão
PROJETO FINAL SUBMETIDO AO CORPO DOCENTE DO DEPARTAMENTO
DE
ENGENHARIA
MECÂNICA
DA
ESCOLA
POLITÉCNICA
DA
UNIVERSIDADE FEDERAL DO RIO DE JANEIRO COMO PARTE DOS
REQUISITOS
NECESSÁRIOS
PARA
A
OBTENÇÃO
DO
GRAU
DE
ENGENHEIRO MECÂNICO.
Aprovado por:
__________________________________________________
Prof. Antonio MacDowell de Figueiredo, Dr.Ing. (Orientador)
__________________________________________________
Prof. Manuel Ernani de Carvalho Cruz, PhD
__________________________________________________
Prof. Nísio de Carvalho Lobo Brum, DSc
RIO DE JANEIRO, RJ - BRASIL
FEVEREIRO DE 2014
Leitão, Rafael Japiassú
Análise energética comparativa entre sistemas de
condicionamento de ar com utilização de energia solar: Estudo de caso
para o edifício do bloco G do Centro de Tecnologia da Universidade
Federal do Rio de Janeiro / Rafael Japiassú Leitão – Rio de Janeiro:
UFRJ/ ESCOLA POLITÉCNICA, 2014.
XIII, 89p.: il.; 29,7 cm.
Orientador: Antonio MacDowell de Figueiredo
Projeto de Graduação – UFRJ/
Departamento de Engenharia Mecânica, 2014.
Escola
Politécnica/
Referências Bibliográficas: p. 62-63.
1. Ar condicionado. 2. Energia solar. 3. Energy Plus™. I.
Figueiredo, Antonio MacDowell de. II. Universidade Federal do Rio
de Janeiro, Escola Politécnica, Departamento de Engenharia Mecânica.
III. Análise energética comparativa entre sistemas de condicionamento
de ar com utilização de energia solar: Estudo de caso para o edifício do
bloco G do Centro de Tecnologia da Universidade Federal do Rio de
Janeiro
iii
“Eu colocaria meu dinheiro na energia solar.
Que fonte de energia!
Espero não ser necessário aguardar que o petróleo e o carvão acabem
para encarar isto.”
Thomas Edison em conversa com Henry Ford e Harvey Firestone, em 1931.
iv
AGRADECIMENTOS
A Deus, primeiramente, pelo dom da vida e por guiar meus passos em todos os
momentos de minha vida.
A meus pais, Djalma Pinto Leitão Filho e Eloisa Japiassú de Oliveira Lima Leitão,
maiores incentivadores dos meus estudos, por estarem sempre ao meu lado, dizendo
palavras amorosas e me reconfortando nos momentos difíceis. Devo tudo que sou e
conquistei a vocês.
A meu querido irmão, Filipe Japiassú Leitão, pelo companheirismo e por todos
instantes divertidos que passamos juntos.
A minha avó, Ednar Japiassú de Oliveira Lima, por todo amor, carinho e fé
transmitidos a mim.
Aos amigos que fiz durante minha graduação por tornarem os momentos de estudo e
diversão mais alegres, sem os quais minha formação seria mais árdua.
Aos professores do Departamento de Engenharia Mecânica, em especial meu
orientador, prof. Antonio MacDowell de Figueiredo, pelos conhecimentos transmitidos
durante minha graduação.
Aos funcionários do Departamento de Engenharia Mecânica por sempre estarem
dispostos a me ajudar e me dar informações durante minha graduação.
A Alan Emanuel Ribeiro, Filipe Leite Brandão, Isabelle de Loys e Daniel Gomes de
Sousa por me ajudarem em momentos distintos dessa monografia, sem os quais esse
trabalho tornar-se-ia muito mais complicado.
A todos meus amigos e familiares por torcerem pelo meu sucesso e por todas as
demonstrações de amizade e carinho.
v
Resumo do Projeto de Graduação apresentado à Escola Politécnica/UFRJ como parte
dos requisitos necessários para a obtenção do grau de Engenheiro Mecânico.
ANÁLISE ENERGÉTICA COMPARATIVA ENTRE SISTEMAS DE
CONDICIONAMENTO DE AR COM UTILIZAÇÃO DE ENERGIA SOLAR:
ESTUDO DE CASO PARA O EDIFÍCIO DO BLOCO G DO CENTRO DE
TECNOLOGIA DA UNIVERSIDADE FEDERAL DO RIO DE JANEIRO
Rafael Japiassú Leitão
Fevereiro/2014
Orientador: Antonio MacDowell de Figueiredo
Curso: Engenharia Mecânica
Este projeto visa avaliar a viabilidade de se implantar um sistema de ar condicionado
com aproveitamento de energia solar no edifício do bloco G do Centro de Tecnologia da
UFRJ, localizado na Cidade Universitária, na cidade do Rio de Janeiro.
A possibilidade de utilização de energia solar é uma alternativa tecnicamente possível e
interessante de ser considerada, principalmente porque, quando a potência frigorífica do
edifício é mais elevada, a radiação solar também é mais elevada. Dentre os sistemas de
condicionamento de ar solar, o sistema térmico - que associa coletores solares térmicos
com chiller de absorção - é o mais disseminado, na atualidade. Entretanto, dependendo
do caso, outras tecnologias podem ser vantajosas. Uma opção, por exemplo, é o sistema
elétrico - que associa painéis fotovoltaicos ao chiller convencional de compressão de
vapor.
Para esta comparação foram utilizadas a ferramenta de simulação EnergyPlus™ e
planilhas eletrônicas, onde primeiramente foram calculadas as cargas térmicas ao longo
do ano, e com isso, determinou-se as condições de conforto em que os sistemas de
refrigeração irão operar para, por seguinte, determinar-se o consumo de eletricidade
necessário ao chiller para manter estas condições.
O interesse do presente projeto é verificar se esses sistemas de ar condicionado solar são
economicamente mais vantajosos durante o ano.
vi
Abstract of Undergraduate Project presented to DEM/UFRJ as a part of fulfillment of
the requirements for the degree of Engineer.
COMPARATIVE ENERGETICS ANALISYS AMONG AIR CONDITIONING
SYSTEMS USING SOLAR ENERGY: CASE STUDY FOR BUILDING ON BLOCK
G OF TECHNOLOGY CENTER AT FEDERAL UNIVERSITY OF RIO DE
JANEIRO
Rafael Japiassú Leitão
February/2014
Advisor: Antonio MacDowell de Figueiredo
Course: Mechanical Engineering
This project aims to assess the feasibility of implementing air conditioning systems
using solar energy in the building on block G of Technology Center at Federal
University of Rio de Janeiro, located in University City, in the city of Rio de Janeiro.
The possibility of using solar energy is technically feasible and interesting to be
considered, mainly because generally when the building cooling load is higher, the solar
radiation is also higher. Among solar air conditioning systems, the thermal system which combines solar collectors with absorption chiller - is the most widespread,
nowadays. However, depending on the case, other technologies may take advantage.
One option, for example, is the electrical system - which combines photovoltaic panels
with conventional vapor compression chiller.
For this comparison we used the simulation tool EnergyPlus™ and spreadsheets, which
were first calculated thermal loads throughout the year and thus determine the
conditions of comfort that the cooling systems will operate for then, determine electric
consumption necessary for the chiller to keep these conditions.
The interest of this project is to verify if those solar air conditioning systems are
economically more advantageous throughout the year.
vii
SUMÁRIO
ÍNDICE DE FIGURAS ................................................................................................... ix
ÍNDICE DE TABELAS ................................................................................................... x
LISTA DE ABREVIATURA E SÍMBOLOS ................................................................. xi
1.
INTRODUÇÃO ........................................................................................................ 1
2.
OBJETIVO ................................................................................................................ 3
3.
SISTEMAS DE AR CONDICIONADO SOLAR .................................................... 4
4.
5.
3.1.
Sistema de ar condicionado solar elétrico...................................................... 4
3.2.
Sistema de ar condicionado solar térmico ..................................................... 5
3.3.
Alternativas avaliadas nesse trabalho .......................................................... 14
PROJETO SOLAIR ................................................................................................ 17
4.1.
O projeto ......................................................................................................... 17
4.2.
Modificações ao modelo proposto pelo projeto SOLAIR........................... 19
4.3.
Considerações aplicadas nesse trabalho ...................................................... 23
ESTUDO DE CASO ............................................................................................... 26
5.1.
O edifício ......................................................................................................... 26
5.2.
Cálculo da carga térmica .............................................................................. 28
5.3.
Cálculo potência frigorífica........................................................................... 36
5.4.
Descrição dos sistemas de ar condicionado ................................................. 42
5.5.
Consumo de energia e seu custo ................................................................... 45
6.
RESULTADOS ....................................................................................................... 51
7.
ANÁLISES ............................................................................................................. 56
8.
7.1.
Análise de investimento do sistema de ar condicionado solar elétrico...... 56
7.2.
Dimensionamento do sistema de ar condicionado solar térmico ............... 57
CONCLUSÃO ........................................................................................................ 60
REFERÊNCIAS BIBLIOGRÁFICAS ........................................................................... 62
ANEXOS ........................................................................................................................ 64
viii
ÍNDICE DE FIGURAS
Figura 3.1 - Diagrama esquemático de um sistema de condicionamento de ar elétrico
utilizando sistema de compressão de vapor...................................................................... 4
Figura 3.2 - Esquema simplificado do ciclo de absorção ................................................. 6
Figura 3.3 - Diagrama de entalpia-concentração para H2O-LiBr ..................................... 8
Figura 3.4 - Esquema de um sistema de condicionamento de ar com ciclo de absorção e
utilização de energia solar ................................................................................................ 9
Figura 3.5 - Exemplos de coletores, aplicáveis em ar condicionado solar ..................... 11
Figura 3.6 - Ciclo de refrigeração dessecante padrão com energia solar térmica .......... 14
Figura 5.1 - Planta baixa do térreo ................................................................................. 27
Figura 5.2 - Planta baixa do 2° andar ............................................................................. 27
Figura 5.3 - Perfil para ocupação, equipamentos e iluminação ao longo dos dias ......... 34
Figura 5.4 - Arranjo típico do sistema de ar condicionado e nomenclatura utilizada .... 38
Figura 5.5 - Esquema do sistema de ar condicionado solar térmico simulado ............... 42
Figura 5.6 - Esquema do sistema de ar condicionado solar elétrico simulado ............... 42
Figura 5.7 - Esquema do sistema de ar condicionado convencional simulado .............. 44
Figura 5.8 - Representação gráfica da conversão de potência em energia ..................... 45
Figura 6.1 - Consumo de eletricidade mensal de cada sistema ...................................... 51
Figura 6.2 - Porcentagem de utilização do aquecedor auxiliar....................................... 52
Figura 6.3 - Custo relativo ao consumo de energia elétrica mensal de cada sistema ..... 53
Figura 6.4 - Consumo de eletricidade com novo horário de funcionamento ................. 54
Figura 6.5 - Custo monetário do consumo como novo horário de funcionamento ........ 55
Figura 7.1 - Curva característica dos chillers de absorção da BROAD ......................... 58
ix
ÍNDICE DE TABELAS
Tabela 3.1 - Comparação de sistemas de absorção alimentados por energia solar ........ 11
Tabela 3.2 - Comparação entre os principais sistemas de ar condicionado solar........... 15
Tabela 5.1 - Dimensões das zonas .................................................................................. 28
Tabela 5.2 - Dados geográficos do edifício simulado .................................................... 29
Tabela 5.3 - Propriedades dos materiais das paredes ..................................................... 30
Tabela 5.4 - Propriedades de divisórias e portas localizadas em divisórias ................... 30
Tabela 5.5 - Propriedades das portas principais ............................................................. 30
Tabela 5.6 - Propriedades dos pisos ............................................................................... 31
Tabela 5.7 - Propriedades do teto externo ...................................................................... 31
Tabela 5.8 - Taxas de dissipação de calor ...................................................................... 32
Tabela 5.9 - Densidade de ocupação .............................................................................. 32
Tabela 5.10 - Taxas típicas de calor liberado por pessoas.............................................. 33
Tabela 5.11 - Taxas típicas de dissipação de calor de equipamentos elétricos .............. 33
Tabela 5.12 - Carga térmica total e horário de máximo ................................................. 35
Tabela 5.13 - Parâmetro de entrada no COMFORT....................................................... 36
Tabela 5.14 - Propriedades do ar do recinto oriundas do COMFORT ........................... 36
Tabela 5.15 - Valores típicos de fator de by-pass........................................................... 37
Tabela 5.16 - Constantes usadas na análise psicrométrica ............................................. 40
Tabela 5.17 – Condições de insuflamento no horário de máxima carga térmica de cada
zona................................................................................................................................. 41
Tabela 5.18 - Parâmetros aplicados no sistema de ar condicionado convencional ........ 46
Tabela 5.19 - Parâmetros aplicados no sistema de ar condicionado solar elétrico ......... 47
Tabela 5.20 - Parâmetros aplicados no sistema de ar condicionado solar térmico ........ 48
Tabela 5.21 - Tarifas de energia elétrica adotadas ......................................................... 49
x
LISTA DE ABREVIATURA E SÍMBOLOS
𝐴
Área ocupada pelos coletores solares térmicos
ABS
Absorção
AG
Água gelada
ANEEL
Agência Nacional de Energia Elétrica
𝐵𝐹
Fator de desvio da serpentina (by-pass)
𝐶10
𝐶11
𝐶12
𝐶13
𝐶8
𝐶9
𝑐𝑝𝑎
𝑐𝑝𝑣
Constante
Constante
Constante
Constante
Constante
Constante
Calor específico do ar
Calor específico do vapor d’água
COFINS Contribuição para Financiamento da Seguridade Social
COP
Coeficiente de performance
𝐶𝑂𝑃𝐶𝑉
𝐶𝑂𝑃𝑆
𝐶𝑇
CV
DC/AC
DOE
𝐸0,𝑏𝑜𝑚𝑏
𝐸0,𝑐ℎ𝑖𝑙.
𝐸0,𝑐𝑜𝑛𝑣.
𝐸0,𝑓𝑜𝑠𝑠𝑖𝑙
𝐸0,𝑡𝑒𝑟𝑚.
𝐸0,𝑡𝑜𝑟𝑟𝑒
𝐸𝐸,𝐹𝑉
𝐸𝐸,𝑎𝑢𝑥
𝐸𝐸,𝑏𝑜𝑚𝑏
𝐸𝐸,𝑐ℎ𝑖𝑙.
𝐸𝐸,𝑐𝑜𝑛𝑣.
Coeficiente de performance do chiller elétrico de compressão de vapor
Coeficiente de performance do chiller de absorção
Carga térmica
Compressão a vapor
Direct current - Alternate Current
United States Department of Energy
Energia primária consumida pela instalação dos coletores solares (bombas)
Energia primária consumida pelo chiller solar
Consumo de energia primária do sistema de ar condicionado convencional
Energia primária consumida pelo aquecedor auxiliar (operando com
combustível fóssil)
Consumo de energia primária do sistema de ar condicionado solar térmico
Energia primária consumida pela torre de resfriamento
Produção de energia elétrica a partir dos painéis fotovoltaicos
Energia elétrica total consumida pelo aquecedor auxiliar (operando com
eletricidade)
Energia elétrica consumida pela instalação dos coletores solares (bombas)
Energia elétrica consumida pelo chiller solar
Energia elétrica consumida pelo sistema de ar condicionado convencional
xi
𝐸𝐸,𝑒𝑙𝑒𝑡.
𝐸𝐸,𝑡𝑒𝑟𝑚.
𝐸𝐸,𝑡𝑜𝑟𝑟𝑒
𝐸𝑇,𝑓𝑜𝑠𝑠𝑖𝑙
𝐸𝑅𝐿𝐻
𝐸𝑅𝑆𝐻
𝐸𝑆𝐻𝐹
𝑓𝑒𝑙,𝑏𝑜𝑚𝑏.
𝑓𝑒𝑙,𝑐ℎ𝑖𝑙.
𝑓𝑒𝑙,𝑡𝑜𝑟𝑟𝑒
𝐺
ℎ𝐸𝐴
ℎ𝑂𝐴
ℎ𝑅𝐴
ℎ𝑆𝐴
ℎ𝑙𝑣
Energia elétrica consumida pelo sistema de ar condicionado solar elétrico
Energia elétrica consumida pelo sistema de ar condicionado solar térmico
Energia elétrica consumida pela torre de resfriamento
Energia térmica total consumida pelo aquecedor auxiliar (operando com
combustível fóssil).
Taxa de calor latente efetiva do recinto
Taxa de calor sensível efetiva do recinto
Efetivo fator de calor sensível do recinto
Demanda específica de eletricidade da instalação solar (razão entre o
consumo de energia elétrica da instalação solar, isto é, das bombas, e a
energia térmica produzida pelos coletores)
Demanda específica de eletricidade do chiller de absorção (razão entre o
consumo de energia elétrica do chiller de absorção e a energia térmica
retirada do edifício pelo chiller solar)
Demanda específica de eletricidade das torres de resfriamento (razão entre o
consumo de energia elétrica do sistema de rejeição de calor, isto é, das torres
de resfriamento, e a energia térmica rejeitada)
Irradiância solar
Entalpia específica do ar de mistura
Entalpia específica do ar externo
Entalpia específica do ar do recinto condicionado
Entalpia específica do ar insuflado
Entalpia de vaporização da água a 0°C
H2O
ICMS
Água
LiBr
ṁSA
Brometo de Lítio
ṁ𝑂𝐴
𝜂𝑏𝑜𝑖𝑙𝑒𝑟
𝜂𝑐𝑜𝑙𝑒𝑡𝑜𝑟
𝜂𝑒
𝜂𝑓𝑜𝑠𝑠𝑖𝑙
𝜂𝑔𝑟𝑖𝑑
NH3
𝑃𝑎𝑡𝑚
𝑃𝑣_𝑂𝐴
𝑃𝑣_𝑅𝐴
Imposto sobre Circulação de Mercadorias e Serviços
Vazão mássica do ar insuflado
Vazão mássica do ar externo
Rendimento da caldeira a combustível fóssil
Eficiência dos coletores solares térmicos
Eficiência do aquecedor elétrico
Rendimento de conversão de energia primária do combustível fóssil
Rendimento de conversão de energia primária da rede elétrica
Amônia
Pressão atmosférica
Pressão parcial do vapor d’água do ar externo
Pressão parcial do vapor d’água no recinto condicionado
xii
𝑃𝑣𝑠_𝑂𝐴
𝑃𝑣𝑠_𝑅𝐴
𝑃𝑣𝑠_𝑎𝑑𝑝
Pressão parcial do vapor d’água saturado do ar externo
Pressão parcial do vapor d’água saturado no recinto condicionado
Pressão parcial do vapor saturado no ponto de orvalho do equipamento
PIS
Programa de Integração Social
𝑄𝑎𝑢𝑥
Energia térmica fornecida ao chiller solar proveniente do aquecedor auxiliar
𝑄𝑐𝑜𝑙𝑑
Energia térmica retirada do edifício pelo sistema de condicionamento de ar
𝑄𝑒𝑣𝑎𝑝
Calor retirado do ar por meio do evaporador
𝑄𝑠𝑜𝑙𝑎𝑟
Energia térmica fornecida ao chiller solar proveniente dos coletores térmicos
𝑄𝑔𝑒𝑟
Calor fornecido ao gerador pelos coletores solares
𝑅𝐿𝐻
Parcela latente da carga térmica
𝑅𝑆𝐻
Parcela sensível da carga térmica
𝑅𝑆𝐻𝐹
Fator de calor sensível do recinto
SI
Sistema internacional de unidades
𝑡𝐸𝐴
Temperatura de bulbo seco do ar de mistura
𝑠
𝑡𝑂𝐴
𝑡𝑅𝐴
𝑡𝑆𝐴
𝑡𝑎𝑑𝑝
𝑈𝑅𝑂𝐴
𝑈𝑅𝑅𝐴
𝜐𝑂𝐴
VcI
VsI
𝜔𝑂𝐴
𝜔𝑅𝐴
𝜔𝑎𝑑𝑝
𝛥𝐸0,𝑟𝑒𝑙.
Fração solar do sistema
Temperatura de bulbo seco do ar externo
Temperatura de bulbo seco do ar do recinto condicionado
Temperatura de bulbo seco do ar insuflado
Temperatura de ponto de orvalho do equipamento
Umidade relativa do ar externo
Umidade relativa do ar do recinto condicionado
Volume específico do ar externo
Valor da tarifa de energia, inclusos os impostos
Valor da tarifa de energia, sem considerar os impostos
Razão de umidade do ar externo
Razão de umidade do ar do recinto condicionado
Razão de umidade do ar no ponto de orvalho do equipamento
Poupança relativa de energia primária
xiii
1. INTRODUÇÃO
Sistemas de condicionamento de ar são imprescindíveis na sociedade atual. A
principal aplicação do ar condicionado tem como finalidade proporcionar um ambiente
interior cujas condições se mantenham relativamente constantes, dentro dos padrões que
ofereçam mais conforto às pessoas, apesar das variações das condições meteorológicas
exteriores e das cargas térmicas interiores.
Em uma cidade como o Rio de Janeiro, onde o clima tropical úmido predomina
durante a maioria dos meses do ano, o condicionamento de ar torna-se ainda mais
importante.
Atualmente o sistema de ar condicionado mais comumente utilizado, tanto em
escala doméstica quanto industrial, é o sistema por compressão a vapor, que tem como
característica um elevado consumo de energia elétrica, além disso, utiliza fluidos
refrigerantes que são danosos ao ambiente, contribuindo com a destruição da camada de
ozônio.
A preocupação com o crescimento acelerado do consumo de energia tem se
intensificado com o passar dos anos e o ar condicionado é um alvo importante quando
se deseja reduzir esse consumo em uma edificação.
Nesse sentido, por exemplo, é possível considerar o uso de sistemas que operem
termicamente ao invés da utilização da convencional operação elétrica, tais como,
chillers de absorção. Da mesma forma, é possível também a utilização de sistemas
híbridos alimentados por fontes de energia renováveis, como por exemplo, solar ou
biomassa (AFONSO, 2006).
O aproveitamento da energia gerada pelo Sol, inesgotável na escala terrestre, tanto
como fonte de calor quanto de luz, hoje sem sombra de dúvidas, uma das alternativas
energéticas mais promissoras.
1
Essa alternativa torna-se mais interessante ainda pelo fato de que a maior
disponibilidade de recurso solar acontece nas horas do dia, nas quais o uso do ar
condicionado no edifício é maior. Ou seja, nos momentos em que o sistema de ar
condicionado apresenta uma demanda de energia mais elevada, a disponibilidade do
recurso solar também é mais elevada (KIM; FERREIRA, 2007).
2
2. OBJETIVO
Esse trabalho tem como objetivo estudar a utilização de energia solar no sistema de
condicionamento de ar do bloco G do Centro de Tecnologia da UFRJ, na cidade do Rio
de Janeiro, simulando a operação de cada uma das seguintes alternativas de sistemas de
ar condicionado solar:
•
Sistema de refrigeração por absorção alimentado por energia solar térmica,
através de coletores solares.
•
Sistema de refrigeração por compressão de vapor alimentado por energia solar
fotovoltaica, através de painéis fotovoltaicos.
Isso será realizado, através do cálculo, para cada um dos sistemas acima, do
consumo de energia elétrica resultante de sua operação durante um ano. Esse cálculo
será realizado da seguinte maneira:
Inicialmente será obtido o desempenho térmico do edifício, através do cálculo da
carga térmica pelo software Energy Plus, seguido da análise psicrométrica para cálculo
da potência frigorífica e das condições de insuflamento do ar.
A seguir será utilizada uma formulação sugerida pelo Projeto SOLAIR (2009) da
União Europeia e modificada por ARA (2010), adaptada para o caso analisado nessa
monografia, que a partir da potência frigorífica e de parâmetros dos sistemas, calcula-se
o consumo de energia então, com dados das tarifas de energia elétrica provenientes da
distribuidora de energia LIGHT, o custo associado ao consumo dessa energia pode ser
mensurado.
3
3. SISTEMAS DE AR CONDICIONADO SOLAR
Existem duas possibilidades de se obter condicionamento de ar ou refrigeração a
partir da radiação solar. Uma delas ocorre a partir da transformação da radiação solar
em eletricidade e outra a partir da transformação da radiação solar em calor
(HENNING, 2007).
3.1. Sistema de ar condicionado solar elétrico
O sistema de refrigeração solar elétrico, aquele no qual a energia solar é
transformada em eletricidade, consiste principalmente de painéis fotovoltaicos e de um
dispositivo de refrigeração movido à eletricidade.
Embora haja outras opções tecnológicas como sistemas Peltier fotovoltaicos e
sistemas de resfriamento evaporativo fotovoltaico, observa-se uma ampla utilização de
sistemas de compressão de vapor (ARA, 2010). Nesse caso, a energia elétrica gerada
nos painéis fotovoltaicos é usada no compressor do chiller.
Figura 3.1 - Diagrama esquemático de um sistema de condicionamento de ar
elétrico utilizando sistema de compressão de vapor (KIM; FERREIRA, 2007)
É importante notar que é possível a alocação de módulos fotovoltaicos tanto na
cobertura quanto na fachada dos edifícios, tornando o sistema de ar condicionado solar
elétrico uma opção interessante em casos no quais a área a ser aproveitada pelos painéis
fotovoltaicos seja significativa.
4
O grande problema dos sistemas de ar condicionado solar elétricos segundo KIM;
FERREIRA (2007) corresponde aos custos ainda elevados de aquisição dos painéis
fotovoltaicos.
3.2. Sistema de ar condicionado solar térmico
O sistema de ar condicionado solar térmico, aquele no qual se usa o calor
proveniente da energia solar para produzir o efeito de refrigeração, utiliza coletores
solares com a finalidade de alimentar o processo de condicionamento de ar.
Segundo HENNING (2007), os sistemas térmicos de ar condicionado solar podem
ser subdivididos, conforme o processo térmico no qual se baseiam, em: sistemas termomecânicos ou sistemas com transformação de calor.
Os sistemas termomecânicos convertem o calor gerado pelos coletores solares em
trabalho mecânico, através de uma máquina térmica, que por sua vez aciona um
compressor mecânico de uma máquina de refrigeração de compressão de vapor.
Os sistemas com transformação de calor usam a atração física ou química entre um
par de substâncias para produzir o efeito de refrigeração. Esse tipo de sistema tem uma
capacidade única de transformar energia térmica diretamente em capacidade frigorifica
(KIM; FERREIRA, 2007).
Os sistemas com transformação de calor podem ser classificados, de acordo com o
processo físico-químico que apresentam, em sistemas de absorção, adsorção ou
dessecantes (ARA, 2010).
Dentre os sistemas de ar condicionado solar já instalados no mundo, a maioria deles
adota a tecnologia solar térmica alimentando o sistema por absorção (ARA, 2010). A
Figura 3.2 a seguir mostra um esquema do ciclo de absorção:
5
Figura 3.2 - Esquema simplificado do ciclo de absorção (ARA, 2010)
Iniciando a análise do ciclo da Figura 3.2, constata-se que é fornecido calor ao
gerador, calor este, que é proveniente da fonte quente que corresponde aos coletores
solares.
Esse calor é utilizado para aquecer a solução no gerador. O aquecimento desta
mistura tem como finalidade promover a vaporização do fluido refrigerante (usualmente
água), separando-o da substância absorvente (usualmente brometo de lítio). Devido ao
processo de evaporação, a concentração de refrigerante no gerador diminui, obtendo-se
uma solução diluída. Esta solução diluída retorna ao absorvedor passando por um
trocador de calor da solução que tem como função pré-aquecer a solução que vai entrar
no gerador. A solução diluída que sai do gerador, no estado liquido, passa ainda pela
válvula de expansão que diminui a pressão do fluido antes deste chegar ao absorvedor.
O vapor de refrigerante produzido no gerador vai para condensador. No
condensador o refrigerante, no estado gasoso, liberta calor para o meio ambiente até
condensar, ou seja, até atingir o estado líquido.
O fluido segue para a válvula de expansão. Nesta válvula ocorre uma redução brusca
de pressão e de temperatura. O refrigerante chega ao evaporador, onde o diferencial de
temperatura em relação ao meio a refrigerar permite a absorção de calor. O fluido
refrigerante retira calor do ambiente até vaporizar por completo. Esgotada a capacidade
6
de arrefecimento, o vapor de refrigerante chega ao absorvedor. O vapor de refrigerante
vai ser absorvido pela solução binária que se encontra no absorvedor, até ao limite de
saturação da mesma. Este processo de absorção ocorre com libertação de calor para o
meio ambiente e tal como no condensador, a troca de calor pode ser potenciada com o
auxílio de ventiladores ou com um sistema de arrefecimento a água. Por fim a solução é
impulsionada pela bomba, que eleva a pressão do sistema criando um diferencial de
pressão e assegurando o funcionamento do sistema através da circulação dos fluidos.
Como foi dito anteriormente, em aplicações de condicionamento de ar para
conforto, é mais comum utilizar chiller com solução de H2O-LiBr (RefrigeranteAbsorvente). Os sistemas de H2O-LiBr trabalham a pressões abaixo da atmosférica e
apresentam um porte maior, se comparados a sistemas de NH3-H2O (mais comuns
quando temperaturas do refrigerante abaixo de 0 °C são requeridas), devido ao baixo
volume específico do vapor e uma maior complexidade em sua construção, para impedir
a entrada de ar.
A solução de H2O-LiBr tende a se solidificar a baixas temperaturas, existindo a
possibilidade de ocorrer cristalização do brometo de lítio. Esta cristalização pode ser
ocasionada devido à elevada concentração da solução ou a redução excessiva da
temperatura da mesma. Esta cristalização normalmente ocorre na solução que deixa o
gerador, antes de sua entrada no absorvedor.
A faixa de temperatura de operação e concentração da solução de H2O-LiBr, na qual
pode ocorrer à cristalização, está indicada na Figura 3.3.
7
Figura 3.3 - Diagrama de entalpia-concentração para H2O-LiBr (ASHRAE, 2006)
Um esquema de um sistema de ar condicionado solar baseado em ciclo de absorção
é mostrado na Figura 3.4. Como se pode ver nessa figura, o calor que alimenta o
gerador é fornecido pelos coletores solares, e a retirada de calor do ciclo, tanto no
absorvedor quanto no condensador, é realizada com o auxílio da torre de resfriamento.
Observa-se, também, que a água gelada obtida no evaporador é utilizada para o
condicionamento de ar do edifício (ARA, 2010).
8
Figura 3.4 - Esquema de um sistema de condicionamento de ar com ciclo de
absorção e utilização de energia solar (ARA, 2010)
Percebe-se também pela Figura 3.4, que neste tipo de sistema normalmente existem
reservatórios térmicos responsáveis por dar uma maior estabilidade do sistema. Além disso, o
fornecimento de calor através dos coletores solares em grande parte das soluções não é
suficiente, sendo por isso necessário utilizar-se um aquecedor auxiliar de modo a garantir o
fornecimento total de calor necessário ao sistema de absorção.
Para sistemas desse tipo, o desempenho energético é medido pelo Coeficiente de
Performance (COP), que pode ser expresso da seguinte forma:
Onde:
𝑄𝑒𝑣𝑎𝑝
𝑄𝑔𝑒𝑟
𝐶𝑂𝑃 =
𝑄𝑒𝑣𝑎𝑝
𝑄𝑔𝑒𝑟
Calor retirado do ar por meio do evaporador
Calor fornecido ao gerador pelos coletores solares
9
Os ciclos de refrigeração por absorção podem ser classificados, quanto ao tipo de
acionamento como: acionamento de queima direta ou acionamento de queima indireta.
Os sistemas de refrigeração por absorção de queima indireta utilizam vapor ou água
quente (caso aplicado nesse trabalho, pois a água provem dos coletores solares) como
fonte de calor para acionamento do chiller. Os sistemas de absorção que utilizam a
energia térmica proveniente da queima de combustíveis no próprio equipamento são
denominados de queima direta. Nestes, o gerador é constituído de uma caldeira para a
queima do combustível responsável pela elevação da temperatura da solução.
Os sistemas de refrigeração por absorção mais encontrados nos fabricantes são de
simples e duplo efeito. Os sistemas de absorção de triplo efeito ainda se encontram em
aperfeiçoamento para uso comercial. O número de estágios (ou efeitos) indica a
quantidade de vezes em que o calor da fonte quente é aproveitado.
Os ciclos de simples efeito utilizam a energia térmica uma vez e apenas um gerador
é necessário para a separação do vapor de refrigerante da solução. Já nos ciclos de duplo
efeito o calor é aproveitado duas vezes em geradores distintos. O vapor de refrigerante
de alta pressão produzido no gerador do primeiro estágio é condensado e o calor
presente neste condensado é aproveitado no gerador de baixa pressão, produzindo vapor
de refrigerante pela segunda vez.
O trocador de calor entre o primeiro e segundo estágios do gerador recupera parte da
quantidade de vapor de refrigerante se comparado com o ciclo de um estágio, podendo
assim, alcançar coeficientes de performance (COP) maiores.
Dependendo do número de estágios existentes no ciclo, são necessárias diferentes
temperaturas do fluido quente vindo dos coletores e diferentes valores de COP são
obtidos (ARA, 2010), conforme ilustra a Tabela 3.1.
10
Tabela 3.1 - Comparação de sistemas de absorção alimentados por energia solar
(GROSSMANN, 2002)
Número de
estágios
COP típico
Simples efeito
0,7
Temperatura
da fonte de
calor [°C]
85
Duplo efeito
1,2
130
0,83
Triplo efeito
1,7
220
0,59
*
Radiação solar
requerido [kW]*
Tipo de
coletor
1,43
coletor plano
coletor plano
ou CPC**
tubo a vácuo
ou
concentrador
Estimativa por kW de potência frigorífica.
Compound Parabolic Collector
**
Figura 3.5 - Exemplos de coletores, aplicáveis em ar condicionado solar
(GUIDELINES SOLAIR, 2009)
A eficiência de um coletor solar é determinada principalmente pela sua temperatura
de funcionamento. Em uma temperatura de funcionamento mais elevada, o coletor
perde mais calor ao ambiente e proporciona menos calor ao chiller. Por outro lado, o
chiller geralmente funciona mais eficientemente com uma temperatura mais elevada.
11
Um sistema solar térmico deve ser projetado considerando essas duas tendências
opostas (KIM; FERREIRA, 2007).
Sabe-se que coletores mais baratos, em geral, aquecem os fluidos a temperaturas
menores e reduzem o COP do sistema (ARA, 2010). Entretanto, quando se adotam
coletores mais baratos a redução dos custos de aquisição do sistema é mais relevante do
que o aumento nos custos causados pela grande área coletora adotada em vista da
redução do COP do sistema (KIM; FERREIRA, 2007).
Outro sistema de ar condicionado solar térmico com transformação de calor é o
sistema com ciclo de adsorção. O fenômeno de adsorção é um fenômeno de adesão
reversível, da qual resulta a acumulação de uma substância gasosa na superfície de um
corpo, tipicamente uma superfície constituída por um material poroso.
A diferença entre adsorção e absorção reside no fato de que, nesse último processo,
o fluido se mistura com o absorvente para formar uma solução.
No caso do ciclo de adsorção, a substância que adsorve o refrigerante é solida e atrai
as moléculas do refrigerante sobre a superfície por força física ou química e não muda
sua forma no processo (KIM; FERREIRA, 2007).
Com relação aos pares refrigerante – adsorvente, os mais utilizados, neste caso, são
zeolita-água, zeolita–refrigerantes orgânicos, gel de sílica–água e carvão ativado–
metanol. Diferentemente dos sistemas por absorção, esses sistemas por adsorção evitam
o uso de bomba para a solução e são relativamente mais silenciosos durante a operação,
além de demandar temperaturas relativamente baixas do fluido proveniente dos
coletores solares, a partir de 60°C. Entretanto, os valores de COP alcançados são mais
baixos, da ordem de 0,3 a 0,7, em relação aos valores de COP do ciclo de absorção, que
podem superar a unidade (ARA, 2010).
12
Nos sistemas por adsorção, um dos principais problemas consiste na necessidade de
se ter chillers relativamente grandes. Isto pode ser afirmado pois, devido à tecnologia
empregada, para que se satisfaçam as mesmas cargas térmicas atendidas por chillers de
absorção, são necessários equipamentos bem maiores e maios pesados (ARA, 2010).
Ainda existem os sistemas dessecantes que, junto com as tecnologias por absorção e
adsorção, compõem os sistemas de ar condicionado solar térmico com transformação de
calor.
Diferentemente dos sistemas absortivo e adsortivo, sistemas estes classificados
como fechados, o sistema dessecante é aberto, ou seja, há contato físico entre
refrigerante e o ar a ser condicionado.
Enquanto os chillers acionados termicamente produzem água gelada, que é
fornecida à serpentina de qualquer tipo de equipamento de ar condicionado, os ciclos de
refrigeração abertos produzem ar condicionado diretamente.
Usualmente, esses sistemas são compostos pela combinação de um processo de
resfriamento evaporativo e um processo de desumidificação, a partir de um material
higroscópico, líquido ou sólido, chamado de dessecante, em geral, gel de sílica ou
cloreto de lítio (HENNING, 2007). Neste caso, o calor proveniente dos coletores solares
é usado para possibilitar o processo de desumidificação do fluxo de ar (ARA, 2010).
13
Figura 3.6 - Ciclo de refrigeração dessecante padrão com energia solar térmica
(HENNING, 2007)
Os sistemas dessecantes são utilizados somente em casos bastante específicos. Essa
tecnologia, de acordo com KIM, FERREIRA (2007), “onde há uma grande demanda
por ventilação e desumidificação do ar, [...] pode ser uma boa opção”.
3.3. Alternativas avaliadas nesse trabalho
A partir do que já foi apresentado é possível afirmar que existem duas possibilidades
de se obter condicionamento de ar a partir da radiação solar. Uma delas ocorre a partir
da transformação da radiação solar em eletricidade, utilizando painéis fotovoltaicos, e
outra a partir da transformação da radiação solar em calor, através de coletores solares.
Embora sejam viáveis tecnicamente, os sistemas de ar condicionado solar têm como
maior empecilho o elevado custo inicial de aquisição dos componentes da parcela solar
do sistema, seja painéis fotovoltaicos ou coletores solares. A Tabela 3.2 apresenta as
características relevantes dos principais sistemas de ar condicionado solar.
14
Tabela 3.2 - Comparação entre os principais sistemas de ar condicionado solar
(ARA, 2010)
Classe de
sistema
Sistema solar
Tecnologia de
Comentários sobre a tecnologia de
refrigeração
ar condicionado solar
Os custos altos e baixa eficiência dos
painéis fotovoltaicos podem ser uma
Elétrico
Fotovoltaico
Compressão de
limitação, porém integração dos
vapor
painéis fotovoltaicos à edificação e a
expansão do mercado fotovoltaico
pode favorecer essa alternativa.
Os custos muito altos dos sistemas
Termo-
Compressão de
solares e a baixa eficiência limitam a
mecânico
vapor
tecnologia aos projetos de
desenvolvimento e demonstração.
Apesar dos custos ainda elevados,
apresentam desempenho energético e
Absorção
maturidade tecnológica significativos,
constituindo-se na tecnologia mais
utilizada.
Térmico
Com altos custos e baixa eficiência e
Transformação
de calor
Adsorção
com necessidade de equipamentos
grandes, são interessantes apenas em
casos específicos.
Podem ser interessantes apenas em
Dessecantes
casos específicos onde há grande
demanda por ventilação e
desumidificação do ar.
Conforme pode ser observado na tabela acima, em relação aos sistemas de ar
condicionado solar apresentados, pode-se destacar as seguintes alternativas: o sistema
de ar condicionado solar térmico por absorção, devido a sua maturidade tecnológica e
por ser a opção mais utilizada mundialmente, e o sistema de ar condicionado solar
15
elétrico fotovoltaico associado a um chiller convencional de compressão a vapor, devido
ao grande potencial é apresentado pelos sistemas fotovoltaicos especialmente quando se
otimiza o aproveitamento solar, através, por exemplo, da integração dos painéis com o
edifício.
Diante de tudo que foi apresentado até aqui, essa monografia visa comparar o
consumo de energia elétrica, durante o ano, entre um sistema convencional de ar
condicionado e as duas principais opções de sistemas de ar condicionado solar, ou seja,
a solar térmica por absorção e a solar fotovoltaica associada a um sistema de
compressão a vapor, ambos os casos aplicados ao edifício do bloco G do Centro de
Tecnologia da UFRJ, na cidade do Rio de Janeiro.
16
4. PROJETO SOLAIR
4.1. O projeto
O SOLAIR foi um projeto financiado pelo programa Intelligent Energy Europe da
União Europeia com 13 parceiros (entre eles, institutos de pesquisas, empresas de
consultoria, indústrias, instituições públicas e privadas) de nove países (Áustria, França,
Alemanha, Grécia, Itália, Holanda, Portugal, Eslovénia e Espanha). Esse projeto foi
lançado no início de 2007 e terminou no final de 2009.
O objetivo do SOLAIR foi promover e fortalecer o uso de sistemas de ar
condicionado solares. Para isto, o projeto visava: promover a implementação desses
sistemas, difundir o conhecimento sobre a tecnologia (know-how), criar um conjunto de
instrumentos para auxiliar o crescimento desse mercado, elaborar um conjunto de metas
para este crescimento e divulgar as atividades em nível nacional e internacional.
O projeto SOLAIR produziu diversos documentos, dentre eles, um denominado
Guidelines, no qual apresenta as diretrizes para seleção, análise e projeto de sistemas de
ar condicionado solar. Esse documento apresenta um equacionamento para o cálculo da
poupança de energia primária de um sistema de refrigeração solar térmico se comparado
com um sistema de referência, ou seja, um sistema de convencional de ar condicionado
por compressão a vapor.
Energia primária é a energia retirada de uma fonte primária de energia, ou seja, uma
fonte de energia que existe em forma natural na natureza e pode gerar energia de forma
direta, antes das transformações que levaram ao uso final do recurso energético.
As equações presentes no arquivo Guidelines são mostradas a seguir:
𝐸0,𝑡𝑒𝑟𝑚. =
(1 − 𝑠)
𝑄𝑐𝑜𝑙𝑑
𝑠 𝑓𝑒𝑙,𝑏𝑜𝑚𝑏. 𝐶𝑂𝑃𝑆 𝑓𝑒𝑙,𝑐ℎ𝑖𝑙. 𝑓𝑒𝑙,𝑡𝑜𝑟𝑟𝑒 (𝐶𝑂𝑃𝑆 + 1)
+
+
+
�
�
𝐶𝑂𝑃𝑆 𝜂𝑏𝑜𝑖𝑙𝑒𝑟 𝜂𝑓𝑜𝑠𝑠𝑖𝑙
𝜂𝑔𝑟𝑖𝑑
𝜂𝑔𝑟𝑖𝑑
𝜂𝑔𝑟𝑖𝑑
𝐸0,𝑐𝑜𝑛𝑣. =
𝑄𝑐𝑜𝑙𝑑 1
𝐶𝑂𝑃𝐶𝑉 𝜂𝑔𝑟𝑖𝑑
17
Onde:
𝛥𝐸0,𝑟𝑒𝑙. =
𝐸0,𝑐𝑜𝑛𝑣. − 𝐸0,𝑡𝑒𝑟𝑚.
𝐸0,𝑐𝑜𝑛𝑣.
𝐸0,𝑡𝑒𝑟𝑚.
Consumo de energia primária do sistema de ar condicionado solar térmico
𝛥𝐸0,𝑟𝑒𝑙.
Poupança relativa de energia primária
𝐸0,𝑐𝑜𝑛𝑣.
Consumo de energia primária do sistema de ar condicionado convencional
𝑄𝑐𝑜𝑙𝑑
Energia térmica retirada do edifício pelo sistema de condicionamento de ar
𝐶𝑂𝑃𝐶𝑉
Coeficiente de Performance do chiller elétrico de compressão de vapor
𝑓𝑒𝑙,𝑏𝑜𝑚𝑏.
Demanda específica de eletricidade da instalação solar (razão entre o
𝐶𝑂𝑃𝑆
𝑠
Coeficiente de Performance do chiller de absorção
Fração solar do sistema
consumo de energia elétrica da instalação solar, isto é, das bombas, e a
energia térmica produzida pelos coletores)
𝑓𝑒𝑙,𝑐ℎ𝑖𝑙.
Demanda específica de eletricidade do chiller de absorção (razão entre o
consumo de energia elétrica do chiller de absorção e a energia térmica
retirada do edifício pelo chiller solar)
𝑓𝑒𝑙,𝑡𝑜𝑟𝑟𝑒
Demanda específica de eletricidade das torres de resfriamento (razão entre o
consumo de energia elétrica do sistema de rejeição de calor, isto é, das torres
de resfriamento, e a energia térmica rejeitada)
𝜂𝑏𝑜𝑖𝑙𝑒𝑟
Rendimento da caldeira a combustível fóssil
𝜂𝑔𝑟𝑖𝑑
Rendimento de conversão de energia primária da rede elétrica
𝜂𝑓𝑜𝑠𝑠𝑖𝑙
Rendimento de conversão de energia primária do combustível fóssil
Tendo como partida as equações acima será desenvolvido o método de análise
energética a ser aplicado neste trabalho, seguindo o que foi feito por ARA (2010).
Ainda segundo ARA (2010), dois comentários importantes devem ser feitos:
18
•
O cálculo proposto pelo projeto SOLAIR determina os valores de consumo de
energia primária do sistema de ar condicionado e não de consumo de energia
elétrica do sistema de ar condicionado no próprio edifício, no local de uso.
•
O equacionamento não contempla a análise energética do sistema de ar
condicionado solar elétrico, que como foi apresentado anteriormente, é objeto de
estudo deste trabalho.
4.2. Modificações ao modelo proposto pelo projeto SOLAIR
Todo equacionamento feito neste subcapítulo baseia-se em ARA (2010). Dito isto, a
primeira modificação, ao equacionamento proposto em GUIDELINES SOLAIR (2009),
é: deve-se obter o consumo de energia elétrica do sistema de ar condicionado e não o
consumo de energia primária do sistema. Inicialmente, será analisada a equação
associada ao sistema de ar condicionado solar térmico por absorção que é repetida
abaixo.
𝐸0,𝑡𝑒𝑟𝑚. =
(1 − 𝑠)
𝑄𝑐𝑜𝑙𝑑
𝑠 𝑓𝑒𝑙,𝑏𝑜𝑚𝑏. 𝐶𝑂𝑃𝑆 𝑓𝑒𝑙,𝑐𝑜𝑙. 𝑓𝑒𝑙,𝑡𝑜𝑟𝑟𝑒 (𝐶𝑂𝑃𝑆 + 1)
+
+
+
�
�
𝐶𝑂𝑃𝑆 𝜂𝑏𝑜𝑖𝑙𝑒𝑟 𝜂𝑓𝑜𝑠𝑠𝑖𝑙
𝜂𝑔𝑟𝑖𝑑
𝜂𝑔𝑟𝑖𝑑
𝜂𝑔𝑟𝑖𝑑
Cada parcela equação acima representa uma parte da energia primária total
consumida que foi transformada por processos diferentes, conforme esta listado abaixo:
𝐸0,𝑓𝑜𝑠𝑠𝑖𝑙 =
𝑄𝑐𝑜𝑙𝑑 (1 − 𝑠)
𝐶𝑂𝑃𝑆 𝜂𝑏𝑜𝑖𝑙𝑒𝑟 𝜂𝑓𝑜𝑠𝑠𝑖𝑙
𝐸0,𝑏𝑜𝑚𝑏 =
𝐸0,𝑐ℎ𝑖𝑙. =
𝐸0,𝑡𝑜𝑟𝑟𝑒 =
𝑄𝑐𝑜𝑙𝑑 𝑠 𝑓𝑒𝑙,𝑏𝑜𝑚𝑏.
𝐶𝑂𝑃𝑆 𝜂𝑔𝑟𝑖𝑑
𝑄𝑐𝑜𝑙𝑑 𝐶𝑂𝑃𝑆 𝑓𝑒𝑙,𝑐ℎ𝑖𝑙.
𝐶𝑂𝑃𝑆
𝜂𝑔𝑟𝑖𝑑
𝑄𝑐𝑜𝑙𝑑 𝑓𝑒𝑙,𝑡𝑜𝑟𝑟𝑒 (𝐶𝑂𝑃𝑆 + 1)
𝐶𝑂𝑃𝑆
𝜂𝑔𝑟𝑖𝑑
Energia primária consumida pelo aquecedor
auxiliar (operando com combustível fóssil).
Energia primária consumida pela instalação
dos coletores solares (bombas).
Energia primária consumida pelo chiller solar.
Energia primária consumida pela torre de
resfriamento.
19
Primeiramente, deve-se multiplicar cada termo pelo rendimento associado à energia
primária, ou seja, 𝜂𝑓𝑜𝑠𝑠𝑖𝑙 , no caso do primeiro termo, e 𝜂𝑔𝑟𝑖𝑑 , nos demais, assim é
obtido:
𝐸𝑇,𝑓𝑜𝑠𝑠𝑖𝑙 =
𝑄𝑐𝑜𝑙𝑑 (1 − 𝑠)
𝐶𝑂𝑃𝑆 𝜂𝑏𝑜𝑖𝑙𝑒𝑟
Energia
térmica
aquecedor
total
auxiliar
consumida
(operando
pelo
com
combustível fóssil).
𝐸𝐸,𝑏𝑜𝑚𝑏 =
𝐸𝐸,𝑐ℎ𝑖𝑙. =
𝐸𝐸,𝑏𝑜𝑚𝑏 =
𝑄𝑐𝑜𝑙𝑑
𝑠 𝑓𝑒𝑙,𝑏𝑜𝑚𝑏.
𝐶𝑂𝑃𝑆
𝑄𝑐𝑜𝑙𝑑
𝐶𝑂𝑃𝑆 𝑓𝑒𝑙,𝑐ℎ𝑖𝑙.
𝐶𝑂𝑃𝑆
Energia elétrica consumida pela instalação dos
coletores solares (bombas).
Energia elétrica consumida pelo chiller solar.
𝑄𝑐𝑜𝑙𝑑
(𝐶𝑂𝑃𝑆 + 1)
𝑓
𝐶𝑂𝑃𝑆 𝑒𝑙,𝑡𝑜𝑟𝑟𝑒
Energia elétrica consumida pela torre de
resfriamento.
Observa-se que apenas a primeira parcela não foi transformada em energia elétrica,
que é o desejado, e sim, em energia térmica. Portanto, mais uma modificação no método
SOLAIR foi introduzida a fim de possibilitar a análise. Considerou-se, por hipótese, que
o aquecedor auxiliar do sistema de ar condicionado solar térmico em análise é um
aquecedor elétrico, diferentemente do aquecedor baseado em combustível fóssil do
método original (ARA, 2010). Assim:
𝜂𝑏𝑜𝑖𝑙𝑒𝑟 = 𝜂𝑒
𝐸𝐸,𝑎𝑢𝑥 =
Onde:
𝜂𝑒
𝐸𝐸,𝑎𝑢𝑥
𝑄𝑐𝑜𝑙𝑑 (1 − 𝑠)
𝐶𝑂𝑃𝑆 𝜂𝑒
Eficiência do aquecedor elétrico
Energia elétrica total consumida pelo aquecedor auxiliar (operando com
eletricidade)
20
Então, somando todas as parcelas, obtém-se o consumo de energia elétrica do
sistema de ar condicionado solar térmico, conforme a equação abaixo:
𝐸𝐸,𝑡𝑒𝑟𝑚. =
𝑄𝑐𝑜𝑙𝑑 (1 − 𝑠)
+ 𝑠 𝑓𝑒𝑙,𝑏𝑜𝑚𝑏. + 𝐶𝑂𝑃𝑆 𝑓𝑒𝑙,𝑐ℎ𝑖𝑙. + 𝑓𝑒𝑙,𝑡𝑜𝑟𝑟𝑒 (𝐶𝑂𝑃𝑆 + 1)�
�
𝜂𝑒
𝐶𝑂𝑃𝑆
Assim, para o sistema de ar condicionado solar térmico, o cálculo da energia elétrica
consumida, para o período estudado, depende da energia térmica retirada do edifício
(𝑄𝑐𝑜𝑙𝑑 ), da fração solar do sistema (𝑠), do coeficiente de performance do chiller de
absorção (𝐶𝑂𝑃𝑆 ) e de parâmetros do sistema (𝑓𝑒𝑙,𝑏𝑜𝑚𝑏. , 𝑓𝑒𝑙,𝑐ℎ𝑖𝑙. , 𝑓𝑒𝑙,𝑡𝑜𝑟𝑟𝑒 ) associados à
demanda de energia dos subsistemas presentes na instalação.
Contudo, é possível determinar o valor da fração solar do sistema se for considerado
que todos os outros fatores são constantes para um determinado período. Por definição,
a fração solar corresponde à razão entre a energia térmica que aquece a água que
alimenta o chiller proveniente dos coletores solares e a energia térmica total que
alimenta o chiller, logo:
Onde:
𝑄𝑠𝑜𝑙𝑎𝑟
𝑄𝑎𝑢𝑥
𝑠=
𝑄𝑠𝑜𝑙𝑎𝑟
𝑄𝑎𝑢𝑥 + 𝑄𝑠𝑜𝑙𝑎𝑟
Energia térmica fornecida ao chiller solar proveniente dos coletores térmicos
Energia térmica fornecida ao chiller solar proveniente do aquecedor auxiliar
Pela definição de coeficiente de performance (COP), tem-se, para o chiller solar:
𝐶𝑂𝑃𝑠 =
𝑄𝑐𝑜𝑙𝑑
𝑄𝑎𝑢𝑥 + 𝑄𝑠𝑜𝑙𝑎𝑟
Então, isolando 𝑄𝑎𝑢𝑥 na equação na qual se definiu o coeficiente de performance e
substituindo na equação da fração solar, chega-se a:
𝑠 = 𝐶𝑂𝑃𝑠
21
𝑄𝑠𝑜𝑙𝑎𝑟
𝑄𝑐𝑜𝑙𝑑
Para um período unitário de tempo a ser determinado futuramente nessa monografia,
a energia térmica proveniente dos coletores (𝑄𝑠𝑜𝑙𝑎𝑟 ), pode ser representada pelo produto
da eficiência dos coletores (𝜂𝑐𝑜𝑙𝑒𝑡𝑜𝑟 ), da irradiância solar (𝐺) e da área coletora (𝐴),
logo se chega a expressão final para a fração solar, expressa pela equação a seguir:
𝑠=
𝐶𝑂𝑃𝑠 (𝜂𝑐𝑜𝑙𝑒𝑡𝑜𝑟 𝐺 𝐴)
𝑄𝑐𝑜𝑙𝑑
Mudando agora para o sistema de ar condicionado convencional por compressão a
vapor, ou sistema de referência, cuja equação proveniente do projeto SOLAIR é
seguinte:
𝐸0,𝑐𝑜𝑛𝑣. =
𝑄𝑐𝑜𝑙𝑑 1
𝐶𝑂𝑃𝐶𝑉 𝜂𝑔𝑟𝑖𝑑
Pode-se, assim como foi feito anteriormente, multiplicar pelo rendimento associado
á energia primária, nesse caso 𝜂𝑔𝑟𝑖𝑑 , obtendo:
𝐸𝐸,𝑐𝑜𝑛𝑣. =
Onde:
𝐸𝐸,𝑐𝑜𝑛𝑣.
𝑄𝑐𝑜𝑙𝑑
𝐶𝑂𝑃𝐶𝑉
Consumo de energia elétrica do sistema de ar condicionado convencional
por compressão a vapor
Com as adaptações feitas até aqui, pode-se considerar que a primeira limitação
apresentada foi resolvida, pois houve a conversão da formulação com base na energia
primária, na formulação baseada na energia elétrica.
Entretanto, deve-se fazer ainda mais uma adaptação ao método SOLAIR de modo
que considere também o sistema de ar condicionado solar elétrico. Para isso, basta
subtrair da energia consumida pelo chiller elétrico do sistema de ar condicionado
convencional, a energia fotovoltaica produzida no mesmo período (ARA, 2010), de
acordo com a equação a seguir:
22
𝐸𝐸,𝑒𝑙𝑒𝑡. =
Onde:
𝐸𝐸,𝑒𝑙𝑒𝑡.
𝐸𝐸,𝐹𝑉
𝑄𝑐𝑜𝑙𝑑
− 𝐸𝐸,𝐹𝑉
𝐶𝑂𝑃𝐶𝑉
Energia elétrica consumida pelo sistema de ar condicionado solar elétrico
Produção de energia elétrica a partir dos painéis fotovoltaicos
Assim, supera-se a segunda limitação apresentada pelo modelo de cálculo do projeto
SOLAIR.
4.3. Considerações aplicadas nesse trabalho
Agora, desenvolvidas as equações que permitirão o cálculo do consumo de energia
elétrica de cada um dos três sistemas de ar condicionado que são objetos desse trabalho,
serão apresentadas, a seguir, as hipóteses adotadas em cada tipo de sistema. É
importante lembrar, que se deseja calcular o consumo de cada um dos sistemas sendo
utilizados durante o ano inteiro.
•
Sistema de ar condicionado convencional
Equação para o cálculo do consumo de energia: 𝐸𝐸,𝑐𝑜𝑛𝑣. =
Onde:
𝑄𝑐𝑜𝑙𝑑
𝑄𝑐𝑜𝑙𝑑
𝐶𝑂𝑃𝐶𝑉
Será calculado, para cada hora do ano, a partir de simulação da
carga térmica no software Energy Plus, seguido de cálculo
psicrométrico, também feito em cada hora do ano.
𝐶𝑂𝑃𝐶𝑉 Será considerado constante durante todo ano, negligenciando
possíveis variações operacionais, e terá seu valor arbitrado
baseados em referências da literatura ou de mercado.
Então, fazendo o somatório do consumo de energia a cada hora do ano, calculado
nas 8760 horas anuais, se obterá o consumo total de energia elétrica desse sistema.
23
•
Sistema de ar condicionado solar elétrico
Equação para o cálculo do consumo de energia: EE,elet. =
Onde:
Qcold
COPCV
− EE,FV
𝑄𝑐𝑜𝑙𝑑
Idêntico ao sistema convencional de ar condicionado.
𝐸𝐸,𝐹𝑉
Será calculado, para cada hora do ano, a partir de simulação no
𝐶𝑂𝑃𝐶𝑉 Idêntico ao sistema convencional de ar condicionado.
software Energy Plus.
Então, fazendo o somatório do consumo de energia a cada hora do ano, calculado
nas 8760 horas anuais, se obterá o consumo total de energia elétrica desse sistema.
•
Sistema de ar condicionado solar térmico
Equação para o cálculo do consumo de energia:
𝐸𝐸,𝑡𝑒𝑟𝑚. =
Onde:
𝑄𝑐𝑜𝑙𝑑 (1 − 𝑠)
+ 𝑠 𝑓𝑒𝑙,𝑏𝑜𝑚𝑏. + 𝐶𝑂𝑃𝑆 𝑓𝑒𝑙,𝑐ℎ𝑖𝑙. + 𝑓𝑒𝑙,𝑡𝑜𝑟𝑟𝑒 (𝐶𝑂𝑃𝑆 + 1)�
�
𝐶𝑂𝑃𝑆
𝜂𝑒
𝑄𝑐𝑜𝑙𝑑
𝐶𝑂𝑃𝑆
𝜂𝑒
Idêntico aos sistemas anteriores.
Idêntico ao 𝐶𝑂𝑃𝐶𝑉 dos sistemas anteriores.
Será considerado constante durante todo ano, negligenciando
possíveis variações operacionais, e terá seu valor arbitrado
baseados em referências da literatura ou de mercado.
𝑓𝑒𝑙,𝑏𝑜𝑚𝑏. Será considerado constante durante todo ano e terá seu valor
arbitrado baseados em referências da literatura ou de mercado.
𝑓𝑒𝑙,𝑐ℎ𝑖𝑙.
𝑓𝑒𝑙,𝑡𝑜𝑟𝑟𝑒
Idêntico ao 𝑓𝑒𝑙,𝑏𝑜𝑚𝑏. .
Idêntico ao 𝑓𝑒𝑙,𝑏𝑜𝑚𝑏. e ao 𝑓𝑒𝑙,𝑐ℎ𝑖𝑙. .
E a fração solar será calculada, para cada hora do ano, pela seguinte equação:
24
Onde:
𝜂𝑐𝑜𝑙𝑒𝑡𝑜𝑟
𝐺
𝐴
𝑠=
𝐶𝑂𝑃𝑠 (𝜂𝑐𝑜𝑙𝑒𝑡𝑜𝑟 𝐺 𝐴)
𝑄𝑐𝑜𝑙𝑑
Idêntico ao 𝜂𝑒 .
Será calculado, para cada hora do ano, a partir de simulação no
software Energy Plus.
Será calculado com base nas dimensões presentes na planta do
prédio.
Então, fazendo o somatório do consumo de energia a cada hora do ano, calculado
nas 8760 horas anuais, se obterá o consumo total de energia elétrica desse sistema.
25
5. ESTUDO DE CASO
5.1. O edifício
O Centro de Tecnologia (CT) da Universidade Federal do Rio de Janeiro (UFRJ),
localizado na Cidade Universitária, é o segundo maior Centro da Universidade e sede de
quatro unidades acadêmicas: a Escola Politécnica, a Escola de Química, o Instituto
Alberto Luiz Coimbra de Pós-Graduação e Pesquisa de Engenharia, conhecido como
COPPE, e o Instituto de Macromoléculas.
O CT/UFRJ é divido em blocos e o edifício referente ao bloco G, onde estão
sediados a COPPE, no térreo, e o Departamento de Engenharia Mecânica (DEM) da
Escola Politécnica, no segundo andar, é prédio em questão a ser analisado nesse
trabalho. As plantas de cada pavimento são mostradas na Figura 5.1 e na Figura 5.2.
26
Figura 5.1 - Planta baixa do térreo
Figura 5.2 - Planta baixa do 2° andar
27
Foi adotado um pé direito de 3,5 m para ambos os andares.
As áreas mostradas nas plantas possuem as seguintes dimensões:
Tabela 5.1 - Dimensões das zonas
Zona
G100
G100-A
G101
G101-A
G102
G103
G104
G105
G106
G107
G108
G109
G110
G112
G115
G116
G117
G119
G121
CORREDOR 1° ANDAR
CORREDOR 2° ANDAR
WC FEM. 1° ANDAR
WC FEM. 2° ANDAR
WC MASC. 1° ANDAR
WC MASC. 2° ANDAR
Área (m²)
15,97
11,00
86,10
55,35
64,71
79,54
28,75
38,54
68,04
57,40
57,51
118,90
37,26
77,76
53,14
120,93
60,19
60,35
53,05
370,60
414,93
24,30
40,83
24,30
40,83
Zona
G122
G123
G125
G127
G128
G130
G200
G201
G202
G203
G204
G205
G206
G207
G209
G210
G210-A
G212
G213
G215
G216
G217
G218
G219
G220
G221
Área (m²)
155,52
40,84
75,60
47,07
77,11
42,04
71,23
165,13
48,22
195,29
97,75
40,87
241,30
139,57
264,52
139,72
24,90
151,54
77,69
79,29
72,83
77,90
72,02
105,48
148,61
50,43
5.2. Cálculo da carga térmica
O cálculo da carga térmica é a primeira etapa do dimensionamento de qualquer
sistema de ar condicionado. Ela é o resultado da soma de todas as formas de calor em
um determinado ambiente. Esses ganhos de calor dependem de diversos fatores como:
as condições climáticas e geográficas da localidade onde esta o edifício, por exemplo,
temperatura e umidade do ar externo, altitude, velocidade e direção do vento; a
28
condição arquitetônica do prédio, por exemplo, a planta do edifício e materiais
empregados em paredes, janelas e portas; ganhos internos de internos de calor, por
exemplo, a presença de pessoas, iluminação artificial e utilização de equipamentos
eletrônicos.
Nesse trabalho utilizou-se o software EnergyPlus™ para efetuar o cálculo da carga
térmica durante o ano. A seguir serão apresentadas todas as considerações feitas e
inseridas no software para realização do cálculo.
•
Condições externas
Os dados climáticos e geográficos para a simulação foram obtidos do banco de
dados do próprio EnergyPlus, disponibilizado no website do Departamento de Energia
dos Estados Unidos (DOE), em extensão “.epw”. No caso específico dessa monografia,
o arquivo utilizado é referente ao aeroporto Santos Dumont, localizado na cidade do Rio
de Janeiro, esse arquivo contém informações geográficas da localidade em questão e as
condições climáticas ao longo de todo o ano. O nome completo do arquivo é o seguinte:
BRA_Rio.de.Janeiro-Santos.Dumont.837550_SWERA.epw.
Os dados geográficos utilizados na simulação podem ser observados na Tabela 5.2:
Tabela 5.2 - Dados geográficos do edifício simulado
•
Parâmetro
Dado
Local
Rio de Janeiro
Latitude
22,90° Sul
Longitude
43,17° Oeste
Altitude
3m
Condições arquitetônicas
Além das plantas de cada andar mostradas na Figura 5.1 e na Figura 5.2. É preciso
definir os materiais que compõe a estrutura da construção.
29
As paredes foram consideradas sendo compostas de concreto com argamassa de
cada lado e a camada mais externa, em ambos os lados, de cerâmica, totalizando uma
espessura de 150 mm, conforme informação da planta de arquitetura.
As propriedades para os materiais empregados nas paredes, conforme mostra a
Tabela 5.3, foram determinadas em concordância com a ABNT NBR 15220.
Tabela 5.3 - Propriedades dos materiais das paredes
Material
c (kJ/kg.K)
k (W/m.K)
ρ (kg/m³)
e (mm)
Argamassa
1
1,15
2000
20
Cerâmica
0,92
0,9
1600
5
Concreto
1
1,75
2400
100
Contudo, conforme pode ser visto nas plantas do prédio, existem algumas paredes
onde há um gap de ar. Nesses casos, considerou-se que esse gap de ar possui uma
resistência térmica de 0,17 m².K/W, segundo a ABNT NBR 15220.
Há também algumas divisórias, principalmente em salas onde estão localizados os
gabinetes de professores. Elas possuem as seguintes propriedades, também conforme a
ABNT NBR 15220:
Tabela 5.4 - Propriedades de divisórias e portas localizadas em divisórias
Material
c (kJ/kg.K)
k (W/m.K)
ρ (kg/m³)
e (mm)
PVC
0,98
0,2
1300
50
Ainda seguindo a ABNT NBR 15220, as características das portas são:
Tabela 5.5 - Propriedades das portas principais
Material
c (kJ/kg.K)
k (W/m.K)
ρ (kg/m³)
e (mm)
Ferro
0,46
55
7800
30
30
As janelas acrescentam à carga térmica uma quantidade de calor adicional devido à
radiação solar que atravessa os vidros, conhecida como fenestração. As propriedades
das janelas foram importadas de um banco de dados que existe no software e sua
espessura foi definida como sendo de 2,5 mm.
O piso em ambos os pavimentos foi considerado como sendo composto de concreto,
argamassa e mármore, cujas informações, provenientes da ABNT NBR 15220, estão
expostas abaixo:
Tabela 5.6 - Propriedades dos pisos
Material
c (kJ/kg.K)
k (W/m.K)
ρ (kg/m³)
e (mm)
Argamassa
1
1,15
2000
20
Concreto
1
1,75
2400
160
Mármore
0,84
2,9
800
20
E o teto do 2º pavimento foi considerado como concreto, gap de ar (com resistência
térmica de 0,17 m².K/W) e cerâmica, com as características a seguir conforme ABNT
NBR 15220:
Tabela 5.7 - Propriedades do teto externo
Material
c (kJ/kg.K)
k (W/m.K)
ρ (kg/m³)
e (mm)
Cerâmica
0,92
0,9
1600
10
Concreto
1
1,75
2400
160
•
Iluminação
A iluminação artificial dissipa uma quantidade de calor no recinto fornecendo uma
carga térmica adicional ao ambiente a ser condicionado.
31
A partir de informações presentes na planta do prédio que indicavam a utilidade de
cada zona nas quais o edifício foi dividido (ver Tabela 5.1), classificou-se essas zonas
em dois tipos: auditórios (as zonas G119 e G122 somente) e não auditórios (todas as
restantes). Assim, a taxa de dissipação de calor máxima para cada zona é mostrada na
Tabela 5.8, seguindo recomendações da ABNT NBR 16401.
Tabela 5.8 - Taxas de dissipação de calor
•
Tipo de zona
Taxa de dissipação de calor (W/m²)
Auditórios
10
Não auditórios
16
Pessoas
Outro fator importante no cálculo da carga térmica é a existência e o nível de
atividade de pessoas no ambiente a ser condicionado, principalmente no que diz respeito
à carga latente, pois a transpiração e respiração dos ocupantes produz vapor d’água no
recinto.
Neste trabalho, as ocupações no horário de pico foram definidas de acordo com
dados das capacidades das zonas, principalmente para salas de aula, e, na falta dessa
informação para algumas áreas, com recomendações da norma ABNT NBR 16401, que
podem ser observadas na sequência:
Tabela 5.9 - Densidade de ocupação
Local
Densidade de ocupação (pessoas / 100 m²)
Auditório
150
Gabinete de professores
14
Laboratório de informática
25
Sala de aula
35
Sala de convenções
120
Sala de reuniões
50
32
Em relação ao nível de atividade das pessoas presentes, os valores utilizados nesse
projeto também se basearam em informações da ABNT NBR 16401, conforme
mostrado na Tabela 5.10.
Tabela 5.10 - Taxas típicas de calor liberado por pessoas
Nível de atividade
Calor total (W)
Calor sensível (W)
Calor latente (W)
Sentado, trabalho leve.
115
70
45
145
75
70
Parado em pé,
caminhando.
•
Equipamentos elétricos
A potência dissipada por equipamentos elétricos também deve ser incluída no
cálculo da carga térmica. Nesse trabalho, alguns valores típicos de dissipação de calor
para equipamentos elétricos foram obtidos da norma ABNT NBR 16401, que são
exibidos abaixo:
Tabela 5.11 - Taxas típicas de dissipação de calor de equipamentos elétricos
•
Equipamento
Potência dissipada (W)
Computador
65
Impressora de escritório
275
Máquina de café
1050 (sensível) / 450 (latente)
Máquina de fax
10
Monitor
70
Bebedouro de água gelada
350
Infiltração
Segundo a norma ABNT NBR 16401, infiltração é o fluxo de ar externo para dentro
da edificação através de frestas e outras aberturas não intencionais, e através do uso
normal de portas localizadas na faixada. Nessa monografia foi utilizado o valor 0,56 l/s.
33
•
Perfis variação dos ganhos internos de calor
É importante lembrar que os parâmetros expostos até aqui correspondentes às taxas
de calor dissipadas pelos elementos de iluminação, equipamentos e pessoas representam
as taxas máximas pelas quais os elementos internos à edificação contribuem para a
carga térmica.
Além disso, o programa EnergyPlus possibilita a definição de perfis de variação dos
parâmetros ao longo do tempo (dia, mês, ano) através dos objetos do programa
chamados de “schedules”.
Esses perfis de variação foram adotados a fim de conferir maior realidade aos dados
e de simular as variações de ocupação de uso de equipamentos e de iluminação, ao
longo do dia. Adotou-se o seguinte perfil de variação diária de cargas internas:
Figura 5.3 - Perfil para ocupação, equipamentos e iluminação ao longo dos dias
Definidas todas estas condições, utiliza-se o programa EnergyPlus para o cálculo da
carga térmica. O programa calcula a carga térmica total e sua parcela sensível, para todo
edifício, em todas as 8760 horas do ano. A Tabela 5.12 ilustra a carga térmica máxima e
o seu horário de ocorrência para as zonas a serem condicionadas.
34
Tabela 5.12 - Carga térmica total e horário de máximo
Zona
Carga térmica (W)
Horário de máximo
G100
G100-A
G101
G101-A
G102
G103
G104
G105
G106
G107
G108
G109
G110
G112
G115
G116
G117
G119
G121
G122
G123
G125
G127
G128
G130
G200
G201
G202
G203
G204
G205
G206
G207
G209
G210
G210-A
G212
G213
G215
G216
G217
G218
G219
G220
G221
1409,11
909,97
4826,63
3031,99
4575,99
4253,03
1696,06
2158,52
3670,3
3324,98
3153,71
6366,58
2080,88
4130,82
3006,9
6456,61
3300,94
5333,16
3202,48
13454,63
2478,95
4468,48
2766,87
4327,62
2604,43
8302,39
13507,06
4505,62
19845,48
8099,59
3994,12
23957,79
11228,12
24961,83
10931,89
2672,97
14968,73
8606,2
8833
7610,72
8536,47
7569,25
10109,85
15125,71
5249,82
12-APR-15:50
12-APR-16:00
04-FEB-07:10
04-FEB-07:10
12-APR-15:50
04-FEB-07:10
04-MAR-07:10
04-FEB-07:10
04-MAR-07:10
04-FEB-07:10
04-MAR-07:10
04-FEB-07:10
04-MAR-07:10
04-MAR-07:10
14-FEB-07:10
04-MAR-07:10
14-FEB-07:10
05-FEB-16:00
14-FEB-07:10
12-APR-16:00
14-FEB-07:10
14-FEB-07:10
05-FEB-07:10
04-MAR-07:10
12-APR-16:00
12-APR-16:00
11-JAN-16:20
22-FEB-17:00
11-JAN-16:00
22-FEB-17:00
11-JAN-17:00
22-FEB-17:00
11-JAN-16:00
11-JAN-16:00
22-FEB-17:00
11-JAN-16:00
22-FEB-17:00
11-JAN-16:00
11-JAN-16:00
22-FEB-17:00
11-JAN-16:00
22-FEB-17:00
11-JAN-17:00
22-FEB-17:00
11-JAN-16:00
35
Um comentário importante a se fazer, é que não foi considerada a influência tanto
dos coletores solares térmicos, quanto dos painéis fotovoltaicos, na carga térmica do
edifício.
5.3. Cálculo potência frigorífica
O próximo passo no dimensionamento de sistemas de ar condicionado é o cálculo da
potência frigorífica que a energia térmica retirada do edifício pelo sistema de
condicionamento de ar por unidade de tempo. Entretanto, para determinação da potência
frigorífica, precisa-se, primeiramente, definir as condições de conforto e de
insuflamento de ar.
•
Condições de conforto
As condições de conforto dependem de fatores como taxa metabólica realizada pelas
pessoas do local, as suas vestimentas e a velocidade do ar. Esses dados foram
escolhidos segundo a ABNT NBR 16401 e, na posse dessas informações, utilizou-se o
programa COMFORT para seleção das condições de conforto nas zonas que serão
condicionadas.
Tabela 5.13 - Parâmetro de entrada no COMFORT
Parâmetro
Valor
Atividade metabólica
1,2 met = 69,6 W/m²
Vestimenta típica no verão
0,5 clo = 0,0775 m²°C/W
Vestimenta típica no inverno
0,9 clo = 0,1395 m²°C/W
Velocidade do ar
0,1 m/s
Tabela 5.14 - Propriedades do ar do recinto oriundas do COMFORT
Propriedade
Valor
Temperatura de bulbo seco
23°C
Umidade relativa
50%
36
•
Fator de by-pass
O fator de by-pass (BF) é outra informação que se precisa selecionar para o cálculo
da condição de insuflamento e da potência frigorífica. O seu valor representa a fração de
ar que passa pela serpentina sem sofrer alterações de suas propriedades, como
temperatura e umidade relativa. Segundo BRUM (2012), este fator é um parâmetro
próprio da serpentina de resfriamento e desumidificação. Sendo uma função da
velocidade do ar e da intensidade de turbulência provocada durante a passagem do ar
pela serpentina.
O fator de by-pass que é obtido através da tabela fornecida pela CARRIER:
Tabela 5.15 - Valores típicos de fator de by-pass
Fator de by-pass
Tipo de aplicação
Exemplo
Uma pequena carga total ou uma carga
0,3 até 0,5
que é um pouco maior com um baixo Residências
fator de calor sensível (alta carga latente).
Aplicações típicas de conforto com uma
Fábricas, residências
carga total relativamente pequena ou um
e lojas de pequeno
0,2 até 0,3
fator de calor sensível com uma carga um
porte.
pouco maior.
Lojas,
0,1 até 0,2
fábricas
e
Aplicações típicas de conforto.
bancos.
Aplicações com altas cargas sensíveis ou
Fábricas, restaurantes
0,05 até 0,1
que exijam uma grande quantidade de ar
e lojas.
externo para ventilação.
Sala de operações em
0 até 0,1
Aplicações com 100% de ar exterior.
hospitais e fábricas.
37
Portanto, escolheu-se um fator de desvio da serpentina (fator de by-pass) de 0,1.
Esse valor é o utilizado para aplicações típicas de conforto como escritórios e salas de
aula.
•
Vazão de ar exterior
Também deve ser considerada a quantidade de ar externo presente sistema de
condicionamento de ar. Segundo a PORTARIA da ANVISA Nº 3.523, de 28 de Agosto
de 1998, que informa que para se garantir a adequada renovação do ar do interior dos
ambientes climatizados, deve-se, no mínimo, utilizar uma vazão de ar exterior de
27m³/h por pessoa.
A partir disto e utilizando a fórmula abaixo se determina a vazão de ar exterior:
ṁ𝑂𝐴 =
27 𝑛º 𝑑𝑒 𝑝𝑒𝑠𝑠𝑜𝑎𝑠
3600 𝜐𝑂𝐴
Onde o volume específico para cada hora do ano é obtido do EnergyPlus, conhecida
a condição termodinâmica do ar externo pelos dados do arquivo climático.
•
Análise psicométrica de sistemas de condicionamento de ar
O equacionamento a seguir baseia-se no arranjo típico de um sistema de
condicionamento de ar mostrado na Figura 5.4.
Figura 5.4 - Arranjo típico do sistema de ar condicionado e nomenclatura utilizada
(BRUM, 2012)
Então, agora com o software Microsoft Excel, utilizando das fórmulas de
psicrometria mostradas a seguir, dados do arquivo climático retirado do banco de dados
do EnergyPlus, carga térmica e sua parcela sensível em todo o prédio, é possível
38
realizar o cálculo da vazão de insuflamento e da potência frigorífica necessária, a cada
hora, para condicionar toda edificação analisada nesse trabalho.
Um comentário importante a se fazer, é que se considerou que ar condicionado só
está em funcionamento das 7:00 às 18:00 diariamente.
ℎ𝑂𝐴 = 𝑐𝑝𝑎 𝑡𝑂𝐴 + 𝜔𝑂𝐴 �𝑐𝑝𝑣 𝑡𝑂𝐴 + ℎ𝑙𝑣 �
Onde: t é medido em °C.
𝑈𝑅𝑂𝐴 =
𝑃𝑣_𝑂𝐴
𝑃𝑣𝑠_𝑂𝐴
ln�𝑃𝑣𝑠_𝑂𝐴 � =
𝜔𝑂𝐴 = 0,622
𝑃𝑣_𝑂𝐴
𝑃𝑎𝑡𝑚 − 𝑃𝑣_𝑂𝐴
𝐶8
+ 𝐶9 + 𝐶10 𝑡𝑂𝐴 + 𝐶11 𝑡𝑂𝐴 2 + 𝐶12 𝑡𝑂𝐴 3 + 𝐶13 ln 𝑡𝑂𝐴
𝑡𝑂𝐴
Onde: t é medido em K e Pvs é medido em Pa.
Tem-se também:
𝐶𝑇 = 𝑅𝑆𝐻 + 𝑅𝐿𝐻
𝑅𝑆𝐻𝐹 =
𝑅𝑆𝐻
𝐶𝑇
𝐸𝑅𝑆𝐻 = 𝑅𝑆𝐻 + ṁ𝑂𝐴 𝑐𝑝𝑎 BF (𝑡𝑂𝐴 − 𝑡𝑅𝐴 ) = ṁ𝑆𝐴 𝑐𝑝𝑎 (1 − 𝐵𝐹) �𝑡𝑅𝐴 − 𝑡𝑎𝑑𝑝 �
𝐸𝑅𝐿𝐻 = 𝑅𝐿𝐻 + ṁ𝑂𝐴 BF ℎ𝑙𝑣 (𝜔𝑂𝐴 − 𝜔𝑅𝐴 ) = ṁ𝑆𝐴 ℎ𝑙𝑣 (1 − 𝐵𝐹) �𝜔𝑅𝐴 − 𝜔𝑎𝑑𝑝 �
𝐸𝑆𝐻𝐹 =
Assim:
𝐸𝑆𝐻𝐹 =
𝐸𝑅𝑆𝐻
𝐸𝑅𝑆𝐻 + 𝐸𝑅𝐿𝐻
𝑅𝑆𝐻𝐹 𝐶𝑇 + ṁ𝑂𝐴 𝑐𝑝𝑎 BF (𝑡𝑂𝐴 − 𝑡𝑅𝐴 )
𝐶𝑇 + (ṁ𝑂𝐴 BF )�𝑐𝑝𝑎 (𝑡𝑂𝐴 − 𝑡𝑅𝐴 ) + ℎ𝑙𝑣 (𝜔𝑂𝐴 − 𝜔𝑅𝐴 )�
Na equação acima há apenas parâmetros são conhecidos, lembrando que:
𝑈𝑅𝑅𝐴 =
𝑃𝑣_𝑅𝐴
𝑃𝑣𝑠_𝑅𝐴
ln�𝑃𝑣𝑠_𝑅𝐴 � =
E também:
ℎ𝑅𝐴 = 𝑐𝑝𝑎 𝑡𝑅𝐴 + 𝜔𝑅𝐴 �𝑐𝑝𝑣 𝑡𝑅𝐴 + ℎ𝑙𝑣 �
𝜔𝑅𝐴 = 0,622
𝑃𝑣_𝑅𝐴
𝑃𝑎𝑡𝑚 − 𝑃𝑣_𝑅𝐴
𝐶8
+ 𝐶9 + 𝐶10 𝑡𝑅𝐴 + 𝐶11 𝑡𝑅𝐴 2 + 𝐶12 𝑡𝑅𝐴 3 + 𝐶13 ln 𝑡𝑅𝐴
𝑡𝑅𝐴
39
𝐸𝑆𝐻𝐹 =
𝑐𝑝𝑎 �𝑡𝑅𝐴 − 𝑡𝑎𝑑𝑝 �
𝑐𝑝𝑎 �𝑡𝑅𝐴 − 𝑡𝑎𝑑𝑝 � + ℎ𝑙𝑣 �𝜔𝑅𝐴 − 𝜔𝑎𝑑𝑝 �
Na equação acima, a única incógnita é a temperatura de ponto de orvalho do
equipamento, pois:
𝜔𝑎𝑑𝑝 = 0,622
𝑃𝑣𝑠_𝑎𝑑𝑝
𝑃𝑎𝑡𝑚 − 𝑃𝑣𝑠_𝑎𝑑𝑝
𝐶8
+ 𝐶9 + 𝐶10 𝑡𝑎𝑑𝑝 + 𝐶11 𝑡𝑎𝑑𝑝 2 + 𝐶12 𝑡𝑎𝑑𝑝 3 + 𝐶13 ln 𝑡𝑎𝑑𝑝
𝑡𝑎𝑑𝑝
ln�𝑃𝑣𝑠_𝑎𝑑𝑝 � =
Então, pode-se determinar:
ṁSA =
RSHF CT + ṁOA cpa BF (t OA − t RA )
cpa (1 − BF) �t RA − t adp �
Finalizando, calcula-se:
ℎ𝑆𝐴 = ℎ𝑅𝐴 −
𝑡𝑆𝐴 = 𝑡𝑅𝐴 −
𝐶𝑇
ṁ𝑆𝐴
𝑅𝑆𝐻
ṁ𝑆𝐴 𝑐𝑝𝑎
ℎ𝐸𝐴 =
𝑡𝐸𝐴 =
𝑃𝐹 = ṁ𝑆𝐴 (ℎ𝐸𝐴 − ℎ𝑆𝐴 )
ṁ𝑂𝐴
ṁ𝑂𝐴
ℎ𝑂𝐴 + �1 −
�ℎ
ṁ𝑆𝐴
ṁ𝑆𝐴 𝑅𝐴
ṁ𝑂𝐴
ṁ𝑂𝐴
𝑡𝑂𝐴 + �1 −
�𝑡
ṁ𝑆𝐴
ṁ𝑆𝐴 𝑅𝐴
Tabela 5.16 - Constantes usadas na análise psicrométrica
Constantes
Calor específico do ar
1,0035 kJ/kg.K
Calor específico do vapor d’água
1,873 kJ/kg.K
Entalpia de vaporização da água a 0°C
2501,2 kJ/kg
Pressão atmosférica
101,29 kPa
C8
-5800,2206
C9
1,3914993
C10
-0,048640239
C11
4,1764768E-05
C12
-1,4452093E-08
C13
6,5459673
40
Tabela 5.17 – Condições de insuflamento no horário de máxima carga térmica de
cada zona
Zona
Vazão mássica (kg/s)
Temperatura (°C)
G100
G100-A
G101
G101-A
G102
G103
G104
G105
G106
G107
G108
G109
G110
G112
G115
G116
G117
G119
G121
G122
G123
G125
G127
G128
G130
G200
G201
G202
G203
G204
G205
G206
G207
G209
G210
G210-A
G212
G213
G215
G216
G217
G218
G219
G220
G221
0,14
0,09
0,49
0,31
0,45
0,43
0,17
0,22
0,37
0,33
0,32
0,64
0,21
0,42
0,30
0,65
0,33
0,52
0,32
1,31
0,25
0,45
0,28
0,44
0,25
0,81
1,32
0,44
1,94
0,79
0,39
2,34
1,10
2,44
1,07
0,26
1,46
0,84
0,86
0,74
0,83
0,74
0,99
1,48
0,51
13,0
13,0
17,6
17,6
13,0
17,6
17,6
17,6
17,6
17,6
17,6
17,6
17,6
17,6
17,6
17,6
17,6
13,0
17,6
13,0
17,6
17,6
17,6
17,6
13,0
13,0
13,0
13,0
13,0
13,0
13,0
13,0
13,0
13,0
13,0
13,0
13,0
13,0
13,0
13,0
13,0
13,0
13,0
13,0
13,0
41
5.4. Descrição dos sistemas de ar condicionado
Duas são as alternativas de sistemas de ar condicionado solar a serem estudadas no
trabalho. Cada uma delas terá seu funcionamento simulado no edifício alvo dessa
monografia. Um dos sistemas de ar condicionado solar em estudo é o sistema térmico,
com coletores solares que produzem água quente para um chiller de absorção. O outro
sistema é o sistema elétrico, com painéis fotovoltaicos que produzem eletricidade para
um chiller de compressão de vapor.
Figura 5.5 - Esquema do sistema de ar condicionado solar térmico simulado
(ARA,2010)
Figura 5.6 - Esquema do sistema de ar condicionado solar elétrico simulado
(ARA, 2010)
42
No sistema de ar condicionado solar térmico, os coletores solares térmicos na
cobertura produzem água quente que é levada ao chiller de absorção solar, onde é
utilizada para possibilitar a separação do par refrigerante-absorvente no gerador do
chiller. Com o auxilio de uma torre de resfriamento utilizada, retira-se o calor do
condensador do chiller, tornando-se possível a produção de água gelada para atender os
fan-coils e o sistema de distribuição de ar nos pavimentos.
Quanto ao chiller de absorção do sistema térmico de ar condicionado solar, seu
funcionamento depende, portanto, do fornecimento do fluido quente proveniente dos
coletores térmicos solares, na cobertura. Quando não há disponibilidade de radiação e
há demanda por condicionamento de ar, em um dia nublado, por exemplo, o fluido que
se dirige ao chiller solar é aquecido por um aquecedor auxiliar de backup. Assim,
garante-se que o funcionamento do sistema de ar condicionado solar térmico seja
mantido regularmente. Devido às hipóteses do método de cálculo adotado neste
trabalho, que foi discutido no Capítulo 4, o aquecedor auxiliar elétrico foi considerado
como sendo um aquecedor elétrico.
Já no sistema de ar condicionado solar elétrico, os painéis fotovoltaicos produzem
eletricidade e são alocados também na cobertura. A energia elétrica produzida pelos
módulos é do tipo corrente contínua e é transformada em corrente alternada por
inversores DC/AC. A energia produzida pelos painéis alimenta o chiller elétrico de
compressão de vapor produzindo água gelada para atender os fan-coils e o sistema de
distribuição de ar nos pavimentos.
O funcionamento do chiller elétrico de compressão de vapor depende, portanto, da
eletricidade proveniente dos painéis fotovoltaicos. Entretanto, nem sempre quando há
demanda por condicionamento de ar, há disponibilidade de radiação solar para os
43
painéis fotovoltaicos, e como, por hipótese, o sistema fotovoltaico adotado não possui
acumulação em baterias, algum backup de energia deve ser previsto.
Assim, quando o dia está nublado, por exemplo, e há demanda por condicionamento
de ar, a eletricidade para o chiller provem da rede elétrica. Em outras palavras, o sistema
fotovoltaico adotado é, por hipótese, do tipo grid-connected, no qual a rede elétrica da
concessionária de energia serve na prática de backup para o sistema.
Observando-se a Figura 5.6, entretanto, pode-se perguntar o porquê não há torre de
resfriamento no sistema de ar condicionado solar elétrico, sendo que seria usual utilizála. Ao contrário, adota-se para o sistema de ar condicionado solar elétrico, um sistema
com condensação a ar. Isso ocorre, pois, o método de cálculo da energia consumida
pelos sistemas, e que foi descrito no Capítulo 4, contempla apenas a existência de
condensação a água (com torre de resfriamento) para o sistema térmico de ar
condicionado solar (ARA, 2010).
Além dos sistemas de ar condicionado solar térmico e elétrico apresentados até aqui,
outro sistema de ar condicionado será analisado neste trabalho. Esse sistema será do
tipo convencional utilizando chiller elétrico alimentado pela rede da concessionária de
energia.
Figura 5.7 - Esquema do sistema de ar condicionado convencional simulado
(ARA, 2010)
44
Dessa forma, os sistemas de ar condicionado solar podem ter seu desempenho
energético comparados entre si e com um sistema de ar condicionado convencional de
referência, que não utiliza nenhuma tecnologia de aproveitamento solar.
Como se observa na Figura 5.7, também não há torre de resfriamento no sistema de
ar condicionado convencional, pelas mesmas razões apresentadas acima para o sistema
de ar condicionado solar elétrico.
5.5. Consumo de energia e seu custo
Agora, utilizando a potência frigorífica, calculada de hora em hora para o horário de
funcionamento do ar condicionado no Subcapítulo 5.3, e o equacionamento
desenvolvido no Subcapítulo 4.2, é possível calcular o consumo de energia elétrica
durante o ano de cada um dos sistemas descritos no Subcapítulo 5.4.
Antes disso, é importante observar um detalhe, como o próprio nome indica, a
potência frigorífica possui unidade de potência (W no SI), precisa-se converter a
potência frigorífica em energia térmica retirada do edifício pelo sistema de
condicionamento de ar, que possui unidade de energia (J no SI). Esse procedimento é
ilustrado na figura abaixo:
Figura 5.8 - Representação gráfica da conversão de potência em energia
(adaptado de ARA ,2010)
45
Assim, a energia térmica retirada da edificação a cada hora de funcionamento do ar
condicionado vale:
𝑄𝑐𝑜𝑙𝑑 [𝑘𝑊ℎ] =
𝑃𝐹[𝑊] ∗ 1ℎ
1000
Então, para se realizar o cálculo do consumo de energia elétrica, conhecidas a
energia térmica retirada do prédio de hora em hora no horário no qual o sistema de ar
condicionado está ligado, por hipótese, das 7:00 às 18:00 (11 horas por dia) durante os
365 dias do ano, e as equações propostas no Capítulo 4, basta definir-se quais
parâmetros serão empregados nessas equações.
•
Sistema de ar condicionado convencional
𝑄𝑐𝑜𝑙𝑑
Equação para o cálculo do consumo de energia: 𝐸𝐸,𝑐𝑜𝑛𝑣. =
A concepção desse sistema pode ser observada na Figura 5.7.
𝐶𝑂𝑃𝐶𝑉
O valor do parâmetro utilizado nesse trabalho foi:
Tabela 5.18 - Parâmetros aplicados no sistema de ar condicionado convencional
Parâmetro
Significado
Valor
Fonte
Coeficiente de performance do
𝑪𝑶𝑷𝑪𝑽
•
chiller elétrico de compressão de
Valor arbitrado com
3,0
base nos valores de
vapor
mercado.
Sistema de ar condicionado solar elétrico
Equação para o cálculo do consumo de energia: EE,elet. =
Qcold
COPCV
A concepção desse sistema pode ser observada na Figura 5.6.
Os valores dos parâmetros utilizados nesse trabalho foram:
46
− EE,FV
Tabela 5.19 - Parâmetros aplicados no sistema de ar condicionado solar elétrico
Parâmetro
Significado
Valor
Coeficiente de performance do
𝑪𝑶𝑷𝑪𝑽
𝐄𝐄,𝐅𝐕
Fonte
Valor arbitrado com
chiller elétrico de compressão de
3,0
vapor
base nos valores de
mercado.
Produção de energia elétrica a partir
Calculado a cada hora nas 8760
dos painéis fotovoltaicos
horas do ano no EnergyPlus.
O sistema de aproveitamento solar fotovoltaico é constituído basicamente de painéis
fotovoltaicos e inversores.
Os painéis, por hipótese, são de silício amorfo alocados em 95% da cobertura do
edifício. A eficiência adotada para os painéis foi de 12% e a eficiência dos inversores
foi adotada como sendo de 85%.
•
Sistema de ar condicionado solar térmico
Equação para o cálculo do consumo de energia:
𝐸𝐸,𝑡𝑒𝑟𝑚. =
𝑄𝑐𝑜𝑙𝑑 (1 − 𝑠)
+ 𝑠 𝑓𝑒𝑙,𝑏𝑜𝑚𝑏. + 𝐶𝑂𝑃𝑆 𝑓𝑒𝑙,𝑐ℎ𝑖𝑙. + 𝑓𝑒𝑙,𝑡𝑜𝑟𝑟𝑒 (𝐶𝑂𝑃𝑆 + 1)�
�
𝐶𝑂𝑃𝑆
𝜂𝑒
E a fração solar será calculada, a cada hora nas 8760 horas anuais, pela seguinte
equação:
𝑠=
𝐶𝑂𝑃𝑠 (𝜂𝑐𝑜𝑙𝑒𝑡𝑜𝑟 𝐺 𝐴)
𝑄𝑐𝑜𝑙𝑑
A concepção desse sistema pode ser observada na Figura 5.5.
Os valores dos parâmetros utilizados nesse trabalho foram:
47
Tabela 5.20 - Parâmetros aplicados no sistema de ar condicionado solar térmico
Parâmetro
Significado
Valor
Fonte
Valor arbitrado com
𝑪𝑶𝑷𝑺
Coeficiente de performance do
chiller de absorção
1,2
base em
KIM; FERREIRA
(2007)
Valor arbitrado com
𝜼𝒆
Eficiência do aquecedor elétrico
0,8
mercado.
Razão entre o consumo de energia
𝒇𝒆𝒍,𝒃𝒐𝒎𝒃.
𝒇𝒆𝒍,𝒄𝒉𝒊𝒍.
elétrica da instalação solar, isto é,
das bombas, e a energia térmica
Valor arbitrado com
0,02
base em
GUIDELINES
produzida pelos coletores.
SOLAIR (2009)
Razão entre o consumo de energia
Valor arbitrado com
elétrica do chiller de absorção e a
energia térmica retirada do edifício
0,01
pelo chiller solar.
base em
GUIDELINES
SOLAIR (2009)
Razão entre o consumo de energia
Valor arbitrado com
elétrica do sistema de rejeição de
𝒇𝒆𝒍,𝒕𝒐𝒓𝒓𝒆
base nos valores de
calor, isto é, das torres de
0,03
resfriamento, e a energia térmica
base em
GUIDELINES
SOLAIR (2009)
rejeitada.
Valor arbitrado com
𝜼𝒄𝒐𝒍𝒆𝒕𝒐𝒓
𝑨
𝑮
Eficiência dos coletores solares
térmicos
0,5
base em
KIM; FERREIRA
(2007)
Área dos coletores solares térmicos
2485 m²
Valor baseado na
planta do prédio.
Irradiância solar que atinge os
Calculado a cada hora nas 8760
coletores solares térmicos
horas do ano no EnergyPlus.
48
O sistema de aproveitamento solar térmico é constituído basicamente de coletores
solares e reservatório térmico.
Os coletores, por hipótese, são coletores de tubo a vácuo orientados ao norte, com
uma inclinação de 33°, seguindo orientação do site da Soletrol, alocados na cobertura do
edifício. Para eles supôs-se a eficiência de 50% e a produção de vapor de água a 150°C,
possibilitando a utilização de um chiller de duplo-efeito. A área ocupada pelos coletores
corresponde, por hipótese, a 90% da área de cobertura do prédio.
Definidos todos esses parâmetros expostos acima, é possível calcular o consumo de
eletricidade anual para cada um dos três sistemas de ar condicionado analisados nessa
monografia. Esse cálculo foi feito a cada hora, com auxílio do software Microsoft
Excel, no horário de 7:00 às 18:00 para todos os dias do ano.
Conhecidos esses números, pode-se descobrir qual o gasto monetário associado ao
consumo de energia elétrica de cada opção de sistema de condicionamento de ar. Para
isso, utilizam-se as tarifas impostas pela Light.
•
Gasto monetário
No Centro de Tecnologia da Universidade Federal do Rio de Janeiro, a alimentação
de entrada é feita com nível de tensão de 13,8 kV (BEHENCK, 2011) e por esse motivo
está enquadrado no grupo A e subgrupo A4. Além disso, é tarifado pela estrutura
tarifária horo-sazonal na modalidade verde (BEHENCK, 2011).
Tabela 5.21 - Tarifas de energia elétrica adotadas (LIGHT, 2013)
Tarifa de alta tensão
Estrutura Horo-Sazonal Verde (tarifas sem incidência de ICMS, PIS e COFINS)
Demanda
Nível de tensão
ultrapassagem
R$/kW
A4 (2,3 a 25 kV)
13,81
Consumo R$/MWh
Demanda de
27,67
49
Ponta
Fora de Ponta
Seca
Úmida
Seca
Úmida
1.161,79
1.137,87
142,04
128,16
O horário de ponta para o consumo de energia elétrica é o período do dia de maior
utilização de rede da Light. Corresponde ao período entre 17:30 e 20:30, com exceção
de sábados, domingos e feriados nacionais (LIGHT, 2013). Nessa monografia, por não
se trabalhar com períodos de 30 minutos, foi considerado como horário de ponta o
período de 17:00 às 20:00. Além disso, não foi feita a distinção em dias de semana e
fins de semana e também, não se considerou a presença de feriados nacionais no cálculo
do gasto monetário.
Com uma temporada de sete meses, o período seco corresponde a maio, junho,
julho, agosto, setembro, outubro e novembro. Já entre os meses de dezembro e abril é
caracterizado o período úmido (LIGHT, 2013).
Nos valores mostrados na Tabela 5.21, ainda não estão incluídos os tributos
cobrados pelo governo federal e estadual. O governo federal realiza a cobrança do PIS e
COFINS através da conta de luz, com alíquotas de 1,65% e 7,60%, respectivamente,
enquanto o governo estadual realiza a cobrança do ICMS, fixado em 29% (LIGHT,
2013). Segundo a ANEEL, o valor da tarifa de energia repassado ao consumidor, já
incluído os impostos, é dado pela equação abaixo:
Em que:
𝑉𝑐𝐼
𝑉𝑠𝐼
𝑃𝐼𝑆
𝐶𝑂𝐹𝐼𝑁𝑆
𝐼𝐶𝑀𝑆
𝑉𝑐𝐼 =
𝑉𝑠𝐼
1 − (𝑃𝐼𝑆 + 𝐶𝑂𝐹𝐼𝑁𝑆 + 𝐼𝐶𝑀𝑆)
Valor com imposto
Valor com imposto
Tributação do PIS
Tributação do COFINS
Tributação do ICMS
Assim, definidos os valores cobrados pela Light, incluídos os impostos, pode-se
determinar a conta de luz, a ser paga a cada mês do ano, devido à utilização de cada um
dos sistemas de ar condicionado em estudo nessa monografia.
50
6. RESULTADOS
Nesse capítulo serão comparados e analisados os resultados de todos os sistemas de
ar condicionados simulados. A partir disso, serão propostas mudanças e verificação se,
realmente, algum dos sistemas de condicionamento de ar com utilização de energia
solar é viável.
Figura 6.1 - Consumo de eletricidade mensal de cada sistema
Pela Figura 6.1 pode-se observar que em todos os sistemas o consumo de energia é
maior exatamente nos meses mais quentes como era de se esperar. Os valores negativos,
em alguns meses, para o sistema de ar condicionado solar elétrico representam que
naquele mês o sistema fotovoltaico produziu mais energia que o consumido pelo chiller
de compressão de vapor. Percebe-se também que ambos os sistemas com
aproveitamento solar consomem menos energia que o sistema convencional.
Entretanto, percebe-se que o sistema solar elétrico, aquele com painéis
fotovoltaicos, consome bem menos energia que o sistema solar térmico, aquele com os
51
coletores solares e o chiller de absorção. Isto ocorre devido a grande parcela do
consumo estar associado ao aquecedor auxiliar (resistência elétrica) no sistema de ar
condicionado solar térmico, como está ilustrado na Figura 6.2.
Figura 6.2 - Porcentagem de utilização do aquecedor auxiliar
Apesar de, apenas 11% do calor adicionado anualmente ao gerador vir da resistência
elétrica, essa porção representa 59% do consumo elétrico anual do sistema de
condicionamento de ar solar térmico.
Custo da energia consumida em cada um dos três sistemas analisados é observado
na Figura 6.3.
52
Figura 6.3 - Custo relativo ao consumo de energia elétrica mensal de cada sistema
Os valores negativos na Figura 6.3 indicam que no respectivo mês o consumidor
obteve um crédito com a distribuidora de energia. Outra importante observação é que, a
diferença de perfil entra a Figura 6.1 e a Figura 6.3 deve-se a pequena participação do
aparato solar no horário de ponta, por exemplo, menos 1% da energia produzida nos
painéis fotovoltaicos ocorre entre 17:00 e 18:00.
Percebe-se também na Figura 6.3 que o sistema de ar condicionado solar elétrico é o
que tem o menor custo dos três sistemas simulados, porém o sistema solar térmico
possui o maior custo, maior inclusive que o sistema convencional, apesar de consumo
anual de eletricidade dessa opção ser menor que o do convencional (Figura 6.1). Isso
acontece, pois durante o horário de 17:00 às 18:00, no qual a tarifa de energia é maior,
praticamente toda a energia dos sistema solar térmico provém da resistência elétrica.
53
De fato, 62,7% do custo anual relativo ao consumo de energia elétrica do sistema de
ar condicionado solar térmico é devido a utilização do aquecedor auxiliar no horário de
ponta.
Sendo assim, pode-se analisar se ao desligar o ar condicionado uma hora mais cedo,
às 17:00, impedindo assim o consumo em horário de ponta, o sistema solar térmico
torna-se proveitoso, se comparados com os outros também funcionando nesse novo
horário diário. As figuras a seguir mostrando os resultados com esse novo horário de
utilização do ar condicionado:
Figura 6.4 - Consumo de eletricidade com novo horário de funcionamento
54
Figura 6.5 - Custo monetário do consumo como novo horário de funcionamento
Percebe-se que, com essa mudança de horário, o custo do consumo de energia do
sistema solar térmico torna-se menor que o do sistema convencional. Contudo, o
sistema de ar condicionado solar elétrico continua sendo o melhor dos três analisados.
Uma alternativa para reduzir mais o consumo de energia do sistema de
condicionamento de ar solar térmico seria substituir a resistência elétrica por uma
caldeira que dá calor indiretamente ao gerador através da queima de um combustível,
por exemplo, gás natural. Mas, a análise se essa modificação torna o sistema solar
térmico mais vantajoso economicamente que o sistema solar elétrico foge ao escopo
desse trabalho, e essa análise torna-se mais complicada, pois se deve considerar o preço
do combustível a ser comprado quando os coletores solares térmicos não conseguirem
fornecer totalmente o calor requerido no gerador.
55
7. ANÁLISES
Diante dos resultados expostos no Capítulo 6, serão feitas duas análises nessa parte
do trabalho:
•
Visto que o sistema de ar condicionado solar elétrico é mais vantajoso dentre as
opções que utilizam aproveitamento solar, será feito uma análise de
investimento simples para verificar se esse sistema é viável economicamente.
•
Percebido que a resistência elétrica é a principal responsável pelo elevado custo
da conta de luz associada ao sistema de condicionamento de ar térmico, será
dimensionado o sistema solar térmico sem a presença da resistência elétrica e
verificará qual parcela do edifício esse sistema é capaz de atender.
7.1. Análise de investimento do sistema de ar condicionado solar elétrico
Para a análise de investimento da viabilidade de implementação do sistema de ar
condicionado solar elétrico, ou seja, análise se o sistema composto por painéis
fotovoltaicos e inversores gera uma economia relevante capaz de justificar o custo
inicial necessário para sua compra e instalação, foi pedida uma proposta a empresa
Solar Energy do Brasil.
Diante da localidade e da área disponível para sistema fotovoltaico, a empresa
recomendou a utilização do painel fotovoltaico de silício policristalino da Yingli Solar,
modelo YL240P-29b, de 240 Wp e 14,7 % de eficiência. O painel deve ser orientado ao
norte, com uma inclinação de 23°.
A empresa indicou a utilização de cinco arranjos, onde cada arranjo é composto por
aproximadamente 318 painéis fotovoltaicos e 15 inversores. O inversor utilizado é do
tipo grid-tie de 5 kW.
Segundo dados da proposta, no total o sistema seria capaz de produzir em média
cerca de 50000 kWh por mês (uma diferença de 4% a mais em relação ao simulado,
56
devido à inclinação e utilização de um painel mais eficiente). Além disso, o sistema
como um todo ocuparia uma área de 2595 m² (94% da área total da cobertura) e teria
um peso distribuído sobre a estrutura de 31,85 toneladas.
A aquisição desse sistema custaria de cerca de 2,4 milhões de reais e ainda a Solar
Energy do Brasil dá uma garantia de 25 anos nos painéis e cinco anos nos inversores.
Outra informação relevante é que, segundo a Yingli Solar, o painel escolhido, após 10
anos, produz 91,2% da energia que um painel novo seria capaz de produzir e, após 25
anos, produção cai para 80,7%.
Pela simulação no EnergyPlus, o sistema fotovoltaico é capaz de produzir
anualmente 576,8 MWh, gerando uma economia de R$ 135.550,00 e, lembrando que o
custo de aquisição do sistema fotovoltaico é de 2,4 milhões de reais, pode-se fazer um
simples cálculo de tempo de retorno de investimento obtendo que o tempo de retorno do
investimento feito é de 17,7 anos.
7.2. Dimensionamento do sistema de ar condicionado solar térmico
Utilizando as condições de projeto indicadas pela ASHRAE, na localidade do
Aeroporto Santos Dumont, para máxima carga térmica calculada em todo o edifício,
obtida pelo EnergyPlus, e realizando cálculo semelhante ao feito no Subcapítulo 5.3,
obtém-se uma potência frigorífica de 201,7 TR, ou seja, essa deve ser a capacidade de
refrigeração do chiller de absorção a ser selecionado para que esse chiller possa atender
todo o prédio.
O chiller selecionado é o modelo BH75 de 248 TR da BROAD, que é um chiller de
duplo estágio e utiliza água a 180/165°C (entrada e saída da água quente de
alimentação), com uma vazão nominal de 38,2 m³/h. Esse chiller precisaria atuar com
80% de sua capacidade nominal para suprir a edificação, para isso precisaria de uma
57
vazão de água de 30,5 m³/h. Os responsáveis por prover essa vazão e temperatura serão
os coletores solares.
A Figura 7.1 foi reproduzida do catálogo da BROAD em anexo. Ela mostra a
relação entre as variações percentuais da potência frigorífica e da vazão de água
necessária nos chillers da absorção da BROAD.
Figura 7.1 - Curva característica dos chillers de absorção da BROAD
O coletor solar escolhido é o AP30 da Apricus. São coletores tubo a vácuo, que
devem ser orientados ao norte geográfico, com uma inclinação de 33°, seguindo
orientação do site da Soletrol. A distância mínima entre fileiras de coletores solares,
para a latitude de 23°, é de 1,2 m seguindo recomendação de DASOL (2008).
Especificações nominais do coletor, em anexo, indicam que, para vazão de água de
3 l/min por coletor, o aumento de temperatura obtido nesse coletor é de 9,3°C. Assim,
para que seja atingida a necessidade de temperatura e vazão da água para o chiller,
considerando uma temperatura ambiente de 36°C, seriam necessários 2550 coletores
solares (170 conjuntos em paralelo de 15 coletores em série cada conjunto) que
ocupariam uma área quase seis vezes maior que a cobertura do prédio.
58
Alocando os coletores somente sobre a cobertura do edifício, ou seja, 2760 m², é
possível produzir, utilizando as mesmas especificações nominais como base de cálculo,
uma vazão de 5,2 m³/h a uma temperatura de 180ºC.
Com isso, pode-se usar um modelo de chiller de menor porte, o BH20 de 66 TR. A
vazão de 5,2 m³/h representa 50% da vazão nominal (ver em anexo) desse modelo de
chiller, logo, pela Figura 7.1, essa percentagem de vazão vai fazer com que o chiller
opere a 45% de sua potência frigorífica nominal, ou seja, 29,7 TR. Assim, esse sistema
é capaz refrigerar cerca de 15% do prédio.
Outra opção é usar os chillers do tipo BZH da BROAD, que são chillers de duplo
estágio que utilizam água e gás natural.
Lembrando que para esse sistema de ar condicionado solar é preciso a existência de
uma torre de resfriamento, assim uma análise de retorno de investimento torna-se mais
complicada de ser feita.
59
8. CONCLUSÃO
O presente estudo apresentou inicialmente conceitos referentes ao sistema de ar
condicionado solar: os tipos existentes, o sistema de aproveitamento da energia solar de
cada uma das alternativas, a tecnologia de refrigeração associada a cada tipo e seus
fundamentos e características. Das opções apresentadas destacou as seguintes
alternativas: o sistema de ar condicionado solar térmico por absorção e o sistema de ar
condicionado solar elétrico fotovoltaico associado a um chiller convencional de
compressão a vapor. Alternativas estas, analisadas neste trabalho.
Falou-se também do projeto SOLAIR, financiado pela União Europeia, cujo
objetivo foi promover e fortalecer o uso de sistemas de ar condicionado solares.
Utilizando-se como base um equacionamento criado pelo projeto e explorado por ARA
(2010), foi apresentado um roteiro de cálculo para consumo de energia de cada uma das
opções de sistemas de condicionamento de ar solar estudadas.
A seguir foi apresentado o edifício em questão neste trabalho e, com auxílio da
ferramenta computacional EnergyPlus™, se obteve os valores das cargas térmicas.
Além disso, foi feito os cálculos psicométricos, com a utilização do Excel, para que
fossem encontradas a temperatura e a vazão mássica de insuflamento, necessárias para
manter a condição de conforto, e a potência frigorífica requerida no prédio.
Finalmente foi descrito como os sistemas de ar condicionado solar funcionariam na
construção e quais foram parâmetros utilizados no cálculo do consumo energético e a
tarifa de energia associada a esse consumo.
Os resultados mostrados nos gráficos apontaram as seguintes conclusões:
•
O sistema de ar condicionado solar elétrico é o que consome menos energia
elétrica, podendo, em alguns meses, produzir mais energia do que consumir.
60
•
A resistência elétrica utilizada no sistema de ar condicionado solar térmico
modelado é a grande responsável pelo elevado consumo de energia desse
sistema podendo, dependendo do regime de utilização, torná-lo mais caro, no
sentido de consumo de energia, que sistema convencional de ar condicionado.
A partir dessas constatações, foram realizadas algumas análises:
•
Para o sistema de ar condicionado solar elétrico foi feito um simples cálculo de
tempo de retorno de investimento e se viu que esse tipo de investimento seria
muito grande e não traria benefícios à curto prazo por terem um tempo de
retorno grande, próximo a vida útil do painéis fotovoltaicos. Com isso, concluise que não valeria a pena ter gastos com esse tipo de equipamento, no momento,
para atender a necessidade de condicionamento de ar.
•
Para o sistema de ar condicionado solar térmico verificou-se que, apesar de
viável tecnicamente, seria necessária uma área quase seis vezes maior que a
cobertura do prédio para atender a todo edifício, além disso, seria preciso haver
uma torre de resfriamento responsável por retirar calor do ciclo absorção.
Algumas sugestões para trabalhos futuros são:
•
Analisar a viabilidade econômica de um sistema de ar condicionado solar
térmico no qual a resistência elétrica foi substituída por uma caldeira alimentada
por, por exemplo, gás natural.
•
Analisar outras utilizações, que não sejam ar condicionado, para aproveitamento
da energia solar incidente no Centro de Tecnologia da UFRJ.
•
Analisar se a economia em reais por ano do sistema fotovoltaico pode ser útil à
universidade, apesar do custo elevado de compra do sistema de painéis e
inversores.
61
REFERÊNCIAS BIBLIOGRÁFICAS
AFONSO, C.F.A, 2006, “Recent advances in building air conditioning systems”,
Applied Thermal Engineering, v. 26, pp 1961-1971.
AGÊNCIA NACIONAL DE ENERGIA ELÉTRICA (ANEEL), Por dentro da conta de
luz: informação de utilidade pública, 4 ed., Brasília. Disponível em
<http://www.aneel.gov.br/arquivos/PDF/Cartilha_1p_atual.pdf> Acesso em:
08/11/2013, 19:00:00.
ARA, P.J.S., 2010, Desempenho de sistemas de condicionamento de ar com utilização
de energia solar em edifícios de escritórios. Dissertação de M.Sc., Universidade de São
Paulo, São Paulo, SP, Brasil.
ASHRAE, 2006, “Absorption cooling, heating and refrigeration equipment” In: Owen,
M. S., ASHRAE Handbook: Refrigeration, chapter 41, Atlanta, GA, EUA, American
Society of Heat, Refrigeration and Air Conditioning Engineers.
ASSOCIAÇÃO BRASILEIRA DE NORMAS TÉCNICAS (ABNT). NBR 15220:
Desempenho térmico de edificações, Rio de Janeiro, 2005.
ASSOCIAÇÃO BRASILEIRA DE NORMAS TÉCNICAS (ABNT). NBR 16401:
Instalações de ar-condicionado - Sistemas centrais e unitários, Rio de Janeiro, 2008.
BEHENCK, I.S., 2011, Estudo comparativo da viabilidade de sistemas fotovoltaicos
conectados à rede, através do software Homer. Projeto de Graduação, Engenharia
Elétrica, Universidade Federal do Rio de Janeiro, Rio de Janeiro, RJ, Brasil.
BRUM, N., 2012. “Notas de aula do prof. Nísio Brum”, Rio de Janeiro, RJ, Brasil.
CARRIER, W., 1960, “Applied Psychrometrics” In: Carrier Air Conditioning
Company, Handbook of Air Conditioning System Design, part 1, chapter 8, Syracuse,
NY, EUA, McGraw-Hill.
62
DEPARTAMENTO NACIONAL DE AQUECIMENTO SOLAR (DASOL), 2008,
Manual de Capacitação em Projetos de Sistemas de Aquecimento Solar.
GROSSMAN, G., 2002, “Solar-powered systems for cooling, dehumidification and air
conditioning”, Solar Energy, v.72, n.1, pp. 53-62.
HENNING, H.M., 2007, “Solar assisted air conditioning of buildings – an overview”,
Applied Thermal Engineering, v.27, pp.1734-1749.
KIM, D.S., FERREIRA, C.A.I, 2007, “Solar refrigeration options – a state-of-the-art
review”, International Journal of Refrigeration, v. 30, pp.1-13.
LIGHT. Disponível em: <http://www.light.com.br >. Acesso em: 04/11/2013, 17:45:00.
SOLAIR, 2009, Guidelines: requirements on the design and configuration of small and
medium sized solar air-conditioning applications, Intelligent Energy Europe.
SOLETROL, Notícias – Água e Sol – Edição 10 – Acertando o Ângulo. Disponível em:
<http://www.soletrol.com.br/noticias/agua_e_sol/10/pg02.php>. Acesso em:
08/11/2013, 15:00:00.
63
ANEXOS
A seguir estão os dados dos componentes selecionados nas análises feitas no
Capítulo 7, na seguinte ordem:
•
Painéis fotovoltaicos e inversores
•
Chiller de absorção
•
Coletores solares
64
#1 EM ENERGIA RENOVÁVEL
SOLAR ENERGY
DO BRASIL
R$ 480.360,00
Valor Normal
Frete: Consulte para sua cidade não Incluso
A quantidade de energia gerada pode variar de acordo com a região e irradiação solar do local, a simulação realizada no software PVsyst V5.68 considerou a
região centro oeste para estimar a geração de energia elétrica.
R$ 410.913,00
Opcional
15
6370
519
318
10014
Quantidade
VALOR PROMOCIONAL PARA PAGAMENTO NA ASSINATURA DO CONTRATO
Monitoração WEB
Unid.
kg
Peso distribuído dos painéis sobre a estrutura
Inversor Grid Tie 5k
m²
Área utilizada
Unid.
kWh/mês
Média de Energia Gerada – Simulação realizada no software PVSYST V.5.68
Quantidade estimada de painéis
Unidade
Sistema Solar - Estimativa
76,32 kWp
SOLAR 10000
DIMENSIONAMENTO
25 Anos de Garantia
para Geração de Energia
Certificados INMETRO
CLASSE A
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3) Inversores: Garantia de 5 anos no Brasil
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Após 10 anos, produção de 91.2% de energia
2) Capacidade de produção de energia dos painéis fotovoltaicos:
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Atendimento mínimo de 10 horas técnicas por chamado.
(Não incluso Deslocamento e Hospedagem do técnico Responsável)
Atendimento sob demanda (hora técnica)
Centrar de atendimento: [email protected]
Acionamento do suporte em sua central de atendimento.
Vistoria Técnica Preventiva
A manutenção para limpeza
Manutenção mediante acionamento Técnico e Agendamento.
Descrição
BAIXO ÍNDICE DE MANUTENÇÃO
ACIONE SOMENTE QUANDO PRECISAR, SOB DEMANDA.
R$ 80,00
hora técnica
ORÇAMENTO
MEDIANTE
CONSULTA
SEM CUSTO
RECORRENTE DE
MANUTENÇÃO
Valor
Frete: Não inclusos nos preços desta proposta, Verifique para sua cidade
Dólar/Euro: Variações da cotação do DÓLAR E EURO podem ser repassadas a proposta no dia de seu faturamento.
Todos Impostos inclusos: COFINS E PIS
Adicionalmente informamos que os módulos solares estão isento de IPI de acordo com a tabela TIPI e isento de ICMS de
acordo com o convênio 101 de 12/12/1997 prorrogado conforme convênio de ICMS 01 de 20/10/2010.
ISENÇÃO FISCAL:
IMPOSTOS
INCLUSOS
11. 3522-8013 | 41.4063-9936 | 21 4063-4053 | 67.3043-2004 | 41.9918-2227
www.solarenergy.com.br
SOLAR ENERGY | SEDE | ENGENHARIA
Av. Afonso Pena, 5723 – SL. 1406
Bairro Royal Park – Campo Grande-MS
SOLAR ENERGY | SEDE | COMERCIAL
Av. Sete de Setembro, 4698 – SL. 1001
Bairro Batel – Curitiba-PR
BROAD CENTRAL AIR CONDITIONING (ABSORPTION LiBr+H2O)
BROAD X NON-ELECTRIC CHILLER
MODEL SELECTION & DESIGN MANUAL
ENERGY CONSERVATION IS
PRIORITY OF A/C
Ŗ!Function
! Cooling, heating, hot water (dedicatedly or
simultaneously)
Ŗ!Application
!
!
! Provide chilled/heating water for
large-scale buildings!
!ő!
Produce chilled water over 41°F
and heating water below 203°F
!ő
Ŗ!Cooling capacity
! 6.6-3,307Rt(23-11,630kW)
Ŗ!Energy
!
!
!
Ŗ!Super
!!
!
sources
!!Natural gas, town gas, biogas, diesel,
recycled oil
ő!!!!!
gas/oil dual fuel, gas & waste heat
hybrid (multiple energy)
ő!!
waste heat from power generation
industrial waste streams (steam, hot
water, exhaust, etc)
ő
energy-saving
!! Compared with conventional electric
air conditioning, the energy efficiency
of BROAD non-electric air conditioning
is 2 times higher, while their CO2
emissions are 4 times lower.
ő!!
Compared with conventional water
distribution systems, BROAD pakaged
pumpset system reduces the rated
power demand by 40-60%, and the
operating electricity consumption by
60-75%.
ő
Sept. 2008 . US
22
Packaged Hot W/Exhaust chiller
Performance Data
BYH/BYE: hot water/exhaust from power generation or industrial waste streams
(pumpset, enclosure data are the same as steam chiller)!
code model cooling
capacity
heating
chilled W
capacity
cooling W
drop
twostage
hot
heating W
flowrate pressure flowrate pressure flowrate pressure
drop
drop
hot
water
con-
exhaust consump. power solution unit main main shell
cooling heating
dem- wt.
ship. shell operation
and
wt.
sump.!
ship. weight
wt.
GPM
ftH 2 O
GPM
ftH 2 O
GPM
ftH 2 O
GPM lb/h
lb/h
kW
klbs
klbs klbs klbs
/
126
10
208
16.7
/
/
45
/
/
1.7
2.2
10
5.5
11
/
/
314
10
520
16.7
/
/
112
/
/
4.3
4.8
18
10
20
Rt
kW
MBH
20
66
233
/
50
165
582
75
kW
248
872
/
/
471
10
779
16.7
/
/
168
/
/
4.6
6.2
21
11
24
chiller 100
331
1163
/
/
629
10
1039
16.7
/
/
224
/
/
6.8
7.5
26
14
29
BH
125
413
1454
/
/
786
10
1299
16.7
/
/
280
/
/
6.8
9.7
31
16
33
hot
150
496
1745
/
/
943
13.4
1559
16.7
/
/
336
/
/
6.8
10.8
35
19
40
200
661
2326
/
/
1257
13.4
2078
16.7
/
/
449
/
/
10.2
15.6
46
24
53
250
827
2908
/
/
1571
16.7
2598
20
/
/
559
/
/
10.2
17.2
57
28
66
300
992
3489
/
/
1886
16.7
3118
20
/
/
673
/
/
11.7
23.3
/
33
77
400
1323 4652
/
/
2514
16.7
4157
20
/
/
898
/
/
13.2
26.6
/
44
99
water
water
365°F
500
1653 5815
/
/
3143
20
5196
23
/
/
1122 /
/
17.7
32.6
/
53
112
600
1984 6978
/
/
3771
20
6235
23
/
/
1346 /
/
20.7
39.9
/
62
139
800
2646 9304
/
/
5029
20
8314
23
/
/
1795 /
/
25.9
53.3
/
64
158
203
1000 3307 11630
twostage
/
/
20
66
233
522
153
6286
20
10392 23
/
/
2244 /
/
34.9
67.2
/
66
126
10
208
58
6.7
/
3392
3392
1.7
3.3
14
5.5 15
16.7
50
165
582
1310
384
314
10
520
16.7
144
6.7
/
8482
8482
4.3
7.7
26
10
27
chiller
75
248
872
1962 575
471
10
779
16.7
215
6.7
/
12725
12725
4.6
9.7
31
11
35
BE
100
331
1163 2617
767
629
10
1039
16.7
288
6.7
/
16960
16960
6.8
12.5
40
14
44
exhaust 125
413
1454 3272 959
786
10
1299
16.7
360
6.7
/
21207
21207
6.8
14.5
48
16
53
150
496
1745 3927 1151 943
13.4
1559
16.7
431
6.7
/
25449 25449
6.8
16.7
55
19
59
200
661
2326 5234 1534 1257
13.4
2078
16.7
576
10
/
33920 33920
10.2
23.8
73
24
79
250
827
2908 6544 1918 1571
16.7
2598
20
717
10
/
42414
42414
10.2
26.6
/
28
92
300
992
3489 7851 2301 1886
16.7
3118
20
862
13.4
/
50881 50881
11.7
34.8
/
33
123
400
1323 4652 10468 3068 2514
16.7
4157
20
1153
13.4
/
67841
67841
13.2
40.0
/
44
145
500
1653 5815 13085 3835 3143
20
5196
23
1439
16.7
/
84802 84802
17.7
50.7
/
53
183
600
1984 6978 15702 4602 3771
20
6235
23
1734
16.7
/
101762 101762
20.7
64.1
/
62
236
800
2646 9304 20940 6137 5029
20
8314
23
2301
20
/
135683 135683 25.9
80
/
64
260
1000 3307 11630 26174 7671 6286
20
10392 23
2878
20
/
169603 169603
90
/
66
288
exhaust
932°F
34.9
General Conditions:
1. Rated hot W inlet/outlet temp for hot W
chiller:356°F/329°F
2. Rated exhaust inlet/outlet temp for exhaust
chiller: 932°F/320°F
3. Rated chilled W outlet/inlet temp: 44°F/56.7°F
4. Rated cooling W outlet/inlet temp: 97.5°F/85°F
5. Rated heating W outlet/inlet temp for two-stage
exhaust chiller: 149°F/131°F
6. Lowest permitted outlet temperature for chilled
water: 41°F
7. Lowest permitted inlet temperature for cooling
water: 50°F
8. Adjustable chilled water flowrate: 50%~120%
9. Pressure limit for chilled/cooling W: 116psig
10. Adjustable load: 5%~115%
11. Fouling factor for chilled W: 0.0001hr ft2·°F/Btu,
for cooling W:0.00025hr ft2·°F/Btu
12. LiBr Solution concentration: 52%, solution weight is
included in unit ship, wt.
13. Machine room ambient temperature: 41~109°F,
humidity ļ!85%
14. Rated cooling COP: 1.41
15. Rated heating COP for exhaust chiller: 0.93
16. Life design: 25 years
17. Please refer to P5, P6 & P7 for performance curve,
model selection & ordering and supply list information.
6
Packaged DFA Performance Curves
heating capacity changes
cooling capacity changes
211
211
91
91
71
ǁ
ǁ
71
51
51
31
31! 41! 51! 61! 71! 81! 91! :1! 211
31
31! 41! 51! 61! 71! 81! 91! :1! 211
cooling capacity ǁ
heating capacity ǁ
chilled W temp changes
ambient temp changes
231
231
221
ǁ
211
211
ǁ
91
:1
91
51/5!53/3!!55!!56/9! 58/7!5:/5!62/3!!64! 65/9!
71
86/3!89/9!93/5!!97! 9:/7!:4/3!:7/9!211/5!215
ambient temp °F
chilled W outlet temp °F
cooling capacity
water consumption
fuel consumption
electricity consumption
COP
Note: electricity consumption means the
consumption of the burner and pumpset.
Nomenclature
CZ![!211!Y!EljlljI2ljGb
Rated COP:1.36
IPLV COP:1.56
Load
COP
Factor
A
100%
1.360
0.01
Result
0.014
B
75%
1.569
0.42
0.659
C 50%
1.619
0.45
0.729
D
1.308
0.12
0.157
25%
High pressure type (details in below table)
H1 20% more heating capacity
Function : k-cooling-heating type, d-cooling only,
default is heating, cooling and hot water
Fuel type: B -oil C-LPG D- natural gas E-town gas
BROAD non-electric chiller design code
(X indicates 10)
Cooling capacity: 10 4 kcal/h
Chiller type: Z-direct-fired(code of other types
available in “Performance Data” pages)
Product: B-BROAD, Y-packaged chiller
Note: The integrated part load value (IPLV)
reflects chiller's actual COP in operation.
Environmental
Protection Features
Codes for high pressure type:
Operating Noise dB(A)
pressure limit
chilled water code
cooling water code
31ċ61
117~174psig
Fa
Ma
Model BYZ
86ċ311 Ľ361
DFA
ļ68
ļ69
ļ71
175~232psig
Fb
Mb
pumpset
ļ68
ļ68
ļ6:
233~290psig
Fc
Mc
cooling tower
ļ73
0
0
291~348psig
Fd
Md
outside enclosure
ļ51
ļ52
Emissions:
CO/CO2ļ0.02%
ļ53
NOxļ46ppm (O2=5%)
7
Model Selection & Ordering
Function selection!
!BROAD chillers are classified into standard type
Split shipment
!If limited by access of customers’ machine room (or
ő!
ő!
(cooling-heating-hot water),A/C type (cooling-heating)
and cooling only type.
ő!!
An extra boiler is recommended to meet the excessive
heating requirement when heating load exceeds 1.3 times
limited by container transportation), split shipment can be
chosen.
ő!!
The chiller normally will be split into two pieces as main
shell and HTG. 3 pipes must be connected at jobsite.
Customers need to prepare welding facilities, nitrogen
and provide necessary help.
of cooling load.
!
Fuel selection
!Fuels applicable to a DFA can be: natural gas, town gas,
ő!
LPG, bio-gas, light oil, or recycled oil.
!Natural gas and recycled oil are of priority.
ő!!
Applicable to gas/oil (for special orders)
Control
!BROAD chiller and its pumpset are equipped with
ő!
complete control function, including internet monitoring.
ő!
!If users have a building management system(BMS), the
ő!
BMS control interface can be selected as an optional
supply. If the BMS interface is not ordered along with the
chiller, it can be purchased later.
!Different fuel matches different burner.
ő!
Load selection!
!Building cooling/heating load cannot be estimated, as
ő!
it is more closely related to building insulation and room
function than to building area.
!Model selection is mainly determined by cooling load. If
ő!
the heating load is not enough, a HTG enlarged model
should be selected.
Machine room location
!On the floor or on building rooftop.
!If limited by facilities, the chiller and the pumpset can be
ő!
ő!
installed in basement while cooling tower on the floor, on
stilt or on building top.
ő!!
Metal enclosure does not apply to basement installation.
The chiller and pumpset are installed in the same metal
enclosure so as to minimize piping length.
Quantity
!The fewer units, the lower initial investment and operation
ő!
cost (as the chiller’s COP will be higher and water system’s
electric consumption will be lower at part load).
ő!!
2 units are recommended for one system (the total
capability equals to required load). No need to have
standby unit. One unit can be considered for buildings
that allow chiller stop once a year.
Flowrate selection
!BROAD pumpset adopts a large temperature difference
ő!
and low flowrate design so as to save power consumption
dramatically.
ő!!
BROAD designs the pump head according to its profound
experience.
ő!!
If the head is proved to be insufficient, BROAD will enlarge
the pump free of charge.
Pressure selection
!The standard pressure limit for chilled/heating/cooling
ő!
water is 116psig. Information about high pressure type is
available on page 5.
ő!!
117~174psig system: select high pressure type.
175~232psig system: either extra pressure type, or
secondary heat exchanger, to be comprehensively
evaluated.>232psig system: secondary heat exchange.
Lead time
!ļ BYZ150: 3-6 months
!BYZ200-BYZ400: 4-8 months
ő!
ő!
!Ľ BYZ500: 8-12 months
ő!
Warranty!
Free warranty is to cover 12 months from commissioning or
18 months from shipment,whichever comes earlier.
BROAD provides paid service in the whole life span. Service
pricelist is available upon request.
8
Packaged DFA
Supply List
Products
Category Item
Remarks
Chiller
Main shell Main shell body
Includes LTG, condenser, evaporator, absorber, cold/heat insulation
Auto purge/vent system
Includes falling head auto purge device, auto air vent device
Solution pump, refrigerant pump Welded type
Low temp. heat exchanger Plate type including heat insulation
HTG
Motor valve
Refrigerant motor valve, auto purge valve, etc.
HTG shell
Includes HTG body, front/rear flue chamber, frame base, etc.
High temp. heat exchanger Plate type
Control
system
Pumpset
system
Water heater
For heating & hot water, N.A. for cooling only type
Thermostatic valve
1 piece each for heating water & hot water constant temp. control.
N.A. for cooling only type
Enclosure
Encloses HTG shell, high temperature heat exchanger and water heater.
Removable
Burner
Includes gas valve trains, filter, safety devices, muffler, etc.
Gas flow meter
For accurate measuring of the gas consumption.
N.A. for non gas-fired type
Chiller control cabinet
Includes low voltage components, special circuit board, microprocessor
or PLC, etc.
Touch screen
For operation (“central control” for BY20 & BY50)
External control elements
Includes temperature & pressure sensors, flow switches, solution level
probes and actuators
Inverters
Solution pump inverter and refrigerant pump inverter
Network gateway
For Internet monitoring
BMS interface
Connects to BMS system through dry contact or serial communication
Solution
LiBr solution
Includes corrosion inhibitor and energy intensifier.
Pumpset
Chilled/heating water pump Two pumps (BY20, BY 50 only one pump)
Cooling water pump
Two pumps (BY20, BY 50 only one pump)
Hot water pump
Two pumps (BY20, BY50 only one pump)
N.A. for cooling only and cooling-heating types
Pumpset piping
Includes zero resistance filter, zero resistance check valve, soft
connectors, valves and vibration isolator
Enclosure piping*
Includes all piping within the system to the external connections
Piping accessories in enclosure Includes flow switches, vent valves and their sockets, and soft connectors.
Enclosure /
Motor drain valve
When water quality becomes poor, this valve automatically drains the cooling
water. It also drains cooling water automatically in winter to avoid freeze.
cooling/heating switch
N.A. for cooling only type
Chilled/heating water
check valve
N.A. for cooling only type
Flow meter
Includes gas, chilled/heating W, cooling W, hot W flow meters. For
accurate measuring of the load.
Water softener
For hard water softening (optional for BY20 & BY50)
Auto dosing device
Automatically charge biocide corroision inhibitor and antisludge to the cooling water
Pumpset control cabinet
Includes cooling W pump and cooling tower fan inverters (no inverter
forĽ3 cooling fans), soft starter, low voltage electric parts, etc.
Electric wiring*
Includes wires, cables, cable conduit, cable supporters, etc.
Metal enclosure
Aluminum-galvanized zinc shell with insulation
Accessories
Includes ventilation and gas leakage detector (for gas type only)
Notes : 1. “*” means only standard size is available. For any size change, please specify it in purchase orders.
2. Supply list of waste heat chillers is almost the same as DFA supply list. The main difference of waste heat chillers lies
in HTG. Supply list will be provided separately when the order is placed.
Delivering Sustainable Hot Water Solutions
Product Overview
AP Evacuated Tube
Solar Collector
AP Solar Collector Product Overview
Product Overview
Apricus AP range of evacuated tube solar collectors are suitable for both residential and commercial applications.
The design of the AP solar collector is a culmination of nearly 10 years of feedback from installers and solar
professionals all over the world and aims to meet their requirements with the following key features:
• Modular “plug ‘n’ play” design (Manifold, frame and tubes in separate packages)
• Lightweight manifold design
• Choice of Stainless Steel or Anodized Aluminium mounting frames
• Extremely reliable header design due to only 4 or 6 brazing points (depending on configuration)
• Contoured header for turbulent flow even at low flow-rates
• All glass wool insulation for high temperature stability
• Patented heat transfer fin design for optimal heat transfer
• Extreme cold resilience (freeze protected heat pipes)
• Coastal region corrosion resistance (with optional anodized AL frame)
• UV stabilized components
• High wind load strength
• High snow load strength
Product Range
AP collectors are available in 10, 20, 22 or 30 tube sizes and have a number of options depending on the local
market requirements.
Model
AP-10
AP-20
AP-22
AP-30
Length
2005mm
m / 78.9”
Height
136mm / 5.35” (not inc
cluding mounting frame
e)
Width
796mm / 31.34”
1496mm / 58.9”
1636mm / 64.4”
2196mm / 86.45”
Peak Output*
648W / 2,210Btu
1296W / 4,422Btu
1425W / 4,862Btu
1944W / 6,632Btu
Aperture Area
0.94m2 / 10.1ft2
1.88m2 / 20.23ft2
2.07m2 / 22.3ft2
2.83m2 / 30.46ft2
Gross Area
1.59m2 / 16.95ft2
3m2 / 32.3ft2
3.28m2 / 35.29ft2
4.4m2 / 47.4ft2
Gross Dry Weight
35kg / 77lbs
63.5kg / 139.8lbs
71.3kg / 156.8lbs
95kg / 209.5lbs
Fluid Capacity
310ml / 10.5fl oz
550ml / 18.6fl oz
600ml / 20.3fl oz
790ml / 26.7fl oz
* Data from ITW report 09COL805. Calculated at midday (trans IAM = 1), G=1000W/m2, ΔT (tm-ta)=0
© 2013 - Apricus Solar Co., Ltd.
1
A11-01.3.1-PB-V5 (April 2013)
AP Solar Collector Product Overview
How it Works
er Pipe
Header
Construction
Manifold
M
The AP solar collector is comprised of four main parts:
Evacuated Tube (ET)
Absorbs solar energy and converts it to usable
heat.
Vacuum between the two glass layers
insulates against heat loss.
H
Heat Transfer Fin
Evacuated Tube
E
Heat Pipe (HP)
Copper vacuum pipe that transfers the heat from
within the ET up to the manifold.
H
Heat
Pipe
Manifold
Insulated box containing the copper header pipe.
The header is a pair of contoured copper pipes
with dry connect sockets that the heat pipes plug
into.
Mounting Frame
Strong and easy to install with various options to
match different mounting methods.
Mounting Frame
M
Operation
Step 1: The absorber coating on the inner glass tube absorbs sunlight and converts it into heat.
Step 2: Steam forms inside heat pipe which transfers heat rapidly up to the manifold.
Step 3: A pump circulates water or heat transfer fluid through the header pipe, carrying heat back to the
storage tank. Gradually throughout the day the tank is heated up.
Evacuated Tube Anatomy
Basic System Diagram
Rubber Tube Cap
p
Absorber Coating
g
Clear Outer Tube
e
!
"
SET
Heat Transfer Fin
H
Top Plate & Spring
T
Heat Pipe Bulb
H
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A11-01.3.1-PB-V5 (April 2013)
AP Solar Collector Product Overview
Main Component Specifications
Component
Evacuated Tubes
Solar Absorber
Coating
Heat Pipes
Copper Header Pipe
Heat Transfer Fins
Rubber Components
Mounting Frame
Materials & Specifications
Material: Borosilicate 3.3
Tube style: Twin wall all glass
Dimensions: ∅58mm / 2.28” outer tube; ∅47mm / 1.85” inner tube;
1.8m / 71” length, 1.8mm / 0.07” outer tube wall thickness
Material: Graded AL/N on AL
Absorptance: >92% (AM1.5);
Vacuum: P<5x10-3 Pa;
Material: High purity “oxygen free” copper (ASTM: C10200; DIN: OF-Cu)
Heat transfer fluid: distilled water
Maximum heat transfer capacity: 220W / 750Btu
Startup temperature: ~30oC / 86oF
Operating angle: 20-80o
Material: Copper (ASTM: C1100, DIN: ECu-58); Potable water rated.
Brazing rod material: BAg45CuZn
Maximum pressure: 800kPa
Connection options: 3/4” (⅞” OD) US copper; 19.1mm OD copper with DN20 flared
nut (Australia); 22mm OD copper (Europe)
Material: High purity aluminium
Material: HTV Silicone Rubber (UV stabilized)
Material: 439 Stainless Steel or 6005-T5 Aluminium Alloy
Tube Clips
Material: 301 Stainless Steel
Fasteners
Material: 304 Stainless Steel
Manifold Casing
Manifold Insulation
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Emittance: <8% (80oC / 176oF)
Heat loss: <0.8W/(m2 oC) / 0.14Btu/hr/ft2/oF
Material: 3A21 Aluminium with Anodized or Powder Coated Finish
Material: Glass Wool (K = 0.043W/mK)
Thickness: Average >50mm / 2”
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A11-01.3.1-PB-V5 (April 2013)
AP Solar Collector Product Overview
Instantaneous Efficiency
The instantaneous efficiency level depends on the surface area used for the calculation. It is important to use the
same area (absorber, aperture or gross) when comparing collectors. Aperture is the standard area measurement
for presenting efficiency values.
AP Collector Performance Variables for Different Surface Areas
Variable
Absorber
Aperture
Gross Area
AP-30 Area *
2.4 m2 / 25.8 ft2
2.83 m2 / 30.46ft2
4.4 m2 / 47.4ft2
Eta0 (ƞ0)
0.81
0.687
0.442
a1
1.77
1.505
0.968
a2
0.0130
0.0111
0.0071
* Surface area values differ slightly from Europe to North America due to difference in measuring methods.
The following is the AP solar collector performance curve based on the aperture area.
Collector Efficiency Curve
Delta-T (tm-ta) oF
Solar Conversion Efficiency
80%
0
20
40
60
80 100 120 140 160
180 200
70%
60%
50%
40%
30%
20%
Solar Radiation = 800W/m2 = 253Btu/ft2
10%
0%
0
10
20
30
40
50
60
70
80
90 100 110 120
Delta-T (tm-ta) oC
It is important to consider BOTH efficiency conversion and IAM when
looking at a collectors true daily or annual heat output.
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A11-01.3.1-PB-V5 (April 2013)
AP Solar Collector Product Overview
Instantaneous Efficiency
IAM is a measure of the change in collector performance as the angle with the sun changes. This is measured in
two planes, longitudinal which represents sun’s path over the collector throughout the year and transversal which
represents the sun’s path over the collector each day.
TRANSVERSAL IAM
LONGITUDINAL IAM
MIDDAY
SUMMER
SPRING
AUTUMN
EVENING
MORNING
WINTER
The following table provides the IAM values for Apricus AP Solar Collectors (same for all sizes).
A value of 1.00 is when the sun is perpendicular to the collectors surface; so midday for transversal, and mid
spring/autumn for longitudinal if the collector is installed at the same angle as the location’s latitude.
Angle
0o
10o
20o
30o
40o
50o
60o
70o
80o
90o
Longitudinal
1.00
1.00
1.00
0.99
0.97
0.92
0.84
0.70
0.45
0.00
Transversal
1.00
1.02
1.08
1.18
1.35
1.47
1.39
1.57
0.95
0.00
The longitudinal IAM is the same for most flat plate and
evacuated tube collectors. Transversal IAM, however, can
vary greatly between solar collectors, and even amongst
different evacuated tube designs. It is often referred to as
the “passive tracking” as it provides a performance
adjustment factor for how well the absorber of the
collectors “tracks” or “faces” the sun throughout the day.
PASSIVE TRACKING
Apricus AP collectors have an excellent IAM curve as the
tubes facing the sun for most of the day and only shade
each other at extreme angles. The result is fairly stable
output from 9am - 3pm.
Any daily or annual collector output calculations MUST
consider IAM properly in order to provide realistic results.
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Evacuated Tubes
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AP Solar Collector Product Overview
Flow Rates
The liquid flow rate through the collector depends on the desired temperature rise. In most cases a variable
speed controlled pump is recommended so a target temperature rise is maintained. The following calculations
are based on water as the circulating liquid, with collector operating at the maximum rated midday output. Please
note that either side of midday output can exceed these levels by up to 15% due to the IAM angle adjustment
factor. Values will differ slightly for other heat transfer fluids.
Temp Rise (oC)
Flowrate
(L/min)
AP-10
AP-20
AP-22
AP-30
1
9.3
18.6
20.4
27.8
2
4.6
9.3
10.2
13.9
3
3.1
6.2
6.8
9.3
4
2.3
4.6
5.1
7
5
1.9
3.7
4.1
5.6
For most domestic hot water applications, if not using a variable speed pump, choose a flow rate from the above
table that corresponds to around a 10oC / 18oF temperature rise. That will provide a good balance between
preventing excessive rise in the summer and also preventing short cycling of the pump during periods of poorer
solar radiation. Apricus offers a simple calculator to determine the above values for other flow rates or
temperature rises.
The following curves provides the pressure drop values for an AP-30 collectors.
determine pump sizing when installing a number of collectors in series.
This can be used to help
AP-30 Pressure Drop Curve
Flow rate (US gallons/min)
0
1
2
3
4
4.0
1
3.0
0.8
2.0
0.6
0.4
1.0
0.2
0
Pressure Drop (feet head)
Pressure Drop (m head)
1.2
0
0
1
2
3
4
5
6
7
8
9
10 11 12 13 14 15
Flow rate (L/min)
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AP Solar Collector Product Overview
Snow & Wind Loading
AP solar collectors are rated for up to 295kg/m2 / 60lbs/ft2 snow
loading. The roof and attachment points must also be suitably rated.
Mounting frames are available for the AP solar collector that can
withstand category C cyclonic winds (249km/h / 155mph). For such
conditions there are specific requirements that must be observed.
Certification
The AP range of solar collectors have obtaining the following certifications:
Report No.
Region
OG-100
100-2007033A
USA
FSEC
00442N
USA (Florida)
IAPMO USEC
S-5995
USA (California)
NSF-61 Tested
17248
North America
CSA
2375921
Canada
Solar Keymark
011-7S161 R
Europe
AS/NZS 2712:2007
100633
Australia & New Zealand
Watermark
40107
Australia & New Zealand
agement .
an
I
M
SO
900 1
Qualit
y
Standard
Global-Mark.com.au®
ITW Universität Stuttgart 011-7S161 R
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AP Solar Collector Product Overview
Choice of Materials
Choice of material is extremely important for a collector that is going to be exposed to the elements 24/7 and
expected to last for many years, and so great consideration has gone into the selection of materials for the AP
solar collector. Following is a summary of some of the key material choices that may differ from other products on
the market.
Silicone Rubber
HTV Silicone rubber is used for the manifold seals and tube caps as
this material does not become brittle during freezing conditions and
does not crack or powder with extended UV exposure.
Tube Attachment
Plastic caps that clip into the frame can be used to secure the tubes in
place but over time they become brittle and degrade in UV radiation.
Instead, AP solar collectors use a high tensile stainless steel clip that
ensures the tubes are held firm long term even during extreme wind
loads.
High Purity Copper
Heat pipes used to transfer heat from within the evacuated tube up to
the header are produced by Apricus in house using high purity C10200
grade copper. The choice of material and manufacturing process is
extremely important to ensure longevity. Using a lower purity grade
copper such as C12200 reduces the cost of the heat pipes
considerably but can reduce the longevity as impurities in the copper
leach out over time (3-5 years) to form an air pocket in the bulb,
compromising the heat transfer operation.
Folded Aluminium Manifold Casing
Rather than using extruded aluminium for the manifold casing, the AP
collector uses folded 0.8mm thick high tensile aluminium alloy sheet.
This provides a very strong, rigid casing that provides a total
assembled manifold weight of only 9.2kg / 20.25lbs for AP-30, half that
of most other designs. That extra weight makes a huge difference to
an installer when carrying the manifold up a ladder. Prototypes of a
revised AP solar collector casing design were even developed in 2008,
but rejected by installers in field trials simply due to the extra weight it
added.
Evacuated Tubes
Apricus uses the AL/N on AL coating that is an extremely mature and
reliable technology able to achieve 92% absorptance of solar radiation
and conversion to heat.
End of Life Recyclability
Ease of recycling was a key consideration when selecting the materials
for the AP solar collector, so ensuring minimal end of life environmental
impact.
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Packing
Packing Design
10 years of shipping experience have provided many valuable lessons and helped develop packing methods that
provide the best balance between cost, weight and safety. Regardless of if the packages are shipped air freight,
palletized for LCL sea freight or in a full shipping container, the very best efforts are made to ensure it arrives
safely.
Packing Format
Box Type
Manifold Box
Contents
Standard: Manifold, heat transfer paste, tube clips
Optional: Basic mounting frame, brass fittings
Container Packing
Loose
Tube Box
Box of 10/10 ET/HP (15 boxes/pallet) STANDARD
Box of 12/10 ET/HP (12 boxes/pallet) OPTIONAL
Wooden pallet with
steel bracing or Loose
(customer’s choice)
Frame
Standard frame provided together in manifold. Angle
frame kits bundled together and packed in boxes.
Loose
Example:
AP-30 collector would require:
• 1 x AP-30 Manifold Box (including standard frame)
• 3 x Boxes of 10 ET/HP
Refer to the product catalogue for complete details of all product and box
options.
Container Packing
20’ FCL:
• 10-12 x Pallets of ET/HP
• 50 x AP-30 collectors (adjust to match pallets of ET/HP)
• Frame kits and auxiliary components
40’ FCL:
• 22-24 x Pallets of ET/HP
• 100 x AP-30 collectors (adjust to match pallets of ET/HP)
• Frame kits and auxiliary components
Exact loading capacity depends on the components ordered, but in most
cases container space usage exceeds 95%.
More Information
For more information about other Apricus products or to make contact with your local Apricus office please visit
www.apricus.com. On the Apricus website, register for access to the Apricus Tech Centre for technical files,
product certificates, test reports, collector sizing tools, installation case studies and much more.
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AP Solar Collector Product Overview
Manufacturer Limited Warranty
AP Solar Collector
LIMIT OF LIABILITY
WARRANTY EXCLUSIONS
EXCEPT FOR THE EXPRESS LIMITED WARRANTY PROVIDED FOR
HEREIN APRICUS HEREBY DISCLAIMS AND EXCLUDES ANY AND
ALL OTHER WRITTEN OR ORAL EXPRESS WARRANTIES OR
R E P R E S E N TA T I O N S . A N Y I M P L I E D W A R R A N T Y O F
MERCHANTABILITY OR IMPLIED WARRANTY OF FITNESS FOR A
PARTICULAR PURPOSE MUST ARISE UNDER STATE LAW TO
APPLY, AND IS HEREBY LIMITED IN DURATION TO THE DURATION
OF THE WRITTEN LIMITED WARRANTIES PROVIDED HEREIN
UNLESS OTHERWISE BARRED BY ANY APPLICABLE STATUTE OF
LIMITATION. APRICUS DISCLAIMS ANY RESPONSIBILITY FOR
S P E C I A L , I N D I R E C T, S E C O N D A R Y, I N C I D E N TA L , O R
CONSEQUENTIAL DAMAGES ARISING FROM OWNERSHIP OR
USE OF THESE PRODUCTS, INCLUDING PERSONAL INJURY,
INCONVENIENCE, LOSS OF USE OR LOSS OF INCOME.
NO
AGENT OR REPRESENTATIVE OF APRICUS HAS ANY AUTHORITY
TO EXTEND OR MODIFY THIS WARRANTY UNLESS SUCH
EXTENSION OR MODIFICATION IS MADE IN WRITING BY A
CORPORATE OFFICER.
WHERE ANY DISCLAIMERS AND
LIMITATIONS CONFLICT WITH APPLICABLE STATE LAW,
APPLICABLE STATE LAW SHALL PREVAIL.
Some states do not allow the exclusion or limitation of incidental or
consequential damages and some states do not allow limitations on
how long implied warranties may last, so the above limitations may not
apply to you.
WITH RESPECT TO ANY END-USER OTHER THAN A CONSUMER
END-USER WHICH PURCHASES APRICUS PRODUCTS FOR
COMMERCIAL, INSTITUTIONAL, INDUSTRIAL OR OTHER NONRESIDENTIAL PURPOSES, APRICUS DISCLAIMS ANY IMPLIED
WARRANTY OF MERCHANTABILITY OR IMPLIED WARRANT OF
FITNESS FOR A PARTICULAR PURPOSE AND FURTHER
DISCLAIMS ANY LIABILITY FOR SPECIAL, INDIRECT, SECONDARY,
INCIDENTAL, OR CONSEQUENTIAL DAMAGES ARISING FROM
OWNERSHIP OR USE OF THESE PRODUCTS, INCLUDING
PERSONAL INJURY, INCONVENIENCE, LOSS OF USE OR LOSS OF
INCOME.
Apricus assumes no responsibility under this Limited Warranty for any
damage to the Products caused after they have left the control of
Apricus, including but not limited to damages caused by any trades
people or visitors on the job site, or damage caused as a result of postinstallation work. This Limited Warranty shall be invalidated by any
abuse, misuse, misapplication or improper installation of the Products.
This warranty shall be void and shall have no effect if:
(a) The design or structure of the Products are attempted to be
modified or altered in any way, including by not limited to attaching
non-Apricus approved appliances or equipment;
(b) The Products are not installed or repaired in accordance with
applicable local codes;
(c) The Products are not installed by qualified, suitably licensed
persons;
(d) The installer had not received Product installation training by an
authorized Apricus distribution partner:
(e) The installation was not completed in line with the guidelines of
the then current Apricus installation manual;
(f) System is exposed to excessive system pressure;
(g) Solar collector is exposed to flow rates in excess of 15Lpm /
4gpm;
(h) Any system component is damaged due to freezing;
(i) Any system component leaks due to corrosion;
(j) Water quality is not within specified limits, and/or non-approved
heat transfer liquids are used;
(k) Damage to the collector header is caused due to heat buckling;
(l) Failure is due to wind, hail, storms or other acts of God;
(m) Failure or loss of efficiency is due to lime-scale formation;
(n) Product serial tag or other identification is defaced or removed;
(o) Product is relocated from its original point of installation;
(p) Collector is not commissioned and is left to dry stagnate for a
period exceeding 14 consecutive days;
(q) Any operation exceeds the documented design limits of the
system components or materials.
END USER OBLIGATIONS
In order to obtain performance of any obligation under this warranty, the
End-User must:
(a) Firstly determine if the Product is within the applicable Warranty
Periods. This can be determined by referring to the installation
record form, or alternatively the original purchase invoice.
If
neither documents are available, the serial number and
manufacturing date will need to be read off the Product serial tag.
Some Products may be installed in a location that is not accessible
to the End-User and so the information may only be obtained by a
qualified service technician.
(b) Contact the company who installed the original Product, or, if
unknown or unable to be contacted, contact Apricus directly.
The following information may be required to determine if the Product
issue is eligible for coverage under the terms of this Limited Warranty.
(i) Information related to the manner in which the Product(s) were
installed.
(ii) The history of operation.
(iii) Any repairs that may have been made.
(iv) Evidence that the Product(s) were installed by a qualified,
licensed contractor.
(v) Evidence that the Product(s) were installed in accordance with
the applicable Products Installation Manuals and any special
written design or installation guidelines by Apricus for this project.
(vi) Evidence that the Product(s) were installed in accordance with
all applicable local building, plumbing and electrical codes.
GENERAL
Apricus warrants its Solar Collectors and Accessories (the “Products”)
to be free from defects in workmanship under normal usage for the
applicable Warranty Period from the date of installation. This Limited
Warranty extends to the End-User of the product at the original
installation location, and is not transferable.
In the event of a defect, malfunction or other failure of the Products
occurring within the applicable Warranty Period which is not caused by
any misuse or damage to the Product while in the possession of the
End-User, Apricus will remedy the failure or defect within a reasonable
amount of time. The remedy will consist of repair or replacement of the
Products, or refund of the purchase price, in Apricus’s sole discretion.
However, Apricus will not elect to refund the purchase price unless it is
unable to provide a replacement, and repair is not commercially
practical and cannot be made within a reasonable timeframe. After a
reasonable number of attempts by Apricus to remedy any defects or
malfunction, the End-User will be entitled to either a refund or
replacement of the product or its component parts. The remedies
stated herein are the sole remedies for defects within the applicable
warranty period.
WARRANTY PERIOD
CUSTOMER SATISFACTION
The “Effective Date” of warranty coverage is the installation date as
recorded on the installation record form, purchase invoice date, or, if
neither are available, the date of manufacture plus sixty (60) days.
Component
Coverage
Manifold Casing
Ten years parts
Copper heat transfer header
Fifteen years parts
Evacuated Tubes and Heat Pipes
Ten years parts
Mounting Frame
Fifteen years parts
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We believe you will be fully satisfied by the service you receive from the
local Apricus representatives and from Apricus. However, because our
aim is your complete and lasting satisfaction, Apricus adds another
feature to your warranty's protection. In the unlikely event that you feel
our response to a warranty service request is not satisfactory, Apricus
offers you an opportunity to air your complaint in an impartial Mediation
process.
The opportunity to mediate any complaint made by an End-User is
hereby extended to all End-Users. If you are a Consumer End-User,
the provisions of the federal Magnuson-Moss Warranty Act provide that
you may not file suit against Apricus until your claim has been submitted
to Mediation for an informal dispute settlement and a decision has been
reached.
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