Aquecimento solar de água para a indústria
Por
Samuel Filipe Dias de Sousa
Orientador: Sérgio Augusto Pires Leitão
Co-orientador: Manuel Ressurreição Cordeiro
Dissertação submetida à
UNIVERSIDADE DE TRÁS-OS-MONTES E ALTO DOURO
para obtenção do grau de
MESTRE
em Engenharia Electrotécnica e de Computadores, de acordo com o disposto no
DR – I série–A, Decreto-Lei n.o 74/2006 de 24 de Março e no
Regulamento de Estudos Pós-Graduados da UTAD
DR, 2.a série – Deliberação n.o 2391/2007
Aquecimento solar de água para a indústria
Por
Samuel Filipe Dias de Sousa
Orientador: Sérgio Augusto Pires Leitão
Co-orientador: Manuel Ressurreição Cordeiro
Dissertação submetida à
UNIVERSIDADE DE TRÁS-OS-MONTES E ALTO DOURO
para obtenção do grau de
MESTRE
em Engenharia Electrotécnica e de Computadores, de acordo com o disposto no
DR – I série–A, Decreto-Lei n.o 74/2006 de 24 de Março e no
Regulamento de Estudos Pós-Graduados da UTAD
DR, 2.a série – Deliberação n.o 2391/2007
Orientação Cientı́fica :
Sérgio Augusto Pires Leitão
Doutor do
Departamento de Engenharia Electrotécnica e Computadores
UTAD - Universidade de Trás-os-Montes e Alto Douro
Manuel Ressurreição Cordeiro
Doutor do
Departamento de Engenharia Electrotécnica e Computadores
UTAD - Universidade de Trás-os-Montes e Alto Douro
Acompanhamento do trabalho :
Miguel Vieira
Engenheiro do
Departamento de Manutenção
Roca S.A Leiria
v
”Um homem pode imaginar coisas que são falsas, mas ele pode somente compreender
coisas que são verdadeiras, pois se as coisas forem falsas, a noção delas não é
compreensı́vel.”
Isaac Newton (1643 – 1727)
”A genialidade é 1% inspiração e 99% transpiração.”
Thomas Edison(1847 – 1931)
Aos meus pais, irmãos e namorada
vii
UNIVERSIDADE DE TRÁS-OS-MONTES E ALTO DOURO
Mestrado em Engenharia Electrotécnica e de Computadores
Os membros do Júri recomendam à Universidade de Trás-os-Montes e Alto Douro
a aceitação da dissertação intitulada “ Aquecimento solar de água para a
indústria” realizada por Samuel Filipe Dias de Sousa para satisfação parcial
dos requisitos do grau de Mestre.
Junho 2010
Presidente:
Doutor Salviano Soares Filipe Pinto Soares,
Direcção do Mestrado em Engenharia Electrotécnica e de
Computadores do Departamento de Engenharias da Universidade
de Trás-os-Montes e Alto Douro
Vogais do Júri:
Salvador Malheiro Ferreira da Silva,
Doutor do Departamento de Engenharia Mecânica da UTAD Universidade de Trás-os-Montes e Alto Douro
Sérgio Augusto Pires Leitão,
Doutor do Departamento de Engenharia Electrotécnica e
Computadores da UTAD - Universidade de Trás-os-Montes e Alto
Douro
Manuel Ressurreição Cordeiro,
Doutor do Departamento de Engenharia Electrotécnica e
Computadores da UTAD - Universidade de Trás-os-Montes e Alto
Douro
ix
Aquecimento solar de água para
a indústria
Samuel Filipe Dias de Sousa
Submetido na Universidade de Trás-os-Montes e Alto Douro
para o preenchimento dos requisitos parciais para obtenção do grau de
Mestre em Engenharia Electrotécnica e de Computadores
Resumo —”Redução e Optimização”, talvez duas das palavras mais vezes enunciadas
na indústria e economia mundial. Os mercados internacionais passam neste momento
por momentos de crise em diversos factores, agravado pelo preço dos combustı́veis
fósseis.
Sendo a palavra de ordem poupar, as empresas procuram meios de se manterem
competitivas visto o elevado custo dos combustı́veis prejudicar o seu planeamento,
investimento e competitividade.
Entrámos na ”Era” das energias renováveis, limpas, ilimitadas e seguras, principalmente
impulsionadas pela energia solar e eólica.
Considerando todos este aspectos a empresa ROCA S.A, prima pela sua excelência
nos produtos concebidos não descuidando aspectos ambientais e competitividade.
Surge o desafio de utilizar a energia solar de forma a reduzir dependência de combustı́veis
fósseis aumentando a eficiência das unidades fabris de Leiria, passando numa primeira
fase para o aquecimento de águas sanitárias (AQS). Nesta dissertação serão avaliadas
as diversas tecnologias a poderem ser utilizadas, serão realizadas auditorias energéticas
de forma a se avaliarem os os consumos actuais de água e de gás natural.
Nesta dissertação será projectado um sistema para uma das unidades fabris de Leiria.
Visto a Roca possuir ainda outra unidade em Leiria e de forma a se proceder a um
dimensionamento rápido e eficáz será implememtado um software para dimensionamento
da quantidade de colectores solares, tubagens e distâncias entre si na sua montagem
bem como a previsão actual do custo da instalação.
Palavras Chave: Energia solar, Aquecimento de água, combustivéis fósseis, colectores
solares, simulação, software.
xi
Solar Heating Water system
for Industrial Applications
Samuel Filipe Dias de Sousa
Submitted to the University of Trás-os-Montes and Alto Douro
in partial fulfillment of the requirements for the degree of
Master of Science in Electrical and Computers Engineering
Abstract — ”Reduction and optimization” probably two of the words that are
most mentioned in industry and global economy. The international markets are in
troubles in several sectors, aggravated by the prices and the speculation about the
quantity of existent fossil in the planet. The keyword is save money, the company’s
are searching new ways to maintain the competitiveness, because the prices of fuels
affect the reinvestment and planning. We are in the ”Age”of renewable energies.
Clean, unlimited and secure are the key words for those energies. They are driven
by solar and wind energies. ROCA S.A always looks for excellence in the designed
products, bering in mind ambiental aspects. That rises the challenge of using solar
thermic energy in sanitary installations with the purpose, of reducion the dependence
of fossil energies rising the efficiency of the plants in Leiria. In this dissertation, the
available technologies will be consider and held energetic audits to evaluate the
consumptions of water and natural gas. One installation will be projected to one of
the plants of the complex. However ROCA S.A has another plant in the complex,
so will be implemented one software for futures projects that calculates rapidly
and efficiently, the number of solar collectors, dimension of the pipes, the distance
between groups of collectors and also the prevision cost of the installation.
Key Words: Solar energy, heating water, fossil fuels, solar collectors, simulation,
software.
xiii
Agradecimentos
Institucionalmente, os meus agradecimentos ao Magnı́fico Reitor da Universidade
de Trás-os-Montes e Alto Douro, Professor Doutor Sérgio Leitão, Professor Doutor
Manuel R. Cordeiro, Director de curso Professor Doutor Salviano Soares , ao Engo
Miguel Vieira, Roca S.A, pelas facilidades concedidas e meios colocados à disposição
para a realização deste trabalho.
Ao Professor Doutor Professor Doutor Sérgio Leitão e Doutor Manuel R. Cordeiro,
o meu apreço pela maneira como foi tratada esta tese e pela sua orientação.
Ao Professor Doutor Salviano Soares pela forma como fui recebido nesta instituição
e apoiando-me em todo o processo. Ao Engo Miguel Vieira pelos seus conselhos, a
sua dedicação para que este projecto se concretize e à Roca S.A pela disponibilidade
para concretizar este processo.
Aos meus pais, irmãos e namorada que sempre me apoiaram e apoiam em todas as
grandes decisões.
A todos, muito obrigado !
UTAD, Vila Real
Samuel Filipe Dias de Sousa
1 de Junho, 2010
xv
Índice geral
Resumo
xi
Agradecimentos
xv
Índice de tabelas
xxi
Índice de figuras
xxiii
Glossário
xxvii
1 Introdução
1.1 Enquadramento e motivação . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
1.2 Objectivos . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
1.3 Organização da dissertação . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
2 Energia Solar
2.0.1 Princı́pios Fı́sicos . . . . . . . . . .
2.0.2 Tipos de radiação e a sua influência
2.0.3 Orientação e a sua influência . . . .
2.1 Recursos energéticos . . . . . . . . . . . .
2.1.1 O Clima . . . . . . . . . . . . . . .
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1
1
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4
7
7
8
15
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19
3 Sistemas Solares Térmicos
21
3.1 Colectores solares e a sua constituição . . . . . . . . . . . . . . . . . . 24
xvii
3.2 Colectores sem cobertura . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
3.3 Colectores planos . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
3.3.1 Isolamentos . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
3.3.2 Caracterização da caixa e da cobertura transparente . . . . . .
3.3.3 Vedantes . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
3.3.4 Sondas de temperatura . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
3.4 Funcionamento do colector solar plano . . . . . . . . . . . . . . . . .
3.4.1 Eficiência do colector solar plano . . . . . . . . . . . . . . . .
3.4.2 Vantagens e desvantagens dos colectores solares planos . . . .
3.5 Colectores Parabólicos Compostos . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
3.6 Colectores solares de tubos de vácuo . . . . . . . . . . . . . . . . . .
3.6.1 Modo de construção . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
3.7 Depósitos de águas sanitárias . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
3.7.1 Materiais usados para a concepção . . . . . . . . . . . . . . .
3.7.2 Depósitos de utilização ”Standard”e suas caracterı́sticas . . . .
3.8 Caracterização de permutadores . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
3.9 Isolamento de tubagens . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
3.10 Componentes fundamentais dos sistemas solares térmicos . . . . . . .
3.10.1 Fluı́do de transferência térmica . . . . . . . . . . . . . . . . .
3.10.2 Caraterização de bombas de circulação para instalações solares
3.10.3 Válvula anti-retorno . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
3.10.4 Purgadores de ar . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
3.10.5 Medidor de caudal ou caudalimetro . . . . . . . . . . . . . . .
3.10.6 Vaso de expansão . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
3.10.7 Válvulas de segurança . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
3.10.8 Estação solar . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
3.10.9 Controlador . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
3.10.10 Controlo da diferença de temperatura . . . . . . . . . . . . . .
4 Estudo do sistema solar térmico
4.1 Consumos de água quente consumida e gás natural
4.2 Dimensionamento da instalação solar térmica . . .
4.3 Dimensionamento dos depósitos de acumulação . .
4.4 Dimensionamento de tubagens, bomba circuladora e
4.4.1 Cálculo de tubagens . . . . . . . . . . . . .
4.4.2 Bomba circuladora . . . . . . . . . . . . . .
4.4.3 Distância entre colectores . . . . . . . . . .
4.4.4 Estudo viabilidade económica . . . . . . . .
5 Software de dimensionamento
. . . . . . . . . .
. . . . . . . . . .
. . . . . . . . . .
vaso de expansão
. . . . . . . . . .
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99
99
105
114
117
121
xviii
6 Conclusões Finais e Trabalho futuro
131
Referências bibliográficas
133
A Cálculos da ”VAL”e ”TIR”da instalação para três cenários
137
B Sı́mbolos, constantes fı́sicas e prefixos de unidades
141
Sobre o Autor
143
Índice remissivo
143
xix
Índice de tabelas
3.1
Tipos de cobertura . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 31
3.2
Tipos de caixas . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 31
4.1
Consumos de gás natural e água quente do mês de Janeiro de 2010
em Leiria 1 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 76
4.2
Temperatura da água da rede . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 78
4.3
Irradiacao horizontal média mensal . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 80
4.4
Tabela da inclinação dos colectores solares . . . . . . . . . . . . . . . 81
4.5
Factor de correccao de inclinacao (k) . . . . . . . . . . . . . . . . . . 81
4.6
Número de horas úteis de sol diárias . . . . . . . . . . . . . . . . . . 83
4.7
Temperatura ambiente média mensal durante as horas de sol . . . . . 84
4.8
Resumo das necessidades energéticas e da energia útil captada num
ano . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 88
4.9
Resultados energeticos finais . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 91
4.10 Resultados energéticos finais optimizados . . . . . . . . . . . . . . . . 97
4.11 Acessórios a instalar na instalação . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 106
4.12 Temperatura de ebulição segundo a pressão da instalação . . . . . . . 114
4.13 Espessuras do isolamento dos tubos do circuito primário . . . . . . . 116
4.14 Custo da instalação . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 117
xxi
A.1 Análise vialibilidade económica para uma fracção solar de 50% . . . . 138
A.2 Análise vialibilidade económica para uma fracção solar de 60% . . . . 139
A.3 Análise vialibilidade económica para uma fracção solar de 70% . . . . 140
xxii
Índice de figuras
2.1
Variação diária da irradiação solar . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
8
2.2
Diferentes tipos de radiação no meio ambiente . . . . . . . . . . . . .
9
2.3
Altitude solar ao longo de um ano em Lisboa . . . . . . . . . . . . . . 10
2.4
Espectro Solar MA=0 no espaço e MA=1,5 na terra com elevação
solar de 37% . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 11
2.5
Irradiação solar global e os seus componentes para diferentes condições
do céu . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 11
2.6
Somatório mensal da irradiação solar mensal . . . . . . . . . . . . . . 12
2.7
Radiação global anual em Portugal . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 13
2.8
Nı́veis de radiação directa e difusa durante o dia em Lisboa ao longo
do ano . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 14
2.9
Insolação global anual em Portugal . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 14
2.10 Ângulos utilizados no dimensionamento dos sistemas solares . . . . . 15
2.11 Irradiação solar global para diferentes orientações da superfı́cie receptora 17
2.12 Irradiação solar global no semestre do verão para diferentes orientações
da superfı́cie receptora . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 17
2.13 Irradiação solar global no semestre do inverno para diferentes orientações
da superfı́cie receptora . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 18
2.14 Cubo da energia . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 19
xxiii
3.1 Sistema circulação forçada . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 22
3.2 Sistema solar termossifão . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 23
3.3 Classificação dos tipos de colectores . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 25
3.4 Identificação das áreas colectores solares . . . . . . . . . . . . . . . . 26
3.5 Absorção e emissão através de superfı́cies diferentes . . . . . . . . . . 29
3.6 Tipos de absorsores . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 29
3.7 Fluxos de energia num colector solar . . . . . . . . . . . . . . . . . . 33
3.8 Colectores solares parabólicos compostos . . . . . . . . . . . . . . . . 36
3.9 Principio de isolamento térmico de vácuo . . . . . . . . . . . . . . . . 38
3.10 Colectores de vácuo de fluxo directo . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 39
3.11 Colectores de vácuo de calor . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 39
3.12 Colectores de vácuo de tubo Sydney . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 40
3.13 Colectores de vácuo de tubo Schoot . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 41
3.14 Depósito de acumulação . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 45
3.15 Depósito com estratificação . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 49
3.16 Depósito não estratificado . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 50
3.17 Depósito com perdas de calor evitáveis devido a design deficiente . . . 51
3.18 Depósito de dupla serpentina
. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 52
3.19 Depósito de dupla serpentina ou câmara interna . . . . . . . . . . . . 54
3.20 Depósito tank in tank . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 56
3.21 Permutador externo . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 57
3.22 Permutadores tubulares
. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 59
3.23 Isolamento térmico . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 61
3.24 Bombas circuladoras para instalações solares . . . . . . . . . . . . . . 64
3.25 Válvula anti-retorno . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 65
3.26 Purgador automático . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 66
3.27 Estação solar com caudalimetro integrado . . . . . . . . . . . . . . . 67
3.28 Vaso de expansão . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 68
4.1 Consumo de água quente nos balneários de Leiria 1 . . . . . . . . . . 74
4.2 Consumo de gás natural nos balneários, em Janeiro de 2010 . . . . . 74
4.3 Correlação entre o gás consumido e o volume de água aquecida . . . . 75
4.4 Distribuição de consumos de água quente . . . . . . . . . . . . . . . . 75
xxiv
4.5
Colectores solares utilizados no projecto . . . . . . . . . . . . . . . . 84
4.6
Curva do rendimento tı́pico em função de T ∗ . . . . . . . . . . . . . . 86
4.7
Optimizacao do numero de colectores solares . . . . . . . . . . . . . . 92
4.8
Percentagem de energia solar versus volume . . . . . . . . . . . . . . 93
4.9
Variação do volume de acumulação com a temperatura obtida . . . . 95
4.10 Depósito de acumulação de 1000 e 1500 litros . . . . . . . . . . . . . 98
4.11 Disposição dos colectores solares . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 108
4.12 Ligação dos colectores na instalação . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 109
4.13 Distância entre colectores solares . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 115
5.1
Fluxograma do software . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 122
5.2
Imagem apresentação do software . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 123
5.3
Barra de menu . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 124
5.4
Edição de perfis . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 124
5.5
Escolha de localidade da instalação . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 125
5.6
Escolha dos componentes da instalação . . . . . . . . . . . . . . . . . 126
5.7
Exemplo da informação dos componentes da instalação presentes na
base de dados mysql . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 127
5.8
Tabela de energias calculadas para a instalação . . . . . . . . . . . . 127
5.9
Cálculo do número de colectores e diâmetro da tubagem da instalação 128
5.10 Tabela com dados necessários para cálculo . . . . . . . . . . . . . . . 130
B.1 Instalação . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 141
B.2 Instalação . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 142
xxv
Glossário
Prefixos do Sistema Internacional de Unidades (SI)
Os prefixos para os múltiplos e submúltiplos decimais definidos no Sistema Internacional
de Unidades (SI) são os seguintes:
Factor Multiplicativo
10
24
10
21
Prefixo
Sı́mbolo
= 1 000 000 000 000 000 000 000 000
yotta
Y
= 1 000 000 000 000 000 000 000
zetta
Z
exa
E
1018 = 1 000 000 000 000 000 000
10
15
= 1 000 000 000 000 000
peta
P
10
12
= 1 000 000 000 000
tera
T
109 = 1 000 000 000
giga
G
106 = 1 000 000
mega
M
3
1
kilo (quilo )
k
2
10 = 100
hecto
h
101 = 10
deka
d
—
—
deci
d
10 = 1 000
0
10 = 1
10
−1
(Unidade)
= 0, 1
10−2 = 0, 01
10
−3
centi
c
1
= 0, 001
milli (mili )
m
(continua na página seguinte)
xxvii
(continuação)
Factor Multiplicativo
Prefixo
Sı́mbolo
10
micro
µ
10−9 = 0, 000 000 001
nano
n
10−12 = 0, 000 000 000 001
pico
p
−6
= 0, 000 001
10
−15
= 0, 000 000 000 000 001
femto
f
10
−18
= 0, 000 000 000 000 000 001
atto
a
10−21 = 0, 000 000 000 000 000 000 001
zepto
z
10
yocto
y
−24
= 0, 000 000 000 000 000 000 000 001
1 Prefixo
aportuguesado.
xxviii
1
1.1
Introdução
Enquadramento e motivação
A civilização mundial tem vindo a ter como uma das bases da sua enconomia a
energia. O consumo de energia tem vindo a aumentar impulsionado por paı́ses
como Índia e China que possuem economias emergentes.
No entanto, existem
custos demasiados elevados para o meio-ambiente pois neste tipo de paı́ses a energia
é maioritariamente de origem termoeléctrica através do consumo de carvão. Nas
últimas decadas têm havido diversas alterações climáticas devido ao problema dos
Gases de Efeito de Estufa (GEE). As emissões poluentes de dióxido de carbono
(CO2 ), metano (CH4 ) e os óxidos de azoto (NOx ), têm vindo progressivamente a
degradar a camada de ozono. O clima, zonas costeiras, a biodiversidade, recursos
hı́dricos e saúde, são alguns do afectados por este aumento progressivo [1]. As
emissões gasosas são bastante elevadas no sector energético, industria e transportes
e é urgente que se baixem estas emissões sob pena de o futuro do planeta Terra
ser hipotecado. É necessário que se promova a sustentabilidade, que se invista em
novas tecnologias e novas formas de energia. A humanidade começa a despertar
para este grande problema e são ratificados protocolos a nı́vel mundial tais como
1
2
CAPÍTULO 1. INTRODUÇÃO
o Protocolo de Quioto e a cimeira de Copenhaga. Contudo alguns do paı́ses com
maiores emissões, recusam-se a ratificar este tipo de protocolos, alegando que a sua
economia sairia afectada assim como o seu desenvolvimento.
Os recursos energéticos mundiais esgotam-se a cada dia que passa e cabe à humanidade encontrar novas formas de energia, racionalizar os seus consumos e utilizar
sistemas com maior rendimento e fiabilidade e reutilização de desperdı́cios.
As empresas de todo o mundo apresentam um enorme dependência dos combustı́veis
fósseis. Como sabido o mercado dos combustı́veis fósseis tem se revelado muito
instável devido a aumentos elevados dos derivados do petróleo e do aumento do
carvão. Esta instabilidade afecta o desenvolvimento, planeamento e competitividade
das empresas e da própria economia.
Em Portugal surgem programas do governo para fomentar as energias renováveis.
A energia solar térmica, fotovoltáica e a energia eólica são as energias que mais se
começam a implementar. A energia solar térmica apresenta-se uma boa solução para
o aquecimento de águas sanitárias, aquecimento de águas para processo industrial
e surgem agora as primeiras centrais de produção de energia eléctrica através do
aquecimento de água.
Após um primeiro perı́odo de aparecimento em que a tecnologia era mal aplicada
por falta de legislação e conhecimentos técnicos que levaram à descredibilização.
Com o aparecimento de sistemas mais fiáveis devido ao aparecimento de legislações
e à formação de técnicos, os sistemas solares térmicos apresentam-se agora bastante
fiáveis e compensatórios levando a que diversas famı́lias através de incentivos governamentais, passam a instalar nas suas casas com sucesso. Surgem os desafios de
aplicação em sistemas de larga escala para a indústria de forma a aumentar a sua
competitividade e reduzir a sua dependência dos combustı́veis fósseis.
Este trabalho surge nesse âmbito. A ROCA S.A pretende um sistema solar térmico
para o aquecimento das águas sanitárias de uma das suas unidades fabris em Leiria.
1.2. OBJECTIVOS
3
Com o intuito de obter uma solução eficiente e viável, é necessário identificar o tipo
de consumo, quantidade de água quente consumida, tecnologia a utilizar e selecção
de tipo de instalação sendo necessário ter atenção as normas em vigor EN 12975 e
EN 12976 [2]. Foram instalados caudalı́metros, para supervisionar e caracterizar
os consumos de água, os perı́odos de consumo de água natural e gás natural.
Prevendo o futuro ainda é parte integrante deste trabalho o desenvolvimento de
um software de dimensionaento rápido de forma a serem dimensionados sistemas
deste tipo rapidamente e com grande fiabilidade.
1.2
Objectivos
Este trabalho tem como principal objectivo a realização de um projecto e avaliação
de um sistema solar térmico para o aquecimento de águas quentes sanitárias dos
balneários, de uma das unidade fabris da ROCA S.A em Leiria de forma a, minimizar
os consumos de gás natural realizados neste momento. Serão estudadas as principais
tecnologias disponı́veis no mercado e modo de funcionamento As principais maisvalias deste trabalho são demostrar a forma de dimensionamento de um sistema
solar térmico, aspectos considerados, modos de implementação, cuidados a ter num
sistema deste tipo, retorno de investimento no futuro e elementos constituintes.
Para a realização deste trabalho, serão realizados os seguintes estudos:
• Caracterização de consumos de água quente e gás natural;
• Cálculo das necessidades energéticas para o aquecimento de água;
• Caracterização a irradiação e temperaturas ambiente e da água através do
software SOLTERM 5.0 do INETI;
• Caracterização e optimização dos componentes do sistema solar térmico;
• Cálculo de tubagens e perdas de carga;
4
CAPÍTULO 1. INTRODUÇÃO
• Cálculos de componentes hidráulicos da instalação;
• Avaliação técnico-económica dos sistemas a instalar;
• Realização de um software de dimensionamento.
Com a realização deste trabalho, pretende-se contribuir para que tanto a ROCA S.A
como outras empresas invistam neste tipo de tecnologia. Desta forma, a redução da
dependência de combustı́veis fósseis fará com que, as emissões poluentes diminuam
no nosso paı́s de forma a atingirmos as metas traçadas para União Europeia. Pretendese ainda que, se utilizem os software de simulação e dimensionamento para estes tipos
de instalação, esperando que os softwares evoluam de forma a não existir dúvidas
na sua fiabilidade devido à sua complexidade.
1.3
Organização da dissertação
Este trabalho possui além do presente capı́tulo de introdução que visa o enquadramento
do trabalho desenvolvido bem como apresentar os objectivos traçados e motivação
, mais cinco capı́tulos.
O capı́tulo 2 apresenta a potencialidade da energia solar bem como os fenómenos
fı́sicos que influênciam a a sua captação, aspecto da orientação dos colectores solares,
fazendo referência ao clima em Portugal. No capı́tulo 3, são apresentados os istemas
solares térmicos, onde se realiza um breve caracterização de cada um dos componentes
da instalação, aspectos a ter em conta durante o dimensionamento, tecnologis presentes
no mercado e os princı́pios fı́sicos que obdecem. No capı́tulo 4, realiza-se o dimensionamento da presente instalação, são apresentadas as expressões matemáticas para
o correcto dimensionamento e optimização do campo de colectores solares e dos
depósitos de acumualação. No capı́tulo 5, é explicada a concepção do software de
dimensionamento realizado na plataforma Labview, são avaliadas as potencialidades,
1.3. ORGANIZAÇÃO DA DISSERTAÇÃO
5
e os dados cálculados para cada instalação de energia solar térmico. No capı́tulo
6 são apresentadas as conclusões do presente trabalho e são mostradas algumas
evoluções que poderão ser realizadas no futuro.
2
Energia Solar
A Energia Solar é considerada a maior fonte de energia disponı́vel no planeta Terra.
É indispensável para a nossa existência, devido á sua importância no nosso processo
evolutivo. Felizmente com a evolução humana, foi observado que a Energia Solar é
uma fonte de energia viável para diversas aplicações.
De uma forma objectiva, a Energia Solar é consequência de um processo de fusão
nuclear no qual, dois núcleos de Hidrogénio se fundem com um de Hélio. Esta
energia é radiada para o espaço sob forma de ondas electromagnéticas, contudo uma
pequena parte é radiada para o planeta Terra. A Terra encontra-se a uma distância
do Sol de cerca de 143 milhões de quilómetros. Contudo, e em modo de comparação
num único quarto de hora da energia solar radiada pelo Sol é superior a toda a
energia utilizada a nı́vel mundial durante um ano.
2.0.1
Princı́pios Fı́sicos
A energia irradiada pelo Sol, para a atmosfera é praticamente constante e a sua
intensidade de radiação é definida como a constante solar relativa a uma área de um
7
8
CAPÍTULO 2. ENERGIA SOLAR
metro quadrado. Existem factores que afectam esta constante, tais como a variação
da actividade solar e com a excentricidade da órbita da Terra. O valor médio da
constante solar é de E0 =1.367 W/m2 . Levando em conta os dados astronómicos
podemos dizer que a energia solar disponı́vel na Terra é muito variável, pois esta
varia com a latitude geográfica, com o dia e com as estações do ano. Devido à
inclinação do eixo da Terra, os dias de verão são maiores que os dias de inverno e
as altitudes solares que o sol atinge são mais elevadas nos meses de verão do que no
inverno. Pode ser observado na figura 2.1, a variação da irradiação solar diária em
Lisboa no ano de 2008:
Figura 2.1 – Variação diária da irradiação solar
2.0.2
Tipos de radiação e a sua influência
A radiação solar divide-se em diversas componentes tais como, a radiação solar
directa Edir e a radiação difusa Edif . A radiação directa é caracterizada pela radiação
proveniente do sol, que atinge o planeta Terra sem qualquer mudança da sua trajectória, por outro lado a radiação difusa é caracterizada pela radiação que chega aos olhos
9
do observador através da difusão de moléculas de ar e partı́culas de pó. A radiação
difusa é ainda constituida pela radiação reflectida pela superfı́cie terrestre. A soma
das componente enunciadas é denominada por radiação global EG .
EG = Edir + Edif
(2.1)
A equação 2.1 refere-se à radiação sobre uma superfı́cie horizontal. Na figura 2.2,
são mostrados diferentes tipos de radiações existentes no meio ambiente.
Figura 2.2 – Diferentes tipos de radiação no meio ambiente
Como referido anteriormente, a posição do Sol em relação à Terra é um dos factores
influenciativos da intensidade da energia irradiada. Quando o sol se localiza verticalmente, acima de uma dada localização, a radiação efectua o caminho mais curto
através da atmosfera, na situação contrária se o Sol se encontra num ângulo mais
10
CAPÍTULO 2. ENERGIA SOLAR
baixo, a radiação tem de percorrer um caminho mais longo, estando assim disponı́vel
uma menor intensidade de radiação de energia. Para traduzir este fenómeno, o factor
”Massa de ar”(MA) é definido como o número de vezes que o caminho da luz solar
leva a chegar à superfı́cie da Terra, corresponde à espessura de uma atmosfera. A
figura 2.3 representa a altitude solar ao meio-dia ao longo de um ano em Lisboa.
Figura 2.3 – Altitude solar ao longo de um ano em Lisboa
A radiação solar no espaço, sem influência da atmosfera terrestre é considerada
tendo um espectro de MA=0. Contudo ao passar pela atmosfera existem diversos
factores que reduzem a intensidade da radiação, entre os quais se destacam:
- Reflexão causada pela atmosfera;
- Absorção através de moléculas na atmosfera (O3 , H2 O, O2 e CO2 );
- Difusão Rayleigh (difusão de moléculas de ar);
- Difusão Mie (difusão de partı́culas de pó e contaminação do ar).
11
A figura 2.4 reflecte a alteração da intensidade da radiação espectal devidos aos
factores apresentadas anteriormente para uma elevação solar de 37%:
Figura 2.4 – Espectro Solar MA=0 no espaço e MA=1,5 na terra com elevação solar de
37%
Por outro lado, a nebulosidade ou o próprio estado do céu são, factores decisivos
pois a quantidade de radiação difusa e directa varia com a quantidade de nuvens.
A figura 2.5, demonstra a influência do céu terrestre na quantidade de radiação
disponı́vel:
Figura 2.5 – Irradiação solar global e os seus componentes para diferentes condições do céu
12
CAPÍTULO 2. ENERGIA SOLAR
Em modo de balanço, verifica-se que na zona de Lisboa, a proporção média da
radiação solar difusa é de cerca 40 % da radiação global, sendo que como é normal
nos meses de inverno esta proporção aumenta. A figura 2.6 demonstra o aumento
de radiação solar disponı́vel ao longo do ano:
Figura 2.6 – Somatório mensal da irradiação solar mensal
É possı́vel observar durante o ano que existem grandes oscilações na irradiação solar
global ao longo do dia, estas variações devem-se sobretudo à radiação directa. A
figura 2.7 mostra como dentro de Portugal, existe uma grande oscilação de norte a
sul:
13
Figura 2.7 – Radiação global anual em Portugal
Tendo em vista o objectivo deste trabalho, interessa salientar que o valor médio
anual da irradiação solar global, é de 1400kWh/m2 em Vila Real (Norte) e de
1700kWh/m2 em Faro (Sul), como representado na figura 2.8. No entanto, ainda
que exista um aumento da irradiação solar global de Norte para Sul, para um
sistema solar de aquecimento de água esta diferença não é muito significativa. Para
o dimensionamento dos sistemas solares, outro factor a ter em conta é o número de
horas de luz (insolação). Este parâmetro em Portugal varia, entre 1800 e 3100 horas
por ano conforme se ilustra na figura 2.9:
14
CAPÍTULO 2. ENERGIA SOLAR
Figura 2.8 – Nı́veis de radiação directa e difusa durante o dia em Lisboa ao longo do ano
Figura 2.9 – Insolação global anual em Portugal
15
2.0.3
Orientação e a sua influência
A orientação é um factor que influência fortemente, o valor máximo de radiação
produzida.Para diferentes ângulos de incidência do sol, durante o ano e a uma
determinada latitude,existe um valor máximo de radiação recebida por uma superfı́cie
receptora. Se esta estiver inclinada a um determinado ângulo que pode ser calculado
[6].
No inverno existe menos radiação que no verão, devido à sua altura solar, da mesma
forma o ângulo de inclinação óptimo no inverno é superior ao mesmo ângulo no
verão.
Figura 2.10 – Ângulos utilizados no dimensionamento dos sistemas solares
16
CAPÍTULO 2. ENERGIA SOLAR
A influência do alinhamento e a inclinação de um telhado é determinante para o
sucesso de uma instalação solar térmica.
Para o dimensionamento existem quatro parâmetros a ter em conta como pode ser
observado na figura 2.10:
- αS designado por azimute Solar;
- γS designado por ângulo de elevação solar;
- α designado por azimute do colector;
- β designado por inclinação do colector.
Através dos gráficos de isolinhas é possı́vel avaliar a irradiação solar. Na figura 2.11
são apresentadas as isolinhas de irradiação global são dadas em kWh/m2 por ano
ou por semestre. No eixo das abcissas podemos consultar o azimute e no eixo das
ordenadas o ângulo de inclinação. As figuras 2.11, 2.12 e 2.13 mostram a irradiação
solar em diferentes altura do ano [6]:
Por análise destes gráficos facilmente se verifica que, a irradiação óptima se encontra
no alinhamento meridional ou seja para α=0 e para uma inclinação de 30o (β=30o ).
Os valores mais elevados de irradiação (1300kWh/m2 ) estão disponı́veis no semestre
de Verão (Abril a Setembro). Um desvio do alinhamento óptimo poderá ser tolerado.
O ângulo de inclinação óptimo para o semestre de inverno é de 50o . Contudo
dever-se-á ter algumas precauções pois desvios à direcção de alinhamento sul podem
provocar perdas de radiação muito rápidas e significativas.
17
Figura 2.11 – Irradiação solar global para diferentes orientações da superfı́cie receptora
Figura 2.12 – Irradiação solar global no semestre do verão para diferentes orientações da
superfı́cie receptora
18
CAPÍTULO 2. ENERGIA SOLAR
Figura 2.13 – Irradiação solar global no semestre do inverno para diferentes orientações da
superfı́cie receptora
2.1
Recursos energéticos
As energias renováveis tomaram grande protagonismo no novo século. A rápida
exploração e consumo dos combustı́veis fósseis levam a que estes recursos num futuro
próximo se possam esgotar. Sob pena de ser atingido o stock máximo disponı́vel
no planeta, é necessário encontrar novas formas de produzir energia, apostar na
eficiência energética e na racionalização energética. Neste âmbito a comunidade
mundial criou programas de incentivos à utilização de energias renováveis (solar,
eólica, biomassa, energia das marés, etc.), programas de eficiência energética, legislação nova e formação em áreas até agora sem técnicos [6].
Nesta dissertação será fomentada, a utilização da energia solar numa indústria,
sector em que a energia é um factor decisivo nos lucros e desempenhos da mesma.
As fontes de combustı́veis fósseis disponı́veis (carvão, petróleo e gás natural e urânio)
2.1. RECURSOS ENERGÉTICOS
19
são exploradas a taxas cada vez maiores, para fazer face às necessidades energéticas
do nosso planeta. Na figura 2.14 é apresentado o cubo da energia. É um gráfico que
demonstra a relação entre as reservas de combustı́veis fósseis, a energia necessária e
a radiação solar disponı́vel.
Figura 2.14 – Cubo da energia
O sol disponibiliza por ano, mais energia que todas as reservas de combustı́veis
fósseis conhecidas [3], neste caso avaliadas da seguinte forma:
1.5 x 1018kWh/a=1500 milhões de biliões de kilowatt horas por ano.
Este valor é 10000 vezes maior que as necessidades energéticas mundiais [3].
2.1.1
O Clima
Os problemas climatéricos não são novidade, a utilização de combustı́veis fósseis
provocam enormes impactos no meio ambiente e no próprio clima. As emissões
20
CAPÍTULO 2. ENERGIA SOLAR
de gases perigosos tais como como dióxido de enxofre, monóxido de nitrogénio e
dióxido de carbono, tomaram proporções impressionantes. O dióxido de enxofre
e o monóxido de nitrogénio são substâncias que contribuem fortemente para o
aparecimento de chuvas ácidas, enquanto que o dióxido de carbono contribuem
fortemente para o conhecido efeito de estufa que provoca o aquecimento da atmosfera
terrestre. O CO2 tem de momento uma concentração desmedida e as suas taxas
continuam a aumentar irresponsavelmente. Apesar de o tratado de KYOTO e a
Cimeira de Copenhaga terem ajudado a alertar o mundo para os problemas, o grande
problema subsiste, os paı́ses que mais poluem, não concordam com estes tratados.
Na tentativa de mudar este facto diversos paı́ses e entidades tentaram a criação de
um novo tratado que não foi ractificado por paı́ses como a China, Índia, Brasil entre
outros, que são paı́ses com economias emergentes, que continuam a aumentar as
emissões de gases para atmosfera.
As consequências do efeito de estufa são desastrosos e preocupantes a curto prazo:
- Aquecimento dos oceanos, fusão dos glaciares levando ao aumento do nı́vel médio
das águas do mar, sendo que 1/3 da população do mundo vive em regiões costeiras;
- Alterações na vegetação reduzindo dramaticamente de variadas espécies;
- Aumento da libertação de CO2 e metano provenientes da descongelação dos solos
que aumenta o efeito de estufa;
- A ”mediterranização”das latitudes temperadas: calor, verões secos, invernos
amenos mas com mais chuvas;
- Aumento dos ciclones tropicais devido ao aumento de temperaturas dos oceanos;
- Intensificação de conhecidos fenómenos climatéricos (tal como EL Niño).
Todos estas consequências, devido a aquecimento global levando ao descongelamento
das calotes polares, chuvas ácidas e destruição da fauna e ecossistemas.
3
Sistemas Solares Térmicos
Os sistemas solares térmicos encontram-se numa fase de alguma expansão. Através
de incentivos do estado português, passaram-se a formar técnicos especializados na
área. O modo de funcionamento de um colector solar é relativamente simples e
consiste na conversão da luz que incide através de um vidro em calor. Este calor
não é mais de que, radiação de onda-curta. Os colectores solares ”transferem”a
radiação para a água. O calor é gerado pela absorção dos raios solares através de
uma placa metálica que se comporta como um ”corpo negro”, a que se dá o nome
de placa absorsora. A placa absorsora, transfere o calor gerado para um fluı́do de
transferência térmica através, de um sistema de tubos que por sua vez, flui para
um depósito de armazenamento de água quente. O calor do fluı́do é transferido
para a água potável através de um permutador de calor. Ao arrefecer, o fluı́do de
transferência escoa através de uma segunda conduta de volta ao colector, entretanto
a água potável já aquecida sobe no termoacumulador criando desta forma uma
estratificação térmica, na qual a água quente se encontra no topo, enquanto que a
água fria se encontra no fundo.
A maioria dos sistemas solares trabalha com um fluı́do de transferência, composto
21
22
CAPÍTULO 3. SISTEMAS SOLARES TÉRMICOS
por uma mistura de água com anti-congelante de forma a proteger os sistemas de
um possı́vel congelamento. O anti-congelante, não é mais do que uma mistura de
água e glicol que circula num circuito fechado. Existem dois sistemas básicos solares
térmicos:
- Sistemas de circulação forçada;
- Sistemas de termossifão.
O sistema de circulação forçado é um sistema mais completo. É um sistema que
contém uma bomba de circulação do circuito solar que é controlada por um sistema
de comando diferencial. O sistema diferencial liga a bomba de circulação quando, o
diferencial de temperatura entre o colector e o termo-acumulador atingir o diferencial
programado pelo utilizador. Quando o diferencial é atingido o fluı́do que foi aquecido
ao sol, circula para o depósito de água potável, onde é transferido para a água do
permutador de calor do sistema solar. A figura 3.1 representa uma instalação do
tipo forçado numa moradia:
Figura 3.1 – Sistema circulação forçada
23
Por sua vez o sistema de termossifão é um sistema que possui o depósito de água
potável acima dos colectores solares, mas na mesma estrutura.
É um sistema
fechado, em que o fluı́do em contacto com a placa absorsora do colector, aquece
diminuindo a sua densidade fazendo este, subir até ao depósito, criando ”lugar”para
o fluı́do mais frio no interior do colector, proveniente do fundo do depósito e desta
forma é estabelecido um processo natural de circulação do fluı́do. A figura 3.2 é um
exemplo de um sistema do tipo termossifão:
Figura 3.2 – Sistema solar termossifão
Estes sistemas são dimensionados, para proporcionar uma cobertura anual de cerca
de 50 a 80% das necessidades de aquecimento de água. O restante é fornecido por
um sistema de apoio convencional (caldeira a gás, biomassa, ou diesel). O apoio é
ligado no termo-acumulador e usualmente na parte superior do mesmo, através de
um permutador de calor.
Um factor bastante importante, é a temperatura desejada no termo-acumulador.
24
CAPÍTULO 3. SISTEMAS SOLARES TÉRMICOS
Maior temperatura, implica mais energia necessária para a atingir, energia essa que
caso seja bem ajustada permite o aquecimento de uma maior quantidade de água.
Seguidamente serão explicados mais detalhamente os componentes dos sistemas
solares térmicos.
3.1
Colectores solares e a sua constituição
Os colectores solares são os responsáveis na conversão da radiação solar disponı́vel em
calor e transferir o calor para o restante sistema. Pretende-se que este componente
tenha o mı́nimo de perdas possı́vel.
Com a evolução deste tipos de sistemas,
apareceram diversos colectores solares com configurações variadas e com custos e
performances diferentes.
Os colectores solares podem ser classificados segundo a sua tecnologia de concepção
(figura: 3.3):
- colector sem vidro absorsor;
- colector plano;
- colector com limite de convecção;
- colector com isolador térmico transparente;
- colector de vácuo plano;
- colector de ar.
3.1. COLECTORES SOLARES E A SUA CONSTITUIÇÃO
25
Figura 3.3 – Classificação dos tipos de colectores
Para caracterizar a geometria dos colectores é necessário ter em conta três factores:
- a dimensão total;
- a área da superfı́cie de abertura;
- a área de captação.
A dimensão total de um colector, ou superfı́cie bruta corresponde às dimensões
exteriores, definindo desta forma a área de superfı́cie mı́nima necessária para a
instalação. Por sua vez, a área da superfı́cie de abertura, é definida pela área através
da qual a radiação solar passa para o colector. Através da superfı́cie de abertura,
são comparados os diferentes colectores, segundo o definido pela norma EN 12975.
A área de captação corresponde à área da superfı́cie da placa absorsora.
26
CAPÍTULO 3. SISTEMAS SOLARES TÉRMICOS
Podemos observar na figura 3.4, a definição das áreas referidas.
Figura 3.4 – Identificação das áreas colectores solares
3.2
Colectores sem cobertura
São constituidos apenas por uma placa absorsora, poderão ser encontrados colectores
deste tipo com a placa em plástico ou placas absorsoras selectivas em aço inoxidável.
Este tipo de colectores pode ser encontrado em aplicações como aquecimento da água
de piscinas (placa absorsora em plástico) ou em pré-aquecimento de água potável
para banhos (placa absorsora em aço inoxidável).
Existem algumas vantagens para um colector sem cobertura:
- a placa absorsora substitui a cobertura do telhado, reduzindo desta forma, os
custos de aquisição da cobertura logo, não existe investimento na cobertura;
3.3. COLECTORES PLANOS
27
- é possı́vel obter este tipo de colectores em diversas formas como por exemplo,
telhados suavemente curvados;
- é uma excelente opção estética para telhados em alumı́nio;
- custo de aquisição baixo.
Contudo, este tipo de colector apresenta uma enorme condicionante, a performance
é bastante baixa, obrigando a instalar uma superfı́cie de colectores muito superior
a outros tipos de colectores disponı́veis.
3.3
Colectores planos
Os colectores planos são construı́dos com absorsores de metal. Este absorsor está
inserido numa caixa rectangular plana. Os lados dessa caixa e a parte inferior são
isolados com um isolante térmico. A parte superior é transparente contituı́da por
um vidro resistente. Nos lados do colector estão ligados dois tubos para alimentação
e retorno do fluı́do de transferência térmica.
Este tipo de colector pesa normalmente entre 15 a 20 kg/m2 e existem em diversos
tamanhos dependendo do fabricante e do campo de aplicação. O rendimento de
um colector solar plano depende em grande parte da sua placa absorsora. A placa
absorsora é constituı́da por uma chapa metálica com uma capacidade de absorção de
calor elevada. São normalmente construı́das em alumı́nio ou cobre, numa superfı́cie
única ou em diversas placas. Desta forma construtiva, quando a radiação solar atinge
o absorsor, é absorvida parcialmente e a outra parte é reflectida. Esta absorção
origina o calor que é transferido da chapa metálica para os tubos ou canais de
escoamento. Através dos canais de escoamento, o fluı́do de transferência térmica
transporta o calor para os tanques de armazenamento.
O absorsor esta optimizado para ter a maior capacidade de absorção possı́vel e a
menor emissividade térmica possı́vel, esta optimização é realizada através de um
28
CAPÍTULO 3. SISTEMAS SOLARES TÉRMICOS
tratamento dado à chapa metálica, com um revestimento de pintura preto-baço ou
selectivo. O revestimento selectivo é formado por uma estrutura com diferentes
camadas que melhora a conversão de radiação solar de onda-curta minimizando as
perdas. Os revestimentos selectivos, são resultado de um tratamento electroquı́mico
e inicialmente eram revestidos a crómio-preto ou nı́quel-preto contudo, mas, recentemente apareceram novos revestimentos como o T iNOx , que consistem numa deposição
fı́sica do tipo ”sputtering”.
Estes revestimentos selectivos de última geração vieram trazer grandes benefı́cios
pois, são reduzidos os consumos de energia e os impactos ambientais em comparação
com os revestimentos nı́quel-preto ou cromo-preto. As figuras 3.5, 3.6 demonstram
o grau de absorção após cada um dos tratamentos possı́veis para a placa absorsora
e os tipos de placa absorsora do mercado respectivamente:
3.3.1
Isolamentos
o
Um colector solar pode atingir temperaturas entre 150 e 200 C, caso não esteja a
ocorrer consumo na instalação. Para tal, para suportar temperaturas tão elevadas,
terão de ser utilizados os materiais para isolamentos de fibra mineral. É necessário
que o isolamento não derreta, encolha ou liberte gases, sob pena de serem criadas
condensações no interior do colector, ou mesmo, chegar ao ponto de corrosão das
superfı́cies metálicas, reduzindo a sua eficácia. Para a realização dos isolamentos,
são utilizados normalmente os seguintes materiais:
- poliuretano;
- poliuretano isento de CFCs;
- lã de rocha;
- lã de vidro.
3.3. COLECTORES PLANOS
29
Figura 3.5 – Absorção e emissão através de superfı́cies diferentes
Figura 3.6 – Tipos de absorsores
Contudo, o isolamento mais utilizado é de poliuretano isento de CFCs pois além
das boas caracterı́sticas como isolante térmico, ajuda a aumentar a resistência
estrutural da caixa do colector aumentando o peso. Por causa da falta de resistência
o
a temperaturas superiores a 130 C, estes estão protegidos por uma camada de fibra
mineral de isolamento, na superfı́cie virada para a placa absorsora, é a chamada
camada-gêmea de insolação.
30
CAPÍTULO 3. SISTEMAS SOLARES TÉRMICOS
Neste âmbito é de nomear ainda que, existem no mercado colectores solares que estão
equipados com um limitador de convecção para reduzir as perdas por convecção.
Este limitador consiste, numa estrutura de plástico entre o absorsor e a cobertura
transparente por exemplo, o Teflon.
3.3.2
Caracterização da caixa e da cobertura transparente
Tanto a placa absorsora como o isolamento térmico estão instalados numa caixa
e protegidos por uma cobertura transparente.
O objectivo é provocar o efeito
de estufa e reduzir as perdas de calor. Os materiais utilizados para a cobertura
transparente são geralmente o vidro e em algumas ocasiões o plástico. O vidro
utilizado apresenta um baixo teor de ferro de forma a ser bastante transparente.
O vidro apresenta normalmente uma espessura de 3 a 4 mm, apresentando um
coeficiente de transmissão de 91% no máximo (sem tratamentos anti-reflexo).
Durante a vida útil do colector, a cobertura transparente deverá permitir uma
elevada transmissão de luz e deverá ter uma baixa reflexão. A cobertura transparente
deverá assegurar a estanquicidade do colector à água e ao ar, à pressão do vento,
choques térmicos e a impactos de diversas naturezas [23].
Para melhorar as caracterı́sticas da cobertura transparente, são aplicados alguns
tratamentos especiais, de entre os quais se destacam:
- tratamento anti-reflexo sobre a superfı́cie exterior, para que as perdas por
reflexão dos raios solares incidentes diminuam;
- tratamento na superfı́cie interior, para que sejam reflectidas as radiações de
elevado comprimento de onda e não impeça a passagem da radiação de onda curta,
para diminuir as perdas por radiação.
Para aumentar o efeito estufa de um colector e a temperatura que o fluı́do de
transferência pode atingir, poderão ser utilizados vidros duplos como cobertura
3.3. COLECTORES PLANOS
31
transparente. No entanto desta forma as perdas ópticas aumentarão. Visto esta
desvantagem, o vidro duplo deverá ser utilizado somente em aplicações onde, as
condições metereológicas sejam adversas (temperaturas baixas e ventos fortes). As
tabelas 3.1 e 3.2 [3] mostram, as tecnologias e tipos de coberturas e caixas existentes
no mercado:
Tabela 3.1 – Tipos de cobertura
Cobertura
Vidro
Plástico
Transmissão
Estabilidade a longo prazo
Deterioração
Estabilidade mecânica
Estável
Estável
Preço
Elevado
Baixo
Peso
Elevado
Baixo
Tabela 3.2 – Tipos de caixas
Caixa
Alumı́nio
Aço
Plástico
Madeira envernizada
Peso
Baixo
Elevado
Médio
Elevado
Construção
Fácil
Fácil
Médio
Difı́cil
Consumo energético
Alto
Baixo
Médio
Baixo
Custo
Elevado
Baixo
Baixo
Médio
Aumento do tempo
Outros
de recuperação
energética e reciclável
3.3.3
Material ecológico
Raramente
Pouco utilizado
utilizado apenas
em telhados
Vedantes
Os vedantes são parte importante num sistema solar térmico, servem para evitar
a entrada de água, pó e insectos. Os materiais utilizados para os vedantes entre
a cobertura transparente e a caixa, são EPDM ou a borracha de silicone. A parte
inferior da caixa é instalada num encaixe de silicone. Para os tubos absorsores
32
CAPÍTULO 3. SISTEMAS SOLARES TÉRMICOS
é conveniente colocar vedantes de silicone, sendo a sua temperatura máxima de
aplicação de cerca de 200oC.
3.3.4
Sondas de temperatura
Os colectores solares planos, têm na maioria um orifı́cio para que seja introduzido
uma sonda de temperatura (normalmente PT100). As sondas são inseridas nos
orifı́cios e ligadas ao controlador dos sistema solar. As sondas de temperatura são
componentes bastante importantes pois, nos sistemas de circulação forçada, são elas
que indicarão ao controlador quando será necessário recircular o fluı́do através de
uma bomba de recirculação.
3.4
Funcionamento do colector solar plano
Já foram apresentados os principais elementos constituintes de um colector solar
plano. Falta especificar a forma como funciona um colector solar plano. A partir do
momento em que a irradiação (E0 ) atinge a superfı́cie transparente, mesmo antes de
entrar no colector, a energia (E1 ) é reflectida nas superfı́cies internas e externas do
vidro. Mas as reflexões não terminam por aqui, visto que, uma pequena parte ainda
é reflectida na superfı́cie selectiva do absorsor (E2 ) e a restante é convertida em
calor. Se o colector solar possuir um bom isolamento térmico e materiais isolantes
não combustı́veis, (como poliuretano sem CFC), as perdas de energia através de
condução térmica (Q1 ) são reduzidas ao mı́nimo possı́vel.
A cobertura transparente tem como principal função, reduzir as perdas na superfı́cie
do absorsor, através de radiações térmicas e convectivas (Q2 ).
As perdas por
convecção e irradiação só ocorrem para o exterior através da cobertura de vidro
aquecida.
3.4. FUNCIONAMENTO DO COLECTOR SOLAR PLANO
33
Figura 3.7 – Fluxos de energia num colector solar
Como poderemos observar na figura 3.7, à irradiação solar E0 são retiradas as perdas
identificadas como E1 , Q2 e Q1 , o resultado é o calor remanescente (Q3 ) para ser
utilizado pelo sistema.
3.4.1
Eficiência do colector solar plano
O rendimento de um sistema solar térmico, depende fortemente do rendimento do
colector solar. O rendimento pode ser definido como, a taxa de energia térmica
utilizada pelo total de irradiação de energia solar como poderemos ver em 3.1.
η=
QN
.
E
(3.1)
Onde: η - rendimento (%);
QN - Energia térmica utilizada (W/m2 );
E - irradiação de energia solar (W/m2 ).
Este rendimento pode ser influenciado pelas caracterı́sticas do colector solar, sendo
as perdas por reflexão (E1 e E2 ) e as perdas térmicas (Q1 e Q2 ).
34
CAPÍTULO 3. SISTEMAS SOLARES TÉRMICOS
As perdas ópticas de um colector solar, descrevem a proporção de irradiação solar
que não pode ser obsorvida pela placa absorsora. As perdas ópticas dependem
da ”transparência”da cobertura do vidro cujo factor é designado por coeficiente de
transmissão τ e da capacidade de absorção da superfı́cie da placa absorsora designada
pelo coeficiente de absorção α. Desta forma podemos designar as perdas ópticas por:
η0 = τ × α.
(3.2)
Onde: η0 - eficiência óptica;
τ - coeficiente de transmissão (W/m2 /K)
α - coefiente de absorção (W/m2 /K)
As perdas térmicas por seu lado, dependem da diferença de temperatura entre o
absorsor e o ar exterior, da insolação e da construção do colector. Podemos traduzir
a influência constructiva através do coeficiente global de perdas (W/m2 K). As
perdas aumentam e a eficiência diminui quando, a irradiação é constante e ocorre
um aumento da diferença de temperatura entre o absorsor e o ar exterior. Para tal,
deve ser assegurado uma temperatura de retorno baixa e um irradiação elevada para
um melhor rendimento.
Podemos considerar que um bom colector plano apresenta uma eficiência óptica
superior a 0.8 e um valor de coeficiente global de perdas inferior a 6 W/m2 K.
3.4.2
Vantagens e desvantagens dos colectores solares planos
Os colectores solares planos são os colectores mais vendidos no mercado.Este tipo de
colectores apresenta vantagens e devantagens face a outros tipos de colectores entre
as quais se destacam:
3.5. COLECTORES PARABÓLICOS COMPOSTOS
35
- preço mais baixo que os colectores de vácuo e parabólico composto (que serão
abordados neste trabalho);
- apresentam-se como colectores muito versáteis permitindo diversas opções de
montagem;
- apresentam boa taxa de preço/performance;
- simples montagem.
Por outro lado apresentam as seguintes desvantagens:
- os colectores de vácuo, parabólicos compostos apresentam maior eficiência devido
ao seu coeficiente global de perdas mais baixo;
- não podem ser utilizados em aplicações que necessitem de temperaturas de fluı́do
muito elevadas;
- em relação aos colectores de vácuo, a área para a instalação do colector plano é
maior.
3.5
Colectores Parabólicos Compostos
Os colectores solares planos são bastante utilizados, contudo foi necessário desenvolver
uma tecnologia que permitisse, reduzir a área de absorção, em comparação com a
área de captação da radiação solar. Diminuindo a área do absorsor e sabendo que
as perdas térmicas são proporcionais à área do absorsor, são reduzidas as perdas
térmicas aumentando assim o rendimento do colector.
Este tipo de colector tem como princı́pio de funcionamento, a concentração da
radiação solar na placa absorsora. Para tal, é utilizado um sistema duplo de absorção
da radiação.
Este tipo de colector solar é constituı́do pelos seguintes componentes:
36
CAPÍTULO 3. SISTEMAS SOLARES TÉRMICOS
- sistema de absorsores para a absorção da radiação como nos colectores solares
planos;
- sistema de reflexão da radiação que permite a absorção da radiação na parte inferior
do absorsor.
Na figura 3.8, pode ser observada a constituição dos colectores parabólicos :
Figura 3.8 – Colectores solares parabólicos compostos
Como o próprio nome indica, este tipo de colector possui uma configuração da
superfı́cie reflectora em forma parabólica. Esta configuração permite que a superfı́cie
reflectora permita concentar a radiação com a utilização de materiais espelhados com
um elevado nı́vel de reflectividade. O ângulo de abertura destas superfı́cies permite
captar a radiação directa e difusa, como os colectores planos.
Este sistema apresenta vantagens como principais vantagens a descritas a seguir:
- elevada eficiência mesmo com elevadas diferenças de temperaturas entre o
absorsor e o meio envolvente;
3.6. COLECTORES SOLARES DE TUBOS DE VÁCUO
37
- elevada eficiência para baixa radiação;
- maior eficiência que os colectores solares planos em aplicações de alta
temperatura pois, devido ao seu principio de concentração de energia permite
atingir temperaturas mais elevadas com menores perdas que um colector plano.
Como principal desvantagem para este tipo de colectores, pode ser apontado o facto
de este ser mais caro que um colector solar plano.
Em suma, este tipo de colector é uma excelente opção para sistemas em que seja
necessário obter temperaturas bastante elevadas, com alto rendimento. Contudo,
tal como os colectores solares planos, este tipo de colector tem uma montagem e
utilização bastante simples para além de que, se podem colocar em estruturas fixas
simples.
3.6
Colectores solares de tubos de vácuo
Todas as evoluções nas formas constructivas e tecnologias utilizadas, visam a redução
de perdas térmicas do colector. São colocados no mercado, os colectores solares de
tubos de vácuo. Este tipo de colector solar é constituı́do por tubos de vidro que
contêm absorsores internos sujeitos ao vácuo de forma a reduzir as perdas térmicas.
Para eliminar as perdas de calor por convecção, a pressão interna dos tubos de
vidro deverá, ser de pelo menos 10− 2 bar. Neste tipo de colectores mesmo com
uma temperatura de absorção de 120o C ou superior, os tubos de vidro permanecem
frios no exterior. As perdas de radiação permanecem reduzidas como nos colectores
solares planos.
38
3.6.1
CAPÍTULO 3. SISTEMAS SOLARES TÉRMICOS
Modo de construção
Os colectores de vácuo têm instaladas placas absorsoras, que são aplicadas como
placas absorsoras planas, convexas ou cilı́ndricas.
Graças à forma tubular dos
colectores de vácuo, através de uma alta compressão as forças que aumentam com o
vácuo são controladas. Na figura 3.9 pode ser observado o princı́pio de isolamento
térmico dos tubos de vácuo:
Figura 3.9 – Principio de isolamento térmico de vácuo
Os tubos que constituem o colector de vácuo, estão ligados entre si pelo topo através,
de um distribuidor ou caixa colectora, zona em que se localiza o isolamento e as linhas
de alimentação e retorno.
Existem no mercado dois tipos de colectores de tubos de vácuo:
- tubo colector de vácuo de fluxo directo, figura 3.10;
- tubo colector de vácuo de calor, figura 3.11.
3.6. COLECTORES SOLARES DE TUBOS DE VÁCUO
39
Figura 3.10 – Colectores de vácuo de fluxo directo
Figura 3.11 – Colectores de vácuo de calor
Nos colectores de tubos de vácuo de fluxo directo, o fluı́do de transferência de
calor é direccionado através de um sistema de tubo-entre-tubo, chamado de ”tubos
coaxiais”para a base do absorsor onde flui, para a caixa colectora, aumentando a
temperatura do fluı́do, ou flui através de um tubo em forma de U. Existem ainda
variantes dos próprios tubos do sistema de colector de tubos de vácuo de fluxo
directo que permitem melhorar o ganho da radiação do colector tais como:
40
CAPÍTULO 3. SISTEMAS SOLARES TÉRMICOS
- tubo Sydney;
- tubo Schott.
O tubo de Sydney, consiste num duplo tubo de vácuo selado. O bolbo de vidro
interno tem um revestimento de metal e carbono sobre cobre. Neste tubo duplo de
evacuação é colocada uma placa de condução térmica em conexão com um tubo em
U onde é efectuada a transferência de calor como mostrada na figura 3.12.
Figura 3.12 – Colectores de vácuo de tubo Sydney
O tubo de Schott, consiste em três tubos de vidro coaxiais (invólucro, absorsor
parcialmente revestido e interno) e não é utilizado metal. Neste tipo de colectores
um revestimento selectivo de metal com propriedades de condutor-térmico, ligado
a um tubo de aquecimento, é colocado dentro do tubo de vácuo.
O tubo de
3.6. COLECTORES SOLARES DE TUBOS DE VÁCUO
41
aquecimento é preenchido com álcool ou com água em vácuo, que é evaporado para
temperaturas a partir dos 25o C. O vapor que é criado sobe, transferindo calor por
condensação através do permutador de calor para o fluı́do de transferência de calor.
O fluı́do condensado arrefece e volta a descer para ser aquecido novamente. Para um
desempenho apropriado dos tubos estes devem ser instalados com uma inclinação
mı́nima de 25o como mostrado na figura 3.13.
Figura 3.13 – Colectores de vácuo de tubo Schoot
42
CAPÍTULO 3. SISTEMAS SOLARES TÉRMICOS
Por outro lado, o colector de vácuo de calor tem aplicado um revestimento selectivo
de metal com propriedade de condutor-térmico, que ligado a um tubo de aquecimento,
é colocado dentro de um tubo de vácuo. O tubo de aquecimento é preenchido com
álcool ou água em vácuo, que é evaporado para temperaturas acima dos 25o C.
O vapor que é criado sobe, transferindo calor por condensação através de um
permutador de calor para o fluı́do de transferência de calor. O fluı́do condensado
arrefece e volta a descer para ser aquecido novamente. Este tipo de colector deverá
ser instalado com uma inclinação minı́ma de 25o para funcionar correctamente.
Este tipo de colector, apresenta diversas vantagens apresentadas a seguir:
- boa eficiência, mesmo com elevadas diferenças de temperatura entre o absorsor e
o meio envolvente;
- boa eficiência para baixos nı́veis de radiação;
- suporta cargas térmicas com mais eficiência do que os colectores planos;
- possibilidade de utilização em sistemas de ar condicionado e produção de vapor
pois, têm capacidade de atingir elevadas temperaturas;
- apresentam baixo peso;
- através da afinação das placas absorsoras, na montagem ou em fábrica, estas
podem ser alinhadas na direcção do sol;
- os colectores de tubos de fluxo-directo, podem ser montados horizontalmente
num telhado plano, apresentado assim menores perdas térmicas, devido ao vento e
menores custos de instalação.
Há ainda no mercado a variante plana dos colectores de vácuo. O seu modo de
construção é o mesmo dos colectores planos standard. A grande diferença reside no
isolamento térmico que é efectuado com um vácuo de 10/m−1 para 10/m−3 bar, em
3.6. COLECTORES SOLARES DE TUBOS DE VÁCUO
43
vez de ser usada, a fibra natural dos colectores solares convencionais realizado em
fibra natural ou espuma de poliuretano. A grande vantagem deste colector solar, é
que este reduz as perdas térmicas por convecção. Este colector é ”preenchido”com
cripton a 50 mbar de modo a reduzir as perdas térmicas através da conducção. Este
colector fica assim, sujeito a grandes forças causadas pela diferença de pressão entre
a pressão exterior e interior. Para tal, os elementos de suporte são encaixados entre a
base da caixa e a cobertura de vidro. Devido a este facto, existem furos no absorsor.
Ainda assim, o vácuo deste tipo de colectores é significamente inferior ao vácuo dos
colectores de tubos de vácuo. Para este tipo de colector ser instalado é necessário
instalar uma linha de vácuo para que o colector seja re-evacuado quando necessário.
Pelos motivos apresentados, este tipo de colector apresenta diversas vantagens mas
ainda assim existem algumas desvantagens. As vantagens apresentadas são:
- boa eficiência, mesmo com elevadas diferenças de temperatura entre o absorsor e
o meio envolvente;
- boa eficiência para baixos nı́veis de radiação;
- suporta cargas térmicas com mais eficiência do que os colectores planos;
- possibilidade de utilização em sistemas de ar condicionado e produção de vapor
pois, têm capacidade de atingir elevadas temperaturas;
- apresentam baixo peso;
- através da afinação das placas absorsoras, na montagem ou em fábrica, estas
podem ser alinhadas em direcção ao sol;
- os colectores de tubos de fluxo-directo, podem ser montados horizontalmente
num telhado plano, apresentado assim menores perdas térmicas, devido ao vento e
menores custos de instalação.
44
CAPÍTULO 3. SISTEMAS SOLARES TÉRMICOS
Como desvantagens são apresentados os seguintes argumentos:
- mais caro do que um colector plano;
- não podem ser usados para instalações horizontais no caso dos sistemas de tubos
de calor pois para funcionarem correctamente deverão ter uma inclinação minı́ma
de 25o;
- Para colectores solares de vácuo planos, é necessário uma linha de vácuo.
É necessário após encontrar o meio de aquecimento de água, seleccionar o depósito
para o armazenamento da água aquecida.
3.7
Depósitos de águas sanitárias
Outro ponto essencial nos sistemas solares, são os depósitos de acumulação como
pode ser observado na figura 3.14. Os depósitos de acumulação são os reservatórios
onde se vai acumular a água aquecida. A instalação deste componente deve-se
ao facto, de não ser possı́vel controlar a energia fornecida pelo sol e raramente os
perı́odos de maior consumo não ocorrerem simulataneamente quando existe maior
radiação solar. O grande desenvolvimento deste tipo de componente é tentar diminuir
as perdas térmicas.
3.7.1
Materiais usados para a concepção
Existem algumas variantes dos depósitos acumuladores que serão apresentados nesta
secção. Os depósitos de pressão estão disponı́veis em aço inoxidável, esmaltados
ou revestidos em plástico 3.14. Os depósitos de aço inoxidável são mais leves e
3.7. DEPÓSITOS DE ÁGUAS SANITÁRIAS
45
Figura 3.14 – Depósito de acumulação
apresentam menores custos e perı́odos de manutenção. No entanto, estes apresentam
preços mais elevados em relação aos restantes depósitos e apresentam maior sensibilidade a águas com elevados nı́veis de cloro. Os dépositos esmaltados tem de ser
equipados com magnésio ou com um ânodo externo para a protecção contra a
corrosão. Numa vertente mais barata, estão disponı́veis depósitos de aço revestidos a
plástico. Este revestimento de plástico é resistente até uma temperatura da água de
80o C e não deverá ser poroso, no entanto, este tipo de depósitos apresenta diversos
46
CAPÍTULO 3. SISTEMAS SOLARES TÉRMICOS
problemas de fiabilidade pelo que, deve ser evitada a sua utilização.
3.7.2
Depósitos de utilização ”Standard”e suas caracterı́sticas
Um depósito ”standard”utilizado nos sistemas solares térmicos tem a seguinte constituição:
- dois permutadores de calor para as duas fontes de calor (solar e o apoio
consumindo combustiveis fósseis);
- ligação directa para o reservatório de água fria;
- pressão de operador do tanque, varia entre 4 e 6 bar.
Para dimensionar um depósito deste tipo, é necessário saber algumas informações
acerca da instalação e ter alguns aspectos em consideração. Uma das considerações a
ter em atenção num sistema solar térmico é a capacidade de acumulação que deve ser
de 1,5 a 2 vezes a quantidade de água quente diária utilizada. De salientar, que numa
instalação de água quente solar, em que o destino de consumo seja aquecimento de
água para banhos (como se verifica neste trabalho), o volume de água final deverá ser
de 50 a 70 litros por pessoa (valores médios) para o dimensionamento da instalação.
A capacidade do depósito acumulador, não deverá ser muito elevado pois consegue
absorver grandes quantidades de energia, contudo se a instalação possuir um campo
de colectores constante, a frequência de utilização do sistema de apoio aumenta
porque, o nı́vel da temperatura no tanque de armazenamento é menor que num
tanque menor.
Deve-se ter em consideração, que se o depósito de água servir de depósito de água
potável, a temperatura deverá ser limitada a cerca de 60o C, devido ao facto do
calcário precipitar a altas temperaturas podendo,sob pena da superfı́cie do permutador
de calor ser bloqueada. Para além do calcário se depositar gradualmente na base do
depósito de armazenamento.
3.7. DEPÓSITOS DE ÁGUAS SANITÁRIAS
47
A caracterização dos elementos constituintes dos depósitos de acumulação
bem como a sua performance, é dada pelos seguintes itens:
1 - limitações do depósito de armazenamento de água quente;
2 - caracterização da placa deflectora na entrada de água fria;
3 - extracção de água quente;
4 - caracterização dos permutadores de calor e respectivas ligações;
5 - isolamento dos depósitos de armazenamento;
6 - sensor de temperatura para os tanques de armazenamento para o circuito solar;
7 - sensor de temperatura do tanque de armazenamento para o aquecimento
adicional.
Item 1 : o depósito de acumulação deverá ser dimensionado para armazenar uma
quantidade de água de cerca de dois dias do consumo diário, devido à variação
diária da radiação solar. O utilizador ao abrir uma torneira onde exista água
quente, está a colocar água fria na parte inferior do depósito de armazenamento.
Existindo desta forma num depósito água fria, morna e quente. Este fenómeno
de nome estratificação 3.15 ocorre devido ao facto da água no interior do depósito
ter densidades diferentes. Na água quente, quanto mais quente está, menos densa
esta se encontra, concentrando-se assim no topo do depósito, por outro lado a água
quanto mais fria mais densa concentrando-se assim na parte inferior do depósito.
Este fenómeno é uma condição fundamental para o bom funcionamento do sistema
solar térmico.
Estas afirmações podem ser mostradas da seguinte forma, como exemplo:
A energia contida num depósito de armazenamento com estratificação, de 300 litros
e para uma temperatura desejada de 60o C sendo que a água de entrada tem uma
48
CAPÍTULO 3. SISTEMAS SOLARES TÉRMICOS
temperatura de 15o C é dada por:
Q = m × CH2 O × 4T
(3.3)
Sendo:
- Q é a quantidade de calor (Wh);
- m é a massa (kg );
- CH2 O é o calor especı́fico da água (1,16) W h/kgK;
- 4 T é variação de temperatura (o C).
Então para um diferencial de temperatura de 45o C, obtém-se para a situação da
figura 3.15:
Q= 100 × 1, 16 ×0 + 100 × 1, 16 ×15 + 100 × 1, 16 ×45 ⇔ Q = 6960W h
Esta é a energia acumulada num depósito estratificado.
Se a mesma quantidade for carregada num depósito sem estratificação térmica, logo
a temperatura é uniforme. Esta temperatura será dada por:
Tm =
Q
6960
× T0 ⇔ Tm =
+ 15 ⇔ Tm = 35o C
m × C H2 O
300 × 1, 16
(3.4)
Como poderemos ver, com a mesma energia num depósito que não seja estratificado,
será necessário que o apoio (aquecimento de apoio) eleve a temperatura 10o C,
enquanto que por outro lado, no depósito com estratificação o utilizador pode
consumir 100 litros de água a 60o C ou 150 litros a 45o C sem que se tenha que utilizar
o apoio reduzindo assim os custos com sistemas que funcionam com combustı́veis
fósseis.
3.7. DEPÓSITOS DE ÁGUAS SANITÁRIAS
49
Figura 3.15 – Depósito com estratificação
Um dos objectivo desta dissertação é o dimensionamento do sistema solar térmico
de produção de água quente para banhos logo, cada vez que um utilizador utiliza a
água quente, o sistema tem de criar condições para que não se misture a água fria da
entrada com a água quente que se encontra no interior do depósito de acumulação
devendo-se manter uma boa estratificação térmica. Para a criação de uma boa
estratificação térmica, o depósito tem de ter uma estrutura vertical devendo ser
a razão altura-diâmetro de pelo menos 2.5:1. A existência de uma zona mais fria
assegura a eficiência do sistema solar térmico, mesmo em condições de baixa radiação
solar. Em algumas instalações em que o local de instalação é apertado, por vezes são
utilizados depósitos ”delgados”, estes sistemas funcionam sem problemas, contudo,
deverá ter-se cuidado para não colocar o depósito inclinados apesar do depósito ser
vertical sob pena de a estratificação do depósito não seja a melhor como pode ser
visualizado na figura 3.16.
50
CAPÍTULO 3. SISTEMAS SOLARES TÉRMICOS
Figura 3.16 – Depósito não estratificado
Item 2 : a placa deflectora na entrada de água fria é um acessório que impede
a mistura por turbulência da água fria que entra com a água mais quente que se
encontra nas camadas superiores. A principal função deste sistema é impedir a
destruição parcial da estratificação térmica.
Item 3 : caracteriza a extracção de água quente. Como referido no ponto anterior,
nos depósitos de acumulação convencionais, a água quente é retirada do topo de
depósito de acumulação. Ao sair água quente do depósito forma-se água morna nas
tubagens, por arrefecimento. Se o design do depósito não for o mais apropriado
podemos ter problemas durante a extracção. Um dos problemas usuais é a saı́da de
água quente ser executada num tubo vertical, a consequência é uma reentrada da
água morna, que provocará uma perturbação muito forte na estratificação térmica.
Desta forma, as perdas térmicas serão aumentadas podendo este aumento corresponder
a de cerca de 15% das perdas totais do depósito de armazenamento.
A figura 3.17 demonstra um depósito de acumulação com um design deficiente:
3.7. DEPÓSITOS DE ÁGUAS SANITÁRIAS
51
Figura 3.17 – Depósito com perdas de calor evitáveis devido a design deficiente
Como solução para este problema, a concepção do depósito deverá ter a tubagem da
água quente dentro do depósito de acumulação desde o topo até a base através de
uma flange na base ou fora do tanque em posição descendente, dentro do isolamento
térmico. Com esta solução, as perdas de calor nas camadas estratificadas mais
quentes referidas anteriormente, são evitadas aumentando desta forma o rendimento
do sistema solar térmico. Outra solução que minimizará as perdas mas numa menor
magnitude, será com a utilização de um sifão (curvatura de 180o) no tubo de saı́da
de água quente.
Item 4 : caracteriza a influência dos permutadores de calor. O posicionamento
dos permutadores de calor para o circuito de aquecimento solar e do apoio, deverão
ser instalados com tubagem em cotovelo de forma a minimizar as perdas de calor
no depósito. O permutador de calor do apoio, será o que estará localizado na
área superior do depósito, para que seja possı́vel garantir um aquecimento rápido
de um volume de água suficiente para a utilização diária. No entanto, deve ser
52
CAPÍTULO 3. SISTEMAS SOLARES TÉRMICOS
salvaguardado a possibilidade do circuito primário (circuito solar) armazenar energia
na área da água fria do depósito que se encontra na base.
Figura 3.18 – Depósito de dupla serpentina
Um exemplo deste tipo de permutador é o permutador de dupla serpentina 3.18
Item 5 : as perdas por isolamento defeituoso dos pontos caraterizantes de um
sistema solar térmico, são bastante comuns neste tipo de instalação. O isolamento
térmico, influência claramente o rendimento de um depósito de acumulação, este
deve ter uma espessura de cerca de 10cm nos lados e 15cm no topo e na base do
depósito. O isolamento deve estar bem justo ao depósito para minimizar as perdas
por convecção devendo ser realizado em materiais sem CFCs e PVCs tais como, a
fibra de vidro ou o polietileno com condutividades térmicas (λ) inferiores a 0.035
W/mK. Um depósito de acumulação deve ter taxas de perdas de calor menores que 2
W/K para ser considerado um ”bom depósito de acumulação”. A tı́tulo de exemplo
3.7. DEPÓSITOS DE ÁGUAS SANITÁRIAS
53
para uma diferença de temperatura de 35 o K, um bom tanque, com uma taxa de
perdas de 1.5 W/K em comparação com um depósito com uma taxa de 3 W/K, perde
450kWh por ano, significando em média adicionar uma superfı́cie de colectores com
uma área de cerca de 1m2 .
Item 6 : O sensor de temperatura para os depósitos de acumulação (normalmente
uma PT100), deve ser instalado na parte inferior do depósito a meio do permutador
de calor do circuito solar. Será este sensor que indicará à bomba quando esta
funcionará tornando-a eficiente. Desta forma quando são retiradas pequenas quantidades de água quente, o sistema tem possibilidade de a repor com o circuito solar.
Na instalação, o instalador deverá ter cuidado com más fixações do sensor ou
maus contactos que podem provocar funcionamentos intempestivos da bomba de
circulação.
Item 7 : O sensor para o aquecimento adicional (apoio), disponibiliza a informação
da temperatura para o controlo do aquecimento, sendo através desta informação
que é ligado ou desligado o sistema de apoio. A instalação deste sensor pode ser
realizada na mesma altura que o permutador de calor adicional ou mais alto e nunca
abaixo deste.
Existem ainda outros tipos de depósito de acumulação no mercado entre os quais:
- depósito com câmara interna (ou dupla camisa);
- depósito de serpentina simples ou dupla;
- depósitos ”tank in tank”;
- depósitos sem permutadores internos.
- Os depósitos com câmara interna ou dupla camisa, apresentam lateralmente uma
câmara, onde pode circular o lı́quido dos painéis solares sendo utilizados sobretudo
em instalações de pequenas dimensões. Estes depósitos são instalados em posição
54
CAPÍTULO 3. SISTEMAS SOLARES TÉRMICOS
vertical ou horizontal. Na figura 3.19 apresenta-se o um depósito acumulador de
câmara interna ou de dupla camisa:
Figura 3.19 – Depósito de dupla serpentina ou câmara interna
3.7. DEPÓSITOS DE ÁGUAS SANITÁRIAS
55
- Os depósitos de serpentina podem ser de serpentina simples ou dupla como representado
na figura 3.18. O depósito de serpentina simples serve apenas para acumular calor,
por outro lado, os depósitos de dupla serpentina além de acumularem a energia
térmica, também aquecem a água se necessário. São normalmente utilizados em
instalações de pequena e média dimensão.
- Os depósitos combinados com contentor duplo, também chamados ”tank in tank”,
ou seja depósito no depósito. São utilizados em instalações solares combinadas que
produzem água quente sanitária e aquecimento. É constituı́do por dois depósitos um
grande e um mais pequeno. O depósito de dimensões superiores contém água para
fazer funcionar a instalação de aquecimento, por outro lado o depósito mais pequeno,
contém água para a alimentação da instalação sanitária. Este tipo de depósito de
acumulação torna a instalação mais simples de realizar, pois todos circuitos podem
ser ligados directamente ao depósito:
- o circuito solar;
- o circuito de integração do calor na caldeira;
- o circuito da instalação de aquecimento;
- o circuito de água quente sanitária (AQS).
56
CAPÍTULO 3. SISTEMAS SOLARES TÉRMICOS
Na figura 3.20 apresenta-se o um depósito acumulador de ”tank in tank”:
Figura 3.20 – Depósito tank in tank
- Os depósitos sem permutadores internos, são constituı́dos por simples depósitos de
acumulação, sendo a troca térmica com o lı́quido dos painéis solares efectuada com
permutadores externos. Este tipo de depósitos permite através de um permutador
externo, a troca térmica de potências mais elevadas e além desta vantagem, com um
só permutador podem ser alimentados vários depósitos. Na figura 3.21 apresentase um permutador externo que, pode ser utilizado com um depósito simples sem
permutador interno:
3.8. CARACTERIZAÇÃO DE PERMUTADORES
57
Figura 3.21 – Permutador externo
3.8
Caracterização de permutadores
Como foi referido na secção anterior, existem diversos tipos de depósitos de acumulação que possuem permutadores de calor internos ou externos. Este tipo de equipamento
é sempre utilizado quando se pretende que a água de utilização não passe pelos
colectores solares, quando se pretende uma instalação combinada de aquecimento
de águas sanitárias e aquecimento por piso radiante ou ainda em instalações bifásicas que incluem captação, com colectores solares e arrefecimento de ar forçado
em sistemas do tipo ”fan-coil”.
Os permutadores apresentam nomes semelhantes ao depósitos de acumulação pois
58
CAPÍTULO 3. SISTEMAS SOLARES TÉRMICOS
são este tipo de equipamentos que os constituem. No mercado existem os seguintes
tipos de permutadores de calor:
- permutador interno de camisa;
- permutador interno de serpentina;
- permutador de calor horizontal de serpentina rugoso;
- permutador de calor vertical de serpentina liso;
- permutador externo de placas;
- permutador externo tubular.
Os permutadores de calor interno de camisa apresentam um bom rendimento e baixo
preço. Este tipo de permutador permite a utilização do depósito de acumulação na
horizontal. Tem a sua principal utilização em instalações que necessitem de pequenos
volumes de água quente.
Os permutadores internos de serpentina podem ser de dois tipos:
- tubulares com alhetas;
- tubulares lisos.
Na figura 3.22 apresenta-se os dois tipos de permutadores tubulares nomeados:
Os permutadores de serpentina, apresentam um elevado rendimento sendo utilizado
em pequenos e médios volumes de água. Permite a sua instalação quer vertical quer
horizontal. Este tipo de permutador apresenta um preço baixo e é uma boa solução
3.8. CARACTERIZAÇÃO DE PERMUTADORES
59
Figura 3.22 – Permutadores tubulares
para maioria das instalações de aquecimento de água com sistema solar térmico. Os
permutadores tubulares lisos, possuem uma maior capacidade de troca de calor por
metro quadrado de superfı́cie em relação aos tubulares com alhetas, no entanto esta
superfı́cie de transferência efectiva, pode ser reduzida devido à sua cobertura com
calcário.
Os permutadores externos de placas têm com principal utilização, instalações de
elevados volumes de acumulação (mais de 3000 litros) onde, os valores de energia
térmica permutadas são bastantes elevados. Este tipo de permutador é externo ao
depósito pelo que, necessita de isolamento térmico sob pena de haver perdas elevadas
no sistema se o seu isolamento não for realizado com a devida precaução. É o tipo de
permutador que apresenta maior eficiência, no entanto o preço deste equipamento
também é o mais elevado.
Os permutadores externos tubulares são, os permutadores indicados para os sistemas
de aquecimento de água de piscinas, apresentam baixos custo, e rendimentos medianos.
Como é possı́vel observar existem diversos tipos de permutadores internos e externos.
Estes princı́pios construtivos apresentam vantagens e desvantagens que serão apresentadas seguidamente:
Vantagens dos permutadores internos:
60
CAPÍTULO 3. SISTEMAS SOLARES TÉRMICOS
- construção simples do sistema com poucos componentes.
Desvantagens dos permutadores internos:
- se a instalação necessitar de mais do que um depósito acumulador, cada depósito
tem um permutador interno aumentando assimo preço da instalação.
Vantagens dos permutadores internos:
- sistemas de enchimento estratificados podem apenas ser usados com
permutadores especiais.
Vantagens dos permutadores externos:
- com vários tanques, custos mais reduzidos do que com permutadores internos;
- alta qualidade de material, garantindo a duração e rentabilidade;
- são moduláveis, permitem o aumento do número de placas;
- fácil manutenção, limpeza e desmontagem;
- excelente eficácia, graças ao funcionamento em contracorrente (os fluı́dos cruzam
os seus sentidos de circulação).
Desvantagens dos permutadores externos:
- componentes adicionais, instalação mais complicada no local.
3.9
Isolamento de tubagens
Nas instalações convencionais por vezes, não é dedicada atenção ao isolamento
térmico das tubagens, contudo este tipo de instalação de produção de água quente
sanitária (sistema solar térmico), tem um rendimento global muito dependente de
3.9. ISOLAMENTO DE TUBAGENS
61
todas as perdas do sistema. Não se deve assim desperdiçar energia no tranporte
de água nas tubagens e nos depósitos de acumulação. Para tal, são utilizados
isolamentos térmicos que permitem eficiências elevadas. Em regra geral, para tubagens até 18 mm de diâmetro deve existir no mı́nimo um isolamento de espessura de
30 mm, as restantes dimensões superiores deverão ser isoladas com um isolamento
de no mı́nimo de 40 mm de diâmetro. O isolamento para este tipo de aplicação
deverá ter um condutividade (K) menor ou igual a 0.035 W/mK. Este isolamento
não deverá ter falhas realizadas por rasgo ou má aplicação, sob pena de existirem
elevadas perdas térmicas no circuito. Não só as tubagens devem ser isoladas com
um bom isolamento mas também, todos os acessórios, válvulas, ligações ao depósito
de armazenamento, bujões, flanges, entre outros. Nos casos que existam tubagens
no exterior, os isolamentos devem ser resistentes aos raios ultravioletas (UV) e à
corrosão pela água. Na figura 3.23 é apresentado o isolamento térmico para as
tubagens:
Figura 3.23 – Isolamento térmico
62
3.10
CAPÍTULO 3. SISTEMAS SOLARES TÉRMICOS
Componentes fundamentais dos sistemas solares
térmicos
Os sistemas solares térmicos, possuem componentes fundamentais para o seu correcto
funcionamento. Para tal as seguintes secções darão uma imagem abrangente desses
componentes.
3.10.1
Fluı́do de transferência térmica
Um dos elementos bastante importantes de um sistema solar térmico, é o fluı́do
que transporta a energia térmica produzida no colector solar até ao depósito de
acumulação.
Este fluı́do deve possuir as seguintes caracterı́sticas:
- capacidade térmica elevada;
- condutividade térmica elevada;
- baixa viscosidade.
A água é o fluı́do tı́pico pois além de ser bastante mais barato, não entra em
combustão e não é tóxico. Contudo, podem ocorrer problemas nos sistemas solares
térmicos, devido a congelamentos e evaporações pois, as temperaturas de um sistema
deste tipo podem variar em -15oC e +350o C e a água é um fluı́do que congela de
a 0o C e evapora a 100o C. Então para reduzir este tipo de problema, é adicionados
à água o Glicol . Vulgarmente chamado de anti-congelante o glicol, baixa o ponto
de congelamento e aumenta o ponto de ebulição da mistura. O fluı́do resultante,
depende das temperaturas nominais das localidades e a percentagem de glicol depende
da temperatura mı́nima e da máxima. O glicol contudo, apresenta algumas desvantagens:
3.10. COMPONENTES FUNDAMENTAIS DOS SISTEMAS SOLARES TÉRMICOS
63
- aumenta a corrosão dos materiais da instalação pelo que, devem ser usados
inibidores para baixar o nı́vel de corrosão do fluı́do;
- diminui a conductividade térmica do fluı́do;
- aumenta a viscosidade do fluı́do;
- aumenta a fricção.
3.10.2
Caraterização de bombas de circulação para instalações
solares
Como enunciado no inı́cio do presente capı́tulo, existem dois tipos de instalações
tı́picas:
- Termossifão;
- Circulação forçada.
A circulação por Termossifão por vezes não é possı́vel ou por os colectores estarem
instalados em um nı́vel superior ao depósito de acumulação, ou porque as diferenças
de densidades não são suficientes para vencer a resistência de atrito mas tubagens
então, é usada a Circulação forçada.
As bombas utilizadas são alimentadas com energia eléctrica então, para que o
rendimento global do sistema seja salvaguardado, o seu funcionamento deve ser o
mais baixo possı́vel, e dever-se-à evitar o seu sobredimensionamento Para o dimensionamento deste equipamento, em instalações de grandes áreas de colectores é necessário
fazer estimativas de perdas de pressão na instalação. Nos sistemas familiares os
kits trazem consigo normalmente uma bomba apropriada à dimensão da tubagem
utilizada.
A figura 3.24 apresenta uma bomba para sistemas solares térmicos.
São esperados novos tipos de bombas hidraúlicas e novas drives electrónicas que
64
CAPÍTULO 3. SISTEMAS SOLARES TÉRMICOS
aumentem a eficiência.
Figura 3.24 – Bombas circuladoras para instalações solares
3.10.3
Válvula anti-retorno
Os acessórios anti-retorno têm uma função bastante importante num sistema solar
térmico. É este tipo de equipamento que evita o arrefecimento do depósito de
acumulação nas situações de não funcionamento da bomba solar (sistema de circulação
forçada), por exemplo durante a noite. Deve ser instalada uma válvula anti-retorno
ou um freio de gravidade, no fluxo de retorno entre a bomba e o colector solar.
O dimensionamento, deve ter em atenção o valor da pressão que faz uma válvula
anti-retorno abrir. A figura 3.25 apresenta uma válvula anti-retorno disponı́vel no
mercado:
3.10. COMPONENTES FUNDAMENTAIS DOS SISTEMAS SOLARES TÉRMICOS
65
Figura 3.25 – Válvula anti-retorno
3.10.4
Purgadores de ar
A principal função do purgador de ar é a evacuação de ar. Deverão ser sempre
instalados no ponto mais alto de uma tubagem de um sistema solar térmico. Estes
componentes poderão ser automáticos ou manuais. Como o fluı́do térmico possui
glicol, este deverá ser resistente à corrosão e à temperatura máxima do sistema.
normalmente são instalados purgadores com resistência a uma temperatura máxima
de 150o C. As tubagens têm de ser purgadas para ser libertado o ar no circuito
solar e por sua vez ser substituido por fluı́do térmico. Por vezes quando atingida
a temperatura de estagnação, a pressão interna do circuito solar aumenta e os
purgadores para libertar essa pressão abrem, devem-se evitar estas situações sob
pena, de se perder o fluı́do térmico. A figura 3.26 mostra um purgador para uma
instalação solar térmica:
66
CAPÍTULO 3. SISTEMAS SOLARES TÉRMICOS
Figura 3.26 – Purgador automático
3.10.5
Medidor de caudal ou caudalimetro
O sistema necessita de controlar o fluxo volumétrico do fluı́do térmico para tal, é
instalado um caudalimetro que ligado à estação solar controlará o caudal do fluı́do
através da bomba solar apresentada anteriormente. A imagem 3.27 mostra uma
estação solar com um caudalimetro integrado:
3.10.6
Vaso de expansão
É uma componente fundamental de um sistema térmico. A sua principal função
é absorver, a dilatação do fluı́do que se encontra relacionada com o aumento de
temperatura. Este reservatório é de metal fechado, no interior encontra-se uma
3.10. COMPONENTES FUNDAMENTAIS DOS SISTEMAS SOLARES TÉRMICOS
67
Figura 3.27 – Estação solar com caudalimetro integrado
membrana flexı́vel que separa dois meios:
- um que contém um gás (normalmente nitrogénio) a uma pressão pré-estabelecida;
- e o segundo o fluı́do de transferência térmica que entra no vaso de expansão
quando a temperatura aumenta e por sua vez a pressão.
O tamanho deste vaso deve ser bem dimensionado consoante a quantidade de fluı́do
no circuito solar. Se o vaso for projectado para a dilatação adicional do fluı́do de
transferência térmica, a pressão máxima de operação não é atingida e assim sendo,
não será necessária a actuação de uma válvula de segurança. Podemos dizer que um
sistema deste tipo tem uma segurança intrı́nseca. Mais uma vez é necessário ter em
conta que o fluı́do térmico possui glicol pelo que, a membrana terá de ser resistente
à corrosão provocada pelo glicol. A figura 3.28 apresenta um vaso de expansão de
uma instalação solar térmica:
68
CAPÍTULO 3. SISTEMAS SOLARES TÉRMICOS
Figura 3.28 – Vaso de expansão
3.10.7
Válvulas de segurança
Um sistema solar térmico trabalha com altas temperaturas e pressões para tal
é necessário ter alguns cuidados na sua implementação. A norma EN 12975 ,
regulamenta que nos sistemas solar térmicos, terá de ser instalada, uma válvula de
segurança com uma largura mı́nima de DN15 na secção de entrada. Esta válvula,
permitirá que em caso de um aumento de pressão que ultrapasse a pressão de
regulação, se escoe o fluı́do térmico para um tanque colector. Caso esta situação
acontença, o sistema só deverá ser colocado de novo em funcionamento quando, for
de novo cheio com fluı́do térmico.
3.10. COMPONENTES FUNDAMENTAIS DOS SISTEMAS SOLARES TÉRMICOS
3.10.8
69
Estação solar
No mercado existem diversos modelos de estações solares, de diversas marcas e
consoante o tipo de instalação. Estas estações solares possuem normalmente os
seguintes componentes:
- Purgador;
- Bomba de circulação;
- Sistema anti-retorno;
- Termómetro;
- Manómetro;
- Válvula de segurança;
- Caudalimetro;
- Reservatório com membranas;
- Válvula de fecho;
- Tubagem;
- Recepiente de ligação.
Este tipo de compactação do sistema através de estações solares, reduz erros de
instalação e aumenta a rapidez de instalação. A figura 3.27 apresenta uma estação
solar.
3.10.9
Controlador
O controlador é o dispositivo que controla as bombas solares e tornando a recolha
de energia solar de forma mais eficiente. É neste módulo que as sonda de temperatura
estão ligadas. Os controladores mais actuais já permitem ao utilizador fazer diagnósticos de erros do sistema e registar dados tais como consumos, produção entre outros.
70
3.10.10
CAPÍTULO 3. SISTEMAS SOLARES TÉRMICOS
Controlo da diferença de temperatura
A bomba de circulação solar é controlada através de um diferencial de temperatura,
para tal são necessárias duas sondas de temperatura. A primeira sonda mede a
temperatura na zona do circuito solar, zona onde se atinge temperaturas mais
elevadas antes do fornecimento de calor e depois do colector, por sua vez a segunda
sonda, mede a temperatura do depósito de acumulação à altura do permutador de
calor.
Sondas de temperatura
A eficiência do controlador depende da montagem correcta e do funcionamento das
sondas de temperatura. As sondas podem ser instaladas por contacto, directamente
no absorsor em frente da saı́da do colector ou ainda por imersão dentro do colector.
Este tipo de sonda deverá ter uma alta resistência à temperatura pois como já foi
referido, as temperaturas de estagnação de um colector solar são elevadas.
Deve ser realizada uma protecção mecânica às sondas de temperatura pois, estas
devem ser resistentes aos danos fı́sicos, à influência do tempo e à corrosão. Existem
dois tipos de materiais tı́picos usados na concepção das protecções das sondas de
temperatura; o aço inoxidável e o bronze estanhado.
A sonda de temperatura tem de ser isolada da condensação para tal, o casquilho
da sonda tem um invólucro de plástico laminado ou prensado. Se este isolamento
não for permanente e não resistir aos esforços mecânicos e térmicos a medição da
temperatura poderá ser incorrecta, provocando funcionamentos ”intempestivos”da
bomba solar.
Os cabos de ligação do sensor também deverão ser bastante resistentes. São normalmente em PVC ou numa membrana protectora de silicone. Contudo, em zonas
com temperaturas demasiadamente elevadas, são utilizadas cabos com isolamento
3.10. COMPONENTES FUNDAMENTAIS DOS SISTEMAS SOLARES TÉRMICOS
71
em PTFE (Politetrafluoretileno vulgarmente chamado Teflon). No caso de
instalação no exterior deverão ser colocados tubos para passar os cabos da sonda,
esses tubos podem ser em aço inoxidável ou materiais similares, nunca em PVC
devido aos potenciais problemas ambientais. Deverão ser aplicados ondas de platina
de alta qualidade pois a diferença de preço para sondas de menor qualidade é muito
baixa.
4
Estudo do sistema solar
térmico para a ROCA S.A
A Roca S.A, emprega cerca de seiscentas pessoas em duas unidades fabris designadas
por Leiria 1 e Leiria 2. O desafio desta dissertação é projectar um sistema solar
térmico para aquecimentos de águas sanitárias (AQS) para os balneários da fábrica
Leiria 1. Actualmente o sistema consiste em duas caldeiras da marca ROCA, que
consomem gás natural cada uma com uma potência de 15 e 11 kW. A acumulação é
realizada através de cinco depósitos de acumulação de quinhentos litros num total de
dois mil e quinhentos litros de água quente acumulada). Para saber as necessidades
para o projecto foram realizadas medições de volume de água quente consumido e
de gás natural consumido durante um perı́odo de três meses.
73
74
4.1
CAPÍTULO 4. ESTUDO DO SISTEMA SOLAR TÉRMICO
Consumos de água quente consumida e gás
natural
Foi instalado no sistema, um caudalimetro para verificar todos os consumos diários
e por horários de modo a se realizar uma auditoria fiável ao sistema. A Roca S.A
possui um sistema de supervisão que monitoriza e grava o histórico de consumos
de gás natural. Os gráficos 4.1, 4.2 e a tabela 4.1, mostram os consumos de água
quente, gás natural em m3 durante o mês de Janeiro de 2010.
Figura 4.1 – Consumo de água quente nos balneários de Leiria 1
Figura 4.2 – Consumo de gás natural nos balneários, em Janeiro de 2010
4.1. CONSUMOS DE ÁGUA QUENTE CONSUMIDA E GÁS NATURAL
75
Figura 4.3 – Correlação entre o gás consumido e o volume de água aquecida
Através da recolha de dados da auditoria de consumos foi ainda possı́vel recolher
os princı́pais perı́odos de consumo de água quente nos balneários.
Podem ser
considerados quatro perı́odos distintos ao longo do dia, como podemos ver no gráfico
4.4:
Figura 4.4 – Distribuição de consumos de água quente
76
CAPÍTULO 4. ESTUDO DO SISTEMA SOLAR TÉRMICO
Tabela 4.1 – Consumos de gás natural e água quente do mês de Janeiro de 2010 em Leiria
1
Dia
1
2
3
4
5
6
7
8
9
10
11
12
13
14
15
16
17
18
19
20
21
22
23
24
25
26
27
28
29
30
31
Totais
Dia semana
Sexta-feira
Sábado
Domingo
Segunda-feira
Terça-feira
Quarta-feira
Quinta-feira
Sexta-feira
Sábado
Domingo
Segunda-feira
Terça-feira
Quarta-feira
Quinta-feira
Sexta-feira
Sábado
Domingo
Segunda-feira
Terça-feira
Quarta-feira
Quinta-feira
Sexta-feira
Sábado
Domingo
Segunda-feira
Terça-feira
Quarta-feira
Quinta-feira
Sexta-feira
Sábado
Domingo
-
Gás m3
26.40
15.02
14.60
25.94
26.39
26.85
30.94
33.67
15.02
16.38
29.12
25.03
26.39
24.57
25.03
16.38
14.56
24.12
24.12
24.57
26.39
24.12
20.93
16.94
25.94
26.39
27.76
27.76
26.39
16.84
15.02
719.34
Água quente consumida m3
2.6
1
1
2.5
3
3.1
3.2
3.5
0.8
1
3.1
2.55
3
2.9
2.5
0.8
2
3
3
3.02
3.08
3
2
0.9
3
3.2
3.28
3.2
2.9
1
0.8
73.94
Custo do gás natural e
7.92
4.50
4.37
7.78
7.92
8.05
9.28
10.10
4.50
4.91
8.74
7.51
7.92
7.37
7.51
4.91
4.37
7.23
7.23
7.37
7.92
7.23
6.28
5.05
7.78
7.92
8.33
8.33
7.92
5.05
4.50
215.81
Desta forma podemos iniciar o dimensionamento do sistema solar térmico. São
necessários cerca de 73m3 de água quente por mês. A instalação actual tem para
os balneários masculinos dois depósitos acumuladores de 500 litros enquanto os
4.2. DIMENSIONAMENTO DA INSTALAÇÃO SOLAR TÉRMICA
77
balneários femininos possuem três depósitos acumuladores de 500 litros. Este depósitos
acumuladores não estão preparados para a utilização de um circuito solar pois não
possuem, uma entrada secundária, logo terão de ser substituı́dos por outros.
4.2
Dimensionamento da instalação solar térmica
Para o dimensionamento do sistema é necessário ter acesso a alguns dados que,
variam de localidade para localidade:
- Temperatura da água da rede (o C);
- Consumo médio de água mensal obtido através da auditoria aos consumos (m3 );
- Percentagem de utilização da instalação;
- Irradiação horizontal média (MJ/m2 );
- Número de horas de sol;
- Factor de inclinação segundo a latitude da localidade.
Os valores da temperatura da água da rede 4.2 foram obtidos por consulta da tabela
do manual de projectista solar térmico do ISQ [4]:
Os cálculos são apresentados por passos e como exemplo será considerado o mês de
Janeiro:
- Passo 1: calcular o salto térmico. O passo térmico é dado pela diferença entre a
temperatura desejada para o depósito de acumulação e a temperatura média mensal
da água da rede de alimentação.
∆t = Tdep − Trede ;
Onde:
(4.1)
78
CAPÍTULO 4. ESTUDO DO SISTEMA SOLAR TÉRMICO
Tabela 4.2 – Temperatura da água da rede
Mês
Temperatura da água (o C)
Janeiro
10,8
Fevereiro
10,8
Março
11,8
Abril
12,8
Maio
13,7
Junho
15,2
Julho
16,2
Agosto
16,1
Setembro
15,6
Outubro
14,1
Novembro
11,6
Dezembro
10,6
∆t - Passo térmico (o C);
Tdep - Temperatura desejada no depósito acumulador (o C);
Trede - Temperatura média mensal da água da rede (o C).
O sistema será dimensionado para uma temperatura de 50o C então, para o mês de
Janeiro o passo térmico será dado por:
∆t = Tdep − Trede = 50 − 10, 8 = 39, 2oC
- Passo 2: calcular as necessidades energéticas. Pela primeira Lei da Termodinâmica,
a energia mensal necessária para o aquecimento do volume de água desejado é dado
por:
Enecess = 4.18 × m × ce × ∆t ;
Onde:
Enecess - Energia necessário para aquecer o volume de água necessário (MJ).
(4.2)
4.2. DIMENSIONAMENTO DA INSTALAÇÃO SOLAR TÉRMICA
79
∆t - Passo térmico (o C);
m - Massa da quantidade de água necessária ( aproximadamente o valor de m3
(kg);
ce - calor especifico da água (1 Termia/tonelada.o C)
Logo:
Enecess = 4.18 × m × ce × ∆t = 4.18 × 73 × 1 × 39.2 = 11961.49MJ
- Passo 3: Consultar os valores da irradiação horizontal média e afectar pelo
coeficiente segundo a exposição à poluição.
Hmedcorrig = δamb × Hmedrede ;
Onde:
Hmedcorrig - Irradiação horizontal média corrigida (MJ/m2 );
δamb - coeficiente de correcção devido à exposição à poluição (o C);
Hmedrede - Irradiação horizontal média (MJ/m2 ).
A tabela 4.3 apresenta a irradiação solar média diário por cada mês:
Logo: Hmedcorrig = 0.94 × 6.8 = 6.39(MJ/m2 )
(4.3)
80
CAPÍTULO 4. ESTUDO DO SISTEMA SOLAR TÉRMICO
Tabela 4.3 – Irradiacao horizontal média mensal
Mês
Irradiação horizontal média diária por cada mês (M J/m2 )
Janeiro
6.8
Fevereiro
9.8
Março
13
Abril
18.2
Maio
21.8
Junho
23.5
Julho
24.6
Agosto
22.6
Setembro
16.7
Outubro
12
Novembro
8.2
Dezembro
6.5
O coeficiente de afectação devido poluição é de [4]:
- 0.94 para zonas industriais;
- 0.95 para zonas urbanas;
- 0.97 para zonas rurais;
- 1.05 para zonas montanhosas com atmosfera limpa.
- Passo 4: Factor de correcção de inclinação β. Este factor tem grande influência
no rendimento do sistema solar térmico. A inclinação óptima dos painéis solares é
normalmente escolhido por uma regra prática. A inclinação deve ser maior que a
diferença entre 90o e a altura solar média do mês médio do perı́odo considerado.
Tendo em conta o mapa solar de Portugal, de forma a se optimizar a produção de
água quente, os colectores solares deverão ser orientados para o Sul geográfico (não
coincidente com o Sul magnético definido pela bússula já que, o Sul geográfico está
cerca de 4o para a direita do Sul magnético) [4] com as inclinações apresentadas em
4.4:
4.2. DIMENSIONAMENTO DA INSTALAÇÃO SOLAR TÉRMICA
81
Tabela 4.4 – Tabela da inclinação dos colectores solares
Utilização
Ângulo
Todo o ano (AQS)
Latitude do local + 10o
Inverno (aquecimento)
Latitude do local +15o
Verão (piscinas/hotéis de temporada)
Latitude do local
- Inclinacao tipica dos colectores solares segundo a sua utilizacao
Para tal, verificando-se que a presente instalação será implementada em Leiria
(coordenadas Latitude 39.80 o N e Longitude 8,79 o W) e sabendo que a empresa
labora todo o ano então, esta instalação terá instalado os colectores solares com
uma inclinação de 50o . O factor de correcção de inclinação para uma latitude de
40o e uma inclinação de 50o , é dada pela tabela 4.5:
Tabela 4.5 – Factor de correccao de inclinacao (k)
Mes
JAN
FEV
MAR
ABR
MAI
JUN
JUL
AGO
SET
OUT
NOV
DEZ
Factor
1.41
1.28
1.13
0.98
0.87
0.83
0.87
0.99
1.18
1.39
1.54
1.52
82
CAPÍTULO 4. ESTUDO DO SISTEMA SOLAR TÉRMICO
Passo 5: Cálculo da energia total teórica de um dia médio por metro quadrado,
Etotalteor [4]. Após a determinação do factor de correcção de inclinação (k) e
Irradiação solar média corrigida (Hmedcorrig ) é possı́vel calcular a energia total
teórica de um dia médio por metro quadrado através da seguinte expressão:
Etotalteor = ϕ × k × Hmedcorrig ;
(4.4)
Onde:
Etotalteor - energia total teórica de um dia médio por metro quadrado
(MJ/m2 /dia);
ϕ - constante que reflecte 6% de perda de energia solar recebida;
Hmedcorrig - Irradiação horizontal média corrigida (MJ/m2 );
k - Factor de correção de inclinação.
Para o mês de janeiro e por cada dia temos:
Etotalteor = 0.94 × 1.41 × 6.39 = 8.47(MJ/m2 /dia)
Os sistemas térmicos solares funcionam por circulação de um fluı́do que se põe em
movimento pela acção da temperatura ou por acção de uma bomba circuladora que,
só deverá ser activada se houver energia para aproveitar. No entanto nas primeiras
horas da manhã ou às últimas da tarde, a temperatura nos colectores não é suficiente
para se dar essa circulação. Empiricamente, é demonstrado que a energia que não se
aproveita durante essas horas de pouca altura solar é aproximadamente de 6 % da
energia total diária [4], logo a energia total teórica por dia deverá ser multiplicada
por uma constante ϕ de valor 0.94.
Passo 6: Neste passo será calculado o valor da radiação global incidente sobre o
colector por metro quadrado. É necessário saber para a localidade, qual o número
de horas de sol úteis. Na tabela 4.6 são indicados os valores diários[4]:
4.2. DIMENSIONAMENTO DA INSTALAÇÃO SOLAR TÉRMICA
83
Tabela 4.6 – Número de horas úteis de sol diárias
Mes
JAN
FEV
MAR
ABR
MAI
JUN
JUL
AGO
SET
OUT
NOV
DEZ
No de Horas
8
9
9
9.5
9.5
9.5
9.5
9.5
9
9
8
7.5
Assim sendo, a radiação global incidente é dada por:
I=
Etotalteor × 106
Nsol × 3600
(4.5)
Onde:
I - Radiação global incidente diária (W/m2 /dia);
Etotalteor - energia total teórica de um dia médio por metro quadrado
(MJ/m2 /dia);
Nsol - número de horas úteis de sol diárias.
Para o mês de Janeiro:
I=
8.47 × 1 × 106
= 294.1(W/m2)
8 × 3600
Passo 7: É necessário saber quais as temperaturas médias durante as horas de sol
e quais os colectores solares que se pretendem utilizar.
A tabela 4.7 ilustra essa distribuição de temperaturas médias mensais durante as
horas de sol:
84
CAPÍTULO 4. ESTUDO DO SISTEMA SOLAR TÉRMICO
Tabela 4.7 – Temperatura ambiente média mensal durante as horas de sol
Mes
JAN
FEV
MAR
ABR
MAI
JUN
JUL
AGO
SET
OUT
NOV
DEZ
Temperatura
10.1
10.8
12.2
13.9
16.3
18.8
20.8
20.9
19.8
17.2
12.7
10.1
Para este projecto foram seleccionados, os colectores solares que se ilustram na figura
4.5 com as seguintes caracterı́sticas com uma superfı́cie de abertura de 2.33 m2 .
Figura 4.5 – Colectores solares utilizados no projecto
4.2. DIMENSIONAMENTO DA INSTALAÇÃO SOLAR TÉRMICA
85
A curva de rendimento caracterı́stica é traduzida pela equação 4.6:
η = 0.789 − 3.606T ∗ − 0.012 × I × (T ∗ )2
T∗ =
Tm − Ta
I
(4.6)
(4.7)
Onde:
η - Rendimento do colector;
T ∗ - Temperatura atingida (o C.m2 /W );
Tm - Temperatura média do colector (o C);
Ta - Temperatura ambiente média diária (o C);
I - Irradiação solar média (W/m2 ).
Da equação 4.6, 4.7, resulta a equação 4.8
η = 0.789 − 3.606 ×
(T m − T a)2
Tm − Ta
− 0.012 ×
I
I
(4.8)
86
CAPÍTULO 4. ESTUDO DO SISTEMA SOLAR TÉRMICO
De seguida pode ser observada a curva de rendimento tı́pico do colector utilizado,
que traduz a equação 4.8 para uma radiação solar de 1000 W/m2 .
Figura 4.6 – Curva do rendimento tı́pico em função de T ∗
Tendo como base a equação 4.6, para o mês de Janeiro o rendimento do colector
será de:
T∗ =
50 − 10.1
= 0, 136oC.m2 /W
294, 1
η = 0.789 − 3.606 × 0, 136 − 0.012 × 0, 1362 = 29, 83%
Passo 8: Neste momento já é sabido o valor do rendimento do colector para todos
os meses bem como, a energia total teórica de um dia médio por metro quadrado.
Tendo em conta a equação 4.4 e 4.8 então, a energia captada por metro quadrado
(kWh/dia) será dado pela equação 4.9
4.2. DIMENSIONAMENTO DA INSTALAÇÃO SOLAR TÉRMICA
Ecapt = Etotalteor ×
η
100
87
(4.9)
Onde:
η - rendimento do colector (%);
Ecapt - energia total captada por dia por metro quadrado (MJ/m2 /dia);
Etotalteor - energia total teórica de um dia por metro quadrado (MJ/m2 /dia).
Para cada dia do mês de Janeiro, teremos:
Ecapt = Etotalteor ×
η
29, 83
= 8.47 ×
= 2, 53(MJ/m2 /dia).
100
100
Passo 9: Neste passo é necessário proceder à escolha do(s) depósito(s) de acumulação
para o cálculo da energia útil captada por dia por metro quadrado.
Não será neste passo que será dimensionado o volume do depósito de acumulação
mas sim qual o tipo de depósito utilizado. Para tal será utilizado um depósito de
acumulação com permutador de calor interno de dupla serpentina com um rendimento
tı́pico de 65%. Mais adiante, neste trabalho, se necessário, quando se dimensionar
o volume do depósito de acumulação e se este ultrapassar os 3000 litros, então será
ponderada a utilização de um permutador de externo de placas.
Pela equação 4.10 será calculada a energia útil captada por dia por metro quadrado:
ηacum =
Ecaptutil
Ecapt
Onde:
ηacum - rendimento do depósito de acumulação (%);
Ecaptutil - energia útil captada por dia por metro quadrado (MJ/m2 /dia);
Ecapt - energia total captada por dia por metro quadrado (MJ/m2 /dia).
(4.10)
88
CAPÍTULO 4. ESTUDO DO SISTEMA SOLAR TÉRMICO
Logo para um dia do mês de Janeiro:
Ecaptutil = 0.65 × 2.53 = 1.651(MJ/m2 /dia)
Para o mês de Janeiro (31 dias de produção):
Ecaptutil = 31 × 1.65 = 51, 18(MJ/m2 )
Passo 10: Este passo importante, consiste em calcular a área de colectores solares.
A tabela 4.8 indica, o resumo dos cálculos anuais da energia necessária para o
aquecimento da água Enecess e a energia útil captada por mês por metro quadrado:
Ecaptutil .
Tabela 4.8 – Resumo das necessidades energéticas e da energia útil captada num ano
Mes
Necessidade energética (MJ)
Energia útil captada (M J/m2 )
Janeiro
11961.49
51,18
Fevereiro
11633.78
78,48
Março
11656.35
117.34
Abril
11351.21
155.64
Maio
11076.58
182.67
Junho
10618.87
190.12
Julho
5227.51
110.36
Agosto
5172.12
117.09
Setembro
10496.82
199.08
Outubro
10954.53
157.08
Novembro
11717.38
96.11
Dezembro
8234.6
29.27
Soma:
120101.22
1484.41
Com os resultados totais da tabela 4.8 e usando a equação 4.11, pode-se calcular a
superfı́cie teórica de colectores solares necessários para satisfazer as necessidades de
aquecimento de água quente:
Areasup =
Etotalnecess
Etotalcaptanoutil
(4.11)
4.2. DIMENSIONAMENTO DA INSTALAÇÃO SOLAR TÉRMICA
89
Onde:
Areasup - Área de colectores necessária para satisfazer as necessidades (m2 );
Etotalnecess - Energia total necessária para um ano (MJ);
Etotalcaptanoutil - Energia útil total captada num ano (MJ/m2 ).
Então:
Areasup =
120101.22
= 80.91m2
1484.41
O colector seleccionado tem uma superfı́cie de abertura de 2.33m2 [5] pelo que, o
número de colectores será pela 4.12:
Ncolect =
Areasup
Scolec
(4.12)
Onde:
Ncolect - Número de colectores Areasup - Área de colectores necessária para
satisfazer as necessidades (m2 );
Scolec - Superfı́cie de abertura do colector solar (m2 ).
Então:
Ncolec =
80.91
= 34.73 colectores solares.
2.33
Com base no cálculo teórico seriam precisos 35 colectores solares para satisfazer as
necessidades de energia.
Passo 11: Neste passo serão calculados os valores de energia solar final produzidas
pela superfı́cie de colectores solares, a percentagem de substı́tuição da energia solar,
o défice energético e a percentagem da energia de apoio (caldeira a gás).
90
CAPÍTULO 4. ESTUDO DO SISTEMA SOLAR TÉRMICO
Esolar = Areasup × Ecapt
(4.13)
Onde: Esolar - Energia solar produzida (MJ);
Areasup - Área dos colectores solares necessária para satisfazer as necessidades (m2 );
Ecaptmesutil - Energia útil total captada (MJ/m2 /mes).
Então para o mês de Janeiro: Esolar = 80.91 × 51.18 = 4140.97(MJ)
P ercentsubstit =
Enecess
× 100
Esolar
(4.14)
Onde: P ercentsubstit - Percentagem de substituição de gás natural por energia solar
(%);
Enecess - Energia necessário para aquecer o volume de água necessário (MJ);
Esolar - Energia solar produzida (MJ).
Então para o mês de Janeiro:
P ercentsubstit =
4140.97
× 100 = 34.62%
11961.49
Defenerg = Enecess − Esolar
(4.15)
Onde: Defenerg - Energia a fornecer pelo apoio (MJ);
Enecess - Energia necessário para aquecer o volume de água necessário (MJ);
Esolar - Energia solar produzida (MJ).
Então para o mês de Janeiro:
Defenerg = 11961.49 − 4140.97 = 7820.52(MJ).
P ercentapoio = 100 − P ercentsubstit
(4.16)
4.2. DIMENSIONAMENTO DA INSTALAÇÃO SOLAR TÉRMICA
91
Onde: P ercentapoio - Percentagem de utilização do apoio (%);
P ercentsubstit - Percentagem de substituição de gás natural por energia solar (%).
Então para Janeiro: P ercentapoio = 100 − 34.62 = 65.38%
Aplicando equações 4.13, 4.14, 4.15 e 4.16, os resultados são apresentados na tabela
4.9.
Tabela 4.9 – Resultados energeticos finais
Mes
Esolar(MJ)
% de substituição
Défice energético (MJ)
% de utilização do apoio
Janeiro
4140.97
34.62
7820.52
65.38
Fevereiro
6350.01
54.58
5283.76
45.42
Março
9494.36
81.45
2161.99
18.55
Abril
12592,54
110.94
-1241.33
0
Maio
14779.54
133.43
-3702.96
0
Junho
15382.34
144.86
-4763.47
0
Julho
8929.17
170.81
-3701.66
0
Agosto
9473.49
183.16
-4301.37
0
Setembro
16107.49
153.45
-5610.67
0
Outubro
12709.37
116.02
-1754.84
0
Novembro
7776.38
66.37
3941.00
33.63
Dezembro
2367.88
28.76
5866.72
71.24
Valores médios
106,53
19,2
Como podemos verificar, a percentagem de substituição em muitos meses ultrapassa
os 100% indicando que, com esta quantidade de colectores solares, existe excesso
de energia produzida. Teremos então, de diminuir o valor de colectores solares,
penalizando a captação do Inverno mas que consequentemente reduzir os custos da
instalação.
92
CAPÍTULO 4. ESTUDO DO SISTEMA SOLAR TÉRMICO
Figura 4.7 – Optimizacao do numero de colectores solares
4.3
Dimensionamento dos depósitos de acumulação
O ponto óptimo do dimensionamento do sistema é, no ponto onde a fracção solar é
igual à eficiência do sistema solar [6] como podemos observar no gráfico 4.7. Para
além de que, um sistema encontra-se na área do ponto óptimo quando, satisfaz as
duas desigualdades apresentadas em 4.17.
60 <
V
< 100
Areasup
Onde:
Areasup - Área de colectores necessária para satisfazer as necessidades (m2 );
V - Volume do depósito de acumulação (m3 ).
(4.17)
4.3. DIMENSIONAMENTO DOS DEPÓSITOS DE ACUMULAÇÃO
93
Para calcular o número de colectores óptimos para a instalação teremos de dimensionar
o volume do depósito de acumulação. Existem três formas de achar o volume para
a instalação:
a) pela superfı́cie colectora instalada;
b) pela temperatura de utilização;
c) Desfasamento entre captação-armazenamento e consumo.
a) Estudos efectuados comprovam, que o volume óptimo de acumulação ronda os
70l/m2 de colector [4]. Valores superiores não conduzem a percentagens significativamente
maiores de aproveitamento da energia solar incidente, mas contribuem apenas para
o aumento do depósito acumulador.
Pelo gráfico 4.8 podemos observar que a
partir de 70l/m2 de colector a energia útil pouco aumenta (excepto em processos
industriais)[7]:
Figura 4.8 – Percentagem de energia solar versus volume
94
CAPÍTULO 4. ESTUDO DO SISTEMA SOLAR TÉRMICO
b) Outra forma de seleccionar o volume do depósito de acumulação é através da
temperatura apropriada para a sua aplicação [7]. Quanto menor for a temperatura
desejada para a instalação, maior é o rendimento global do sistema solar térmico.
É conveniente que um sistema de AQS esteja dimensionado para uma temperatura
nominal de 45o C a 50o C. Pela a interpretação do gráfico 4.9, pode-se verificar que
quanto menor a acumulação, maior a temperatura que o sistema pode atingir [4].
c) A terceira forma de seleccionar o depósito de acumulação será pelo desfasamento
entre captação-armazenamento e consumo. Existem três tipos de factores de serviço
que condicionam o dimensionamento do depósito de acumulação:
- o factor de coincidência entre o perı́odo de captação e de consumo, caso de
pré-aquecimento de água para reposição numa caldeira num processo industrial
contı́nuo. Em regra geral o volume do depósito acumulador deverá variar entre 35
a 50l/m2 de colector;
- o factor do desfasamento entre captação e consumo não superior a 24 horas (caso
de aquecimento de águas sanitárias) o volume do acumulador deverá ser de 60 a
90l/m2 . O valor tı́pico utilizado é de 70l/m2 ;
- o factor de diferença entre captação e consumo superiores a 24h e inferiores a
72h, caso de aquecimento de água para processos industriais. O volume tı́pico de
depósito de acumulação deverá situar-se entre 75 e 150l/m2 .
Após o estudo da melhor forma de dimensionar o depósito de acumulação, será
escolhido a terceira forma c). Este forma de dimensionamento justifica-se com o
facto de existirem perı́odos do dia em que existe grande consumo durante os perı́odos
de produção de água quente. Além de que o valor médio de consumo diário ao longo
dos meses é de 2355 litros (73 m3 por mês dando aproximadamente 2355 litros por
dia). Então o volume do depósito de acumulação será de 2500 litros.
4.3. DIMENSIONAMENTO DOS DEPÓSITOS DE ACUMULAÇÃO
95
Figura 4.9 – Variação do volume de acumulação com a temperatura obtida
Desta forma, podemos constatar que o primeiro valor de superfı́cie calculado não
cumpre a condição da inequação 4.17:
60 <
V
2500
< 100 ⇐⇒ 60 <
< 100 ⇐⇒ 60 < 30.9 < 100
Areasup
80.91
Concluimos
assim
que
a
instalação
não
cumpre
o
critério
definido.
Visualizando a tabela 4.9, verificamos que a média da percentagem de substituição
de energia solar é superior a 100%. Por outro lado, a média da percentagem de
utilização do apoio é de 19.2% então, como primeiro passo de acordo com a figura
4.7 teremos de redimensionar o valor da superfı́cie dos colectores solares até que, o
valor da fracção solar seja aproximadamente igual da eficiência do sistema solar e
obedecer ao enunciado em 4.17.
Para o volume de acumulação de 2500 e segundo a equação 4.17 verificamos que a
área de colectores solares tem de obedecer ao seguinte:
25 < A < 42
96
CAPÍTULO 4. ESTUDO DO SISTEMA SOLAR TÉRMICO
Atendendo a 4.7, verifica-se que o máximo valor da fracção solar para o sistema se
encontrar optimizado é de 50%:
A fracção solar para esta instalação é dado por:
Fsol =
Esoltotal
Esoltotal + Etotalapoio
(4.18)
Onde: Fsol - Fracção solar (%);
Esoltotal - Energia solar total produzida (MJ);
Etotalapoio - Energia total do apoio (MJ).
Então: Fsol =
60859.81
× 100 = 50.6%
60859.81 + 59241.41
A eficiência do sistema é dado por:
Es =
Esoltotal
Ig × A
(4.19)
Onde: Es - Eficiência do sistema (%);
Esoltotal - Energia solar total produzida (MJ);
Ig - Energia total do apoio (MJ/m2 );
A - Área de colectores solares.
Então: Es =
60859.81
× 100 = 28.2%
5264.8 × 41
Passamos a ter a tabela 4.10 de resumo de necessidades energéticas e de energia útil:
Verificamos assim que, a área de superfı́cie para um sistema optimizado é de 41m2
equivalente 17 colectores solares. Desta forma será realizar um resumo do dimensionamento
da instalação. Contudo e mantendo os critérios anunciados, este valor será diminuı́do
para 16 colectores devido ao tipo de instalação que se vai realizar. Então: 60 <
2500
V
< 100 ⇐⇒ 60 <
< 100 ⇐⇒ 60 < 67.1 < 100
Areasup
37.28
Verifica-se que a condição está satisfeita.
4.3. DIMENSIONAMENTO DOS DEPÓSITOS DE ACUMULAÇÃO
97
Tabela 4.10 – Resultados energéticos finais optimizados
Mes
Esolar produzida(MJ)
% de substituição
Défice energético(MJ)
% de utilização do apoio
Janeiro
2097.41
17.53
9864.08
82.47
Fevereiro
3217.78
27.66
8416.00
72.34
Março
4811.13
41.27
6845.21
58.73
Abril
6381.09
56.22
4970.12
43.78
Maio
7489.33
67.61
3587.26
32.39
Junho
7794.78
73.41
2824.09
26.59
Julho
4524.73
86.56
702.78
13.44
Agosto
4800.56
92.82
371.56
7.18
Setembro
8162.24
77.76
2334.57
22.24
Outubro
6440.29
58.79
4514.23
41.21
Novembro
3940.57
33.63
7776.81
66.37
Dezembro
1199.89
14.57
7034.71
85.43
Total
60859
59241.41
A fracção solar para esta área de colectores será de 47% e eficiência da instalação
de 28% A instalação será composta por 16 colectores marca BaxiRoca referência PS
2.4 com as seguintes caracerı́sticas [5]:
- Superfı́cie total: 2.52 m2 ;
- Superfı́cie de abertura: 2.33 m2 ;
- Capacidade: 2.20 litros;
- Peso: 54 kg;
- Pressão máxima de trabalho: 10 bar;
- Temperatura de estancamento: 210 ◦ C;
- Tratamento selectivo:
- Absorção: 95% ± 2%;
- Emitância: 5% ± 2%;
- Tonalidade: azul escuro.
Os depósitos de acumulação serão 2 no total da marca BaxiRoca com referência AS
98
CAPÍTULO 4. ESTUDO DO SISTEMA SOLAR TÉRMICO
1500-2 E AS 1000-2 E [5] perfazendo um volume de acumulação de 2500 litros. Na
figura 4.10 ilustra-se os depósitos de acumulação em que a única diferença são as
suas dimensões.
Figura 4.10 – Depósito de acumulação de 1000 e 1500 litros
AS 1500-2 E:
- peso em vazio (kg): 430;
- peso cheio (kg): 1.930;
- superfı́cie de permuta superior (m2 ): 2.5;
- superfı́cie de permuta inferior (m2 ): 4.2;
- capacidade da serpentina superior (l): 17.5;
- capacidade da serpentina inferior (l): 26.5;
4.4. DIMENSIONAMENTO DE TUBAGENS, BOMBA CIRCULADORA E VASO DE EXPANSÃO 99
AS 1000-2 E:
- peso em vazio (kg): 254;
- peso cheio (kg): 1254;
- superfı́cie de permuta superior (m2 ): 1.8;
- superfı́cie de permuta inferior (m2 ): 2.4;
- capacidade da serpentina superior (l): 11;
- capacidade da serpentina inferior (l): 14.5;
Para dar continuidade ao dimensionamento da instalação, é necessário realizar o
dimensionamento das tubagens.
4.4
4.4.1
Dimensionamento de tubagens, bomba circuladora
e vaso de expansão
Cálculo de tubagens
Por informação do fabricante, é recomendado um caudal de 1.5 litros por minuto
por colector. Este valor é obtido nos ensaios com água pelo que se vamos usar o
fluı́do térmico teremos de ter em atenção o seu calor especı́fico. Será utilizado uma
solução de propilenglicol a 25% com um calor especı́fico de 0.97 kcal/kgo C para uma
temperatura de 45o C.
O caudal recomendado será afectado pelo calor especifı́co da solução e que pode ser
relacionado através da equação 4.20
Qcolector =
Onde:
- Qcolector - caudal do colector (litros/min);
Qagua
csolucao
(4.20)
100
CAPÍTULO 4. ESTUDO DO SISTEMA SOLAR TÉRMICO
- Qagua - caudal recomendado pelo fabricante com água no circuito (litros/min);
- csolucao - calor especifı́co da solução de propilenglicol (kcal/kg o C).
Então, o caudal para cada colector será:
Qcolector =
1.5
= 1.55(litros/min)
0.97
Como serão instalados 16 colectores, o caudal total do circuito primário será dado
pela equação 4.21:
Qcircuito = N o colectores × Qcolector
(4.21)
Onde:
Qcircuito - Caudal do circuito primário da instalação (litros/m)
Qcolector - caudal do colector (litros/m);
No colectores - Quantidade de colectores solares a instalar.
Logo:
Qcircuito = 16 × 1.55 = 24.80(litros/min) aproximadamente 1.49 m3 /h.
Por aproximação, podemos usar para cálculo do diâmetro da tubagem a expressão
4.22 [4]:
d = j × Q0.35
circuito
Onde:
d - diâmetro interior da tubagem (cm);
Qcircuito - caudal do circuito primário da instalação (m3 /h).
J- 2.2 para tubagens metálicas e 2.4 para tubagens plásticas
(4.22)
4.4. DIMENSIONAMENTO DE TUBAGENS, BOMBA CIRCULADORA E VASO DE EXPANSÃO101
Será escolhido para o circuito primário tubagem em cobre (tubagem metálica) e o
diâmetro para aplicação da equação 4.22, será o seguinte valor:
d = 2.2 × 1.490.35 = 2.53 cm cerca de 25mm.
O diâmetro interior comercial mais próximo é de 26 mm interior e exterior de 28mm.
Após o diâmetro definido, existem duas condições que têm de ser respeitadas:
a) A velocidade de circulação do lı́quido terá que ser inferior a 1.5m/s;
b) A perda de carga por metro linear de tubo não pode superar 40 mmca/m .
Para satisfazer a condição indicada em a) a velocidade de circulação do lı́quido será
calculado pela expressão da continuidade da hidráulica em tubagens:
Qcircuito = A × V
(4.23)
Onde:
Qcircuito - caudal do circuito primário da instalação (m3 /s);
A - área da secção transversal do tubo (m2 );
V - velocidade de circulação do fluı́do (m/s).
A área de secção transversal de um tubo circular é dada pela equação 4.24:
A=π
Onde:
A - área de secção transversal (m2 );
d - diâmetro interno do tubo (m).
d2
4
(4.24)
102
CAPÍTULO 4. ESTUDO DO SISTEMA SOLAR TÉRMICO
O tubo seleccionado tem diâmetro interno 28mm então:
A=π
0.0262
= 5.31 × 10−4 (m2 ).
4
Desta forma, é possı́vel calcular a velocidade de circulação do circuito primário, pela
equação 4.23 vem:
1.49
Qcircuito
= 3600 = 0, 78m/s < 1.5m/s ⇒ Condição está satisfeita.
V=
A
5.31e − 4
Para verificar b) a perda de carga por metro linear, é necessário usar as equações
de Darcy-Weisbach e de Colebrook-White [8]. Em 1845, surge a equação de DarcyWeisbach, dada pela equação 4.25:
hf = f
L×V2
d × 2g
(4.25)
Tendo em conta a equação 4.23, esta equação assume uma forma mais conveniente.
1
8 × Q2circuito
=
f
J × π 2 × g × d5
(4.26)
Onde:
hf - perda de carga ao longo do comprimento do tubo (mca);
f - factor de atrito (adimensional);
L - comprimento do tubo (m);
V - velocidade do lı́quido no interior do tubo (m/s);
d - diâmetro interno do tubo (m);
g - aceleração da gravidade (m/s2 );
hf
J = , perda de carga unitária (mca/m).
L
Posteriormente em 1939 estabelece-se definitivamente o factor de atrito f, através
4.4. DIMENSIONAMENTO DE TUBAGENS, BOMBA CIRCULADORA E VASO DE EXPANSÃO103
da equação de Colebrook-White como mostrado na equação 4.27 [8]:
1
k
2.52
√ = −2log10 × 0.27 × +
√
d Re × f
f
(4.27)
Onde:
f - factor de atrito (adimensional);
d - diâmetro interno do tubo (m);
k - rugosidade equivalente da parede do tubo (m);
Re - número de Reynolds (adimensional).
Como podemos observar a variável f aparece nos dois lados da equação logo, para
resolver esta equação temos de utilizar métodos iterativos.
O número de Reynolds é dado pela equação 4.28
Re =
4 × Qcircuito
π×d×v
(4.28)
Onde:
Re - Número de Reynolds;
v - viscosidade cinemática do lı́quido (m2 /s);
Qcircuito - caudal do circuito primário da instalação (m3 /h);
d - diâmetro interno do tubo (m).
Substituindo a equação 4.26 de Darcy-Weisbach na equação 4.27 de ColebrookWhite[8], resultam em três equações 4.29, 4.30 e 4.31 de modo a se obterem as
variáveis desejadas (diâmetro, caudal de escoamento e perda de carga unitária.
104
CAPÍTULO 4. ESTUDO DO SISTEMA SOLAR TÉRMICO
dn+1
"
0, 7267 × Q0.4
circuito
=
−log10
(J × g)0.2
Qcircuito
Jn+1
k
1.7748 × v
0.27 ×
+p
Dn
J × g × Dn3
p
= −2.2214 × J × g × D 5 × log10
"
0.2026 × Q2circuito
−log10
=
(D 5 × g)
!#−0.4
1.7748 × v
k
0.27 × + p
D
J × g × D3
k
1.7748 × v
0.27 ×
+p
Dn
D 3 × g × Jn
!#−2
(4.29)
!
(4.30)
(4.31)
Resolvendo a equação 4.31, por aproximação, utilizando métodos numéricos por
iteracções obtém-se os valores apresentados de seguida, nas várias iterações. Neste
processo iterativo o valor inicial de Jn é 1, o valor da rugosidade da parede do tubo
é dado por tabelas [8] assumindo o valor de 7 × 10−6 , para o PVC o valor de 6 × 10−4
e o valor para a viscosidade do fluı́do térmico é de 1.4 [4].
Iteracção 1 (J0 = 1):
2
1.49
−2
0, 2026 ×
7 × 10−6
1.7748 × 1.4
3600
Jn+1 =
−log10 0.27 ×
⇒
+√
(0, 0265 × 9.81)
0.026
0.0263 × 9.81 × 1
(J0 = 0.057mca/m):
Iteracção 2 (J1 = 0.057):
2
1.49
−2
0, 2026 ×
7 × 10−6
1.7748 × 1.4
3600
Jn+1 =
−log10 0.27 ×
+√
⇒
(0, 0265 × 9.81)
0.026
0.0263 × 9.81 × 0.04
(J1 = 0.035mca/m):
Iteracção 3 (J2 = 0.035):
2
1.49
−2
0, 2026 ×
7 × 10−6
1.7748 × 1.4
3600
−log10 0.27 ×
+√
⇒
Jn+1 =
(0, 0265 × 9.81)
0.026
0.0263 × 9.81 × 0.024
(J2 = 0.033mca/m):
4.4. DIMENSIONAMENTO DE TUBAGENS, BOMBA CIRCULADORA E VASO DE EXPANSÃO105
Iteracção 4 (J3 = 0.033):
2
1.49
−2
0, 2026 ×
7 × 10−6
1.7748 × 1.4
3600
−log10 0.27 ×
+√
Jn+1 =
⇒
(0, 0265 × 9.81)
0.026
0.0263 × 9.81 × 0.022
(J3 = 0.033mca/m):
Na iteracção 4, (J3 = 0.033mca/m), o valor de perda de carga unitária converge
para o valor 0.033 aproximadamente 33 mmca/m. Este valor 33 mmca/m, é inferior
aos 40 mmca/m definido anteriormente, concluindo assim que o dimensionamento
está correcto.
Concluı́-se que, a tubagem para o circuito primário do sistema solar deverá ser
executado em tubo de cobre com um diâmetro interno de 26mm.
4.4.2
Bomba circuladora
Para o dimensionamento da bomba circuladora é necessário conhecer a perda de
carga total da instalação. É necessário saber quais os acessórios a instalar no sistema
e o comprimento de tubo que será utilizado pelo sistema.
Está previsto para o sistema material segundo a tabela 4.11.
Nota: Para cada uma das singularidades dos elementos da instalação referida,
apresentam-se os valores de comprimento equivalente (Leq ) de forma a ser calculado
o seu valor de perda de pressão. A influência de cada singularidade e correspondente
(Leq ) é dado por uma tabela de cada fabricante [4]. No anexo B será apresentado o
projecto da instalação.
De salientar e após medições no local, serão necessários 35 metros de tubo de cobre
de diâmetro 30mm. A perda de pressão calculada terá este comprimento em atenção.
Somando as singularidades presentes na tabela 4.11, teremos um comprimento equivalente
(Leq ) de 44.4 metros. Para o cálculo do comprimento total equivalente utiliza-se a
106
CAPÍTULO 4. ESTUDO DO SISTEMA SOLAR TÉRMICO
Tabela 4.11 – Acessórios a instalar na instalação
Quantidades
Singularidade
Leq
Total
6
Tês
1.4
8.4
14
Válvulas de esfera
1
14
1.5
9
10
20
o
6
Mudança de direcção a 90
2
Válvulas de retenção de borboleta
3
Válvulas de segurança
1
3
4
Derivações em T
1.4
5.6
10
Uniões lisas
0.8
8
2
Entradas de depósitos
1.6
3.2
2
Saı́das de depósitos
1.2
2.4
2
Alargamentos bruscos
1
2
equação 4.32
Lprim = Lreal + Leq
(4.32)
Onde:
Lprim - comprimento total equivalente do circuito primário (m);
Lreal - comprimento da tubagem do circuito primário(m);
Leq - comprimento equivalente dos elementos constituintes do circuito primário(m).
Substituı́ndo os valores medidos e obtidos na equação 4.32, obtém-se: Lprim = 35 +
75.6= 110.6 metros.
Tendo em conta o valor obtido pela equação 4.31, em que foi calculada a perda de
carga por metro linear de tubo, a perda de carga do circuito primário será dada pela
equação 4.33.
4Pprim = J × Ltotal
(4.33)
4.4. DIMENSIONAMENTO DE TUBAGENS, BOMBA CIRCULADORA E VASO DE EXPANSÃO107
Onde:
4Pprim - Perda de pressão total da tubagem do circuito primário (excepto a
tubagem dos depósitos de acumulação) (mca);
J - perda de carga unitária (mca/m).
Lprim - comprimento total equivalente do circuito primário (m);
Logo:
Pprim = 0.033 × 110.6= 3.65 mca.
Calculado o valor da perda de pressão da tubagem do circuito primário, teremos
de calcular a perda de pressão dos colectores solares. Para tal temos de saber a
disposição das ligações dos colectores solares. Os colectores serão ligados em grupos
de 4 colectores sendo subdivididos em grupos de dois. O subgrupo de 2 colectores
será ligado em paralelo de canais e este subgrupo será ligado a outro subgrupo com
uma ligação em série como podemos observar na figura 4.11
Esta configuração de instalação cumpre princı́pio da alimentação invertida
caracterizada por minimizar as perdas de calor e por garantir um equilı́brio hidráulico.
A perda de pressão num circuito de colectores em paralelo é igual, à perda de pressão
tı́pica de um dos colectores e que segundo o fabricante é de 15 mmca a 20o C, tendo
em conta a utilização do fluı́do térmico propilenglicol a 25% . A disposição final de
ligações dos colectores encontra-se representada na figura 4.12:
O cálculo da perda de carga é análogo ao cálculo da diferença potencial nos circuitos
eléctricos. Como pode ser observado na figura 4.12, estão ligados dois grupos de dois
108
CAPÍTULO 4. ESTUDO DO SISTEMA SOLAR TÉRMICO
Figura 4.11 – Disposição dos colectores solares
colectores em paralelo de canais, cada um desses grupos a perda de carga vai ser de
15 mmca. Os dois grupos em paralelo de canais estão ligados entre si em série logo
a perda de carga total desse grupo será de 30 mmca. A perda total do campo de
colectores será dada por:
4Pcolect = 2 × 4Punit
Onde:
4Pcolect - perda de pressão no campo de colectores (mmca);
4Punit - perda de pressão unitária do colector (mmca);
Ncolect - número de colectores solares;
Ngrup - número de grupos de colectores solares.
Então:
(4.34)
4.4. DIMENSIONAMENTO DE TUBAGENS, BOMBA CIRCULADORA E VASO DE EXPANSÃO109
Figura 4.12 – Ligação dos colectores na instalação
4Pcolect = 2 × 15 = 30mmca = 0.03mca
A perda de carga nos permutadores internos do conjunto de depósitos acumuladores
4Pacumuladores é de 1.2 mca [5].
Então a perda de pressão total do circuito primário será dada por:
4Pt = Pprim + Pcolectores + Pdep
Onde:
4Pt - perda de pressão total (mca);
Pprim - perda de pressão da tubagem do circuito primário (mca);
Pcolectores - perda de pressão do campo de colectores (mca);
(4.35)
110
CAPÍTULO 4. ESTUDO DO SISTEMA SOLAR TÉRMICO
Pdep - perda de pressão dos depósitos de acumulação (mca).
Então substituindo os valores calculados na equação 4.35
4Pt = 3.65 + 0.03 + 1.2 = 4.88 mca.
Com estes dados, é possı́vel avançar para o cálculo e selecção da bomba circuladora.
Para o cálculo da bomba circuladora é necessário converter 4Pt que se encontra em
mca para N/m2 então:
4Pt = 4.88 × 9800N/m2 = 47824N/m2 .
A potência eléctrica da bomba é dada pela equação 4.36:
Pbomba = Q × 4Pt
(4.36)
Onde:
Pbomba - potência eléctrica da bomba necessária(W);
4Pt - perda de pressão total (mca).
Então:
Pbomba =
1.49
× 47824 = 19.8W.
3600
Considerando que a bomba possuı́ um rendimento de 30%:
A potência nominal da bomba será dada por (deve-se sobredimensionar a potência
da bomba em 20% devido a algum problema como alteração de perda de pressão
adicional no circuito) [4]. A equação 4.37 permite calcular a potência nominal da
bomba.
4.4. DIMENSIONAMENTO DE TUBAGENS, BOMBA CIRCULADORA E VASO DE EXPANSÃO111
P bombnominal = 1.20 ×
Pbomba
.
ηbomba
(4.37)
Onde :
P bombnominal - potência eléctrica nominal da bomba (W);
Pbomba - potência eléctrica da bomba necessária (W);
ηbomba - rendimento eléctrico da bomba.
Então:
P bombnominal = 1.20 ×
19.8
= 79.2W.
0.3
A bomba seleccionada, terá uma potência de 79.2 W marca BaxiRoca modelo SB50XA [5] para instalações de AQS até 10 Bar de pressão de funcionamento e 110o C.
A bomba de circulação dever-se-à colocar no tubo de ida dos colectore e na parte mais
baixa da instalação, para trabalhar com a altura manométrica adequada. A pressão
do circuito primário deverá ser de modo a que na aspiração da bomba a pressão
nunca seja inferior à pressão atmosférica. A montagem deste tipo d ebombas é ”inline”pois o tubo faz de suporte da bomba. Deve-se ainda, montar um manómetro de
pressão entre a aspiração e a impulsão em paralelo com a bomba com duas válvulas
de fecho (incluı́do no grupo hidráulico), para medir a perda de pressão do circuito.
Esta perda de pressão será a diferença entre a s pressões observadas no manómetro
ao abrir e fechar alternadamente as válvulas.
Neste momento estão reunidas as condições necessárias para o cálculo do vaso de
expansão. O volume do vaso de expansão deve ser pelo menos igual ao aumento de
volume do lı́quido dado pela seguinte expressão [4]:
VE =
(0.09 × t − 2.5) × (P + 1)
× VT
100 × (p + 1)
(4.38)
112
CAPÍTULO 4. ESTUDO DO SISTEMA SOLAR TÉRMICO
Onde :
VE - volume útil do vaso de expansão (l);
VT - volume total do circuito primário (l);
t - temperatura máxima possivel (o C);
P - pressão relativa do sistema (bar);
p - pressão relativa inicial no depósito de expansão (bar).
Para tal é necessário proceder ao cálculo do volume total da tubagem, colectores
solares e do permutador.
O volume da tubagem do circuito primário, para um comprimento de 35 metros é
dada por:
Vtub = π × r 2 × L
(4.39)
Onde:
Vtub - volume de tubagem do primário (m3 );
r - raio interno do tubo (m);
L - comprimento total da tubagem (m).
Então:
Vtub = π ×
0.026
2
2
× 35 = 0.019m3 ' 19litros
V campocolect = Ncolect × Vcolect
Onde:
(4.40)
4.4. DIMENSIONAMENTO DE TUBAGENS, BOMBA CIRCULADORA E VASO DE EXPANSÃO113
Ncolect - número de colectores da instalação;
V campocolect - volume do campo de colectores solares (l);
Vcolect - volume de cada colector solar (l).
Então:
V campocolect = 16 × 2.2 = 35.2l
Falta apenas considerar o volume dos permutadores internos dos dois depósitos de
acumulação que são, de 41 litros [5].
O volume total do circuito primário da instalação será dado por:
VT = Vtub + V campocolect + Vdep
(4.41)
Onde:
VT - volume total do circuito primário (l);
V campocolect - volume do campo de colectores solares (l);
Vtub - volume de tubagem do primário (l);
Vdep - volume dos permutadores dos depósitos de acumulação (l).
Então: VT = 19 + 35.2 + 41 = 95.2l
A temperatura máxima do circuito primário (temperatura de ebulição) é um valor
tabelado [4] e depende do valor máximo de pressão admissı́vel. No caso da presente
instalação, a pressão máxima será de 3 bar pois, é a pressão nominal absoluta
das válvulas de segurança a instalar. Podemos ver pela tabela seguinte que, a
temperatura máxima para a pressão de 3 bar é de 133.5oC:
Voltando à equação 4.38, então o volume do vaso de expansão será:
114
CAPÍTULO 4. ESTUDO DO SISTEMA SOLAR TÉRMICO
Tabela 4.12 – Temperatura de ebulição segundo a pressão da instalação
Pressão absoluta (bar)
1.013
1.5
2
3
4
5
6
Temperatura de ebulição (o C)
100
111.3
127.4
133.5
143.6
151.8
158.8
VE =
(0.09 × 133.5 − 2.5) × (3 + 1)
× 95.2 = 12.1l
2
100 × ( × 3 + 1)
3
O vaso de expansão escolhido é da marca BaxiRoca de referência VASOFLEX/S de
18 litros de capacidade [5].
A instalação será constituı́da por 4 ”fileiras” de colectores solares então para que não
haja sombreamento entre colectores deverá ser calculada a distância netre colectores.
4.4.3
Distância entre colectores
A distância entre ”fileiras” de colectores solares para uma montagem num plano
horizontal é demonstrada na figura 4.13:
4.4. DIMENSIONAMENTO DE TUBAGENS, BOMBA CIRCULADORA E VASO DE EXPANSÃO115
Figura 4.13 – Distância entre colectores solares
A equação para o cálculo da distância entre colectores solares é dada pela equação
4.42.
d=l×
sen(α)
+ cos(α) h0 = (90o − Latitudelocal) − 23.5o
tg(h0 )
Onde:
d- Distância entre colectores (m);
l- Comprimento do colector solar (m);
α - Ângulo de inclinação do colector solar;
h0 - Ângulo solar.
Então:
(4.42)
116
CAPÍTULO 4. ESTUDO DO SISTEMA SOLAR TÉRMICO
o
h0 = 90 − 39.8
− 23.5 = 26.7
sen(50)
d = 2.104 ×
+ cos(50) = 4.55metros.
tg(26.7)
Contudo os fabricante indicam que se deve aumentar esta distância em cerca 25%.
Então, a distância entre colectores deverá ser de cerca de 5.7 metros.
Para a conclusão do dimensionamento, falta a selecção do isolamento das tubagens
da instalação, para tal é necessário ter alguns cuidados na sua escolha e na instalação
das tubagens. Os elementos de fixação e de guia das tubagens serão ignı́fugos
e robustos. Os suportes deverão permitir o movimento da dilatação térmica das
tubagens, e deverão ser isolados com o objectivo de evitar pontes térmicas. Para a
fixação de tubagens ao tecto deve ser previsto um número suficiente de apoiosde tal
maneira que, uma vez isoladas as tubagens, não se produzam flechas superiores ao
0,2%. A fixação deve fazer-se com preferência nos pontos fixos e partes centraisdos
tubos. Nos percursos verticais dispõe-se um número de fixações suficiente para
manter vertical a tubagem e evitar o seu desvio, ao mesmo tempo que se permite o
movimento na direcção do seu eixo [7].
Para tubagens de cobre e dependendo do seu diâmetro, são consideradas as espessuras
apresentadas na tabela 4.13.
Tabela 4.13 – Espessuras do isolamento dos tubos do circuito primário
Diâmetro exterior (mm)
Espessura do isolamento (mm)
D < 35
20
36 < D < 50
20
51 < D < 80
30
81 < D < 125
30
126 < D
40
Então segundo a tabela 4.13, o isolamento a aplicar deverá ter uma espessura de
30mm.
Após o dimensionamento da instalação será realizado o estudo de viabilidade económica.
4.4. DIMENSIONAMENTO DE TUBAGENS, BOMBA CIRCULADORA E VASO DE EXPANSÃO117
4.4.4
Estudo viabilidade económica
Para a avaliação da viabilidade económica é necessário que se proceda à avaliação de
custo da instalação, saber o valor de gás natural poupado, saber taxa de interesse a
aplicar ao estudo e a taxa de aumento anual do custo do gás natural. Para verificar o
bom dimensionamento da instalação, serão feitos 3 estudos de viabilidade económica
para diferentes percentagens de energia solar/energia convencional.
Procedendo à avaliação do custo da instalação e tendo em conta descontos que
a ROCA S.A pode usufruir são obtidos os valores presentes na tabela 4.14. A
instalação foi optimizada para uma percentagem de utilização solar de 47% contudo,
nas tabelas presentes no anexo A A.3, será realizada uma análise de viabilidade
económica para um fracção solar de 60% e 70%:
Tabela 4.14 – Custo da instalação
Designação
Percentagem de utilização solar
Preço (e)
Instalação de AQS
50
14834
Instalação de AQS
60
18257
Instalação de AQS
70
22500
Para a realização dos estudos de viabilidades económica, serão analizados os VAL
(valor actualizado lı́quido), TIR (taxa interna de rendibilidade).
O VAL pode ser definida como, a rendibilidade que o investidor exige para implementar
um projecto de investimento e irá para servir actualizar os cash flows gerados pelo
mesmo [9].
O VAL é calculado pela equação 4.43:
V AL =
−I
CF1
CF2
VR
+
+
+ ... +
0
1
2
(1 + T A)
(1 + T A)
(1 + T A)
(1 + T A)N
(4.43)
118
CAPÍTULO 4. ESTUDO DO SISTEMA SOLAR TÉRMICO
Onde:
CFk - cash flows anuais à taxa TA (e);
TA - Taxa de actualização (%);
N - número de anos;
I - Investimento (e);
VR - Valor residual (e).
A TA (taxa de actualização), é definida como susto de oportunidade do capital ou
taxa mı́nima de rendibilidade do projecto.
T A = [(1 + T1 ) × (1 + T2 ) × (1 + T3 )] − 1
(4.44)
Onde:
T1 - taxa de rendimento real;
T2 - prémio de risco;
T3 - inflação
Então: Considerando T1 = 0.018, T2 = 0.015 e T3 =0.01:
T A = 100 × [(1 + 0.016) × (1 + 0.015) × (1 + 0.01) − 1] ' 4%
A TIR representa a máxima rendibilidade do projecto. É a taxa de actuaçização que
no final de perı́odo de vida do projecto iguala a VAL a zero e é dada pela equação
4.45.
T IR =
CF1
CF2
VR
−I
+
+
+ ... +
0
1
2
(1 + i)
(1 + i)
(1 + i)
(1 + i)N
(4.45)
4.4. DIMENSIONAMENTO DE TUBAGENS, BOMBA CIRCULADORA E VASO DE EXPANSÃO119
Onde:
CFk - cash flows anuais à taxa TA (e);
TA - Taxa de actualização (%);
N - número de anos (%);
I - Investimento (e);
VR - Valor residual (e);
i - representa a TIR.
O melhor projecto será o que apresentar uma VAL positiva e a TIR superior. O
investimento mais viável é a instalação para uma fracção solar de 47%.
5
Software de dimensionamento
Como já enunciado nesta dissertação, a ROCA S.A possui outra unidade fabril em
Leiria. Futuramente, após implementação do presente projecto poder-se-á estender
o projecto à segunda unidade, para tal para que seja rapidamente calculado o
número de colectores solares, distância entre colectores e a tubagem a utilizar. Então
foi concebido um programa para proceder a um cálculo rápido, espedito e que se
pretende fiável para futuras instalações.
O programa foi realizado no software Labview 8.6 da National Instruments. Pretendese que o software seja de fácil compreensão e uso para que qualquer pessoa com
conhecimento técnico ou não possa, realizar o dimensionamento de uma nova instalação.
As expressões de cálculos utilizadas são as mesmas que apresentadas no dimensionamento
da instalação no capı́tulo anterior.
O software Labview apresenta-se muito versátil dotado de imensas ferramentas préprogramas. Todos os valores gerados durante a execução dos cálculos, são guardados
numa base de dados mysql que é instalada no computador. A figura 5.1 apresenta
o fluxograma de funcionamento do software criado:
121
122
CAPÍTULO 5. SOFTWARE DE DIMENSIONAMENTO
Figura 5.1 – Fluxograma do software
123
O utilizador ao executar o software terá a imagem de apresentação como mostrado
na figura 5.2.
Figura 5.2 – Imagem apresentação do software
É apresentada uma barra de menu, com os botões que indicam as opções disponı́veis
no software 5.3:
124
CAPÍTULO 5. SOFTWARE DE DIMENSIONAMENTO
1 - Apresentação;
2 - Edição de perfis;
3 - Localidades;
4 - Selecção de componentes;
5 - Tubagens;
6 - Resultados;
7 - Sair.
Figura 5.3 – Barra de menu
O primeiro passo a ser tomado é criar o perfil de consumos desejados 5.4:
Figura 5.4 – Edição de perfis
125
O utilizador deverá inserir os valores de percentagem de utilização mensal da instalação,
consumo médio mensal de água quente e a temperatura desejada da água. Pode ser
utilizada a opção de preencher apenas um campo e seleccionado o botão ”aplicar
a todos”todos os campos da mesma variável ficarão com o mesmo valor facilitando
a inserção de valores. De seguida deverá ser dado um nome ao perfil e deverá ser
gravado o perfil seleccionando o botão ”Gravar perfil”.
Neste momento já existe um perfil, o utilizador deverá agora seleccionar a localidade
da instalação e o tipo de utilização sazonal desejada (Verão, Inverno ou todo o ano).
Uma vez seleccionada a localidade, seleccionar botão ”Escolha”e todos os valores
de temperatura de água, irradiação solar, temperatura ambiente, serão carregadas
e mostradas em gráfico como visualizado na figura 5.5.
Figura 5.5 – Escolha de localidade da instalação
Para se proceder ao cálculo dos valores energéticos, falta seleccionar os componentes
126
CAPÍTULO 5. SOFTWARE DE DIMENSIONAMENTO
da instalação, neste caso colector solar e depósito de acumulação. Modelos diferentes
podem ser inseridos na base de dados acedendo a esta através do SQL Server
Management Studio Express da Microsoft como apresentado na figura 5.7, que o
software os reconhecerá como partes integrantes como apresentado na figura 5.6.
Nesta página de selecção é ainda possı́vel verificar as diferenças entre dois tipos de
colectores solares ou de depósitos de acumulação.
Figura 5.6 – Escolha dos componentes da instalação
Os componentes de sistemas estão seleccionados então, na página de edição de perfil
aparecerá um botão ”Calcular sistema”ao ser pressionado o software procederá
ao cálculo dos valores de energia necessários para a instalação ficando esse valor
guardado na base de dados mysql como apresentado na figura 5.8.
127
Figura 5.7 – Exemplo da informação dos componentes da instalação presentes na base de
dados mysql
Figura 5.8 – Tabela de energias calculadas para a instalação
Após este momento, o sistema está preparado para calcular o número de colectores,
faltando apenas que o utilizador escolha a opção ”optimização”e o software automaticamente
128
CAPÍTULO 5. SOFTWARE DE DIMENSIONAMENTO
dimensiona o sistema para uma fracção solar aproximadamente igual à eficiência
solar (como descrito no capı́tulo anterior) ou em opção contrário, o utilizador pode
seleccionar o valor de fracção solar desejada como apresentado na figura 5.9.
Figura 5.9 – Cálculo do número de colectores e diâmetro da tubagem da instalação
129
O utilizador deverá recorrer à página de selecção de equipamento onde, poderá
desta forma calcular a distância entre colectores solares quando existem fileiras de
colectores. Existem duas opções: ou a instalação será realizada num plano horizontal
ou num plano vertical (como num telhado). Caso o utilizador escolha a última opção,
aparecerá um campo onde o deverá ser inserido o valor de inclinação do plano. De
seguida, deverá ser escolhida a opção ”calcular distância”e o sistema calculará a
distância entre colectores como pode ser observado na figura 5.6.
Por fim o software apresentará o custo estimado para a instalação, como pode ser
observado na 5.9.
No disco do computador onde estiver instalado o presente software, é criada um
pasta de nome ”Valores”. Nesta pasta estão inseridas as seguintes subpastas:
• - Pasta ”Perfis”onde ficam guardados os perfis de consumos criados no software
no formato .CSV;
• - Pasta ”Inclinações”que possui os ficheiros que contêm os valores da irradiação
soalr segundo latitude e inclinação no formato .CSV;
• - Pastas com os nomes das localidades com ficheiro que contêm os valores de
temperaturas ambiente e da água da rede e horas de sol.
Todo o software é ”aberto”os ficheiros podem ser mudados actualizados criando uma
tabela num ficheiro de excel bastando guardar com o formato .CSV devendo para
isso manter o formato de dados no interior do ficheiro. Esta afirmação é válida
para todos os dados com que trabalha o software excepto os equipamentos e as
tubagens que se encontram guardadas na já nomeada base de dados em mysql. De
salientar ainda que este software pode ser utilizado para qualquer local do mundo
bastando para isso saber os dados de irradiação solar global, temperaturas ambientes
e temperaturas das águas e horas de sol de forma a ser criado o ficheiro de dados da
localidade como o apresentado na figura 5.10.
130
CAPÍTULO 5. SOFTWARE DE DIMENSIONAMENTO
Figura 5.10 – Tabela com dados necessários para cálculo
Em futuros dimensionamentos o software poderá ser uma grande ajuda devido à sua
rapidez de cálculo e exactidão.
6
Conclusões Finais e
Trabalho futuro
Neste trabalho foi apresentada a tecnologia solar térmica com uma solução viável,
simples e compensatória, para reduzir os consumos de combustéveis fósseis e emissões
de gases para a tmosfera. Foram discutidos os aspectos fundamentais por detrás do
seu projecto, suas caracterı́sticas suas vantagens e desvantagens. Verifica-se que a
ROCA S.A tem muito a ganhar com este tipo de instalações pois, os seus objectivos
mantêm-se, os seus custos com os combústiveis fósseis vão baixar a comodidade
para os utilizadores da isntalação mantêm-se. Além do mais, o desenvolvimento
do software de dimensionamento poderá ajudar bastante no dimensionamento de
futuras instalações solares térmicas.
Perspectivas de trabalho futuro
Como perspectivas de trabalho futuro, pode ser nomeada a utilização do software
para dimensionamento de outras instalações quer deste tipo (AQS) como, de outros
(aquecimento de águas industriais). Após a instalação executada, poderá ser pensado
um software SCADA que permita verificar se se está a explorar a instalação da
melhor forma, bem como verificar a redução do consumo de gás natural.
131
132
CAPÍTULO 6. CONCLUSÕES FINAIS E TRABALHO FUTURO
Finaliza-se esta dissertação com a convicção de que o trabalho apresenta soluções
de evolução, bem-estar com o ambiente e com as pessoas.
Referências bibliográficas
[1] M. Löwy, “Os piores cenários possı́veis,” Le Monde Diplomatique, no. 6, pp. 6–7,
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133
134
REFERÊNCIAS BIBLIOGRÁFICAS
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equações de darcy-weisbach e de colebrook-white,” HIDRÁULICA APLICADA
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investimento,”
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portugal,” INETI/ADENE, Dezembro 2002.
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instalaciones de baja temperatura,” Edição Progena, 2002.
[15] C.-C. de estúdio de la energia solar, “La energia solar, aplicaciones práticas,”
Edição Progena, 2001.
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REFERÊNCIAS BIBLIOGRÁFICAS
135
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http://www.aeportugal.pt, 1998.
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[23] M. C. Pereira, “Energias renováveis, a opção inadiável?,” SPES-Sociedade
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República, 2006.
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[26] M. das actividades económicas e do trabalho, “Decreto de lei 80,” Diário da
República, 2006.
[27] M. das actividades económicas e do trabalho, “Decreto de lei 79,” Diário da
República, 2006.
A
Cálculos da ”VAL”e ”TIR”da
instalação para três cenários
Os valores de de cash flow de ganho, tem em conta o valor de volume de gás reduzido
com a introdução da instalação solar térmica. Recorrendo a 4.43, 4.44 e 4.45 nas
seguintes tabelas são apresentados os cálculos das taxas referidas para uma análise
de 21 anos, com uma previsão de aumento do custo de gás natural de 5% ao ano:
137
138
APÊNDICE A. CÁLCULOS DA ”VAL”E ”TIR”DA INSTALAÇÃO PARA TRÊS CENÁRIOS
Tabela A.1 – Análise vialibilidade económica para uma fracção solar de 50%
Ano
Custos
CF de ganhos
TA
Custos actualizados
Ganhos actualizados
CF de caixa
0
14834
1638
1
14834
1638
-13196
1
0
1638
0.96
0
1654
1720
2
0
1806
0.92
0
1670
1806
3
0
1896
0.89
0
1686
1896
4
0
1991
0.85
0
1702
1991
5
1000
2091
0.82
822
1718
1091
6
0
2195
0.79
0
1735
2195
7
0
2305
0.76
0
1751
2305
8
0
2420
0.73
0
1768
2420
9
0
2541
0.70
0
1785
2541
10
300
2668
0.68
203
1802
2368
11
0
2802
0.65
0
1820
2802
12
0
2942
0.62
0
1837
2942
13
0
3089
0.60
0
1855
3089
14
1000
3243
0.58
577
1873
2243
15
0
3405
0.56
0
1891
3405
16
0
3576
0.53
0
1909
3576
17
0
3754
0.51
0
1927
3754
18
300
3942
0.49
148
1946
3642
19
0
4139
0.47
0
1965
4139
20
0
4346
0.46
0
1984
4346
VAL
22260
TIR
16%
- Custo da instalação fracção solar de 50%
139
Tabela A.2 – Análise vialibilidade económica para uma fracção solar de 60%
Ano
Custos
CF de ganhos
TA
Custos actualizados
Ganhos actualizados
CF de caixa
0
19900
1966
1
19900
1966
-17934
1
0
2064
0.96
0
1985
2064
2
0
2167
0.92
0
2004
2167
3
0
2275
0.89
0
2023
2275
4
0
2389
0.85
0
2042
2389
5
1300
2509
0.82
1069
2062
1209
6
0
2634
0.79
0
2082
2634
7
0
2766
0.76
0
2102
2766
8
0
2904
0.73
0
2122
2904
9
0
3049
0.70
0
2142
3049
10
400
3202
0.68
270
2163
2802
11
0
3362
0.65
0
2184
3362
12
0
3530
0.62
0
2205
3530
13
0
3706
0.60
0
2226
3706
14
1300
3892
0.58
751
2247
2592
15
0
4086
0.56
0
2269
4086
16
0
4291
0.53
0
2291
4291
17
0
4505
0.51
0
2313
4505
18
500
4730
0.49
247
2335
4230
19
0
4967
0.47
0
2358
4967
20
0
5215
0.46
0
2380
5215
VAL
24260
TIR
14%
- Custo da instalação fracção solar de 60%
140
APÊNDICE A. CÁLCULOS DA ”VAL”E ”TIR”DA INSTALAÇÃO PARA TRÊS CENÁRIOS
Tabela A.3 – Análise vialibilidade económica para uma fracção solar de 70%
Ano
Custos
CF de ganhos
TA
Custos actualizados
Ganhos actualizados
CF de caixa
0
24500
2200
1
24500
2200
-22300
1
0
2310
0.96
0
2221
2310
2
0
2426
0.92
0
2243
2426
3
0
2547
0.89
0
2264
2547
4
0
2674
0.85
0
2286
2674
5
1800
2808
0.82
1479
2308
1008
6
0
2948
0.79
0
2330
2948
7
0
3096
0.76
0
2352
3096
8
0
3250
0.73
0
2375
3250
9
0
3413
0.70
0
2398
3413
10
600
3584
0.68
390
2421
3584
11
0
3763
0.65
0
2444
3183
12
0
3951
0.62
0
2468
3951
13
0
4148
0.60
0
2491
4148
14
1700
4356
0.58
982
2515
2656
15
0
4574
0.56
0
2540
4574
16
0
4802
0.53
0
2564
4802
17
0
5042
0.51
0
2589
5042
18
800
5295
0.49
395
2614
4495
19
0
5559
0.47
0
2639
5559
20
0
5837
0.46
0
2664
5837
VAL
23179
TIR
12%
- Custo da instalação fracção solar de 70%
B
Sı́mbolos, constantes fı́sicas e
prefixos de unidades
Figura B.1 – Instalação
141
142
APÊNDICE B. SÍMBOLOS, CONSTANTES FÍSICAS E PREFIXOS DE UNIDADES
Figura B.2 – Instalação
Sobre o Autor
Samuel Filipe Dias de Sousa graduated in Electrical
Engineering from the Escola Superior de Tecnologia e Gestão
de Leiria, Portugal in 2007. He work in ROCA S.A in the
department of Maintenance in the area of energy, automation
and robotics. He also have several formations in analyses of
noise in bearings, motors, automation in several brands and
have the certification of installation of thermic solar systems . He developed several
automated systems to develop the production in ROCA S.A Leiria and also made
studies, energetic audits that improve the eficience of the plant.
143