Departamento
de Engenharia Electrotécnica
Sistemas Térmicos de Energia Solar
Trabalho de Projecto apresentado para a obtenção do grau de Mestre
em Automação e Comunicações em Sistemas de Energia
Autor
Manuel Cerveira
Orientador
Doutor Victor Daniel Neto dos Santos
Professor Adjunto ISEC
Coimbra, Dezembro 2012
Sistemas Térmicos de Energia Solar
AGRADECIMENTOS
AGRADECIMENTOS
Gostaria de agradecer a todos aqueles que me apoiaram e contribuíram para a conclusão deste
Mestrado, e em particular:
•
Ao professor Victor Daniel Neto Santos pela orientação, acompanhamento, incentivo
e permanente disponibilidade demonstrada durante este projecto;
•
Aos diversos professores das unidades da componente curricular do Mestrado em
Automação e Comunicações em Sistemas de Energia (MACSE) pelo apoio dado
durante as aulas;
•
Aos meus colegas de Mestrado que através do companheirismo e entreajuda
tornaram mais fácil a conclusão deste ciclo de estudos;
•
À direcção do Instituto Superior de Engenharia de Coimbra (ISEC) pelas condições
oferecidas e pelo apoio concedido necessários à conclusão deste trabalho;
•
Aos colegas de trabalho, em especial, ao Paulo Santos, que me acompanhou na
construção de uma bancada didáctica com aproveitamento solar para aquecimento de
águas sanitárias por circulação forçada, que os nossos alunos do Curso Profissional
de Manutenção Industrial de Electromecânica levaram a efeito durante o ano lectivo
2011-2012;
•
Aos amigos Nuno Lucas, Pedro Pardelinha e muito em especial ao Mário Almeida,
pela disponibilidade e apoio na execução e concretização do trabalho aqui
apresentado;
•
Aos muitos colegas e amigos, que me foram sempre estimulando no sentido de
prosseguir e assim avançar até conseguir chegar ao fim desta etapa;
•
À minha família, em particular à minha neta Ana João, pela compreensão e à minha
esposa, pelo estímulo e natural apoio demonstrado ao longo da realização deste
trabalho.
O meu muito obrigado a todos.
Manuel Cerveira
i
Sistemas Térmicos de Energia Solar
RESUMO
RESUMO
As crises petrolíferas verificadas na década de 70 do século XX e na primeira década deste
século motivaram a procura de soluções alternativas para ultrapassar os seus efeitos. Com
esse objectivo, os governos de diversos países têm aplicado políticas de incentivo e apoio na
procura de soluções que permitam reduzir a sua dependência dos combustíveis fósseis.
Sendo o sol uma fonte de energia de fácil obtenção, não poluente e inesgotável, a energia
solar, apresenta-se como a grande aposta de independência energética do futuro. Estas
condições foram o principal detonador que estimulou o interesse pela realização deste
trabalho em que é estudado o aproveitamento da energia solar para aquecimento de água
sanitária (AQS), apoio ao aquecimento ambiente (AAA) e aquecimento de água para piscinas
(AAP).
No trabalho aqui apresentado, para além de ser realçada a importância da opção pelo
aproveitamento da energia solar térmica, são apresentadas soluções de aplicação prática
exemplificativas de alguns dos tipos de instalações mais comuns, para cujo dimensionamento
foi utilizado o programa SolTerm.
Com o objectivo de melhorar o aproveitamento energético das instalações solares, propõe-se a
interligação de sistemas de aquecimento de AQS com sistemas de AAA em moradias
unifamiliares e em edifícios de utilização colectiva, e ainda com sistemas de AAP. Tendo sido
desenvolvido para o efeito um Controlador Electrónico Diferencial (CED) o qual é
apresentado neste trabalho como parte integrante do projecto.
Porque a opção solar em Portugal é demais evidente, deve-se estimular toda a população e em
particular os mais jovens a participar. Porque o informar e estimular, geralmente não cai em
saco roto, foi conseguido que os alunos do curso de Manutenção Industrial de
Electromecânica da Escola Secundária de Anadia, na sua Prova de Aptidão Profissional
construíssem uma Bancada Didáctica Móvel em que foi realizada uma instalação de
aproveitamento solar térmico de AQS em circulação forçada.
Palavras-chave: Energia Solar; Água Quente Sanitária; Controlador Electrónico Diferencial;
Manutenção; Aproveitamento Solar Térmico.
Manuel Cerveira
iii
Sistemas Térmicos de Energia Solar
ABSTRACT
ABSTRACT
The oil crises in the 70s of the twentieth century and in the first decade of this century
motivated the search for alternative solutions to overcome its effects. To this end,
governments of many countries have implemented policies to encourage and support the
exploration of new solutions in order to reduce their dependence on fossil fuels.
As the sun is a source of energy readily available, non-polluting and inexhaustible, solar,
presents itself as the main focus of the future of energy independence. These conditions were
the main trigger that stimulated interest in this work, it is studied the use of solar energy for
heating domestic hot water (DHW), space heating support and water heating for pools.
In the work presented here, besides being highlighted the importance of the solar thermal
energy solutions selection are presented for illustrative practical application of some of the
most common types of facilities, whose design was performed using SolTerm software.
With the aim of improving the utilization of solar energy, it has been proposed to interconnect
heating systems with hot water systems in houses and buildings for collective use, and also
with systems for water heating in pools, having been developed for such an Electronic
Differential controller which is presented in this paper as part of the project.
Because the solar option in Portugal is too obvious, it should stimulate the entire population
and in particular the younger ones to participate. Because inform and stimulate, not usually
falls on deaf ears, that was accomplished students of Industrial Maintenance Electromechanics of High School of Anadia in its Aptitude Test Professional Teaching build a bench
that was held in a facility harnessing solar DHW heat forced circulation.
Keywords: Solar Energy; Domestic Hot Water; Electronic Differential Controller; Solar
System Maintenance.
Manuel Cerveira
v
Sistemas Térmicos de Energia Solar
ÍNDICE
ÍNDICE
AGRADECIMENTOS............................................................................................................................. i
RESUMO ............................................................................................................................................... iii
ABSTRACT.............................................................................................................................................v
ÍNDICE ................................................................................................................................................. vii
ÍNDICE DE FIGURAS.......................................................................................................................... xi
ÍNDICE DE QUADROS...................................................................................................................... xiii
ABREVIATURAS .................................................................................................................................xv
SIMBOLOGIA.................................................................................................................................... xvii
1
INTRODUÇÃO.............................................................................................................................. 1
1.1
História dos Sistemas Solares Térmicos ................................................................................ 2
1.1.1
1.2
1.2.1
1.3
1.3.1
1.3.2
Crise Petrolífera nas Décadas de 70 e 80 do Século XX ................................................................. 4
Aproveitamento Térmico da Energia Solar em Portugal ....................................................... 4
O Sol Fonte de Energia.................................................................................................................... 4
Objectivos e Metodologia...................................................................................................... 7
Objectivos........................................................................................................................................ 7
Metodologia..................................................................................................................................... 7
1.4
Estrutura da Dissertação ........................................................................................................ 8
2
PRINCIPAIS COMPONENTES DOS SISTEMAS SOLARES.................................................. 11
2.1
Colectores Solares................................................................................................................ 11
2.1.1
Colectores Planos Simples Vitrificados......................................................................................... 12
2.1.1.1
ABSORSOR............................................................................................................................ 12
2.1.1.2
CAIXA EXTERIOR ................................................................................................................... 13
2.1.1.3
COBERTURA.......................................................................................................................... 14
2.1.1.4
ISOLAMENTO........................................................................................................................ 14
2.1.2
Colectores Planos Selectivos ......................................................................................................... 15
2.1.3
Colectores Planos Sem Vidro de Cobertura .................................................................................. 16
2.1.4
Colectores Parabólicos Concentradores Compostos - CPC ........................................................... 17
2.1.5
Colectores de Tubos de Vácuo ...................................................................................................... 17
2.2
2.2.1
2.2.2
2.3
2.3.1
2.3.2
2.4
2.4.1
2.4.2
Análise de Eficiência de um Colector Solar ........................................................................ 19
Curva Característica de um Colector Solar.................................................................................... 19
Balanço Energético dos Colectores Solares................................................................................... 20
Depósitos acumuladores ...................................................................................................... 23
Depósito acumulador com bomba de calor.................................................................................... 25
Selecção de Depósitos Acumuladores ........................................................................................... 26
Controlador Electrónico Diferencial ou Central de Comando............................................. 28
O Controlador Electrónico Diferencial MANCER........................................................................ 28
Sistema Hidráulico com bomba de circulação............................................................................... 30
2.5
Resumo ................................................................................................................................ 30
3
APLICAÇÕES E DIMENSIONAMENTO DE SISTEMAS SOLARES .................................... 31
3.1.1
Sistema Solar Térmico em Termossifão ........................................................................................ 32
3.1.1.1
Tipo Monobloco – Conjunto com acumulador acima do colector....................................... 32
3.1.1.2
Tipo Termosolar – Acumulador separado e acima dos colectores ...................................... 33
3.1.2
Sistema Solar Térmico em Circulação Forçada............................................................................. 34
3.2
3.3
3.4
3.4.1
3.4.2
DIMENSIONAMENTO DE SISTEMAS SOLARES TÉRMICOS ................................... 36
Sistema Solar Térmico para Moradia Unifamiliar............................................................... 36
Sistema Solar Térmico para Instituição Particular de Solidariedade Social ........................ 42
Perfil de consumo de AQS ............................................................................................................ 43
Implementação prática com dois acumuladores e sistema de apoio .............................................. 44
Manuel Cerveira
vii
Estágio no Departamento SAX I 4 da PT Comunicações
3.4.3
ÍNDICE
Implementação prática com um único acumulador........................................................................47
3.5
Sistema de AQS Aquecimento da Água em Piscinas e Climatização.................................. 48
3.6
Soluções Mistas de AQS e Aquecimento de Água de Piscinas ........................................... 52
3.7
Resumo................................................................................................................................. 53
4
IMPLEMENTAÇÃO DE SISTEMAS SOLARES TÉRMICOS ................................................. 55
4.1
Instalação e Manutenção de Colectores Solares Térmicos .................................................. 55
4.1.1
4.1.2
4.1.3
4.2
Orientação e Inclinação dos Colectores .........................................................................................55
Estrutura de Suporte dos Colectores Solares e Demais Equipamento ...........................................55
Ramal de Entrada e Saída do Colector Solar .................................................................................56
Instalação dos Depósitos de Armazenamento da Água ....................................................... 57
4.2.1
4.3
Prevenção e Controlo de Legionella nos Sistemas de Água – (IPQ) .............................................57
Bancada Didáctica Móvel .................................................................................................... 60
4.3.1
Realização de ensaios prévios........................................................................................................62
4.3.1.1
Características do Controlador Solar SOLAREG II BASIC.......................................................64
4.4
Sistema Electrónico de Comando Diferencial e de Informação........................................... 64
4.4.1
Controlador Electrónico Diferencial MANCER ............................................................................65
4.4.1.1
Elementos integrados na placa principal .............................................................................66
4.4.1.2
Elementos integrados na placa de interface ........................................................................66
4.4.1.3
Tomadas integradas nas placas de interfaces ......................................................................66
4.4.2
Layout das placas do Controlador MANCER................................................................................67
4.4.2.1
Placa Principal ......................................................................................................................67
4.4.2.2
Placa de Interface .................................................................................................................67
4.4.3
Circuito de Acondicionamento de Sinal ........................................................................................68
4.4.4
Módulo RTC – Relógio desenvolvido a partir do PCF8583 da Philips .........................................68
4.4.4.1
Características do PCF8583 ..................................................................................................69
4.4.5
Esquema do RTC ...........................................................................................................................69
4.4.6
Descrição do modo operacional do controlador.............................................................................71
4.4.7
Sensores de utilização no comando diferencial..............................................................................72
4.4.8
Cálculos efectuados para calibração das sondas Pt1000 ................................................................72
4.5
Principais Acessórios de Utilização nas Instalações Solar Térmicas................................... 74
4.5.1
4.5.2
4.5.3
4.5.4
4.5.5
4.5.6
4.5.7
4.5.8
4.5.9
4.5.10
4.5.11
4.6
4.6.1
5
Ensaios e Manutenção dos Sistemas Solares Térmicos ....................................................... 77
Requisitos Necessários para a Conservação e Manutenção do Sistema.........................................79
4.7
Resumo................................................................................................................................. 79
NORMAS E LEGISLAÇÃO........................................................................................................ 80
5.1
Normas Aplicadas a Sistemas Térmicos de Energia Solar - Portugal.................................. 80
5.2
Legislação Aplicada aos Sistemas Térmicos de Energia Solar em Portugal........................ 80
5.2.1
5.3
5.3.1
5.4
5.4.1
viii
Bomba de circulação......................................................................................................................74
Vaso de Expansão ..........................................................................................................................74
Fluido Térmico Solar .....................................................................................................................75
Permutador de Calor ......................................................................................................................75
Válvula Reguladora de Pressão......................................................................................................75
Válvula Misturadora Termostática.................................................................................................76
Válvula de Passagem .....................................................................................................................76
Válvula de Segurança ....................................................................................................................76
Válvula de Três Vias......................................................................................................................77
Válvula de Retenção .................................................................................................................77
Purgador de Ar Automático ......................................................................................................77
Legislação Conexa .........................................................................................................................81
Eficiência Energética ........................................................................................................... 81
Programa Solar Térmico 2010 .......................................................................................................84
Certificação e Credenciação de Técnicos e Instalações ....................................................... 84
Certificação de Produtos ................................................................................................................84
Sistemas Térmicos de Energia Solar
5.4.2
5.4.3
5.4.4
5.4.5
ÍNDICE
Certificação Energética.................................................................................................................. 85
Medidas de Melhoria ..................................................................................................................... 86
Certificação na Europa .................................................................................................................. 87
Certificação e formação dos técnicos e instaladores...................................................................... 88
5.5
Resumo ................................................................................................................................ 89
6
CONCLUSÕES............................................................................................................................ 90
7
REFERÊNCIAS ........................................................................................................................... 93
ANEXO I .............................................................................................................................................. 97
ANEXO II ............................................................................................................................................. 98
ANEXO III.1......................................................................................................................................... 99
ANEXO III.2....................................................................................................................................... 100
ANEXO IV.......................................................................................................................................... 101
ANEXO V........................................................................................................................................... 102
ANEXO VI.......................................................................................................................................... 103
Manuel Cerveira
ix
Sistemas Térmicos de Energia Solar
ÍNDICE DE FIGURAS
ÍNDICE DE FIGURAS
Figura 1.1 – Esquema da irradiação da energia solar na terra. [KALOGIROU] .................................... 5
Figura 1.2 – Radiação a) e Insolação b) global anual em Portugal. ........................................................ 5
Figura 1.3 – Evolução da área de colectores solares instalados em Portugal [APISOLAR]. ................. 6
Figura 2.1 – Elementos constituintes de um colector solar. [KALOGIROU]....................................... 12
Figura 2.2 – Colector horizontal. .......................................................................................................... 15
Figura 2.3 – Colector vertical................................................................................................................ 15
Figura 2.4 – Colectores planos selectivos. ............................................................................................ 16
Figura 2.5 – Colectores sem vidro de cobertura.................................................................................... 16
Figura 2.6 – Colectores CPC e esquema de funcionamento. ................................................................ 17
Figura 2.7 – Colectores de tubos de vácuo............................................................................................ 18
Figura 2.8 – Eficiência dos diferentes tipos de colectores solares. [AGUAQS] ................................... 19
Figura 2.9 – Temperatura de funcionamento dos diferentes tipos de colectores solares. [ADENE] .... 20
Figura 2.10 – Balanço energético do absorsor. (Adaptado de [RORIZ]).............................................. 21
Figura 2.11 – Termoacumuladores de armazenamento de AQS........................................................... 23
Figura 2.12 – Depósitos acumuladores de grande capacidade. ............................................................. 25
Figura 2.13 – Depósito acumulador com bomba de calor..................................................................... 25
Figura 2.14 – Exemplos de centrais de comando Vulcano. [VULCANO] ........................................... 28
Figura 2.15 – Controlador diferencial MANCER. ................................................................................ 29
Figura 2.16 – Sistemas hidráulicos com bomba de circulação.............................................................. 30
Figura 3.1 – Sistema solar térmico do tipo monobloco......................................................................... 32
Figura 3.2 – Moradias com sistemas em termossifão do tipo monobloco. ........................................... 33
Figura 3.3 – Sistema solar térmico em termossifão do tipo termosolar. [KALOGIROU].................... 33
Figura 3.4 – Moradias com sistemas em termossifão do tipo termosolar. ............................................ 34
Figura 3.5 – Sistema solar térmico em circulação forçada (indirecto). [KALOGIROU] ..................... 34
Figura 3.6 – Moradia com sistemas em circulação forçada. ................................................................. 35
Figura 3.7 – Selecção do concelho no SolTerm 5.1.............................................................................. 37
Figura 3.8 – Definição do perfil de consumo diário de AQS da moradia unifamiliar. ......................... 39
Figura 3.9 – Desempenho do sistema solar térmico: Moradia. ............................................................. 40
Figura 3.10 – Definição das características do acumulador solar de AQS (Zantia S20 – 200). ........... 41
Figura 3.11 – Sistema solar térmico simulado: Moradia....................................................................... 41
Figura 3.12 – Sistema solar térmico da ADCRA. ................................................................................. 43
Figura 3.13 – Definição do perfil de AQS do lar para a) dias de semana e b) fim-de-semana. ............ 44
Figura 3.14 – Esquema da instalação do sistema solar térmico da ADCRA. ....................................... 44
Figura 3.15 – Acumuladores de AQS da Relopa Ref. WW2000LEM [RELOPA]............................... 46
Figura 3.16 – Sistema solar térmico simulado: IPSS. ........................................................................... 47
Figura 3.17 – Instalação solar mista – AQS+AAA+AAP. [VULCANO]............................................. 49
Figura 3.18 – Instalação solar térmica mista desenvolvida para o controlador MANCER................... 51
Figura 3.19 – Sistema misto de alto desempenho e elevado rendimento [ZANTIA]. .......................... 52
Figura 4.1 – System granitic com recirculação. [HSC]......................................................................... 59
Figura 4.2 – Bancada didáctica desenvolvida. ...................................................................................... 60
Figura 4.3 – Apresentação pública da bancada didáctica desenvolvida................................................ 63
Figura 4.4 – Controlador solar SOLAREG II. ...................................................................................... 64
Figura 4.5 – Arquitectura do microcontrolador PIC16F887. ................................................................ 65
Figura 4.6 – Diagrama de blocos do controlador MANCER. ............................................................... 66
Figura 4.7 – Layout da placa principal.................................................................................................. 67
Manuel Cerveira
xi
ÍNDICE DE FIGURAS
Sistemas Térmicos de Energia Solar
Figura 4.8 – Layout da placa de interface. ............................................................................................ 68
Figura 4.9 – Esquema do Conversor Pt1000 Analógico........................................................................ 68
Figura 4.10 – Relógio/calendário com RAM de 240 x 8-bit. ................................................................ 69
xii
Sistemas Térmicos de Energia Solar
ÍNDICE DE QUADROS
ÍNDICE DE QUADROS
Quadro 2.1 – Tipo de colectores solares em função da aplicação......................................................... 20
Quadro 3.1 – Análise comparativa dos sistemas solares (termossifão vs circulação forçada).............. 35
Quadro 3.2 – Caracterização do sistema solar térmico para moradia unifamiliar................................. 37
Quadro 3.3 – Características do colector solar Zantia ZHS 200. [ZANTIA]........................................ 40
Quadro 3.4 – Estimativa de desempenho do sistema solar térmico: Moradia....................................... 42
Quadro 3.5 – Perfil de consumo de AQS na IPSS. ............................................................................... 43
Quadro 3.6 – Características do colector solar Solargus ESP1. ............................................................ 45
Quadro 3.7 – Características dos depósitos acumuladores de AQS. [RELOPA].................................. 46
Quadro 3.8 – Características do depósito acumulador de AQS. ........................................................... 47
Quadro 3.9 – Estimativa de desempenho do sistema solar térmico: IPSS. ........................................... 48
Quadro 4.1 – Comportamento da Legionella em função da temperatura.............................................. 59
Quadro 4.2 – Variação da resistência e da tensão analógica em função da temperatura. ..................... 73
Quadro 5.1 – Mercado solar térmico na EU + Suíça............................................................................. 82
Quadro 0.1 – Características do colector plano KBB K423 VH4L. ................................................... 105
Quadro 0.2 – Características do Acumulador WBO. .......................................................................... 105
Quadro 0.3 – Características do Acumulador WBO - continuação..................................................... 106
Manuel Cerveira
xiii
Sistemas Térmicos de Energia Solar
ABREVIATURAS
ABREVIATURAS
AAA – Apoio de Aquecimento Ambiente
AAP – Aquecimento de Água da Piscina
ADCRA – Associação Desportiva Cultural e Recreativa de Antes
ADENE – Agência para a Energia
ALU – Arithmetic and Logic Unit
AQS – Água Quente Sanitária
AQSpP – Água Quente Solar para Portugal
ASTIG – Active Solar Thermal Industrial
CE – Comunidade Europeia
CED – Controlador Electrónico Diferencial
CEN – Comissão Europeia de Normalização
CENELEC – Comissão Europeia de Normalização Electrotécnica
CERTIF – Associação para a Certificação de Produtos
CFLR – Compact Linear Fresnel Reflector
CNQ – Catálogo Nacional de Qualificações
DGEG – Direcção Geral de Energia e Geologia
DGGE – Direcção Geral de Geologia e Energia
DIN – Deutschs Institut fur Norming
E4 – Eficiência Energética e Energias Endógenas
ENE 2020 – Estratégia Nacional para a Energia 2020
EPDM – Ethylene Propylene Diene Monomer
EU – European Union
ICSP – In Circuit Serial Programming
INETI – Instituto Nacional de Engenharia, Tecnologia e Inovação
Manuel Cerveira
xv
SIMBOLOGIA
Sistemas Térmicos de Energia Solar
IPQ – Instituto Português da Qualidade
IPSS – Instituição Particular de Solidariedade Social
ISEC – Instituto Superior de Engenharia de Coimbra
ISO – International Organization for Standardization
ISSO – International Students and Scholars Office
LECS – Laboratório de Ensaio de Colectores Solares
LNEC – Laboratório Nacional de Engenharia Civil
LNEG – Laboratório Nacional de Energia e Geologia
LNETI – Laboratório Nacional de Engenharia e Tecnologia Industrial
MACSE – Mestrado em Automação e Comunicações em Sistemas de Energia
MANCER – Controlador electrónico desenvolvido por MANuel CERveira
PANAC – Programa Nacional para as Alterações Climáticas
PAP – Prova de Aptidão Profissional
PEN – Plano Energético Nacional
PNAEE – Plano Nacional de Acção para a Eficiência Energética
QAI – Qualidade do Ar Interior
RCCTE – Regulamento das Características de Comportamento Térmico dos Edifícios
RS232 – Recommended Standard 232
RSECE – Regulamento dos Sistemas Energéticos de Climatização em Edifícios
RTC – Real Time Clock
SCE – Sistema Nacional de Certificação Energética e da Qualidade do Ar Interior
SEGS – Solar Energy Generating Systems
SPES – Sociedade Portuguesa de Energia Solar
TTL – Transistor–Transistor Logic
UV – Ultra Violeta
xvi
Sistemas Térmicos de Energia Solar
SIMBOLOGIA
SIMBOLOGIA
α
Coeficiente de absorção (absorvidade)
Ap
Área útil de pavimento
∆T
Aumento de temperatura necessária para preparar as AQS
a1
Coeficiente linear de perdas térmicas
a2
Coeficiente quadrático de perdas térmicas
MAQS
Consumo médio diário de referência de AQS
Esolar
Contribuição do sistema de colectores solares térmicos para aquecimento de AQS
Eren
Contribuição de outras formas de energia renováveis ou de recuperação de calor
para a preparação de AQS
η
Eficiência do colector
ηo
Eficiência óptica do colector (factor de conversão)
ηa
Eficiência de conversão dos sistemas convencionais de preparação de AQS
Qa
Energia útil despendida com sistemas convencionais de preparação de AQS
ηk
Factor de perda de calor
Eg
Irradiância Me (W/m2) – Retirado de tabela de radiometria
Nac
Necessidades anuais de energia útil para a preparação de AQS
nd
Número anual de dias de consumo de AQS
ρ
Reflectividade
Ta
Temperatura ambiente
Manuel Cerveira
xvii
SIMBOLOGIA
Tm
Temperatura média de trabalho do fluido no absorsor
τ
Transmissividade
ε
Emissividade
Cp
Calor específico a pressão constante
m&
Caudal mássico
h
Coeficiente de concepção
β
Coeficiente de expansão
U
Coeficiente global de transmissão de calor
К
Condutividade térmica
CBm
Constante de Boltzmann
I
Intensidade de Radiação
P
Potência eléctrica
p
Pressão
R
Resistência eléctrica
ρ
Resistividade eléctrica [Ω.mm2/m]
t
Tempo
U
Tensão eléctrica
xviii
Sistemas Térmicos de Energia Solar
CAPÍTULO 1
1 INTRODUÇÃO
A crise energética actual tem suscitado preocupações em todo o mundo quanto à possibilidade
de esgotamento futuro das reservas energéticas, designadamente do petróleo e do gás natural,
sendo também preocupante, o seu elevadíssimo custo que não pára de aumentar.
Tem-se apontado até que, a situação daqui a poucas décadas, tanto pelo aumento desenfreado
do custo daqueles combustíveis como pela sua escassez, poderá originar uma crise sem
precedentes de todo o sector industrial mundial se não forem encontradas soluções
alternativas que possam alterar esta situação.
A solução nuclear, que parecia apresentar-se como uma alternativa credível, tem-se revelado
demasiado perigosa nas suas consequências, mesmo em países altamente desenvolvidos
tecnologicamente, onde são aplicadas as normas mais rigorosas de construção, manutenção e
de segurança das suas centrais nucleares de produção de energia. Em situações de catástrofe
natural, ficou já demonstrado que podem ser provocados danos com consequências
devastadoras, que além de afectarem os países onde estão instaladas essas centrais, poderão
originar danos a outras populações próximas ou mesmo afastadas dessas regiões.
As acções devastadoras provocadas pelos acidentes verificados nas centrais nucleares de
produção de energia em países altamente desenvolvidos, como aconteceram em 1979, nos
Estados Unidos; em 1981, 1997, 1999 e 2004 no Japão; em Chernobyl 1986 Ucrânia; em
1993 na Rússia; em 2008 em França e mais recentemente por consequência de um Tsunami
em 2011 no Japão; fizeram com que a opção pelas Energias Renováveis surgisse como a
aposta mais acertada em diversos países, no qual se inclui Portugal.
O final do século XX caracterizou-se pelo aumento acentuado da produção industrial de bens
e equipamentos a que passaram a ter acesso grandes camadas da população em virtude dos
processos políticos de democratização verificados nessa época. Por outro lado, a melhoria
económica das populações, permitiu que nas suas habitações passassem a ter melhores
condições de conforto, dada a possibilidade de aquisição e utilização de equipamentos de
climatização ambiental. Além disso, as populações passaram a ter mais interesse pela sua
mobilidade tendo passado a utilizar em grande escala, não só o comboio, mas também o
avião, o barco e outros veículos motorizados de utilização colectiva, ou optaram mesmo pela
compra e utilização do automóvel particular para as suas deslocações.
Todos estes factores originaram um brutal aumento do consumo de energia que implicou
grande utilização de combustíveis de origem fóssil, como o carvão e outros derivados da
floresta, e ainda, numa escala sem precedentes, os derivados de petróleo.
Com o elevado consumo de energia, foi necessário recorrer à exploração de jazidas de
petróleo que não estavam previstas. Tal situação, fez com que aumentassem os custos de
exploração dos combustíveis fósseis, que provocou uma subida desenfreada dos preços de
venda aos países não produtores, que, tal como em Portugal teve como resultado desde então,
elevadas dificuldades financeiras.
Manuel Cerveira
1
Sistemas Térmicos de Energia Solar
Com o objectivo de minorar as consequências do impacto negativo provocado pela subida do
preço da energia, vários países e nomeadamente Portugal, têm procurado soluções alternativas
e a utilização das energias renováveis tem mostrado ser a mais favorável para reduzir a
dependência dos combustíveis fósseis. Há pois assim que, procurar novas fontes de energia e
o sol que é uma fonte inesgotável, apresenta-se como a melhor e a mais económica.
Embora a energia fornecida pelo sol possa ser aproveita de várias outras formas, no trabalho
aqui apresentado, é salientada a importância da sua utilização no aproveitamento a baixas
temperaturas que se aplica em sistemas: de aquecimento de água sanitária (AQS), de apoio ao
aquecimento de ambiente (AAA) e no aquecimento da água de piscinas (AAP).
Para o aquecimento de água sanitária e climatização, são utilizados maioritariamente
colectores solares térmicos com superfície colectora de cor preta ou bastante escura ou
colectores com tubos de vácuo. No caso da aplicação para aquecimento da água de piscinas,
são utilizados colectores cuja superfície colectora é geralmente de ligas plásticas, sem
necessidade de existência de caixa exterior, que no caso das piscinas cobertas, garantem boas
condições de utilização em grande parte do ano, e, no caso das piscinas descobertas, prolonga
o seu normal funcionamento e período de utilização, durante uns meses.
1.1
História dos Sistemas Solares Térmicos
Desde muito cedo que o homem se apercebeu de que a vida e a energia fluem do sol.
Remontam mesmo a alguns séculos a.C. princípios de construção de habitações viradas a sul,
com fachadas mais altas de modo a que os raios de sol pudessem penetrar pelos pórticos
durante o inverno, e do lado virado a norte fachadas mais baixas para que durante o verão se
obtenha sombra e sejam evitados, o vento e o frio. Nestas circunstâncias, é feito o
aproveitamento solar térmico passivo, cujos ganhos dependem, das condições de construção e
orientação do edifício. Além disso, é ainda possível neste tipo de aplicações, fazer um melhor
aproveitamento, se for feito o controlo da quantidade de calor recebida e for realizada de
forma adequada a distribuição desse calor.
Com um bom controlo da radiação solar, são obtidas temperaturas de trabalho muito mais
elevadas do que as necessárias ao conforto térmico. Deste modo, é realizado o aproveitamento
solar térmico activo, que pode ser aplicado para obtenção de calor a altas temperaturas através
das centrais solares para produção de vapor que é utilizado em processos industriais ou em
maior escala, na produção de energia eléctrica.
Ao longo dos tempos, foram efectuadas muitas experiências de aproveitamento solar térmico
onde não se considerou oportuna a sua aplicação, porém noutras houve, que pelos resultados
alcançados se considerou haver condições de aplicação com rendimentos satisfatórios e até
muito bons comparativamente a outras formas de energia utilizadas, tendo daí resultado a sua
aplicação em grande escala.
2
CAPÍTULO 1
As primeiras instalações solares para aplicação doméstica remontam à primeira metade do
século XX, e que, de acordo com as revistas científicas da época, terá sido no ano de 1930 em
que este tipo de aproveitamento energético começou a suscitar interesse em algumas
universidades do Estados Unidos da América do Norte, movidas pela preocupação de
poderem garantir uma solução de obtenção de água quente sanitária de utilização doméstica
nas zonas mais isoladas das grandes cidades, para as quais se tornava cada vez mais difícil e
de custo elevado, fazer o abastecimento dos combustíveis convencionais.
Foram então encetadas investigações que se centraram fundamentalmente em locais de maior
prolongamento de incidência e mais elevados níveis de intensidade da radiação solar, tendo
culminado com os testes efectuados pela Universidade do Arizona em 1950, que resultaram
nos ensaios levados a efeito através da realização de uma instalação com colectores de
aproveitamento solar térmico a baixa temperatura para o aquecimento de água, para cujo
armazenamento e controlo térmico, foram instalados sistemas em diversos edifícios do seu
campus universitário.
Além disso, no ano de 1966, na cidade de Roma, com o objectivo de encontrar formas
alternativas às energias ditas convencionais, foi realizado um Congresso que tomou a
designação “ Novas Fontes de Energia”, tendo o aproveitamento da energia solar sido
considerada de grande importância, não só para aplicação no sector doméstico, como também
no comércio e indústria, em alternativa à utilização dos combustíveis fósseis.
Têm sido várias as experiências utilizadas para captação solar associadas à radiação das quais
se podem destacar as seguintes centrais solares térmicas:
Do tipo “torre solar de sal liquefeito” – que utilizam o ciclo de Stirling
o “Solar Two” – Operou entre 1995 e 1999 em Barstow – Califórnia 1;
o “Solar Três” – Na Andaluzia – Espanha;
De Concentradores Parabólicos Cilíndricos (“tipo trough”) – que utilizam o ciclo de
Rankinne designados SEGS (Solar Energy Generating Systems)2;
o Reflectores Fresnel - Compact Linear Fresnel Refletor (CFLR) - Tavira3;
o Existe uma na Alemanha – Julich – 2008 em funcionamento.
1
eficiência η=32%
Construídos entre 1986 e 1990 no deserto do Mojave – Califórnia. Estas centrais necessitam de área de
implantação com cerca de 50% mais do que as de torre solar, os custos de construção são da ordem de 25% dos
de torre solar e a sua eficiência η=15%
3
Apresenta-se como uma solução mais económica, necessita de uma área inferior para colocação dos espelhos
do que as anteriores, sendo o custo de construção, por kWh e produzido, cerca de 10 vezes menor que duma torre
solar e a área ocupada cerca de 6 vezes menor do que a necessária para o funcionamento duma torre solar com a
mesma potência instalada.”
2
Manuel Cerveira
3
Sistemas Térmicos de Energia Solar
1.1.1
Crise Petrolífera nas Décadas de 70 e 80 do Século XX
Com o desenvolvimento industrial iniciado na primeira metade do século XX, que se
prolongou nas décadas de 50 e 60 tornou-se necessário proceder a um aumento da procura e
exploração de grandes jazidas de petróleo em todo o mundo, de modo a satisfazer as
necessidades de combustíveis então necessárias.
Porém, com o aumento do custo do petróleo, verificado na sua comercialização,
particularmente a partir do final da primeira metade da década de 70, que veio mesmo a
originar a chamada “crise petrolífera dos anos 70”, deu-se início a uma preocupante
necessidade de se implementarem medidas tendentes a serem encontradas novas soluções
energéticas que pudessem reduzir substancialmente a dependência daquele combustível.
Assim, no final da década de 70 princípio de 80, através do Plano Energético Nacional (PEN)
pensou-se que com o maior incremento na expansão da utilização do gás natural, teria sido
encontrada a solução que garantiria o fim da crise, tendo mesmo sido propalado que em
Portugal, estaríamos garantidos em termos energéticos até 2030.
Para o efeito e baseado nos estudos então realizados, foi implementado o projecto e instalação
da rede nacional de gás natural através da grande conduta em toda a faixa litoral de Portugal
Continental com ligação a sul através de pipe line ao Magreb de onde seria abastecida. Foi
também previsto o seu abastecimento a partir de um sistema de acumulação em depósitos na
zona de Sines onde o abastecimento é feito por barcos metaneiros. A rede de gás natural,
numa terceira opção, pode ainda através de uma conduta que atravessando toda a zona centro
do país, se encontra ligada através de Espanha à rede europeia de gás natural, garantindo
também desse modo o abastecimento.
As políticas energéticas escolhidas comprometeram o desenvolvimento da utilização de
soluções de aproveitamento solar principalmente para AQS, que à data já se tinha começado a
fazer sentir, bem como o desenvolvimento de alguma indústria nacional de material e
equipamento a ela ligados que embora na época incipiente, já começava a dar alguns passos
importantes.
1.2
1.2.1
Aproveitamento Térmico da Energia Solar em Portugal
O Sol Fonte de Energia
A maior fonte de energia disponível na Terra provém do Sol. A energia irradiada pelo Sol,
para a atmosfera terrestre é praticamente constante. Esta energia irradiada ou intensidade de
radiação é descrita como a constante solar relativa a uma área de 1 m². Esta constante está
sujeita a pequenas alterações, provocadas pela variação da actividade solar e com a
excentricidade da órbita da Terra. Estas variações, que se detectam para a gama dos raios
Ultra Violeta (UV) são menores que 5 %, e não são significativas para as aplicações de
tecnologia solar. O valor médio da constante solar é E0 = 1.367 W/m².
4
CAPÍTULO 1
Na figura 1.1 está representado um esquema ilustrativo da irradiação da energia solar na terra,
dos valores das dimensões do sol e da terra, e, da distância entre eles.
Figura 1.1 – Esquema da irradiação da energia solar na terra. [KALOGIROU]
Se tivermos em atenção, as condições de elevada insolação existentes durante grande parte do
ano em Portugal, verificamos que é muito importante desenvolver e promover cada vez mais a
sua utilização. Portugal dispõe de muitas horas de sol, cerca de 2600 horas em média por ano,
como se pode observar na figura 1.2 e que o torna um dos países da Europa com melhores
características para o aproveitamento da energia solar, com níveis de potencial muito superior
à média. Por isso, é necessário criar condições que permitam aumentar a instalação de
sistemas de aproveitamento solar térmico e fomentar a produção de colectores solares, pela
indústria portuguesa.
a)
b)
Figura 1.2 – Radiação a) e Insolação b) global anual em Portugal.
Manuel Cerveira
5
Sistemas Térmicos de Energia Solar
Na elaboração de projectos e concepção dos colectores solares, é importante que estes
apresentem as melhores condições de garantia de uma boa captação da radiação solar. Assim,
no caso dos colectores mais comuns utilizados nos sistemas de AQS e de circulação de fluido
térmico para climatização ambiental, tanto a superfície do elemento transparente como a placa
de captação de energia solar, deverão ter dimensões adequadas e serem constituídas por
materiais que garantam condições de captação capazes de permitir rendimentos elevados na
transmissão do calor a aproveitar para o aquecimento da água de utilização doméstica ou no
aproveitamento para climatização.
O aproveitamento térmico da energia solar numa escala de grande dimensão, poderá reduzir
significativamente a dependência energética externa. Porém, até ao presente, tal ainda não se
conseguiu, isto porque as acções levadas a efeito até ao momento, não foram capazes de criar
um interesse mobilizador de todos, sejam os investidores, os industriais ou outros e a
população em geral.
Embora insuficiente, alguma coisa foi feita, tendo sido dados passos significativos em
algumas áreas como se pode aferir pela implementação de alguns programas dos quais se
destacam:
Em 2001 através do Programa E4 – Eficiência Energética e Energias Endógenas em que se
propunha melhorar a eficiência energética e o aproveitamento das energias renováveis em
Portugal entre as quais a promoção da utilização de colectores solares para aquecimento de
águas pelo programa Água Quente Solar para Portugal (AQSpP).
O objectivo deste programa era atingir 1 milhão de metros quadrados de colectores solares
instalados e operacionais até 2010, que não se verificou. A figura 1.3 apresenta a evolução da
área de colectores solares instalados.
Figura 1.3 – Evolução da área de colectores solares instalados em Portugal [APISOLAR].
6
CAPÍTULO 1
1.3
1.3.1
Objectivos e Metodologia
Objectivos
Apresentando Portugal excelentes condições para o aproveitamento da energia solar térmica,
o presente trabalho tem como principal objectivo, mostrar que esta forma de energia se
apresenta neste país como a melhor opção para fazer face à elevada dependência energética
externa.
Os benefícios para o ambiente e a comodidade que proporciona aos utilizadores tornam a
opção pela energia solar térmica uma atitude inteligente e socialmente responsável, sobretudo
pela protecção do meio ambiente que decorre da menor utilização de combustíveis fósseis.
Assim, para estimular uma maior participação de todos numa estratégia energética que
consubstancie a mudança de paradigma, foi construída uma bancada didáctica móvel de
aproveitamento térmico de energia solar, realizada em ambiente escolar, por alunos do ensino
secundário sob orientação do autor deste trabalho.
Com recurso ao SolTerm 5.1 foi realizado o dimensionamento de um sistema solar térmico de
utilização individual para aplicação em moradias unifamiliares e outro de utilização colectiva
para aplicação numa instituição particular de solidariedade social (IPSS).
Por último, foi desenvolvido um controlador electrónico diferencial destinado a instalações de
maior complexidade que contemplam o aproveitamento da energia solar para aquecimento de
água sanitária, da água de piscina e de apoio ao aquecimento ambiente.
1.3.2
Metodologia
No início deste trabalho, foi apresentado um resumo da importância do aproveitamento da
energia solar para ultrapassar as consequências das crises energéticas que se têm verificado ao
longo das últimas décadas.
Em seguida, foi apresentado como principal objectivo, dar ênfase à necessidade de se
encontrar uma estratégia energética tendente à redução do consumo dos combustíveis fósseis,
através da promoção da utilização da energia solar como forma alternativa capaz de permitir
fazer face à escassez cada vez maior de reservas daqueles combustíveis e às consequências
nefastas para o ambiente derivadas do seu consumo, tendo sido a opção de utilização da
energia solar em Portugal como a mais viável e a melhor solução.
Com o objectivo de estimular os mais jovens à participação na redução da dependência de
Portugal relativamente aos combustíveis fósseis e na preservação do meio ambiente, foi dada
informação sobre o tema e alertada a importância dessa participação aos alunos do 12º ano,
tendo daí resultado, a construção de uma bancada didáctica por eles realizada, no âmbito da
sua Prova de Aptidão Profissional (PAP).
Manuel Cerveira
7
Sistemas Térmicos de Energia Solar
Com o objectivo de incentivar a utilização das instalações de aproveitamento solar e de forma
a melhorar a sua qualidade, foram ao longo do trabalho, apresentadas figuras com esquemas
de princípio, fotografias de instalações, componentes e equipamentos mais comuns.
Neste trabalho é também apresentado o projecto de uma instalação do tipo colectivo com
instalação solar de AQS, AAA, e AAP na qual é aplicado o Controlador Electrónico
Diferencial MANCER que se desenvolveu. A partir de documentos dos fabricantes e
representantes de equipamento solar térmico, foram apresentadas algumas das características
dos materiais seus constituintes, do modo de execução das instalações, das condições de
ensaio, e das acções de manutenção e de garantia de assistência técnica.
Neste trabalho, são também indicadas algumas normas e legislação que desde 1985 têm vindo
a ser implementadas e aplicadas em Portugal.
Foram também indicadas, algumas referências bibliográficas, sites para consulta em que se
apresentam instalações, componentes e equipamentos relativos aos tipos de instalações mais
comuns de aproveitamento térmico da energia solar.
1.4
Estrutura da Dissertação
O presente trabalho foi desenvolvido no Instituto Superior de Engenharia de Coimbra (ISEC)
com vista à obtenção do grau de Mestre em Automação e Comunicações em Sistemas de
Energia, na área de especialização de Sistemas Industriais tendo sido elaborado sob a
orientação do professor Doutor Victor Daniel Neto dos Santos.
No início do capítulo 1 começa-se por realçar a importância do sol como fonte de energia
disponível, evidenciando algumas das suas principais características.
Além disso, é feita uma abordagem ao sol como recurso inesgotável, que em Portugal, um dos
países da Europa em que apresenta maior nível de incidência solar. Assim sendo, é apontada a
importância da utilização da energia solar como aposta, não só pelas excelentes condições de
incidência, mas também como meio de reduzir a dependência energética externa e assim
poder contribuir para ultrapassar os efeitos negativos na economia, que essa dependência em
geral provoca.
De seguida é apresentada uma perspectiva histórica do desenvolvimento de alguns projectos e
passos importantes nas aplicações dos sistemas solares térmicos ao longo dos séculos,
destacando-se alguns, que poderão ser considerados marcos importantes tanto pelos resultados
concretos de utilização e aproveitamento energético, como no desenvolvimento de políticas e
legislação implementadas, cujo objectivo tem em vista a promoção cada vez maior da sua
aplicação também em Portugal.
8
CAPÍTULO 1
No capítulo 2, Principais Componentes dos Sistemas Solares Térmicos, começa-se por
evidenciar a importância da energia solar em confronto com outros tipos de energia e são
apresentados os principais componentes dos sistemas solares térmicos, particularizando
aqueles que fazem parte das instalações abordadas ao longo do presente trabalho.
No capítulo 3, Aplicações e Dimensionamento de Sistemas Solares, é feita uma abordagem às
aplicações de energia solar térmica com particular incidência nos sistemas solares térmicos
mais comuns, tanto no que se refere ao aquecimento de água sanitária, como da água para
piscinas ou no apoio ao aquecimento ambiental e ainda noutros tipos de aplicações menos
comuns em Portugal. Além disso, são apresentados estudos de aplicação em habitação
unifamiliar e de utilização colectiva, onde é feito o dimensionamento através da aplicação do
programa SolTerm, a partir do qual se apresentaram relatórios.
No capítulo 4, Implementação de Sistemas Solares Térmicos é apresentada uma solução
tecnológica baseada em sistemas térmicos de energia solar conforme os esquemas das
instalações apresentadas. De entre os aspectos analisados refira-se a instalação e manutenção
dos colectores solares, dos depósitos de armazenamento de água, das redes de entrada de água
fria e saída de água quente e respectivos componentes, tendo sido dada particular relevância à
prevenção e controlo de legionellas nos sistemas de água quente.
Para efeitos de apoio à leccionação de temas relacionados com energias renováveis em
diversas disciplinas do ensino secundário foi implementada uma bancada didáctica móvel. A
referida bancada serviu de suporte aos ensaios de aplicação do controlador electrónico
diferencial desenvolvido. Este controlador realiza medições de temperatura do fluido térmico
circulante, através de sensores adequadamente distribuídos pela instalação e de circuitos de
condicionamento de sinal. Estas informações são tratadas pelo microcontrolador que através
de interfaces de ligação comandam os diversos actuadores existentes na instalação (bombas
electro-circuladoras e electro-válvulas).
No capítulo 5, Normas e Legislação são apresentadas algumas das normas e legislação
nacional e internacional mais importantes, que oferecem a garantia de poderem ser alcançados
os melhores resultados na procura das soluções a utilizar em cada uma das instalações de
aproveitamento da energia solar, qualquer que seja a situação a considerar em Portugal e em
toda a União Europeia.
Por último, no capítulo 6, Conclusões são apresentadas as conclusões do trabalho efectuado
durante o projecto. De entre elas refira-se a importância do aproveitamento da energia solar
em Portugal sob as mais diversas formas, tendo em consideração que se trata de uma fonte
energética alternativa gratuita e inesgotável capaz de permitir a substituição parcial ou total,
do consumo de combustíveis fósseis em muitas aplicações. Nestas circunstâncias, além de
permitir a redução da dependência energética do exterior, evita-se a saída de divisas na
aquisição de combustíveis. Não sendo necessário um consumo tão elevado de combustíveis,
eliminam-se ou reduzem-se em parte os efeitos nefastos da poluição do meio ambiente
resultante dos produtos derivados da sua queima.
Manuel Cerveira
9
CAPÍTULO 2
2 PRINCIPAIS COMPONENTES DOS SISTEMAS SOLARES
A energia solar revela-se uma das formas de energia renováveis mais importantes que existe,
uma vez que quase todas as outras formas de energia de que são exemplo a energia dos
oceanos, biomassa, eólica e combustíveis fósseis, são formas indirectas da energia solar. A
energia solar pode ser transformada em dois principais tipos: energia solar térmica e energia
solar eléctrica. A energia solar térmica a tratar neste trabalho, tem como principais
aplicações, o aquecimento de águas quentes sanitárias em edifícios de utilização colectiva e
residencial, bem como o aquecimento ambiente e da água de piscinas, entre outros. Para o
efeito são utilizados colectores solares. A este subgrupo pertence também a energia solar
passiva, que consiste na aplicação de modelos de construção de edifícios, capazes de por si só
realizar o aquecimento do próprio edifício.
A energia solar é de longe a fonte alternativa de energia mais atraente para o futuro, pois,
além das suas características não poluentes, a quantidade de energia disponível para
conversão é equivalente a várias vezes o actual consumo mundial.
2.1
Colectores Solares
São os componentes centrais das instalações de aproveitamento de energia solar térmica. Têm
como função captar e converter a luz solar (radiação de onda curta) em calor e transferir a
energia obtida com o mínimo de perdas para o resto do sistema, geralmente através de água,
óleo ou outro fluido consoante a temperatura de funcionamento do sistema. Baseiam o seu
funcionamento em dois fenómenos naturais:
•
A absorção de calor pelas superfícies escuras;
•
O movimento de subida dos fluidos líquidos em circuitos com variações de
temperatura.
Os colectores solares deverão apresentar as seguintes características:
•
Possuir uma superfície de absorção que permita um elevado nível de captação da
energia radiante incidente para os baixos comprimentos de onda, da ordem de 0,3 a
3,0 µm;
•
Apresentar reduzido índice de perdas, através da utilização de um bom isolamento
térmico;
•
Possuir baixo nível de emissividade para a radiação solar nos comprimentos de onda
mais comuns que se situam entre 3,0 e 30 µm.
Manuel Cerveira
11
Sistemas Térmicos de Energia Solar
2.1.1
Colectores Planos Simples Vitrificados
Dos diversos tipos de colectores solares térmicos utilizados, destaca-se o colector solar plano,
que apresenta excelentes características de aplicação principalmente para AQS e climatização
ambiental, donde resultam significativos ganhos que permitem a redução de utilização das
fontes energéticas convencionais.
Podem ser utilizados unitariamente ou sob a forma de baterias de dois a cinco colectores
solidariamente ligados através de juntas de união, que de forma agrupada através da ligação
por canalizações permitem obter grandes extensões de colectores, obtendo-se assim o
aquecimento de grandes quantidades de água para utilização simultânea.
Um colector solar plano é essencialmente constituído pelos seguintes elementos, como se
pode observar na figura 2.1 seguinte:
•
Placa absorsora ou absorsor;
•
Caixa exterior;
•
Cobertura;
•
Isolamento.
Figura 2.1 – Elementos constituintes de um colector solar. [KALOGIROU]
A maioria dos colectores solares de aproveitamento térmico utilizados, apresenta dimensões
aproximadas de 2000x1000x100 mm. Porém, são fabricados colectores solares com
dimensões muito diversificadas, dos quais se salientam ainda os modelos em que as suas
dimensões se aproximam de 1000x1000x100 mm e de 2000x1500x100 mm, cuja aplicação se
faz numa escala bastante inferior aos anteriormente referidos.
2.1.1.1
ABSORSOR
O absorsor é um elemento em cuja superfície é absorvida a radiação solar que é transmitida,
sob a forma de calor, a um fluido que geralmente é constituído por uma mistura de água e
glicol. Para que sejam obtidas condições de elevado rendimento, a placa do absorsor, deverá
apresentar elevados níveis de absorvidade e baixos níveis de emissividade (ε).
12
CAPÍTULO 2
Assim, em alguns colectores a placa do absorsor é fabricada em chapa de cobre, pintada de
negro baço especial com elevado coeficiente de absorção (α), noutros; designados colectores
solares selectivos, a superfície do absorsor apresenta um revestimento com tratamento
especial chamado selectivo, que garanta condições de absorvidade distintas; sendo elevada
para os baixos comprimentos de onda e baixa para os altos comprimentos de onda, o que
permite reduzir muito a irradiação na faixa dos infravermelhos. Nestas circunstâncias,
conseguem-se obter índices de perdas mais reduzidos, o que torna ainda mais eficiente a
transferência de calor ao fluido solar e consequentemente um maior rendimento neste tipo de
colectores. Neste tipo de colectores, conseguem-se níveis de aproveitamento na absorção que
ultrapassam os 95 % e rendimentos bastante elevados.
Dependendo do tipo de fabricação da placa do absorsor, o fluido térmico de transferência de
calor (água + glicol), poderá circular directamente no interior da placa absorsora, através de
uma serpentina (pouco vulgar) ou no caso mais comum, através de uma grade geralmente em
cobre, que é constituída por tubos longitudinais ligados entre si por 2 tubos adutores
transversais, a qual é ligada à chapa da placa absorsora por encaixe mecânico reforçado com
soldadura especial.
Em ambos os tipos de solução (serpentina ou grade) está prevista a entrada do fluido frio na
parte inferior e a saída de fluido quente na parte superior.
2.1.1.2
CAIXA EXTERIOR
A caixa exterior do colector apresenta em geral estrutura de alumínio anodizado ou aço
inoxidável com tapa junta4 na parte superior que pode ser também em alumínio anodizado ou
aço inoxidável e fixada por encaixe, por rebites ou por parafusos cadmiados. A parte de trás
ou fundo da caixa é geralmente em chapa de aço galvanizada ou zincada. Em alguns
colectores a caixa é totalmente fabricada em fibra de vidro.
A caixa deverá ter uma profundidade que assegure um afastamento adequado entre a placa do
absorsor e o vidro claro de transparência e resistência elevadas, que geralmente possui uma
espessura próxima de 4 mm (entre 3,5 a 5 mm).
Entre a placa do absorsor e o fundo da caixa exterior do colector, existe uma camada de
isolamento em lã de rocha, poliuretano ou outro de elevada densidade com espessura
aproximada de 50 a 60 mm, que garante a redução das perdas de calor irradiadas para o
exterior.
4
Tapa junta – Elemento metálico em chapa de alumínio ou aço inoxidável, que é interposto entre o perfil de
borracha de isolamento Ethylene Propylene Diene Monomer (EPDM) de encaixe do vidro da cobertura do
colector solar, à sua caixa exterior também em alumínio.
Manuel Cerveira
13
Sistemas Térmicos de Energia Solar
O isolamento aplicado deverá apresentar características que permitam suportar temperaturas
até 150 °C e manter essas características, durante o tempo de vida útil do equipamento, não
inferior a 20 anos.
No encaixe entre o vidro e a estrutura exterior de alumínio anodizada, poderão ser usadas
várias soluções, nomeadamente; parafusos, rebites ou outras. Porém, uma que se apresenta
muito interessante é o sistema de encaixe com borracha de elevada resistência aos agentes
atmosféricos e elevado nível de Ethylene Propylene Diene Monomer (EPDM), que assegura a
estanquicidade do colector.
2.1.1.3
COBERTURA
- Em vidro temperado de baixo teor de óxido de ferro, com espessuras que variam de 3,5 mm
a 5 mm e com elevado coeficiente de transmissão (transmissividade - τ).
- Perfil de borracha vedante com junta de dilatação, que deverá possuir elevadas
características de EPDM permitindo resistir à acção da radiação ultravioleta e das alterações
bruscas das condições atmosféricas.
2.1.1.4
ISOLAMENTO
- Em corticite, lã de rocha, lã de vidro ou poliuretano expandido de alta densidade.
- Revestimento por película reflectora entre o isolamento e a placa absorsora.
As melhores condições de rendimento neste tipo de colector serão garantidas se forem
verificadas as seguintes condições, relativamente à fabricação:
- Seja utilizada placa de vidro transparente, com espessura e características que permitam
excelente passagem de radiação solar, que devido ao efeito de estufa, reduz as perdas térmicas
e, por outro lado, permita filtrar os tipos de radiações não desejadas, nomeadamente radiações
ultravioletas ou outras, que sejam nocivas aos materiais envolvidos.
- Seja utilizada uma placa absorsora que permita boas condições de captação e de transmissão
do calor. Para tal, será utilizada uma placa de cobre ou outro material de elevado coeficiente
de condutibilidade térmica, na qual é realizado o tratamento da superfície para se obter o
melhor nível de absorção possível da radiação solar incidente. Este tratamento poderá ser feito
por pintura a preto baço ou mate, ou ainda, quando se pretenderem atingir níveis de
rendimento mais elevados utilizar-se tratamento selectivo da placa por processo electroquímico ou por pulverização.
- Seja executada a grade de circulação do fluido térmico em tubos de cobre, cujas dimensões
estejam em consonância com as dimensões e ondulação da placa absorsora, de tal modo que a
área de transmissão de calor seja adequada à quantidade de fluido térmico circulante.
14
CAPÍTULO 2
- Sejam executadas todas as ligações entre os tubos de cobre que compõem a grade por acção
de soldas fortes com prata, através de soldadura oxiacetilénica ou outro tipo de soldadura de
alta temperatura.
- Seja utilizado perfil de borracha de elevadas características de EPDM, onde assentará a
placa de vidro. Esta deverá garantir condições de amortecimento para suportar os efeitos das
dilatações ou contracções devidos às variações da temperatura e possuir características que
permitam garantir boas condições de resistência à radiação solar, calor e outras acções dos
agentes atmosféricos.
- Ter o material do isolamento térmico utilizado, características que permitam um nível
reduzido de perdas de calor no fluido térmico. Para tal, poderão ser utilizados, a corticite, a lã
de vidro, a lã de rocha, poliuretano ou outros tipos de isolamento com boas características no
que se refere ao coeficiente de condutibilidade térmica, ao coeficiente de absorção de
humidade e de resistência mecânica. Deve também assegurar condições adequadas de
segurança contra incêndios e apresentar um baixo coeficiente de perdas por degradação das
suas características.
Figura 2.2 – Colector horizontal.
2.1.2
Figura 2.3 – Colector vertical.
Colectores Planos Selectivos
Os colectores planos selectivos, representados na figura 2.4, diferem dos colectores solares
sem cobertura ou colectores planos simples, fundamentalmente pelo vidro solar extra claro de
cristal do tipo prismático temperado anti-reflexo e pelo conjunto absorsor constituído por uma
placa de cobre tipo lâmina e tubos também de cobre com tratamento superficial selectivo pelo
revestimento de óxido de titânio, resultando dai maior rendimento.
Esta solução apresenta benefícios para o ambiente e proporciona maior rendimento, o que
torna a opção pela energia solar mais atractiva para os utilizadores.
A superfície selectiva absorsora em óxido de titânio reduz a irradiação na faixa dos
infravermelhos, permite capturar maior nível de calor da irradiação solar e fazer a sua
transformação de forma mais eficiente.
Manuel Cerveira
15
Sistemas Térmicos de Energia Solar
Figura 2.4 – Colectores planos selectivos.
2.1.3
Colectores Planos Sem Vidro de Cobertura
Nos casos das aplicações de aquecimento da água de utilização directa em piscinas cobertas
ou descobertas e outras aplicações em que as temperaturas não ultrapassam 26° C, ou ainda,
para aplicação em sistemas de aquecimento ambiente por chão radiante, onde a temperatura
da água ou mistura (água e glicol), poderá ultrapassar pouco mais de 30° C, a solução de
utilização dos colectores sem vidro de cobertura, apresenta geralmente custos mais reduzidos
de aquisição, maior facilidade de instalação e mais reduzida manutenção, que qualquer dos
outros tipos de colectores solares.
Os colectores sem vidro de cobertura, representados na figura 2.5, são colectores solares que
não possuem vidro, captando a radiação solar directamente no absorsor, que pode ser em
material metálico ou constituído por bandas de polipropileno tecno-polímero, propileno,
policarbonato ou polivinil e borracha.
Os primeiros, com os quais se podem obter temperaturas ligeiramente superiores aos
segundos, poderão utilizar-se tanto para o aquecimento de água de piscinas cobertas ou
descobertas, como associados à utilização de bombas de calor para AQS, ou aquecimento
ambiente, particularmente por chão radiante. Os segundos são geralmente colocados em
forma de esteira, que se ligam entre si por acoplamento através de uniões nos tubos de maior
diâmetro que se situam nas partes inferior e superior, cujos conjuntos têm um máximo de sete
colectores e que trabalham geralmente a baixa temperatura. São principalmente utilizados
para aquecimento de água em piscinas descobertas.
Figura 2.5 – Colectores sem vidro de cobertura.
16
CAPÍTULO 2
A utilização destes colectores permite a circulação directa da água da piscina. Apresentam
custos de aquisição e instalação mais baratos. Embora o tempo de retorno do investimento
seja muito idêntico aos colectores com cobertura, apresentam menor eficiência sendo pois
necessária uma maior área de captação. Alguns destes colectores podem ser enrolados, pelo
que são facilmente arrumáveis.
2.1.4
Colectores Parabólicos Concentradores Compostos - CPC
São colectores geralmente do tipo tubular, cujos tubos onde circula o fluido térmico solar, são
envolvidos por espelhos reflectores de forma concêntrica, que lhes garante um elevado
rendimento no aproveitamento da radiação solar independente do seu grau de incidência.
Geralmente o espelho é protegido por um revestimento que resiste às influências do meio
ambiente.
Estes colectores, representados na figura 2.6, são apropriados para o aquecimento de águas
sanitárias e/ou apoio do aquecimento ambiente. Apresentam elevado rendimento
especialmente na época fria ou em condições climatéricas pouco favoráveis.
Figura 2.6 – Colectores CPC e esquema de funcionamento.
2.1.5
Colectores de Tubos de Vácuo
São colectores constituídos por uma série de conjuntos de dois tubos em vidro, com vácuo no
seu interior, com um revestimento selectivo de alta eficiência. A parte central desses tubos é
inteiramente feita em cobre.
Os conjuntos de dois tubos são obtidos de borosilicato que é produzido a partir de areia cujo
quartzo terá de possuir baixo teor de ferro, de óxidos de boro; de alumínio; de potássio e de
sódio e a parte central interna dos tubos será revestida por uma película absorvedora selectiva.
Todos os tubos se encontram ligados a um tubo adutor (colector) geralmente em cobre
disposto na parte superior, formando assim o conjunto um sistema de distribuição térmica.
Manuel Cerveira
17
Sistemas Térmicos de Energia Solar
Existem colectores em tubos de vácuo com diversos formatos (arquitecturas), apresentando-se
a mais comercializada com a denominação “heat pipe” ou tubo de calor. Com este formato,
cada tubo do colector que contém no seu interior a placa absorsora e o fluido de transferência
térmica (água destilada, mistura com glicol ou álcool), é selado em vácuo, sendo de seguida
também selados os seus extremos.
Pelas condições de revestimento selectivo em todo o perímetro (360 º) dos tubos, obtém-se
elevada eficiência e consegue obter-se uma captação de energia solar térmica mesmo em dias
nublados no mês de Outubro e mesmo no inverno, através da radiação difusa em qualquer
orientação. No verão apresentam menor eficiência que os colectores de superfície plana.
O vácuo existente entre os dois tubos fundidos garante um grande isolamento térmico,
permitindo assim captar mesmo com temperaturas muito baixas, tornando a produção de água
quente mais constante ao longo de todo o ano. Os colectores de tubos de vácuo são
particularmente ajustáveis em sistemas de climatização de baixa temperatura, tais como os de
pavimento de chão radiante, ou mesmo os de alta temperatura.
Figura 2.7 – Colectores de tubos de vácuo.
Em geral os colectores solares de tubos de vácuo apresentam-se agrupados de modo a formar
conjuntos com 12, 16, ou 20 tubos, cujas superfícies específicas de absorção se encontram
próximas de 2 m2, 2,5 m2 e 3 m2, respectivamente. A figura 2.7 apresenta um painel colector
com 16 tubos de vácuo, cujos constituintes poderão ser observados em corte.
18
CAPÍTULO 2
2.2
2.2.1
Análise de Eficiência de um Colector Solar
Curva Característica de um Colector Solar
A eficiência de um colector solar é definida como o quociente da energia térmica utilizável
pela energia solar recebida. Além das perdas térmicas existem também sempre, perdas
ópticas. O factor de conversão ou a eficiência óptica h0 indica a percentagem dos raios solares
que penetram na tampa transparente do colector de transmissão e a percentagem que é absorvida, obtida pelo produto da taxa de transmissão da tampa pela taxa de absorção do absorsor.
Segundo [RORIZ] a curva característica de funcionamento do colector é função da radiação
solar, da temperatura ambiente e da temperatura do fluido no colector, da seguinte forma:
T * = T f − Ta
(2.1)
em que:
•
Tf = temperatura média do fluido (ºC);
•
Ta = temperatura ambiente (ºC);
•
I = radiação solar (W/m2).
Quando T* é nulo, a temperatura média do fluído é igual à temperatura ambiente, temos o
rendimento óptico. Quando a temperatura de saída é igual à temperatura de entrada, ou o
caudal for nulo, o rendimento é nulo e o colector atinge a temperatura de estagnação
(temperatura máxima que o colector pode atingir), como se pode observar na figura 2.8.
A perda de calor é indicada pelo factor de perda térmica ou valor k. Quanto maior for a
diferença de temperatura, mais calor é perdido. Acima de uma diferença de temperatura
específica, a quantidade de perda de calor é igual ao rendimento energético do colector, de
forma que nenhuma energia é fornecida ao sistema de circulação solar. Um colector com um
bom desempenho terá um factor de conversão elevado e um baixo valor de k.
Figura 2.8 – Eficiência dos diferentes tipos de colectores solares. [AGUAQS]
Manuel Cerveira
19
Sistemas Térmicos de Energia Solar
O rendimento do colector diminui à medida que a temperatura média do fluido sobe. Como
regra geral deve escolher-se o colector de acordo com a temperatura de utilização pretendida,
para que o seu rendimento seja usualmente acima dos 40 %, conforme os dados fornecidos no
quadro 2.1 e na figura 2.9.
Quadro 2.1 – Tipo de colectores solares em função da aplicação.
Tipo de instalação
Temperatura de utilização
Tipo de colector
Piscina / Estufa
<30 ºC
Não vidrado
Águas Sanitárias e Préaquecimento Industrial
<60 ºC
Vidrados (selectivos e não
selectivos)
Pré-aquecimento Industrial
> 60 ºC
Tubos de vácuo
Figura 2.9 – Temperatura de funcionamento dos diferentes tipos de colectores solares. [ADENE]
2.2.2
Balanço Energético dos Colectores Solares
A quantidade de calor captada (útil) num colector solar atravessado por um caudal mássico de
água m& é dada por [RORIZ]
QU = m& ⋅ C p ⋅ (Tout − Tin )
(2.2)
onde Cp representa o calor específico do fluido térmico cujo valor é igual a 1,0 kJ/kg K para
água.
No caso da superfície da captação ser plana a energia absorvida (devida à radiação solar
directa) é proporcional à radiação directamente incidente, considerando que a absorvidade da
superfície é constante. Um colector solar recebe também radiação solar difusa, sendo a
intensidade de radiação solar difusa recebida pela superfície do colector dependente da sua
inclinação. [RORIZ]
Um colector solar pode ainda receber energia radiante resultante da radiação solar reflectida
por superfícies vizinhas, bem como a radiação proveniente de objectos próximos. Esta
radiação dependerá da temperatura a que se encontram os corpos vizinhos bem como (da
emissividade) da sua superfície.
20
CAPÍTULO 2
A maioria dos colectores existentes no mercado para aplicação de aproveitamento térmico de
energia solar, apresenta uma placa de absorção não completamente plana permitindo dessa
forma aumentar a quantidade de energia solar absorvida pelo colector. Na grande maioria dos
colectores planos utilizados, a placa absorsora apresenta ondulação onde normalmente se
encaixam os tubos da grade de circulação do fluido. Se for desprezada a influência da forma,
teremos para o balanço energético de um colector solar plano a seguinte fórmula:
QI = QR + QC + QE + QA
(2.3)
ou
QI − QR =
(QC
+ QE ) + QA
(2.4)
Nas equações anteriores QI refere-se à energia incidente, QA representa a energia absorvida
pelo colector, QR refere-se à parte da energia incidente que é reflectida, QC corresponde à
energia de perdas por condução-convecção e finalmente QE o valor da energia emitida. A
figura seguinte apresenta o balanço energético do absorsor compreendendo as componentes
anteriormente descritas.
QR
QI
QA
QE
QC
Figura 2.10 – Balanço energético do absorsor. (Adaptado de [RORIZ])
Em [RORIZ] refere que QI − QR corresponde à energia radiante absorvida pela superfície
absorsora do colector; sendo que o valor QC + QE correspondente à perda de energia pela
superfície total do colector devida a fenómenos de radiação própria e convecção pelo que QA
será a energia transmitida ao fluido térmico, logo absorvida pelo sistema solar térmico.
Num colector solar plano, o balanço energético deve ser realizado considerando como sistema
o absorsor. Assim sendo, a troca de energia por condução-convecção é dada por:
QC = U C ⋅ Ap ⋅ ( T − Ta )
(2.5)
e a energia emitida expressa por:
(
QE = Ap ⋅ ε ⋅ σ ⋅ T 4 − Ta
Manuel Cerveira
4
)
(2.6)
21
Sistemas Térmicos de Energia Solar
Nas equações anteriores σ é a constante de Stefan-Boltzmann cujo valor é 5,67 ⋅ 108W / m 2 K ,
ε representa a emissividade do absorsor, UC representa o coeficiente de transmissão de calor,
Ap a área do absorsor e T a temperatura média do absorsor a qual é dada pela equação (2.7)
T ≈ ( Tout − Tin ) 2
(2.7)
A energia radiante captada pelo absorsor, que recebe uma irradiação I, é dada por
QI − QR = A ⋅ I ⋅ηo, n
(2.8)
onde ηo,n é o rendimento óptico para o caso em que a radiação é normal à superfície do
absorsor e A é a área de abertura do colector.
Por outro lado a energia absorvida é dada por
Q A = m& ⋅ C p ⋅ (Tout − Tin ) + C tp ⋅ dT dt
(2.9)
Q A = QU + Ctp ⋅ dT dt
(2.10)
em que Ctp representa a capacidade calorífica do colector. Considerando a temperatura média
do colector igual à temperatura média do absorsor, virá para o rendimento:
η =
QU
= QU
QI
(A ⋅ I )
(2.11)
Para o caso em que o colector se encontra à temperatura ambiente, QI - QR = QA (sem perdas
convectivas e radiativas para o ambiente) tem-se que o rendimento do colector é igual ao
rendimento óptico.
Para concluir a exposição teórica falta mencionar que a radiação solar directa faz um ângulo
com a normal à superfície absorsora que pode variar entre 0º e 90º sendo pois necessário
incluir um coeficiente de correcção ao ângulo de incidência.
K =
η o,θ
η o,n
(2.12)
Este factor exprime a razão entre o rendimento óptico para um dado ângulo de incidência e o
rendimento óptico para um ângulo de incidência nulo logo perpendicular à superfície
absorsora. Segundo [RORIZ] valor de K é aproximadamente unitário para ângulos de
incidência menores do que 30º diminuindo de acordo com um polinómio de 2º grau para zero
à medida que o ângulo de incidência tende para 90º.
22
CAPÍTULO 2
2.3
Depósitos acumuladores
São os componentes que se destinam ao armazenamento da água quente de consumo cuja
temperatura foi elevada por acção da energia solar incidente nos colectores ou pela energia
fornecida por acção de um sistema de apoio nos períodos em que a incidência de radiação
solar, não foi suficiente para a elevar ao valor requerido para utilização.
A garantia das condições de permanência na temperatura da água quente de consumo resulta
das propriedades da sua massa e da capacidade calorífica cujo valor é de 4,186 kJ/kg ºC, que
representa uma capacidade volumétrica de 4,186 kJ/ºC m3.
Os depósitos acumuladores apresentam geralmente uma capacidade de armazenamento
variável entre os 100 e os 5.000 litros. A figura 2.11 apresenta os acumuladores de armazenamento de AQS mais comuns de diferentes gamas e fabricantes.
Podem ser instalados de forma unitária, mas muitas vezes são agrupados de modo a garantir
uma grande quantidade de água armazenada, que permite a utilização de maior quantidade de
água quente, simultaneamente.
Baseando-se nas condições de transmissão do calor captado pelos colectores para aquecer a
água nos sistemas solares térmicos, os depósitos acumuladores são classificados em:
•
Depósitos sem permutador;
•
Depósitos com um permutador;
•
Depósitos com dois ou mais permutadores.
Figura 2.11 – Termoacumuladores de armazenamento de AQS.
No caso dos depósitos sem permutador, o aquecimento da água obtém-se pela circulação
directa da água entre colector e acumulador (sistema pouco utilizado em Portugal).
Manuel Cerveira
23
Sistemas Térmicos de Energia Solar
Na grande maioria das situações, o aquecimento da água é obtido pela troca de calor que lhe é
transmitida pelo fluido térmico aquecido no colector ou colectores solares o qual circula
através do permutador existente no interior da cuba do depósito acumulador, ou na bainha
exterior que em alguns casos existe a envolver a cuba do depósito acumulador de AQS.
Nos depósitos de média ou grande capacidade, a cuba de armazenamento da água é em geral
de aço esmaltado, vitrificado ou com outro tipo de tratamento interior. Nos depósitos
acumuladores de pequena capacidade, (horizontais ou verticais), a cuba de armazenamento de
AQS, além dos materiais atrás referidos poderá ser de polietileno ou em cobre tratado.
Quando é pretendida a satisfação de armazenamento de água na totalidade das necessidades
de água quente de consumo durante todo o ano, isso implica que seja utilizada capacidade de
armazenamento sobredimensionada relativamente à época de verão.
De modo a garantir 100 % de água quente a temperaturas próximas dos 60 ºC, além do
aquecimento obtido por acção da energia solar, quando tal não é suficiente, terá de se utilizar
um sistema de apoio para compensação. No apoio ao sistema solar de AQS, poderão ser
utilizados diversos processos que permitem garantir uma utilização plena de água quente à
temperatura desejada.
Com esse objectivo, em muitos casos é utilizada uma ou mais resistências comandas por
termostato e colocadas em funcionamento pela central de controlo através de comando
electrónico diferencial na relação entre a temperatura do fluido térmico à saída dos colectores
solares e a temperatura de água para consumo armazenada na parte inferior do depósito
acumulador.
Noutras situações, principalmente quando já é utilizada caldeira para aquecimento central do
ambiente, opta-se pela aplicação de depósitos acumuladores de AQS com permutador interno
ou bainha envolvente da cuba e o apoio é feito através da caldeira que aquece o fluido (água
mais glicol), que circulando em circuito fechado faz a transferência do calor à água que se
encontra armazenada no depósito acumulador de AQS. Esta é a solução que se apresenta
geralmente mais rentável. Noutras situações, é utilizado apoio através da recuperação de calor
por lareira ou outra fonte de calor externa.
O tipo de soluções que acaba de ser apresentado implica geralmente a utilização de um
segundo permutador, já que o primeiro é utilizado para o aproveitamento do calor transferido
pela circulação do fluido térmico solar. Esta solução implica que seja utilizado um depósito
acumulador com dois permutadores internos, ou no caso de apenas ter um permutador interno,
existir um permutador de apoio externo. Assim, o fluido directamente aquecido pela caldeira
ou outra fonte de aquecimento irá então passar através de um permutador de aquecimento
externo ao depósito acumulador. Na maioria deste tipo de aplicação é geralmente utilizado um
permutador de placas, com dois circuitos independentes em que num deles circula o fluido
térmico e no outro circuito circula a água vinda de um acumulador de apoio ao aquecimento
ambiente ou da água vinda de uma piscina.
24
CAPÍTULO 2
Além das soluções atrás enumeradas, poderá ser integrado na saída de água quente solar um
módulo de adaptação a um esquentador ou caldeira para que quando a água à saída do
acumulador for inferior à temperatura desejada, passe no circuito de aquecimento de água do
esquentador ou caldeira antes de ser utilizada para consumo.
Os depósitos de grande capacidade ilustrados na figura 2.12, deverão possuir boca de visita de
homem para limpeza e reparação, em cuja tampa, estão geralmente alojadas as resistências do
sistema de apoio para aquecimento da água, quando as condições de aproveitamento do calor
pela energia solar ou outro sistema de apoio não seja mais favorável.
Figura 2.12 – Depósitos acumuladores de grande capacidade.
2.3.1
Depósito acumulador com bomba de calor
Os depósitos com bomba de calor, como o representado na figura 2.13, apresentam condições
que permitem reduzir o perigo de congelamento do termofluido devido ao abaixamento das
temperaturas durante o período de inverno. Permitem também resolver a questão de combate
anti legionellas. [HSC]
Figura 2.13 – Depósito acumulador com bomba de calor.
Manuel Cerveira
25
Sistemas Térmicos de Energia Solar
2.3.2
Selecção de Depósitos Acumuladores
O volume óptimo de acumulação depende do tipo de colectores, do local e das características
do consumo. De uma forma geral o volume de armazenamento é idêntico ao consumo diário,
sendo que valores superiores não originam maiores economias.
Se o volume acumulado é menor conseguem-se temperaturas de acumulação mais elevadas
mas com um menor rendimento. O sistema de armazenamento deve garantir prioritariamente
o uso da energia solar face à energia convencional. Sempre que possível, deve-se separar o
depósito acoplado ao sistema solar do depósito ligado ao sistema de apoio. O isolamento a
utilizar entre cuba e forra exterior nos depósitos acumuladores de média e grande capacidade
deverá possuir como espessura mínima 80 mm e dependerá do material utilizado.
Qualquer que seja a solução de aproveitamento de energia (solar ou outra), para obtenção de
água quente de consumo, é sempre necessário utilizar depósitos acumuladores para o seu
armazenamento que terão de apresentar as seguintes partes:
•
Forra exterior envolvente: geralmente fabricados em chapa de aço comum tratada, de
aplicação nos acumuladores que se prevê venham a ser instalados no interior dos
edifícios, ou em aço inoxidável, alumínio anodizado ou outro tipo de material, que
possua boas características de resistência à acção dos agentes atmosféricos.
O material do forra exterior ou revestimento envolvente deverá possuir também características
estruturais de robustez suficiente para que nela sejam fixados os diversos elementos, onde
serão instalados os acessórios de ligação às diversas tubagens das redes de água fria e quente
de consumo, às redes de circuitos de retorno quando existam; e, ainda às redes de circulação
do fluido frio e quente. Além disso, deverão ainda garantir que possam ser fixados e
instalados os acessórios de ligação aos diversos componentes das instalações.
•
Isolamento: geralmente é utilizada espuma de poliuretano de elevada densidade, lã
de rocha ou fibra de vidro, podendo no entanto ser utilizados outros materiais, os
quais são aplicados entre a forra ou revestimento exterior e a cuba do depósito
acumulador de água.
Os materiais utilizados, deverão possuir características e espessura suficiente para que sejam
obtidas boas condições de isolamento térmico que deverá ser mantido ao longo do tempo de
vida útil dos depósitos, que tal como as instalações onde estão inseridos na maior partes das
aplicações, deverá apresentar uma durabilidade com bom desempenho superior a 20 anos
garantindo reduzidas perdas na temperatura da água.
•
26
Cilindro ou Cuba: fabricado na sua maioria em aço inoxidável, é tratado no seu
interior por vitrificação ou outro tipo de tratamento, que lhe conferem melhores
condições de sanidade para as diversas aplicações em que geralmente são utilizados.
CAPÍTULO 2
A chapa de que é fabricado cuja espessura está relacionada com o diâmetro e os níveis de
pressão para os quais está previsto o depósito acumulador (baixa ou alta pressão), deverá ser
suficiente para garantir as melhores condições de aplicação em segurança, prevendo-se
sempre a aplicação de sistema de segurança de acordo com o estabelecido na regulamentação,
através de válvulas de pressão e/ou de temperatura adequadas às respectivas aplicações.
Para proteger a cuba de elevados níveis de oxidação, é geralmente aplicado um ânodo de
magnésio no seu interior.
É na cuba que são fixados a grande maioria dos componentes das instalações, tais como; de
comando (torneiras e válvulas de passagem), de controlo (sondas e termostatos), de protecção
e segurança (ânodo de magnésio na cuba, filtros, válvulas reguladoras de pressão, válvulas de
segurança e purgadores), e ainda os vários equipamentos de medição (termómetros,
pressostatos, caudalímetros), de compensação de volume (vasos de expansão) e de circulação
(bombas electro-circuladoras).
Principais especificações dos depósitos acumuladores:
•
Capacidade em litros;
•
Temperatura máxima admissível (em ºC ou ºK);
•
Pressão máxima admissível (em bar ou kg/cm2);
•
Disposição horizontal, vertical ou ambas (vertical apresenta melhores condições de
estratificação da água);
•
Número de permutadores interiores (geralmente em serpentina);
•
Tipo de sistema de apoio;
•
Medidas dos acessórios de ligações às redes de água quente e fria;
•
Medidas das ligações dos acessórios das ligações das redes de fluido térmico;
•
Dimensões:
o Peso aproximado em kg;
o Altura em mm;
o Diâmetro exterior em mm.
Manuel Cerveira
27
Sistemas Térmicos de Energia Solar
2.4
Controlador Electrónico Diferencial ou Central de Comando
O controlador ou central electrónica de comando, permite comandar o arranque da bomba do
circuito primário de fluido térmico solar, quando existe um diferencial de temperatura de 3 º a
7 ºC (conforme opção a programar) entre a temperatura na parte superior dos colectores e a
água na parte inferior do depósito acumulador, sendo dada indicação de paragem da bomba
quando esse diferencial for igual ou inferior a 2 ºC.
Além disso, deverá ser possível efectuar a paragem das bombas a qualquer momento,
contemplando um fácil manuseamento e a garantia de segurança de todos os aparelhos de
comando da instalação.
O controlador electrónico diferencial (ver figura 2.14) é utilizado nos sistemas de circulação
forçada, para através do diferencial de temperatura entre colector ou colectores solares e
depósito acumulador, ligar ou desligar a bomba de circulação do fluido solar que irá transmitir
o calor para aquecer a água armazenada no depósito acumulador cuja temperatura se deverá
manter próxima de 60 ºC, para que seja também mantida uma temperatura de consumo de
aproximadamente 45 ºC.
O controlador pode ser programado para assegurar uma contínua transferência de energia
térmica dos colectores solares para o acumulador de água, através do comando electrónico
que fará com que a bomba de circulação de fluido não funcione quando a temperatura do
fluido à saída do colector for igual ou inferior à temperatura da água na zona inferior do
permutador de troca de calor ou do depósito acumulador de água.
Figura 2.14 – Exemplos de centrais de comando Vulcano. [VULCANO]
2.4.1
O Controlador Electrónico Diferencial MANCER
O controlador diferencial de comando MANCER que foi desenvolvido no âmbito do presente
projecto do mestrado MACSE, apresenta características que permitem a sua aplicação tanto
nas pequenas instalações de moradias habitacionais onde o número de informações, sensores e
elementos de comando é reduzido, como na aplicação em instalações de utilização colectiva,
onde é maior o número de entradas e saídas disponíveis.
28
CAPÍTULO 2
Assim, o protótipo apresentado neste trabalho poderá ser utilizado em qualquer das situações
de instalação solar referidas.
No desenvolvimento deste equipamento foram tidas em atenção condições funcionais de
aplicação e qualidade de modo a obter-se um produto de baixo custo, o que poderá evoluir
para aplicações mais complicadas que este não contempla, desde que tal se justifique.
Na utilização do controlador aqui exposto poderão ser utilizados sensores Pt1000, Pt100 ou
ainda NTC.
Neste trabalho optou-se pela simulação com sensores Pt1000, que aplicados em diversos
pontos da instalação solar, permitem obter informações do tipo físico por controlo de
temperatura, que após a sua transformação em sinais eléctricos, accionam dispositivos de
comando que irão fazer activar bombas de circulação de fluido térmico ou válvulas de três
vias existentes em alguns pontos da rede de tubagens entre os colectores solares e os depósitos
acumuladores de AQS, de AAA ou AAP.
As imagens do controlador diferencial MANCER estão apresentadas na figura 2.15, em que é
utilizado um microcontrolador 16F887 com 40 pinos de ligação (35 IN/OUT), cujas
características permitem satisfazer às condições previstas para aplicação neste projecto.
Para apresentação final do controlador MANCER optou-se por uma caixa em PVC rígido de
cor preta, cuja forma e dimensões permitem fazer a instalação dos diversos componentes em
boas condições, permitindo também a colocação de terminais de ligação para os vários
componentes e equipamentos externos ao controlador, como sejam sondas, electroválvulas
bombas circuladoras, termómetros, caudalímetros, medidores de consumo e outros
equipamento de medição, comando, controlo e protecção.
Medidas exteriores aproximadas da caixa do controlador MANCER: 280 x 207 x 107 mm.
Figura 2.15 – Controlador diferencial MANCER.
Manuel Cerveira
29
Sistemas Térmicos de Energia Solar
2.4.2
Sistema Hidráulico com bomba de circulação
Este sistema sofreu uma melhoria significativa nos últimos anos, pela forma como passou a
ser apresentado para instalação sob a forma de conjunto agrupado dos vários componentes
que o constituem. Incorpora geralmente: termómetro, pressostato, válvulas anti-retorno,
caudalímetro, dispositivo de enchimento e drenagem, válvula de segurança, com bomba
circuladora incorporada e purgador de ar, adequado para sistemas solares.
Este sistema hidráulico em forma de kit (ver os exemplos presentes na figura 2.16), oferece
condições de aplicação e de utilização com elevado nível de segurança. A ligação da bomba
circuladora na entrada e na saída faz-se com duas válvulas de esfera, de forma a que a bomba
circuladora possa ser controlada ou retirada, sem que seja necessário esvaziar todo o circuito.
Geralmente dispõe de dois termómetros para controlo das temperaturas de entrada e de saída.
Figura 2.16 – Sistemas hidráulicos com bomba de circulação.
2.5
Resumo
Ao longo deste capítulo, para além dos componentes aqui apresentados, outros poderiam ter
sido considerados com características semelhantes. Refira-se no entanto, que foi intenção do
autor deste trabalho, fazer apenas alusão a um conjunto de componentes que pudesse de
algum modo ilustrar de forma clara o que é mais comum na maioria das aplicações na Europa
e em muitos países a nível mundial. Porém, algumas das referências apresentadas, são
essencialmente dirigidas para soluções de aplicação em países que apresentam condições
climatéricas que são próximas das que se verificam ao longo do ano em Portugal.
Além disso importa ainda salientar, que o controlador diferencial MANCER que se apresenta
neste trabalho, foi estudado com base num projecto para aplicação em sistemas solares
térmicos de média dimensão, mas que apresenta condições de fácil adaptação para aplicação
em sistemas com dimensões tanto de nível inferior como de nível superior ao do projecto para
o qual foi desenvolvido.
30
CAPÍTULO 3
3 APLICAÇÕES E DIMENSIONAMENTO DE SISTEMAS SOLARES
Embora o aproveitamento térmico da energia solar pudesse ser estudado para outros tipos de
aplicações, neste trabalho é abordado unicamente o aproveitamento da energia solar para
obtenção de AQS, aquecimento ambiental e de água para piscinas.
A utilização de colectores solares térmicos de alta temperatura para aquecer o gerador dos
sistemas frigoríficos de absorção que produzem a água refrigerada para o arrefecimento dos
edifícios é reduzida, sendo a maioria dos colectores solares fabricados para aquecimento de
água a temperaturas inferiores a 80 ºC.
A “produção” de calor a partir da energia solar irá ter, durante os próximos anos, um forte
incremento tanto devido à tendência que se prevê de aumento do custo dos combustíveis
fósseis, como pela legislação e regulamentação que parecem apontar no sentido do apoio a
este sector de actividade tornando-se assim num factor determinante para a maior penetração
dos sistemas solares activos.
As soluções integradas de climatização e de AQS, começam já a ser propostas interessantes
de utilização como opções que se prevê aumentem progressivamente durante os próximos
anos em todo o mundo, prenúncio do interesse pelo sector do aproveitamento da energia solar
térmica, que poderá contribuir decisivamente para aumentar a I&D, a formação e
desenvolvimento técnico, a quantidade e qualidade dos fabricantes, a comercialização e outras
entidades envolvidas, com o consequente aumento do nível de empregabilidade, dada a
necessidade de criação de empresas ligadas a este e a sectores afins, que deverá e se espera
venha a verificar-se.
Os sistemas térmicos de aquecimento de AQS, baseiam o seu funcionamento no aquecimento
da água obtido pela transferência do calor concentrado por efeito de estufa nos colectores
solares, onde a radiação solar com um determinado comprimento de onda, incide sobre a
cobertura de vidro, que compõe geralmente a parte superior dos colectores solares.
O aproveitamento de energia solar para AQS, é geralmente realizado por dois processos: em
termossifão; e em circulação forçada.
Em qualquer dos dois processos se poderá fazer o aquecimento da água em circuito aberto e
em circuito fechado.
Os sistemas em termossifão, são caracterizados pela circulação natural de fluidos (líquidos ou
gases) que se verifica em geral dos níveis inferiores para os níveis superiores por estes se
tornarem mais leves do que no nível inferior.
A circulação de fluido manter-se-á, enquanto houver diferencial de temperatura do fluido
entre o nível superior do acumulador e inferior do colector, deixando de se verificar quando
deixar de haver qualquer diferencial de temperatura. O diferencial de temperatura do fluido de
Manuel Cerveira
31
Sistemas Térmicos de Energia Solar
circulação é obtido pela acção do calor resultante da incidência de radiação solar no colector,
ou seja; na zona do nível inferior do sistema solar.
Os sistemas de circulação forçada, caracterizam-se por ser necessária existência de uma
bomba circuladora destinada a provocar a circulação do fluido. Nestes sistemas, com o
objectivo de garantir o maior aproveitamento do calor devido à incidência da radiação solar,
existirá também um controlador electrónico e sensores, que permitirão manter a bomba
circuladora em funcionamento mediante regulação apropriada ao melhor rendimento do
sistema solar de aproveitamento de energia.
3.1.1
Sistema Solar Térmico em Termossifão
Como já foi referido anteriormente a radiação solar ao atingir a superfície do colector
aumenta a sua temperatura. Essa temperatura é transferida para o fluido solar que por sua vez,
sob a forma de calor, a transfere para a água armazenada no depósito acumulador, originando
assim o aquecimento dessa água armazenada.
Neste tipo de sistema, o fluido térmico aquecido no colector, circula no interior do depósito
por acção da diferença de densidade verificada no fluido que é provocado pela diferença de
temperatura entre colector e o interior do depósito acumulador de água.
3.1.1.1
Tipo Monobloco – Conjunto com acumulador acima do colector
Sistema compacto de circuito fechado baseado no funcionamento por termossifão,
representado na figura 3.1, em que por acção do calor os fluidos se tornam mais leves subindo
do local mais baixo - o colector para o local mais elevado - o depósito acumulador.
O fluido geralmente utilizado, anticongelante e anticorrosivo, é constituído por uma mistura
de água com glicol que circulará em circuito fechado (circuito primário) sem qualquer
contacto com a água de consumo do depósito, entre o colector ou colectores solares e o
permutador do depósito acumulador. Este fluido apresenta um nível de mistura que é função
da capacidade do circuito fechado e também da localização da instalação, que está por sua vez
relacionado com o valor mínimo da temperatura no inverno previsto nessa zona.
Figura 3.1 – Sistema solar térmico do tipo monobloco.
32
CAPÍTULO 3
Com uma boa utilização do sistema solar térmico de AQS, poderá obter-se uma poupança
energética dependente das condições climatéricas particulares, que poderá atingir rendimentos
médios superiores a 70 % em grande parte do ano. Há no entanto necessidade de existir apoio
auxiliar geralmente eléctrico, podendo também ser a gás ou outro que se utilizará durante os
dias sem sol, ou de pouca radiação solar para se garantir AQS de forma contínua. O modelo a
instalar terá de ser adaptado à quantidade de AQS necessária em função do número de
utilizadores. Importante seria que o maior nível de utilização de AQS em Portugal se
efectuasse durante o dia entre as 10h30m e as 15h00m, visto que nessas horas geralmente há
máxima irradiação solar.
Figura 3.2 – Moradias com sistemas em termossifão do tipo monobloco.
3.1.1.2
Tipo Termosolar – Acumulador separado e acima dos colectores
É um modelo muito menos usado que o sistema tipo monobloco. Só é possível, quando
existem condições de instalação do depósito acumulador separado (geralmente na vertical)
acima do nível dos colectores solares, sendo particularmente vantajosa a possibilidade de ser
colocado o acumulador no interior da moradia, de acordo com o esquema da figura 3.3. Neste
caso, o acumulador não fica sujeito ao impacto dos agentes atmosféricos, e, além disso,
quando instalado na vertical permite maior estratificação da água no depósito, o que
possibilita a utilização de água quente durante mais tempo e em maior quantidade do que no
caso dos depósitos instalados na posição horizontal.
Figura 3.3 – Sistema solar térmico em termossifão do tipo termosolar. [KALOGIROU]
Manuel Cerveira
33
Sistemas Térmicos de Energia Solar
Nas figuras seguintes apresentam-se sistemas tipo termossifão em moradias
Figura 3.4 – Moradias com sistemas em termossifão do tipo termosolar.
3.1.2
Sistema Solar Térmico em Circulação Forçada
Neste tipo de sistema solar, representado na figura 3.5, o fluido térmico que é aquecido no
colector, vai circular no interior do depósito acumulador de AQS, por acção de uma bomba
circuladora cuja ordem de funcionamento ou paragem é dada por um controlador electrónico
de comando diferencial sempre que é detectado um diferencial de temperatura entre os sensores instalados na saída de fluido quente da parte superior dos colectores e na zona inferior do
depósito acumulador de AQS. Assim, sempre que pelos valores detectados nos sensores seja
verificado o diferencial de temperatura previamente programado, será dada ordem de ligação
da bomba que fará circular o fluido pelo permutador existente no interior do acumulador,
sendo aí transferido o calor para aquecer a água. Enquanto os valores de temperatura medidos
pelas sondas se mantiverem e originarem um diferencial superior ao estabelecido pela
programação, a bomba circuladora mantém-se em funcionamento, sendo dada ordem para a
desligar quando tal deixar de se verificar. Esta condição será mantida enquanto não houver
diferencial de temperatura que permita dar ordem de ligação da bomba.
Figura 3.5 – Sistema solar térmico em circulação forçada (indirecto). [KALOGIROU]
34
CAPÍTULO 3
A figura 3.6 apresenta os colectores solares implantados no telhado de uma moradia
unifamiliar referentes à instalação de um sistema solar térmico em circulação forçada cujo
depósito de AQS se encontra no interior da habitação.
Figura 3.6 – Moradia com sistemas em circulação forçada.
Através do quadro 3.1 é feita a análise comparativa das vantagens e desvantagens relativas à
utilização das instalações solares em termossifão e em circulação forçada.
Quadro 3.1 – Análise comparativa dos sistemas solares (termossifão vs circulação forçada).
Vantagens
Desvantagens
Manuel Cerveira
Sistema em termosifão
Sistema em circulação forçada
Unidade monobloco geralmente com
colector e acumulador num só sistema,
podendo eventualmente, ter colector e
acumulador separado.
- Sistema simples auto-regulado pelo
sol.
- Praticamente isento de manutenção
devido à qualidade dos materiais
utilizados e à ausência de partes
móveis.
- Os colectores e o acumulador ficam
fisicamente separados. Este sistema
recorre a uma electrobomba accionada
por um controlador electrónico que
força o fluido a percorrer o circuito
solar.
- Fácil instalação/integração dos
colectores geralmente no telhado.
- Menores perdas térmicas do sistema
uma vez que o acumulador ficará
situado no interior da habitação, na
posição vertical.
- A instalação poderá ser dificultada se
não existirem pontos de ancoragem em
planos inclinados que possam suportar
o maior peso do conjunto.
- Maiores perdas térmicas da instalação
devido à colocação do acumulador
geralmente na posição horizontal e
sujeito à intempérie.
- Necessário instalar uma rede de
tubagem em cobre de forma a ligar os
colectores e o acumulador.
- Consumo eléctrico da bomba e do
controlador que, no entanto, são
compensados pelo maior rendimento
do sistema.
35
Sistemas Térmicos de Energia Solar
3.2
DIMENSIONAMENTO DE SISTEMAS SOLARES TÉRMICOS
No que se refere ao dimensionamento das instalações de aproveitamento de energia solar para
AQS, com a publicação dos Decreto-lei nº. 78/2006 (SCE); Decreto-lei nº. 79/2006 (RSECE)
e o Decreto-lei 80/2006, a partir do qual deu entrada em vigor o novo RCCTE foi legislada a
obrigatoriedade de serem realizadas infra-estruturas para a instalação de sistemas térmicos de
aproveitamento de energia solar, tanto para as novas construções de habitação, como para as
que sofram significativas alterações, e, ainda, nas construções que pelas actividades que
desempenham ou venham a desempenhar tal deva ser considerado no respectivo projecto.
Assim, para garantir o cumprimento da lei e uniformizar as montagens e outras intervenções
nas instalações de aproveitamento térmico da energia solar foi desenvolvido pelo INETI o
programa de software SolTerm. Este software efectua o dimensionamento de sistemas de
energia solar térmico, conforme se exemplifica neste trabalho, permitindo à Agência para a
Energia ADENE obter uma maior eficácia no controlo e acompanhamento dos projectos
realizados.
3.3
Sistema Solar Térmico para Moradia Unifamiliar
No âmbito do trabalho realizado em [ASantos], o autor define um conjunto de passos a seguir
no dimensionamento de sistemas solares térmicos de AQS a instalar num edifício mas que
podem ser extrapolados para o caso específico de uma moradia unifamiliar. O procedimento
apresentado compreende os seguintes passos:
•
Seleccionar o tipo de solução a aplicar, a qual deve ser escolhida em função da
configuração da moradia, zonas técnicas disponíveis e do nível de conforto
pretendido;
•
Quantificar, de acordo com a regulamentação ou indicações existentes, os consumos
de AQS, sendo que, no caso de um edifício de habitação costuma ser associado ao
número de utilizadores, considerando-se um dado valor de consumo por utilizador;
•
Tendo em conta as necessidades de consumo de AQS, bem como as limitações de
espaço e estruturais da moradia, definir o volume e modelos do depósito a aplicar, em
zona técnica no interior da habitação;
•
Definir o tipo de equipamento de apoio a aplicar.
A especificação da localização é o factor essencial no projecto, tendo em conta que as
condições climatéricas típicas da zona associadas, impõem limitações no que concerne ao
rendimento dos colectores. Refira-se também a possibilidade de existência no concelho onde
se pretenda instalar o sistema solar térmico de regulamentação própria para o efeito.
36
CAPÍTULO 3
As características da cobertura onde serão instalados os colectores, nomeadamente: espaço
disponível para instalação de colectores, a sua orientação e inclinação; e a existência de
obstáculos que façam sombras sobre os colectores também têm de ser previamente
conhecidos e analisados.
O quadro 3.2 resume as principais características do sistema solar térmico que se pretende
dimensionar, neste primeiro caso numa moradia unifamiliar.
Quadro 3.2 – Caracterização do sistema solar térmico para moradia unifamiliar.
Clima – concelho
Obstruções
Mealhada
---
Perfil de consumo
RCCTE (4 ocupantes)
Sistema Térmico
Circulação forçada
Colectores
~4 m2 de colector
Depósito
200 l
Tubagens
20 m
Sistema de apoio (gás natural):
88 %
Permutador de serpentina:
55 %
Temperatura de consumo:
60 ºC
Temperatura média da água da rede:
15 ºC
Da análise dos valores da irradiação solar diária horizontal e da temperatura ambiente para
uma localização no concelho da Mealhada, representado na figura 3.7, obtêm-se as seguintes
conclusões. O valor máximo da irradiação solar diária horizontal é igual a 6,7 kWh/m² e
ocorre no mês de Julho, para este valor contribuem a componente difusa, de valor igual a
2,5 kWh/m², e a componente directa cujo valor igual a 4,2 kWh/m². Em oposição o valor
mínimo da irradiação solar diária horizontal é igual a 1,7 kWh/m² e ocorre no mês de
Dezembro com contribuições similares das componentes difusa e directa.
Figura 3.7 – Selecção do concelho no SolTerm 5.1.
Manuel Cerveira
37
Sistemas Térmicos de Energia Solar
No que diz respeito à temperatura ambiente o valor de maior relevância será o valor mínimo
da temperatura ambiente mínima o qual é igual a 5,4 ºC (em valor médio) e ocorre no mês de
Dezembro. Tendo em conta a sua importância na definição da percentagem de mistura de
água e glicol como líquido solar de transferência de calor pesquisou-se o valor da temperatura
mínima registada. Em Coimbra a uma distância inferior a 10 km da Mealhada e com
condições climatéricas similares verificou-se que, no período 1971-2000, as maiores e
menores temperaturas registadas foram respectivamente de 41,6 °C e -4,9 °C. No entanto, há
registos de -7.8 °C em 1941 e 42,5 °C em 1943.
O RCCTE descreve em detalhe o método de cálculo das necessidades de energia para
preparação da água quente sanitária (Nac), o qual se encontra descrito no ponto 1 do anexo VI
do referido regulamento, em função dos valores das seguintes grandezas:
A energia útil despendida com sistemas convencionais de preparação de AQS (Qa);
A eficiência de conversão dos sistemas convencionais de preparação de AQS (ηa);
A contribuição de sistemas de colectores solares para o aquecimento de AQS (Esolar);
A contribuição de outras formas de energia renováveis ou de recuperação de calor para
a produção de AQS (Eren);
A área útil de pavimento (Ap).
Qa =
(M
AQS
× 4187 × ∆T × nd )
3600000
[kWh / ano]
(4.1)
em que:
•
MAQS – Consumo médio diário de referência de AQS [l];
•
∆T – Aumento de temperatura necessária para preparar as AQS [ºC];
•
nd – Número anual de dias de consumo de AQS (365 dias, em edifícios de
utilização permanente).
No que concerne ao consumo médio diário de referência o RCCTE especifica que o seu valor
para edifícios residenciais é dado pela seguinte expressão:
M AQS = 40[l ] × n º ocupantes
38
(4.2)
CAPÍTULO 3
Baseado na informação presente no anexo VI do RCCTE (ponto 2.2), considera-se que a água
fria é fornecida da rede a uma temperatura média anual de 15 ºC e que esta deve ser aquecida
até 60 ºC para consumo. Em ambos os cenários considerou-se que o consumo de AQS era
equitativamente dividido pelo período da manhã e da noite. Para efeitos de análise do sistema
proposto (4 ocupantes), utilizou-se o perfil de AQS representado na figura 3.8 o qual foi
introduzido no SolTerm. O perfil de consumo seleccionado pressupõe a utilização de 40 litros
por dia por ocupante o que perfaz (160 litros) assim distribuído: 80 litros das 6 às 9 horas e
80 litros das 17 às 22 horas.
Figura 3.8 – Definição do perfil de consumo diário de AQS da moradia unifamiliar.
O ponto 4 do anexo VI do RCCTE refere que o valor Esolar deve ser calculado utilizando o
programa SolTerm. É também indicado que a contribuição dos sistemas solares só pode ser
contabilizada, se os sistemas ou equipamentos utilizados forem certificados de acordo com as
normas e legislação em vigor e instalados por instaladores certificados pela Direcção Geral de
Geologia e Energia (DGGE).
Dos resultados com a simulação efectuada no software SolTerm 5.1 a moradia unifamiliar em
análise consumirá 3056 kWh, por ano, em sistemas convencionais de preparação de AQS de
acordo com o perfil de consumo apresentado anteriormente. Este valor é igual ao obtido pela
expressão presente no RCCTE. Refira-se a título de curiosidade que apesar da carga ser igual
ao longo do ano o seu valor é diferente ao longo dos meses do ano em função do número de
dias de cada um.
Manuel Cerveira
39
Sistemas Térmicos de Energia Solar
Figura 3.9 – Desempenho do sistema solar térmico: Moradia.
Com o intuito de baixar o consumo de energia dedicado ao aquecimento de AQS a partir de
fontes convencionais utilizou-se o sistema solar térmico constituído por dois colectores Zantia
ZHS 200, cujas características se encontram descritas no quadro 3.3, e um acumulador
também Zantia de 200 litros de capacidade [ZANTIA]. Com a implementação deste sistema
será possível produzir, por ano, 2084 kWh, resultando numa fracção solar média anual de
68,2 % e num valor de produtividade de 543 kWh/[m2 colector].
Quadro 3.3 – Características do colector solar Zantia ZHS 200. [ZANTIA]
Características
GOLD 200
2
Área Total (m ):
2,02
2
1,84
2
1,92
Área do Absorsor (m )
Área do Abertura (m ):
Altura x Largura x Profundidade (mm):
Rendimento Instantâneo (no)
0,759
2
Coeficiente de Perdas a (W/m .k):
2
2
Coeficiente de Perdas a (W/m .k ):
3,480
0,0161
Capacidade de Fluído (lts)
1,4
Absorção (%):
95
Emissão (%):
5
Ligações
Vidro:
Transmitância do vidro (%):
Isolamento Térmico
40
1730 x 1170 x 73
compressão ø22
temperado 3,2 mm
95
40 mm (lã mineral)
Máx. Temperatura de Estagnação (ºC):
234
Máx. Pressão de Serviço (bar):
10
Peso (kg):
35
CAPÍTULO 3
Dado o reduzido número de utilizadores (4) e o perfil de consumo considerado, baseado no
anexo VI do RCCTE, seleccionou-se para a instalação em análise um termoacumulador de
uma serpentina da marca Zantia e modelo S20-200 o qual possui uma capacidade de
200 litros. O SolTerm indica uma eficácia típica de 55 % para o permutador de calor
(serpentina) do depósito em causa, sabendo-se que o depósito vai ficar instalado no interior da
habitação, que é do tipo vertical, feito de aço inoxidável DUPLEX 2205 e conhecendo-se
ainda as suas dimensões, utilizaram-se as funcionalidades do editor de tanques do SolTerm
para definir o acumulador solar em análise (ver Figura 3.10).
Figura 3.10 – Definição das características do acumulador solar de AQS (Zantia S20 – 200).
Outros elementos a considerar nas simulações referem-se às tubagens no circuito primário, ao
líquido solar utilizado e ao caudal e velocidade do líquido nas tubagens.
Figura 3.11 – Sistema solar térmico simulado: Moradia.
Manuel Cerveira
41
Sistemas Térmicos de Energia Solar
Quadro 3.4 – Estimativa de desempenho do sistema solar térmico: Moradia.
Estimativa de Desempenho através do Programa SolTerm v5.1
Estimativa das necessidades energéticas totais
Energia total necessária
kWh/ano
3056
Estimativa de desempenho do sistema solar proposto
Nº de colectores
2
Modelo
ZHS-200
2
Área total de captação solar
ESolar efectivo
m
3,84
kWh/ano
2084
%
68,2
Fracção solar
Produtividade
2
kWh / (m colector)
543
Estimativa das necessidades energéticas de apoio
Energia total necessária
3.4
kWh/ano
972
Sistema Solar Térmico para Instituição Particular de Solidariedade Social
Conforme referido anteriormente as crises energéticas têm contribuído para que alguns
governos se tenham empenhado em promover incentivos que permitam baixar os níveis de
consumo dos combustíveis fósseis e assim reduzir a dependência energética de outros países.
Assim, tal como em muitas outras instituições em Portugal, com o objectivo de reduzir os
consumos de energia e aproveitando os apoios que o governo colocou à disposição (ver
secção 5.3), a Associação Desportiva Cultural e Recreativa de Antes (ADCRA) no concelho
de Mealhada, promoveu a realização de uma instalação de aproveitamento de energia solar
térmica para aquecimento de AQS destinadas aos seus utentes e pessoal de serviço.
Para concretização da referida instalação, foi tido em atenção o número de utilizadores que
ronda as 200 pessoas entre utentes e pessoal de serviço, tendo sido realizada pelo grupo
SOLARGUS a instalação solar de AQS, apresentada na figura 3.12, a qual é composta por:
42
•
42 colectores solares e respectivas estruturas de suporte;
•
2 depósitos acumuladores de AQS com 2000 litros cada;
•
Sistema de controlo e comando electrónico diferencial;
•
Grupos de bombas de circulação;
•
Rede de circulação de fluido térmico (tubagens, acessórios e outros componentes;
•
Redes de água fria e quente (tubagens, e outros acessórios e componentes).
CAPÍTULO 3
Figura 3.12 – Sistema solar térmico da ADCRA.
Na instalação do sistema solar térmico da ADCRA nos dias em que não houver sol ou o
aproveitamento da energia solar for insuficiente para garantir condições satisfatórias de
temperatura da água de consumo, existe a possibilidade de fazer o apoio ao aquecimento da
água por resistências eléctricas que são comandadas por controlo electrónico.
Como atrás já foi referido, o número total de utilizadores da instituição incluindo utentes e
pessoal ao seu serviço ronda as 200 pessoas e todos consomem água quente. Porém, são os
utentes diurnos e nocturnos os principais consumidores de AQS, já que é a cuidar deles que se
apresentam os maiores níveis de consumo diário conforme se pode observar no quadro 3.5.
Saliente-se por isso, o facto de nos valores apresentados não estar indicado o consumo
originado pelo pessoal de serviço cujos consumos são bastantes inferiores aos dos utentes. No
entanto, todos os consumos foram considerados para efeito do cálculo da instalação realizada,
tanto relativamente ao número de colectores para captação da energia solar como à
capacidade dos depósitos destinados ao armazenamento de AQS utilizados na instalação.
3.4.1
Perfil de consumo de AQS
No dimensionamento do estudo realizado foram analisadas duas soluções em que o perfil de
consumo considerado se baseia na população de utentes da instituição durante os dias de
semana e fim-de-semana, de acordo com o quadro 3.5.
Quadro 3.5 – Perfil de consumo de AQS na IPSS.
Dias da semana
Fim-de-semana
Período
Nº de
utentes
Consumo
por utente
Consumo
total
Nº de
utentes
Consumo
por utente
Consumo
total
07h às 09h
50
25
1250
40
25
1000
09h às 12h
120
2
240
80
2
160
12h às 14h
120
5
600
80
5
400
14h às 18h
120
3
360
80
3
240
18h às 21h
120
5
600
80
5
400
21h às 07h
50
3
150
40
3
120
Valor do consumo médio por dia
Manuel Cerveira
3200
2320
43
Sistemas Térmicos de Energia Solar
Os dados presentes no quadro representam os consumos de AQS que resultam da utilização
da instalação conforme elementos fornecidos pela direcção da instituição ADCRA. Refira-se
a existência de utentes só diurnos e utentes diurnos e nocturnos com consumos diferenciados.
a)
b)
Figura 3.13 – Definição do perfil de AQS do lar para a) dias de semana e b) fim-de-semana.
3.4.2
Implementação prática com dois acumuladores e sistema de apoio
O aquecimento de AQS é garantido a partir de fontes convencionais, por caldeira a gás ou
biomassa, tendo sido instalado um sistema solar térmico que garante condições de redução na
factura energética dos combustíveis utilizados. Este sistema solar é constituído por 42
colectores Solargus modelo ESP1 com as características presentes no quadro seguinte e de
acordo com o esquema da instalação do sistema solar térmico representado na figura 3.14.
Figura 3.14 – Esquema da instalação do sistema solar térmico da ADCRA.
44
CAPÍTULO 3
No quadro seguinte são apresentadas as características do colector solar Solargus ESP1 que
foram aplicados na instalação do sistema solar da IPSS em análise.
Quadro 3.6 – Características do colector solar Solargus ESP1.
Designação - Colector Solar
Área Total (m2):
Modelo ESP1
2,306
2
Área do Absorsor (m )
1,991
Altura x Largura x Profundidade (mm):
Rendimento Instantâneo (η0 em %)
2
Coeficiente de Perdas a (W/m .k):
2
2
Coeficiente de Perdas a (W/m .k ):
Capacidade de Fluído (lts)
2098 x 1099 x 99
81,1
3,480
0,0161
1,47
Ligações
compressão ø22
Cobertura em Vidro solar temperado
espessura 4 mm
Isolamento Térmico
Densidade do isolamento
Máx. Pressão de Serviço (bar):
Peso (kg):
Absorsor de superfície altamente selectiva
50 mm (lã de rocha)
40 kg/m2
8
42,3
Alumínio
Para acumulação de AQS, foram instalados dois depósitos acumuladores de 2000 litros de
capacidade, cada um, obtendo-se assim o total de 4000 litros de acumulação simultânea.
Ambos os acumuladores possuem permutador interior elíptico de elevada superfície de
permuta. Os permutadores têm a forma de serpentina e tal como a cuba do depósito
acumulador são em aço de alta qualidade com tratamento interno de resina sintética. O
acumulador possui protecção anódica e o interior é vitrificado conforme DIN 4753 parte 3.
Na câmara entre a cuba do acumulador e a envolvente exterior do depósito existe isolamento
em espuma de poliuretano de alta densidade rígida de 50 mm ou flexível de 100 mm. A
superfície de permuta da serpentina está dimensionada para obter o máximo rendimento
térmico entre o circuito solar e a acumulação.
O depósito acumulador dispõe de aberturas para a aplicação de sondas de temperatura e
ligação roscada para resistência eléctrica caso seja necessário apoio eléctrico. Possui boca de
inspecção, a pressão máxima de serviço no circuito primário de fluido térmico e no
secundário de AQS são ambas de 6 bar e a temperatura máxima de serviço (AQS) é de 70 ºC.
É dada total garantia da instalação por um período de 6 anos conforme definido pelo RSECE.
Além disso, foi indicado pelo fabricante, que terá de possuir protecção catódica electrónica.
No quadro 3.7 e na figura 3.15 são apresentadas as características dos depósitos acumuladores
de AQS da marca Relopa que foram aplicados na referida instalação.
Manuel Cerveira
45
Sistemas Térmicos de Energia Solar
Quadro 3.7 – Características dos depósitos acumuladores de AQS. [RELOPA]
Características do Acumulador AQS
Capacidade do depósito acumulador (l):
WW2000LEM
2054 litros (cada)
Raio interior (mm):
550
Diâmetro exterior (mm)
1300
Isolamento PU (mm):
100
Potência (KW)
112
Altura do depósito acumulador (mm):
2470
3
Caudal necessário (m /h)
4,8
Perda de carga (mbar)
832
Boca de inspecção
220
Permutador:
Interior
2
Área do permutador (m )
Fluido quente
4,3
1”1/2 (colectores)
Ânodo
1”1/2
Termómetro/sonda
1/2”
Resistência eléctrica
1”1/2
Entrada de água fria
1”1/2
Retorno água quente solar
1”1/4
Termostato
1/2“
Ida de água quente solar
1”1/4
Recirculação
1”
Figura 3.15 – Acumuladores de AQS da Relopa Ref. WW2000LEM [RELOPA].
46
CAPÍTULO 3
3.4.3
Implementação prática com um único acumulador
Outra solução possível para baixar o consumo de energia associado ao aquecimento de AQS a
partir de fontes convencionais, passa pela utilização de um sistema solar térmico constituído
por 32 colectores Zantia ZHS 200, iguais aos utilizados na moradia unifamiliar, e um
acumulador de 3000 litros de capacidade cujas características estão descritas no quadro 3.8.
Refira-se que esta solução, com menor número de colectores e com um depósito acumulador
de menor capacidade (3000 litros) em relação á solução implementada (2 x 2000 litros) é
adequada ao consumo máximo diário de AQS na instituição, que ocorre nos dias de semana.
Esta solução foi simulada no software SolTerm para verificar que com um menor número de
colectores se pode cumprir o estipulado na legislação existente, nomeadamente no RCCTE e
RSECE com o mínimo de desperdício.
Quadro 3.8 – Características do depósito acumulador de AQS.
Características
Capacidade do depósito acumulador (l):
Raio interior (cm):
3000 l (litros)
180
Espessura do isolamento (cm):
2
Área da base do círculo (dm ):
15,0
1017,36
Altura do depósito acumulador (m):
2,95
2
Área exterior: (m ):
31,18
Perdas térmicas (W/K):
16,9
Eficácia (%):
55 %
Permutador:
interior
Dos resultados obtidos por simulação do sistema solar térmico no lar de idosos em análise
conclui-se que, por ano em sistemas convencionais na preparação da AQS de acordo com o
perfil de consumo diferenciado apresentado para os dias de semana e para o fim de semana,
este consumirá 39730 kWh.
Figura 3.16 – Sistema solar térmico simulado: IPSS.
Manuel Cerveira
47
Sistemas Térmicos de Energia Solar
Com a implementação deste sistema, será possível produzir por ano 39730 kWh, resultando
numa fracção solar média anual de 70,5 % e num valor de produtividade de 647 kWh/[m2
colector].
Quadro 3.9 – Estimativa de desempenho do sistema solar térmico: IPSS.
Estimativa de Desempenho através do Programa SolTerm v5.1
Estimativa das necessidades energéticas totais
Energia total necessária
kWh/ano
56327
Estimativa de desempenho do sistema solar proposto
Nº de colectores
32
Modelo
ZHS-200
2
Área total de captação solar
ESolar efectivo
m
61,44
kWh/ano
39730
%
70,5
Fracção solar
Produtividade
2
kWh / (m colector)
647
Estimativa das necessidades energéticas de apoio
Energia total necessária
kWh/ano
16597
Esta solução apresentada, prevê a existência de um acumulador de apoio de 500 litros
colocado na saída de AQS para consumo, para garantir que nos períodos em que a radiação
solar é inexistentes ou insuficiente se possa obter água à temperatura de utilização desejada
através de fontes de tipo convencional (caldeira a gás ou biomassa).
3.5
Sistema de AQS Aquecimento da Água em Piscinas e Climatização
Na elaboração dos projectos de sistemas solares de aquecimento de AQS, é muitas vezes feita
a interligação de apoio ao aquecimento da água, através de caldeiras que são destinadas ao
sistema de aquecimento ambiente, indo o fluido térmico de aquecimento passar através de um
permutador aquecendo assim a água de consumo. Por outro lado, essa interligação pode ser
feita de tal modo que seja o sistema solar a fazer o apoio ao aquecimento ambiente. Para isso,
é realizada a incorporação de um depósito acumulador com um único permutador. Esta opção
é geralmente utilizada nos casos de aquecimento por chão radiante, porquanto nestes casos se
utilizam temperaturas baixas para o aquecimento ambiente, o que não acontece noutros tipos
de solução.
Poderá ainda ser feito o maior aproveitamento energético, quando às soluções anteriores se
junta a interligação do aquecimento solar de AQS ao da água em piscinas, que também poderá
ser aquecida pela caldeira. O conjunto das soluções referidas é apresentado através dos
respectivos esquemas de princípio.
48
CAPÍTULO 3
Salienta-se também, que o controlador diferencial desenvolvido e apresentado neste trabalho,
possui condições de funcionamento adequadas a este tipo de aplicações.
Como exemplos do tipo de soluções que acabam de ser referidas, poderão observar-se as
figuras 3.17 e 3.18.
Figura 3.17 – Instalação solar mista – AQS+AAA+AAP. [VULCANO]
Manuel Cerveira
49
CAPÍTULO 3
Figura 3.18 – Instalação solar térmica mista desenvolvida para o controlador MANCER.
Manuel Cerveira
51
Sistemas Térmicos de Energia Solar
3.6
Soluções Mistas de AQS e Aquecimento de Água de Piscinas
Além das soluções apresentadas em que são utilizados materiais já bastante testados e quase
considerados de aplicação tradicional, cada vez mais são apresentadas novas soluções com
condições de melhor desempenho e rendimento mais elevado dos sistemas, que, no entanto,
geralmente representam investimentos relativamente mais caros, como é o caso da solução da
figura 3.19 a seguir apresentada.
Figura 3.19 – Sistema misto de alto desempenho e elevado rendimento [ZANTIA].
No âmbito das instalações que se revestem de maior capacidade, continua a optar-se por
soluções que embora mais caras, são capazes de garantir níveis de fiabilidade e rendimento
elevado, pelo que na maioria das instalações complexas, em que geralmente são utilizados
materiais caros, cada vez mais se fazem opções que continuam a contribuir para a sua
aplicação.
Ora, para que se tenha a noção exacta das condições de exigência que se aplicam, tanto ao
nível do projecto como durante a instalação neste tipo de utilizações observem-se os
equipamentos que se apresentam na figura 3.19.
Neste tipo de instalações os equipamentos utilizados apresentam desempenhos de excelente
qualidade sendo por isso possível obter níveis de eficiência bastante elevados, no entanto os
custos que representa a sua aplicação condiciona em certa medida a opção pela sua utilização.
52
CAPÍTULO 3
3.7
Resumo
Ao longo deste capítulo foram apresentadas e estudadas soluções de aproveitamento de
energia solar térmica destinadas aos tipos de aplicações mais comuns tanto em sistemas de
termossifão como de circulação forçada, para pequenas instalações em habitações de tipo
unifamiliar.
Foi também feito o estudo do projecto de uma instalação solar térmica de circulação forçada
para aplicação em moradia unifamiliar e um estudo de projecto de uma instalação destinada a
utilização colectiva numa IPSS, no qual foi utilizado o programa “SolTerm” que a legislação
em Portugal exige para aprovação das respectivas instalações conforme definido na respectiva
regulamentação em vigor através do RSECE pelo Decreto Lei nº 79/2006 de 4 de Abril e do
RCCTE pelo Decreto Lei nº 80/2006 de 4 de Abril.
Além do estudo referido no parágrafo anterior, é apresentado também neste trabalho o
esquema de princípio relativo à instalação solar de AQS que foi realizada na IPSS cuja
solução apresentada mereceu a atenção do autor deste trabalho que por deferência da entidade
instaladora fez questão de fazer a inclusão do seu esquema, conforme figura 3.14.
Por considerar que na evolução das aplicações de aproveitamento de energia solar térmica se
encontram cada vez mais, soluções que apresentam alguma complexidade, mas que resultam
em maior e melhor aproveitamento para os utilizadores, foram apresentadas instalações do
tipo misto da Vulcano e Zantia conforme figuras 3.17 e 3.19.
Com o objectivo de permitir adaptar o controlador electrónico MANCER, desenvolvido neste
trabalho, foi elaborado um projecto de aproveitamento solar misto de AQS+AAA +AAP, cuja
aplicação permite a utilização de 5 entradas em que se utilizam sensores de temperatura e 8
saídas que se destinam ao comando e controlo de outras tantas electroválvulas e bombas de
circulação.
Manuel Cerveira
53
CAPÍTULO 4
4 IMPLEMENTAÇÃO DE SISTEMAS SOLARES TÉRMICOS
A realização das instalações dos sistemas solares térmicos, além do cumprimento das normas
e legislação em vigor, deverá comportar os procedimentos mais adequadas à obtenção dos
melhores resultados, tanto no que concerne ao aproveitamento e rentabilização da instalação,
como ao tempo de vida útil possível das respectivas instalações.
4.1
Instalação e Manutenção de Colectores Solares Térmicos
Para cada um dos componentes a aplicar na realização das instalações, deverão ser utilizados
procedimentos que cumpram a orientação dos fabricantes de modo a serem garantidas as
melhores condições de funcionamento e utilização. Por outro lado, deverão ser acauteladas
preventivamente, todas as condições que permitam sem dificuldades no futuro, possíveis
intervenções de manutenção e assistência técnica.
4.1.1
Orientação e Inclinação dos Colectores
A orientação ideal dos colectores solares, é o sul geográfico (5º a oeste do sul magnético),
porém, por razões estéticas ou outras que o justifiquem, aceitam-se desvios até 20º para Este
ou Oeste.
No que se refere à inclinação, a inclinação óptima dos colectores térmicos para consumos
máximos durante todo ano, situa-se entre 35 e 55º, devendo os valores ser ajustados em
função da localização e observadas as condições particulares de cada instalação. Para Portugal
Continental, se for pretendido um consumo máximo durante todo o ano, deverão na zona
norte ser instalados os colectores, com a inclinação próxima de 37º, na zona centro 34º e na
zona sul 32º. Aceitam-se desvios de ± 15º, quando são requeridos consumos máximos em
épocas específicas, que geralmente coincidem com a maior concentração de utilizadores das
instalações solares.” [ADENE]: Guia Para Instaladores de Colectores Solares
4.1.2
Estrutura de Suporte dos Colectores Solares e Demais Equipamento
A estrutura de suporte dos colectores solares, deverá possuir características de resistência
mecânica suficientes para suportar os colectores e todos os outros componentes da instalação
e garantir boas condições de estabilidade tanto no período de montagem como durante o
tempo de vida de funcionamento previsto para a instalação.
Os materiais a utilizar na estrutura de suporte, deverão possuir características de resistência à
corrosão e a quaisquer outras acções que possam ser provocadas tanto pelos agentes
atmosféricos, ventos e acção sísmica, ou ainda de outros tipos de acção, durante a utilização
da instalação.
Manuel Cerveira
55
Sistemas Térmicos de Energia Solar
No caso de sistemas tipo monobloco, deverá ter-se em consideração, a carga adicional da
massa de água correspondente ao volume do depósito.
Na instalação, deverão ser garantidas condições de perfeita impermeabilização dos furos
feitos em lajes e em telhas. Além disso, a estrutura de suporte não pode impedir o escoamento
correcto da água da chuva.
Os parafusos, porcas e anilhas a utilizar devem ser em aço inoxidável, ou cuja superfície
devidamente tratada, resista à corrosão. A estrutura de suporte deverá ser fixada a sapatas de
betão, nos casos em que a superfície de instalação seja a terra.” [ADENE]: Guia Para
Instaladores de Colectores Solares
Tanto na fase de preparação das montagens como durante a fase de instalação dos colectores
solares, deverão ser sempre tomadas todas as precauções no sentido de serem evitadas
infiltrações de humidade, quer estas ocorram ou não durante os trabalhos de instalação. Após
a conclusão das montagens e entrada em serviço do sistema solar e durante o período de
garantia (6 anos de acordo com a legislação em vigor que deverá figurar no contrato conforme
legislação).
Se forem detectadas infiltrações de humidade durante as montagens motivadas por fracturas
estruturais ou por outra qualquer razão deverá ser imediatamente ser feita a sua total
reparação que é da responsabilidade da entidade instaladora, tal como o são outros danos que
venham a resultar de má instalação.
4.1.3
Ramal de Entrada e Saída do Colector Solar
Na realização dos ramais de entrada e saída nos colectores deverão ser aplicadas tubagens
bem dimensionadas quanto aos respectivos diâmetros; e, utilizados tanto nas tubagens como
nas suas ligações, materiais cujas características apresentem boas garantias de qualidade
durante todo o tempo previsto para a sua utilização. Além disso devem suportar temperaturas
superiores a 90 ºC, já que no caso do líquido de transferência de calor, também designado
fluído térmico ou termo fluido de circulação que geralmente é composto de água mais glicol,
poderão ocorrer temperaturas que ultrapassam os 120 ºC.
As tubagens e respectivas uniões de ligação, deverão ser protegidas por isolamento em todo o
seu percurso, de modo a que seja garantida a redução das perdas a que o fluido térmico pode
estar sujeito pelas variações de temperatura. As tubagens deverão ser instaladas com troços
cujos traçados não apresentem grandes irregularidades de modo a reduzir a presença de bolhas
de ar que provocam perdas na velocidade de circulação do fluido, o que reduz o rendimento
do sistema. Por outro lado, os troços das canalizações deverão apresentar uma inclinação no
sentido da subida para que qualquer bolha de ar que ocorra se desloque para o ponto mais alto
de cada troço da tubagem, onde deverão ser instalados purgadores de ar automáticos através
dos quais serão eliminadas essas bolhas de ar.
56
CAPÍTULO 4
Todas as tubagens deverão ser protegidas das infiltrações de água proveniente das chuvas,
devendo ser instaladas e protegidas adequadamente para evitar que delas possa surgir
qualquer tipo de infiltração que venha a causar danos no edifício ou mesmo na própria
instalação.
Toda a tubagem usada nas instalações deverá ser certificada e estar em conformidade com as
normas em vigor.
Após a instalação das tubagens é feita uma verificação pormenorizada e cuidada da existência
ou não de fugas. No caso de existirem fugas, estas deverão ser eliminadas completamente.
Concluída a verificação e reparadas as fugas, é aplicado em todas as tubagens de água quente
isolamento com espessura e características que devidamente fixado permita garantir um baixo
nível de perdas na temperatura da água.
De modo a permitir que as temperaturas da água fria ou da água de retorno nas instalações em
que existe, não baixem ainda mais pelo contacto com os agentes atmosféricos, deverá ser
aplicado isolamento nas respectivas tubagens, o qual poderá possuir espessura e
características diferentes do que se aplica nas tubagens de água quente.
4.2
Instalação dos Depósitos de Armazenamento da Água
A instalação dos depósitos de armazenamento de água deverá ser executada de modo a
possuir características de resistência mecânica suficientes para suportar e garantir boas
condições de estabilidade aos depósitos e a todos os outros componentes da instalação, tanto
no período de montagem como durante o tempo de vida de funcionamento e utilização
previstos.
A instalação dos depósitos acumuladores, será sempre realizada em função das suas
características, quer sejam de aplicação em termossifão ou circulação forçada.
Terão sempre de ser acauteladas as estruturas de suporte que tenham em atenção a carga que
será exercida quando cheios de água e ainda a que vier a resultar das acções externas a que
poderão estar submetidos durante a sua utilização.
4.2.1
Prevenção e Controlo de Legionella nos Sistemas de Água – (IPQ)
Os sistemas de água quente com acumulador e circuito de retorno são instalações com maior
probabilidade de proliferação e dispersão de Legionella. Assim sendo, com o objectivo de
serem garantidas condições que evitem o desenvolvimento e proliferação das legionellas,
deverão ser tomadas algumas medidas de prevenção conforme segue:
Manuel Cerveira
57
Sistemas Térmicos de Energia Solar
58
•
Garantir as melhores condições possíveis de estanquicidade na circulação da água de
consumo, ou seja; através da perfeita ligação entre os equipamentos (depósitos de
acumulação e de expansão), componentes (válvulas, torneiras, chuveiros, etc.),
acessórios (uniões, curvas, joelhos, tampões, etc.), bem como toda a tubagem
utilizada nas redes de entrada de água fria, de água quente de consumo e de
recirculação;
•
Ter condições que permitam fazer a descarga total das redes de águas de consumo
através de válvulas que deverão existir na parte inferior dos acumuladores e vasos de
expansão e que nos ramais de tubagens deverão existir em pontos inferiores desses
ramais quer sejam verticais ou horizontais, devendo estes últimos possuir inclinação
adequada à realização total da descarga;
•
Possuir condições que permitam fazer facilmente a inspecção, limpeza e desinfecção
da instalação, bem como possibilitar a recolha de amostras para ensaio;
•
Aplicar nas instalações das redes de águas equipamentos, componentes, acessórios e
tubagens, que resistam aos trabalhos de desinfecção e permitam garantir boas
condições de salubridade humana na utilização da água de consumo;
•
Instalar os depósitos de acumulação da água de consumo em zonas ventiladas cujas
aberturas possuam sistema com rede de protecção anti-insectos e que permitam
manter a temperatura da rede de água fria a uma temperatura que não exceda os
20 ºC;
•
Na rede de água fria deverá existir sistema de retenção com utilização de válvulas
anti-retorno de acordo com a Norma EN1717;
•
Evitar que a água quente tenha temperaturas entre os 20 e 50 ºC, devendo fazer com
que a água se encontre no depósito de acumulação de AQS a temperaturas próximas
dos 60ºC;
•
Nas tubagens da rede de água quente de consumo e de recirculação, além das boas
condições de estanquicidade, com o objectivo de permitir manter condições de
equilíbrio e estabilidade na temperatura da toda a rede, deverá ser aplicado
isolamento com material adequado e espessura suficiente;
•
A fim de garantir condições de impedir o aparecimento, desenvolvimento e a
propagação de legionellas o controlador desenvolvido neste trabalho apresenta
condições de controlo e comando que fará com que seja possível actuar de modo a
elevar o valor da temperatura da água de consumo aos 70 ºC eliminando a
possibilidade de em algum caso que tal se verifique possam ser totalmente
eliminadas instantaneamente.
CAPÍTULO 4
Figura 4.1 – System granitic com recirculação. [HSC]
A selecção dos pontos de obtenção de amostras deve ser criteriosa e o mais representativo da
qualidade da água existente nos sistemas e nos equipamentos, tendo em conta as condições
propícias para o desenvolvimento da Legionella. Permitindo dessa forma obter uma indicação
global do estado de contaminação, e optar-se por pontos fixos e variáveis, de acordo com o
seguinte:
•
Na rede de água fria, deve recolher-se à entrada da rede, nos depósitos e zonas de
extremidade de rede representativos (chuveiros e torneiras);
•
Na rede de água quente, devem recolher-se amostras na válvula de descarga de fundo
do depósito de água quente ou do termoacumulador, saída do depósito ou num ponto o
mais próximo possível deste, saída do permutador de placas e rede de retorno de água.
O comportamento da Legionella Pneumophila, em função da temperatura do ambiente em que
está mergulhada, é perfeitamente conhecido, podendo ser resumido no quadro 4.1. [RORIZ]
Quadro 4.1 – Comportamento da Legionella em função da temperatura.
Temperatura (ºC)
< 20
Estado
As bactérias vivem em estado vegetativo
20 ≤ T < 35
As bactérias começam a reproduzir-se
35 ≤ T < 48
Gama de temperatura óptima para o desenvolvimento da bactéria
Manuel Cerveira
50
90% das bactérias morrem ao fim de 2 horas
60
90% das bactérias morrem ao fim de 2 minutos
70
As bactérias morrem instantaneamente
59
Sistemas Térmicos de Energia Solar
4.3
Bancada Didáctica Móvel
No âmbito da realização da PAP - Prova de Aptidão Profissional prevista para a conclusão do
12º Ano do Curso Profissional de Manutenção Industrial de Electromecânica - Nível IV na
Escola Secundária de Anadia, os alunos de que foi professor o autor deste trabalho no ano
lectivo 2011-2012, propuseram-se realizar uma instalação de aproveitamento térmico de
energia solar para aquecimento de água, que construíram sob a forma de bancada móvel
conforme se pode observar nas imagens a) e b) da figura 4.2.
a)
b)
Figura 4.2 – Bancada didáctica desenvolvida.
A bancada assim construída possui características que permitem servir de apoio ao tratamento
e leccionação do tema das energias renováveis dado em diversas disciplinas e cursos.
A bancada didáctica consta de uma instalação solar térmica em circulação forçada montada na
num edifício conforme se pode observar na figura 4.2, sendo constituída pelos seguintes
elementos:
•
Piso inferior, construído em chapa de aço de construção reforçada que assenta num
conjunto de quatro rodas que permitem a mobilidade de toda a instalação (bancada
didáctica) e no qual está instalado o depósito acumulador de AQS. A chapa do piso
tem forma rectangular e apresenta uma área aproximada de 3,65 m2.
•
3 paredes: uma traseira com 2570 x 2460 mm e duas laterais com 2460 x 1470 mm
cada construídas em chapa acrílica ondulada transparente que se encontra fixada na
estrutura metálica constituída por pilares em tubo de aço devidamente fixados à chapa
do piso por soldadura a electrogéneo.
Nos elementos que constituem a estrutura metálica das paredes, encontram-se fixados o
quadro eléctrico, o controlador diferencial, elementos da instalação eléctrica, tubagens e
alguns componentes da instalação solar.
60
CAPÍTULO 4
•
Telhado construído em estrutura metálica em tubo de aço com 80 x80 mm, fixados por
soldadura, no qual aplicada uma base estandardizada em perfil de alumínio anodizado
(conforme kit do sistema solar), na qual se instalou o colector solar.
Salienta-se o facto de não ser sido possível dar maior inclinação ao telhado como seria
desejável para maior rendimento do sistema, pois desse modo dificilmente seria possível
deslocar a bancada para o exterior através do portão do pavilhão do espaço oficinal da escola.
A preparação, construção e montagem da bancada didáctica decorreu de acordo com os
seguintes passos e procedimentos.
•
Estudo prévio de definição de todos os elementos constituintes;
•
Ante-projecto da instalação solar e bancada a construir;
•
Projecto da estrutura da bancada e da instalação solar;
•
Selecção de todos os materiais a utilizar na construção da bancada;
•
Corte, soldadura e demais operações de construção da estrutura da bancada;
•
Selecção dos materiais destinados à montagem da instalação solar térmica;
•
Montagem do colector na cobertura e depósito acumulador no piso da bancada;
•
Corte, preparação e montagem das tubagens, e respectivos isolamentos;
•
Montagem do kit hidráulico, vasos de expansão, válvulas, torneiras e demais
acessórios necessários à instalação solar;
•
Montagem da instalação eléctrica, alimentação, quadro com controlador electrónico de
comando diferencial, circuito de iluminação e de tomadas para usos gerais;
•
Para apoio ao aquecimento da água nos períodos em que a energia solar não for
suficiente, foi instalada uma resistência que poderá ser comandada pelo controlador
diferencial e por termostato de imersão na água de consumo do depósito acumulador.
Nota: Como o kit previa a resistência para apoio, a mesma foi instalada. Porém, como o
depósito acumulador possui 2 permutadores no seu interior, opção essa tomada por se ter
considerado importante e oportuna, foi previsto utilizar o que se encontra na parte superior
para ligação de apoio a sistema de caldeira ou esquentador. Assim, sempre que se pretender
tomar conhecimento do que é consumido pela utilização da resistência ou o que se aproveita
da energia solar, pode fazer-se, desligando a resistência através de corte manualmente
actuando no quadro eléctrico.
Manuel Cerveira
61
Sistemas Térmicos de Energia Solar
4.3.1
Realização de ensaios prévios
•
Foi feito o enchimento de água do depósito acumulador, da rede de tubagens e dos
restantes componentes circuito secundário a partir da rede geral de água fria, tendo
sido retirado todo o ar do circuito por acção de purgador manual existente na parte
superior do circuito (depósito acumulador) e no kit hidráulico.
•
Procedeu-se de igual modo em relação ao circuito primário, tendo-se também retirado
todo o ar existente na rede de tubagem e colector através do purgador existente na
parte superior do colector solar.
•
Procedeu-se à descida da pressão através da abertura das válvulas de segurança e das
torneiras destinadas à descarga do sistema, de modo a baixar os níveis de pressão.
•
Nos casos de algumas fugas detectadas, tanto durante como após o enchimento (carga
do sistema), as mesmas foram eliminadas através do reaperto dos respectivos
acessórios de ligação até que se conseguiu manter estabilizada a carga de todo o
sistema observada pela indicação do valor da pressão constante observada nos
manómetros que previamente foram instalados em cada um dos circuitos.
•
Para se ter a garantia de que deixaram de existir fugas na instalação todo o sistema
ficou carregado a uma pressão de 4 kg/cm2 ou bar durante um período de 24 horas.
•
Após a realização dos ensaios hidráulicos, foi retirada a água do acumulador e
tubagens de todo o sistema. Além disso, foram feitas as ligações eléctricas referentes
ao controlador electrónico diferencial, sensores Pt1000 no colector solar (na parte
superior) e no depósito acumulador de AQS (na parte inferior).
•
Após a conclusão de todas as ligações eléctricas, foram feitos os ajustamentos de
todos os parâmetros com o objectivo de garantir o perfeito funcionamento da
instalação.
Em seguida foi feita a deslocação da bancada para o exterior para permitir que se
concretizasse a fase de ensaios com entrada em funcionamento efectivo do sistema com
aproveitamento de energia solar. Antes porém, foi feito de novo o carregamento de todo o
sistema, no caso do circuito primário agora já com fluido térmico solar (água + glicol) que se
deixou à pressão de 1 kg/m2 ou 1 Bar, cujo carregamento se efectuou a partir de um
reservatório com o auxílio de uma bomba de enchimento. O carregamento do circuito
secundário (água de consumo), cujo enchimento voltou a ser feito a partir da rede geral de
água fria, ficou à pressão de 2,5 kg/m2 ou 2,5 Bar pelo controlo de válvula reguladora de
pressão com manómetro estrategicamente instalada na entrada de água fria no depósito
acumulador da água quente para consumo.
Em ambos os circuitos foi retirado todo o ar existente através dos respectivos purgadores.
62
CAPÍTULO 4
Por fim procedeu-se à apresentação da PAP – Prova de Aptidão Profissional (Bancada
Didáctica) durante a qual além dos elementos que constituíam o júri, dos alunos que
participaram na sua construção e os seus professores orientadores, estiveram presentes outros
alunos e professores, incluindo coordenadores de departamento e de área disciplinar,
estiveram também, elementos da direcção da Escola conforme se pode observar nas imagens
a) e b) da figura 4.3.
a)
b)
Figura 4.3 – Apresentação pública da bancada didáctica desenvolvida.
Na bancada didáctica foi usada uma instalação solar em circulação forçada típica geralmente
destinada a uma família de quatro pessoas composta por:
•
Sistema solar térmico de circulação forçada 200 litros;
•
Colector plano K423 VH4L (para 2 até 4 pessoas) - Área do colector 2,51 m2;
•
Acumulador WBO 212 DUO;
•
Kit hidráulico;
•
Vaso de expansão solar;
•
Vaso de expansão AQS;
•
Conjunto de ligação para vaso de expansão;
•
Líquido solar;
•
Controlador solar;
•
Estrutura para telhado inclinado;
•
Válvula misturadora termostática 3/4´´.
Manuel Cerveira
63
Sistemas Térmicos de Energia Solar
4.3.1.1
Características do Controlador Solar SOLAREG II BASIC
•
Operação intuitiva assistida por menus, com símbolos gráficos e quatro teclas de
comando;
•
Regulação da diferença de temperatura através de valores reguláveis digitalmente;
•
Regulação da rotação ou controlo de comando da bomba do circuito solar;
•
Contador de horas de funcionamento integrado para carga de acumulador;
•
Amplas funções de vigilância do sistema com indicação de anomalias e avarias através
de símbolos;
•
Memorização de todos os valores regulados, mesmo no caso de falha aleatória de
corrente de longa duração;
•
Amplo espaço para cablagens.
Figura 4.4 – Controlador solar SOLAREG II.
4.4
Sistema Electrónico de Comando Diferencial e de Informação
O sistema electrónico de comando diferencial é utilizado somente em instalações solares
térmicas do tipo circulação forçada, e resulta da necessidade de fazer com o calor obtido pelo
fluido aquecido nas baterias de colectores circule através das tubagens de interligação entre os
colectores e o depósito ou depósitos de armazenamento da água de consumo.
O comando diferencial analisa a diferença de temperaturas entre o ponto mais quente nos
colectores e o ponto mais frio do sistema solar térmico no depósito acumulador fazendo
accionar ou parar a bomba de circulação. As informações das grandezas físicas detectadas e
medidas pelas sondas devidamente dispostas em vários pontos da instalação são tratadas
através de sistema electrónico. De acordo com os resultados desse tratamento, serão dadas
ordens a vários componentes e/ou equipamentos para entrarem em funcionamento; e, assim
serão accionadas válvulas, bombas circuladoras ou doseadores. Além disso, através de
display, serão apresentadas as diversas informações respeitantes aos resultados das leituras
efectuadas; e, indicados os diversos componentes ou equipamentos que deverão entrar em
funcionamento.
64
CAPÍTULO 4
4.4.1
Controlador Electrónico Diferencial MANCER
Para o sistema de comando electrónico diferencial destinado a instalações solares de
utilização colectiva de AQS, AAA e AAP, foi desenvolvido um controlador diferencial de
comando no qual foi utilizado como elemento fundamental, o microcontrolador PIC16F887
de 40 pinos da Microchip, de baixo custo e cujas funcionalidades disponíveis se prevêem
adequadas à solução que se pretende implementar. As informações técnicas relativas ao
microcontrolador e as ferramentas de software que facilitaram o desenvolvimento do referido
controlador encontram-se disponíveis na internet no sítio da Microchip.
O microcontrolador PIC16F887 utilizado para o desenvolvimento do controlador MANCER
apresenta uma arquitectura HARVARD conforme se mostra na figura 4.5.
Memória
BUS de endereços
de
Programa
BUS de endereços
de
CPU
BUS de dados (n)
Memória
BUS de dados (m)
Dados
Figura 4.5 – Arquitectura do microcontrolador PIC16F887.
Tal como os microcontroladores das gamas baixa e média da Microchip, o Microcontrolador
PIC 16F887 possui os seguintes blocos: (Fonte: Livro Microcontroladores)
•
Unidade lógica e aritmética Arithmetic and Logic Unit (ALU);
•
Unidade de controlo;
•
Portos I/O (portos de entrada e saída de dados);
•
Temporizadores (timers);
•
Blocos de transmissão em modo série;
•
Oscilador;
•
Circuitos analógicos;
•
Memória de programa;
•
Memória de dados.
Manuel Cerveira
65
Sistemas Térmicos de Energia Solar
DIAGRAMA DE BLOCOS
DISPLAY
RTC
TECLAS
PC
RS232
TTL
P
MICROCONTROLADOR 16F887 - DA MICROCHIP
Fonte
Alimentação
230 V ~
Bloco 5 entradas
analógicas
Sensores Pt1000
Bloco saídas
digitais
Transístores NPN
P
PIC Kit 3
Bloco 4 entradas
digitais PNP
Contadores
Figura 4.6 – Diagrama de blocos do controlador MANCER.
4.4.1.1
Elementos integrados na placa principal
•
Microcontrolador 16F887;
•
RTC – Relógio Tempo Real (watch real time);
•
Display - LCD 16x2;
•
Teclado – quatro teclas de operação.
4.4.1.2
Elementos integrados na placa de interface
•
Fonte de Alimentação monofásica -230 V/AC, 50 Hz;
•
Bloco de 5 entradas analógicas onde se ligam os sensores de temperatura Pt 1000;
•
Bloco de 8 de saídas digitais de lógica negativa por transístores, onde se ligam os
interfaces das válvulas e bombas circuladoras.
4.4.1.3
66
Tomadas integradas nas placas de interfaces
•
Tomada para ligação de ficha RS232 – TTL
•
Tomada para ligação da interface de programação In Circuit Serial Programming
(ICSP);
•
Tomada de 4 entradas digitais de lógica positiva, onde poderão ser ligados
contadores de consumo de AQS, consumo de energia eléctrica, consumo de gás,
indicação de temperaturas, etc.
CAPÍTULO 4
4.4.2
Layout das placas do Controlador MANCER
Para instalação e montagem dos componentes do circuito electrónico do controlador
MANCER foi desenvolvido o layout de implementação de componentes, constituído por três
placas de circuito impresso.
4.4.2.1
Placa Principal
Conforme já referido anteriormente, através da figura 4.7 podem ser observados os diversos
elementos que nela se encontram implementados, conforme segue:
Em a) frontal da placa principal, existe na parte superior o display através do qual se podem
ler todas as informações que sejam disponibilizadas tanto a partir do microcontrolador, como
de qualquer outro elemento de comunicação e na parte inferior encontram-se as 4 teclas do
teclado que se destina a operar no controlador.
a)
b)
Figura 4.7 – Layout da placa principal.
a) Frontal da placa principal, b) Traseira da placa principal
4.4.2.2
Placa de Interface
A placa de interface representada na figura 4.8 destina-se a permitir estabelecer a interligação
entre a placa principal e os vários elementos que através da rede de comunicação fornecem
informações de entrada (input) de contagem e de controlo, informações de saída (output) de
ligação e de comando; e ainda, interligar a interfaces de comunicação através das tomadas
RS232 TTL e ICSP.
Manuel Cerveira
67
Sistemas Térmicos de Energia Solar
Figura 4.8 – Layout da placa de interface.
4.4.3
Circuito de Acondicionamento de Sinal
Este circuito é baseado em amplificadores operacionais LM358 da Texas Instruments
conforme esquema representado na figura 4.9, que se destinam a converter os sinais
resultantes da temperatura da água no contacto em cada instante nos 5 sensores Pt1000
distribuídos em vários pontos da instalação solar e que entram no microcontrolador 16F887,
nos 8 sinais analógicos que saem do microcontrolador e servem para controlar os vários
actuadores (bombas e electroválvulas) da referida instalação de solar.
Figura 4.9 – Esquema do Conversor Pt1000 Analógico.
4.4.4
Módulo RTC – Relógio desenvolvido a partir do PCF8583 da Philips
O PCF8583 é um circuito relógio/calendário baseado numa memória RAM CMOS estática de
2048 bit organizados em 256 palavras de 8 bits. Os endereços e os dados são transferidos em
série através de 2 linhas de modo bidireccional de acordo com o protocolo I2C. Após a escrita
ou leitura de um byte é incrementado automaticamente um registo existente para o efeito com
o tamanho de uma palavra (16 bits). O pin A0 é usado para programar o endereço do hardware
permitindo a ligação de dois dispositivos ao barramento sem qualquer outro equipamento
adicional.
68
CAPÍTULO 4
O circuito oscilador desenvolvido internamente a 32.768 kHz e os primeiros oito bytes da
RAM são utilizados para funções de relógio/calendário e contadores. Os 8 bytes seguintes
podem ser programados como registos de alarme ou utilizados como espaços livres de RAM.
Os restantes 240 bytes são localizações disponíveis de memória RAM.
4.4.4.1
4.4.5
Características do PCF8583
•
Comunicação I2C-bus com gama de tensão de alimentação: 2,5 V a 6 V
•
Relógio a operar (0 e +70 °C) com tensão de alimentação: 1 V a 6 V;
•
240 x 8-bit baixa voltagem RAM;
•
Retenção de dados por bateria: 1 V a 6 V;
•
Corrente de funcionamento (à f = 0 Hz): máx 50 µA;
•
Funcionamento do relógio com 4 anos de calendário;
•
Formato horário: 24 ou 12 horas;
•
Frequências de trabalho: 32.768 kHz (cristal);
•
Entrada - saída em série bidireccional (I2C); pelo endereço zero (0)
•
Comunicação automática permanente.
Esquema do RTC
Figura 4.10 – Relógio/calendário com RAM de 240 x 8-bit.
Controlador solar multi-funções por diferencial de temperatura para instalações solares de
AQS, AAA e AAP.
Manuel Cerveira
69
Sistemas Térmicos de Energia Solar
Figura 4.16 – Display LCD e teclas de operação do controlador.
Sistema de monitorização com indicação de temperaturas, modo de funcionamento, estado de
válvulas, de bombas circuladores e alarme de segurança.
70
•
Modo de actuação para dissipação de calor por aerotermo em caso excesso de
temperatura nos colectores, devido à estagnação da instalação por férias ou outra
causa que origine pouca utilização;
•
Anti-gelo electrónico – solução a considerar através da aplicação de um permutador
de placas a incorporar entre o circuito de aquecimento da água da piscina pela
caldeira e o circuito de fluido térmico dos colectores;
•
Possibilidade de trabalhar com velocidade variável na bomba BC1 do circuito do
fluido térmico solar em função de ∆T (diferença de temperatura do fluido térmico na
parte superior dos colectores e a água na parte inferior do depósito de AQS);
•
Ajuste do diferencial de temperatura;
•
Selecção da temperatura máxima na acumulação e nos colectores;
•
Montagem, geralmente na parede (ver foto em 4.17);
•
Possibilidade de eliminação de legionellas, por utilização de relógio Real Time
Clock (RTC), baseado no PCF8583, de controlo em tempo real do sistema antilegionella, com actuação cíclica geralmente semanal, conforme hora determinada
para o efeito.
CAPÍTULO 4
4.4.6
Descrição do modo operacional do controlador
Sistema On/Off de ligação á rede de alimentação sendo estabelecida a ligação;
Tecla
•
De cada vez que se pressiona a tecla
visualiza-se cada um dos menus de
funcionamento do sistema, nomeadamente; hora e data, temperatura, data de
tratamento de legionellas, contadores e outros existentes na memória do
controlador.
Tecla
•
- Retroceder/ Sair
De cada vez que se pressiona a tecla
imediatamente anterior até ao menu inicial.
Tecla
•
- Visualizar Menu / Avançar
faz-se retroceder para o parâmetro
– Incrementar/Aumentar
Estando seleccionado qualquer parâmetro de um menu, sempre que for
pressionada a tecla
incrementa-se ou aumenta-se o valor no parâmetro
seleccionado que estiver a ser exibido no display do controlador.
Tecla
•
– Decrementar/Reduzir
Estando seleccionado qualquer parâmetro de um menu, sempre que for
pressionada a tecla
decrementa-se ou reduz-se o valor no parâmetro
seleccionado que estiver a ser exibido no display do controlador.
Figura 4.17 – Controlador de comando diferencial - MANCER.
Manuel Cerveira
71
Sistemas Térmicos de Energia Solar
4.4.7
Sensores de utilização no comando diferencial
No comando diferencial dos sistemas solares térmicos, aplicam-se na maioria das instalações
sondas do tipo NTC, Pt100 e Pt1000.
Para aplicação no projecto apresentado neste trabalho, foi desenvolvido o controlador de
comando diferencial de temperatura MANCER e utilizadas como sensores de temperatura
sondas de alta sensibilidade tipo Pt1000 para aplicação na saída do fluido quente nos
colectores solares e entrada de água fria no depósito acumulador de água quente solar.
As sondas Pt1000 utilizadas neste trabalho (sonda Pt1000 refª 32/11) apresentam uma gama
de funcionamento situada no intervalo Tmin= -10 ºC; Tmáx = + 180 ºC.
4.4.8
Cálculos efectuados para calibração das sondas Pt1000
Na calibração do funcionamento do sistema solar de AQS comandado pelo controlador
MANCER o cálculo do valor da resistência da sonda Pt1000 baseou-se na fórmula (4.2) que
nos permite determinar o valor da resistência em função da temperatura;
RT ≈ R0 ⋅ (1 + α ⋅ T )
(4.1)
Em que:
RT - Valor da resistência da sonda Pt1000 para a temperatura a que se encontra submetida;
R0 - Valor da resistência da sonda Pt1000 para a temperatura de 0 ºC;
α - Valor do coeficiente de dilatação do material da sonda Pt1000 (liga metálica);
T - Temperatura a que é submetida a sonda Pt1000.
No entanto, a AN 687 da Microchip refere que se para uma dada aplicação for necessária uma
maior precisão, ou um maior intervalo de temperaturas nas medidas pode-se utilizar a fórmula
seguinte conhecida por equação Callendar-Van Dusen
RT = R0 ⋅ (1 + A ⋅ T + B ⋅ T 2 + C ⋅ (T − 1000 ) ⋅ T 3 )
(4.2)
As constantes A, B, C presentes na fórmula derivaram de um conjunto de medidas de
resistência efectuadas a diferentes temperaturas e tomam os valores indicados em 4.3. No
intervalo de 0 ºC a 850 ºC a característica da sonda é descrita por um polinómio de 2ª ordem
visto que para temperaturas positivas o valor de C é nulo.
A = 3.9083 × 10 -3 °C -1
B = - 5.775 × 10 -7 °C -2
72
(4.3)
CAPÍTULO 4
A figura seguinte apresenta a variação do valor da resistência da sonda PT1000 em função da
temperatura à qual a mesma se encontrava usando a fórmula descrita na equação anterior. Na
figura é também apresentado um conjunto de valores experimentais relativos ao valor da
resistência medida aos terminais da sonda para temperaturas no intervalo de -20 ºC a 160 ºC.
Variação da resistência da sonda PT1000
1800
1700
Teórico
Experimental
1600
Resistência (Ohm)
1500
1400
1300
1200
1100
1000
900
800
-50
0
50
100
Temperatura (ºC)
150
200
Figura 4.18 – Variação da resistência em função da temperatura - sonda Pt1000 refª 32/11.
De seguida procedeu-se à instalação da sonda Pt1000 numa das entradas apropriadas do
controlador MANCER, às quais estão ligadas aos circuitos de condicionamento de sinal
existentes (um para cada sonda), tendo-se registado os valores da resistência da sonda Pt1000,
da tensão na entrada analógica do microcontrolador e do valor de temperatura representado no
display em função do valor da temperatura à qual se encontra a sonda, tendo os mesmos sido
representados no quadro 4.2.
Quadro 4.2 – Variação da resistência e da tensão analógica em função da temperatura.
Temperatura
ºC
Resistência
teórico (Ω)
Resistência
medido (Ω)
Tensão
In PIC (mV)
Temperatura
LCD ºC
-20
921,6
922
282
-19,5
0
1000,0
1000
503
-0,5
20
1077,9
1078
740
20,0
40
1155,4
1155
972
40,0
60
1232,4
1232
1209
60,0
80
1309,0
1309
1439
80,0
100
1385,1
1385
1670
99,5
120
1460,7
1461
1898
119,5
140
1535,8
1536
2128
139,0
160
1610,5
1611
2362
159,0
Testes realizados entre -20 ºC e 160 ºC com intervalos de 20 ºC.
Manuel Cerveira
73
Sistemas Térmicos de Energia Solar
4.5
4.5.1
Principais Acessórios de Utilização nas Instalações Solar Térmicas
Bomba de circulação
É o elemento da instalação de aproveitamento solar destinado a fazer circular o fluido que é
aquecido no colector cujo calor recebido vai transferir à água armazenada no depósito
acumulador.
A bomba de circulação é constituída por um motor eléctrico de alta rotação, geralmente com
duas ou três velocidades e pelo corpo de bomba onde circula o fluido.
As características do material que deve ter o corpo da bomba na zona de circulação do fluido
estão relacionadas com o local onde se pretende fazer a sua instalação, ou seja, se é feita no
circuito de fluido frio ou no de fluido quente.
Para poder garantir boas condições de funcionamento, deve ser conhecida a altura
manométrica que é necessário vencer para elevar o fluido desde a parte inferior do circuito no
depósito acumulador até à parte superior dos colectores.
Na sua instalação, deverá ter-se em atenção o modo de posicionamento em relação à tubagem,
tendo em atenção uma seta geralmente existente, que indica o sentido de fluxo do líquido de
circulação, e outra, relativa à indicação do sentido de rotação do motor.
A entrada em funcionamento ou paragem da bomba, é efectuada electronicamente por acção
do controlador diferencial de comando, que está associado às sondas de temperatura
adequadamente instaladas na saída dos colectores e na zona inferior do acumulador de AQS.
Além do comando de entrada em funcionamento e paragem, o controlador poderá também
ainda fazer a regulação e variação da velocidade da bomba de circulação e consequentemente
do fluido térmico de transferência de calor.
4.5.2
Vaso de Expansão
É um reservatório do tipo fechado na maior parte das aplicações, cuja capacidade deve estar
em conformidade com a instalação e que se destina a compensar o aumento de volume do
fluido térmico solar, quando aplicado no circuito solar (circuito primário da instalação) ou no
volume da água do depósito acumulador quando aplicado no circuito de AQS e que é
provocado pelo aumento da temperatura.
A sua utilização no caso do circuito primário, permite evitar uma possível fuga de fluido,
quando as condições de temperatura e pressão atingem valores capazes de provocar a abertura
da válvula de segurança destinada à protecção da instalação.
No caso do circuito secundário de AQS, o vaso de expansão permite a compensação do
aumento de volume resultante do aumento de temperatura e pressão, provocados pelo
aquecimento da água; e, desse modo, evitar que sejam afectados: o depósito acumulador, as
tubagens e reduzir as aberturas das respectivas válvulas de segurança.
74
CAPÍTULO 4
O vaso de expansão possui duas câmaras de armazenamento separadas por uma membrana.
Numa das câmaras existe ar sob pressão que pode ser regulada, na outra existe o fluido
térmico, ou água, consoante o tipo de aplicação, cujo volume aumenta com o aumento da
temperatura e que se mantém no vaso de expansão devido à compressão do ar existente na
outra câmara por acção do deslocamento da membrana.
Para garantir boas condições de funcionamento o vaso de expansão deverá ser instalado de tal
modo a que a câmara destinada ao ar fique na parte superior.
O vaso de expansão deve ser instalado na rede de circulação de fluido ou água, directamente
sem qualquer válvula ou torneira de passagem até ao depósito acumulador. Nos casos de
utilização de vaso de expansão aberto o fluido circula à pressão atmosférica.
4.5.3
Fluido Térmico Solar
É uma mistura líquida de água com glicol numa proporção adequada que a deve tornar anticongelante nas temperaturas mais baixas verificadas no local da instalação. Além disso, o
fluido da mistura deverá também possuir características anti-corrosivas e inócuas para a
saúde, tanto no contacto com a pele como dos alimentos, prevenindo assim alguma
eventualidade de rotura que origine a sua mistura com a água dos acumuladores de AQS.
4.5.4
Permutador de Calor
Poderá existir no interior ou na envolvente ao acumulador de AQS, podendo também ser
externo ao acumulador. Quando aplicado no interior, é geralmente em tubo com a forma de
serpentina, podendo também apresentar a forma de grade com tubos ligados entre si.
A envolvente ao acumulador é realizada em chapa e tem forma concêntrica à cuba do
acumulador.
Quando é exterior ao depósito acumulador, usa-se geralmente o permutador de placas que
comporta dois circuitos. Num deles, circula o fluido de transferência de calor, no outro a água
que se utiliza sob a forma de AQS, de apoio ao aquecimento ambiental ou para aquecimento
de água em piscina.
4.5.5
Válvula Reguladora de Pressão
Aplicada no ramal da rede de entrada de água fria no depósito acumulador de AQS, tem como
objectivo, garantir que não seja ultrapassado o valor da pressão pretendido, devendo a sua
regulação ser assegurada por um técnico certificado conforme Decreto-Lei nº 95/92, de 23 de
maio.
Manuel Cerveira
75
Sistemas Térmicos de Energia Solar
4.5.6
Válvula Misturadora Termostática
Estas válvulas são geralmente aplicadas na saída do acumulador de AQS. Permitem a
regulação da temperatura pretendida para a água de consumo, através da mistura da água
quente da saída do depósito acumulador com a água fria da rede.
Apresentam também uma função preventiva relativamente a possíveis queimaduras ou
possíveis danos nas instalações sanitárias por excesso de temperatura, sendo geralmente
calibradas para temperaturas entre os 37,5 e 50 ºC.
4.5.7
Válvula de Passagem
“Tem aplicação em diversas partes da instalação solar; seja no circuito de circulação do fluido
de transferência de calor ou nos diversos circuitos de águas quentes ou frias.
Permite abrir totalmente para passagem do fluido ou da água e também fazer a regulação do
seu caudal de circulação, num determinado sentido ou fechar totalmente.
Podem ser usadas para separar circuitos quando se pretende fazer trabalhos de manutenção ou
de substituição de componentes da instalação.” Conforme recomendações obtidas em
[ADENE]
4.5.8
Válvula de Segurança
Destina-se principalmente a proteger os colectores solares e depósitos acumuladores,
podendo, no entanto, proteger outros componentes da zona da instalação onde se encontra
localizada.
Deve ter características que permitam fazê-la actuar, sempre que as condições de pressão e
temperatura a que ficam sujeitos os equipamentos ou a instalação na zona onde se localiza,
ultrapasse os valores recomendados de utilização normal.
A sua qualidade não pode deixar qualquer dúvida quanto à sua eficácia.
Por outro lado, a necessária garantia do seu funcionamento efectivo sempre que necessário,
recomenda uma vigilância constante do seu estado, tanto durante qualquer acção de
manutenção por parte dos técnicos, como durante o período de funcionamento da instalação
por parte de quem opera a sua utilização.
A sua aplicação em diversos pontos da instalação é obrigatória por lei. (Conforme legislação e
recomendações da ADENE)
76
CAPÍTULO 4
4.5.9
Válvula de Três Vias
São válvulas que permitem a circulação de fluido ou água de consumo por circuitos
alternativos geralmente em sistemas complexos, que se utilizam para AQS, apoio ao
aquecimento ambiente ou no aquecimento da água em piscinas e que permitem situações de
bypass na interligação a caldeiras, permutadores ou outros, sendo na maioria das utilizações
comandadas automaticamente, conforme se verifica no projecto da instalação apresentada
neste trabalho.
4.5.10 Válvula de Retenção
É um tipo de válvula, que apenas permite a circulação do fluido solar ou água, num único
sentido, o qual geralmente se encontra sinalizado por uma seta no corpo da válvula.
4.5.11 Purgador de Ar Automático
Tem como função eliminar a presença de ar nas tubagens, quer do circuito de circulação do
fluido quer nas tubagens dos circuitos de água.
Para que se verifiquem as melhores condições de funcionamento do purgador de ar, para
expulsar o ar para o exterior, a sua instalação é efectuada nos pontos mais altos de cada
equipamento ou circuito a purgar, ou ainda na extremidade da tubagem, que deverá apresentar
alguma inclinação sempre a subir no seu percurso, nos troços horizontais.
Não é aconselhável a instalação dos purgadores em locais onde haja o risco da formação de
gelo. (conforme recomendação da ADENE)
4.6
Ensaios e Manutenção dos Sistemas Solares Térmicos
Além da observação das condições de garantia a que devem obedecer todos os elementos de
uma instalação, estes terão de ser instalados em conformidade com o cumprimento das
normas em vigor e de todas as recomendações de projecto, antes da entrada em
funcionamento de qualquer instalação solar térmica, deverá ser feita uma verificação cuidada
dos diversos componentes que a mesma comporta, quer seja no que se refere a colectores
solares, depósitos acumuladores, canalizações, assim como todos os componentes e acessórios
necessários à concretização da instalação.
Por outro lado, é necessário realizar todos os ensaios que permitam verificar a eficácia dos
diversos componentes em particular e da instalação no seu conjunto, os quais terão de cumprir
a legislação e as normas em vigor para este tipo de instalações, respeitando as recomendações
da ADENE, que são apresentadas no Guia para Instaladores de Colectores Solares.
Manuel Cerveira
77
Sistemas Térmicos de Energia Solar
Acções de manutenção preventiva a um sistema solar térmico:
78
•
Limpeza dos colectores;
•
Verificação do circulador;
•
Afinação do caudal e pressão do circuito solar;
•
Verificação do vaso de expansão;
•
Ajuste de pré-carga (se necessário);
•
Verificação da concentração de fluido anti congelante;
•
Verificação do PH do fluido anti congelante;
•
Verificação do estado da estrutura;
•
Verificação dos elementos de segurança dos colectores e grupo de circulação;
•
Verificação das sondas de temperatura da instalação e do colector;
•
Verificação visual do depósito instalado (AQS);
•
Verificação do ânodo de magnésio do depósito (AQS);
•
Verificação da válvula de segurança (AQS);
•
Verificação e regulação da válvula misturadora termostática (AQS);
•
Renovação, se necessário, do líquido solar no circuito ou reposição da pressão no
circuito fechado;
•
Purgar colectores e grupo de circulação;
•
Verificação do bom funcionamento de relógios, termóstatos e programadores;
•
Mão-de-obra necessária à substituição de peças.
•
Fornecimento de juntas, se for necessário devido às operações de manutenção.
•
Inspecção visual da instalação solar. [] Fonte: paineissolares.gov.pt
CAPÍTULO 4
4.6.1
Requisitos Necessários para a Conservação e Manutenção do Sistema
O fluido térmico é uma mistura de água e glicol em percentagem adequada a cada lugar onde
é feita a instalação solar, de modo a que não congele no tempo mais frio, que em Portugal na
zona de Bragança ou nas Penhas Douradas, poderá corresponder a uma temperatura próxima
de - 20 ºC.
Dever-se-á fazer a verificação anual do pH do fluido térmico que, caso se encontre abaixo de
7, deverá ser imediatamente substituído. A substituição de fluido deverá ocorrer pelo menos
de 5 em 5 anos, para garantir uma perfeita protecção do equipamento e manutenção do seu
desempenho.
A água na natureza não se encontra no estado puro ou simplesmente H2O, apresenta-se sim
sob a forma de solução aquosa com sais minerais, metais, gases e poluentes dissolvidos ou em
suspensão, que em algumas situações pelos elevados níveis de concentração de alguns dos
seus componentes, poderão comprometer as características de bom funcionamento da
instalação durante o tempo de vida útil previsto, que não deverá inferior a 20 anos.
Para que seja possível corrigir a acção dos malefícios que poderão ocorrer, são realizados
ensaios que permitem conhecer os níveis de concentração dos diversos componentes e assim
utilizar o método de correcção considerado adequado para cada caso em concreto.
4.7
Resumo
Neste capítulo, deu-se ênfase aos procedimentos de preparação e montagem dos componentes
nas instalações solares que deverão seguir as orientações dos fabricantes e as recomendações
da ADENE, para que garantam as melhores condições de segurança e se obtenham níveis de
aproveitamento solar elevados os quais deverão ser mantidos ao longo de toda a vida útil da
instalação, a qual não deverá ser inferior a 20 anos.
Foram também apresentados, o modo de proceder no tratamento contra a legionella, a
bancada didáctica construída por alunos e o controlador electrónico diferencial desenvolvido
pelo autor deste trabalho.
Manuel Cerveira
79
Sistemas Térmicos de Energia Solar
5 NORMAS E LEGISLAÇÃO
5.1
Normas Aplicadas a Sistemas Térmicos de Energia Solar - Portugal
Relativamente aos colectores solares são aplicadas as seguintes normas:
•
Normas Portuguesas;
o NP1802 e NP1803 de 1985 destinadas ao ensaio e determinação do rendimento
instantâneo;
•
Normas Europeias;
o Norma de Requisito de Produto: EN 12975-1:2006;
o Norma de Ensaio de Produto: EN 12975-2:2006;
•
Relativamente aos sistemas solares tipo “kit” (sistemas compactos em termossifão):
o Norma de Requisito de Produto: EN 12976-1:2006;
o Norma de Ensaio de Produto: EN 12976-2:2006.
5.2
Legislação Aplicada aos Sistemas Térmicos de Energia Solar em Portugal
No âmbito da melhoria dos padrões de conforto ambiental em edifícios em Portugal avançouse nos anos 90 do século XX com regulamentação que permitiu melhorar bastante a qualidade
da construção e climatização nos edifícios construídos.
•
RCCTE – 1º Regulamento das Características de Comportamento Técnico dos
Edifícios (Decreto Lei nº. 40/90 de 6 de Fevereiro)5
•
RSECE – 1º Regulamento dos Sistemas Energéticos de Climatização em Edifícios
(Decreto Lei nº.118/98, de 7 de Maio)6
Em seguida a partir do ano 2000, além da legislação nacional, foram introduzidas directivas
comunitárias e legislação europeia nomeadamente a Directiva 2002/91 CE, aprovada pelo
Parlamento Europeu em 16 Dez. 2002.
5
Na óptica de exigências construtivas do comportamento passivo dos edifícios no aproveitamento de energias
renováveis.
6
Na óptica de maiores diversificação e eficiência energéticas na utilização dos sistemas de climatização.
80
CAPÍTULO 5
5.2.1
Legislação Conexa
No âmbito do Sistema Nacional de Certificação de Edifícios – SCE, foram publicados:
•
Dec. Lei 78/2006 - SCE (Sistema de Certificação de Edifícios);
•
Dec. Lei 79/2006 – 2º RSECE (Regulamento dos Sistemas Energéticos de
Climatização em Edifícios);
•
Dec. Lei 80/2006 – 2º RCCTE (Regulamento das Características de Comportamento
Técnico dos Edifícios).
O RCCTE impõe a obrigatoriedade de instalação de colectores solares para aquecimento de
águas sanitárias nas novas construções, ampliações ou grandes reabilitações de edifícios que
utilizem AQS, o que ocorre em habitações e em diversos tipos de edifícios de serviços
A obrigatoriedade de instalação de colectores solares para produção de água quente sanitária,
permite a abertura de um amplo mercado para o desenvolvimento da energia solar renovável,
contribuindo assim para a diminuição da dependência energética do exterior.
Espera-se também desta forma que surja a criação de grande número de postos de trabalho
qualificado nesta área industrial e de serviços. Por outro lado a redução do preço dos sistemas
solares que resultará do desenvolvimento do mercado, será com certeza um maior incentivo
para a opção pela energia solar térmica por um maior número de utilizadores.
A partir de 2009 foi introduzida a Directiva_2009/28/CE.
5.3
Eficiência Energética
A eficiência energética é um tema cada vez mais actual, que se baseia em usar menos energia
para cumprir um determinado objectivo, mantendo o conforto e a produtividade dos
respectivos processos. Construir edifícios, veículos e empresas mais eficientes em termos
energéticos contribui para resolver os problemas de poluição, de aquecimento global, da
segurança de abastecimento e do esgotamento dos combustíveis fósseis.
Embora Portugal seja um dos países Europeus com maior disponibilidade do recurso solar,
tem sido um dos países europeus que menos colectores instalou durante vários anos, conforme
se pode constatar através da tabela que se apresenta e que em 2007 apenas tinha instalado
cerca de 24.000 m2 de colectores solares térmicos.
Este “fenómeno” deve-se em grande parte a má reputação ganha pelos sistemas solares nos
anos oitenta. No início dos anos 80 houve um arranque da implementação de sistemas solares
em Portugal, mas que rapidamente acabou por se esvanecer, isto devido a diversos factores
entre os quais a má qualidade de uma grande parte dos equipamentos solares instalados.
Manuel Cerveira
81
Sistemas Térmicos de Energia Solar
Nem todos os equipamentos eram de qualidade baixa, no entanto a falta de controlo da
qualidade dos produtos comercializados levou a descredibilização da energia solar em
Portugal.
Quadro 5.1 – Mercado solar térmico na EU + Suíça.
2004
2005
2006
2007
(adicional)
[m²]
(adicional)
[m²]
(existente)
[m²]
(adicional)
[m²]
Áustria
182590
233470
2611620
350000
Bélgica
1470
2023
10411
45000
Bulgária
1800
2000
25100
2500
Suíça
31160
39130
443540
65000
Chipre
30000
50000
560200
70000
Rép. Checa
12250
15550
106730
30000
Alemanha
750000
950000
8054000
1500000
Dinamarca
20000
21250
362280
32000
Estónia
250
250
1120
400
Espanha
90000
106800
702160
325000
Finlândia
1630
2380
16490
4500
França
52000
121500
615600
275000
Grécia
215000
220500
3287200
300000
Hungria
1500
1000
6250
1200
Irlanda
2000
3500
15790
10000
Itália
97730
127050
855230
285000
Lituânia
500
500
2750
1000
Luxemburgo
1700
1900
15900
2900
Letónia
500
1000
3850
1800
Malta
4210
4000
23860
5500
Holanda
26300
20240
318440
1800
Polónia
28900
27700
167520
52000
Portugal
10000
16000
180950
24000
Roménia
400
400
69100
500
Suécia
20050
22620
236920
34000
Eslovénia
1800
4800
109300
10000
Eslováquia
5500
7500
72750
12000
Reino Unido
25000
28000
250920
70000
PAÍS
Uma das principais conclusões do Grupo Temático - Solar Térmico do FORUM das Energias
Renováveis em Portugal, decorrido no ano de 2001, foi identificar como uma das principais
barreiras ao desenvolvimento dos sistemas solares térmicos em Portugal é a “Má
reputação/Fraca qualidade” dos sistemas.
82
CAPÍTULO 5
Tendo em conta esta barreira importante estabeleceu-se em Portugal uma série de normativas
e procedimentos com vista a certificação deste tipo de Produtos, isto após vários anos de
esforços nesta área que se iniciaram no fim dos anos 80, com a discussão do documento prénormativo aprNP 2/88, “Colectores Solares: Métodos de ensaio e qualificação”. Após uma
primeira campanha de ensaios, realizada no início dos anos noventa, não foi possível
estabelecer um entendimento com os diversos intervenientes no sector do solar térmico, no
sentido da compreensão das regras e procedimentos necessárias ao processo de certificação.
Nos anos seguintes houve uma grande quebra na implementação dos sistemas solares
térmicos, deixando de ser possível a implementação da Certificação do Produto.
A Directiva n.º 2006/32/CE, do Parlamento Europeu e do Conselho, de 5 de Abril, relativa à
eficiência na utilização final de energia e aos serviços energéticos, estabeleceu a obrigação de
os Estados-Membros publicarem um plano de acção para a eficiência energética,
estabelecendo de, pelo menos, 1 % de poupança de energia por ano até 2016.
Com o objectivo de alterar a situação verificada na tabela anterior apresentada, que colocou
Portugal numa posição que não tem qualquer justificação pelo elevado nível de radiação solar
incidente em quase todo o país durante grande parte do ano comparativamente a outros países
que com muito menor níveis de incidência solar já possuíam nesse ano áreas de instalação de
colectores solares muito superiores, e, dadas as consequências do aumento verificado no custo
dos combustíveis fósseis, levou a que o Governo de então tivesse encarado a necessidade de
serem tomadas medidas que permitissem levar por diante as directivas já estabelecidas na
legislação de então.
Nesse sentido Portugal aprovou, em Maio de 2008, o Plano Nacional de Acção para a
Eficiência Energética (PNAEE), documento que engloba um conjunto alargado de programas
e medidas consideradas fundamentais para que se possa alcançar e suplantar os objectivos
fixados no âmbito da referida Directiva. O PNAEE prevê na área residencial e de serviços três
grandes programas de eficiência energética através de:
•
Programa Renove Casa e Escritório, no qual são definidas várias medidas
relacionadas com eficiência energética na iluminação, electrodomésticos,
electrónica de consumo e reabilitação de espaços.
•
Sistema de Eficiência Energética nos Edifícios, que agrupa as medidas que
resultam do processo de certificação energética nos edifícios, num programa que
inclui diversas medidas de eficiência energética nos edifícios, nomeadamente
isolamentos, melhoria de vãos envidraçados e sistemas energéticos.
•
Programa Renováveis na Hora, que é orientado para o aumento da penetração de
energias endógenas nos sectores residencial e serviços.
Manuel Cerveira
83
Sistemas Térmicos de Energia Solar
O papel relevante do segmento residencial e de serviços no PNAEE resulta do facto de, em
Portugal, como nos restantes estados membros, os edifícios representarem quase 40 % do
consumo total de energia, sendo reconhecido pela União Europeia que há um potencial
significativo de redução desse consumo. No sentido de aproveitar esse potencial foi publicada
a Directiva 2002/91/CE do Parlamento Europeu e do Conselho, de 16 de Dezembro de 2002,
relativa ao desempenho energético dos edifícios. Em Portugal uma das consequências dessa
publicação foi a revisão da regulamentação do sector e a criação do Sistema Nacional de
Certificação Energética e da Qualidade do Ar Interior (SCE), que entrou em vigor a 1 de
Julho de 2007, com o objectivo de promover a eficiência energética nos edifícios e protecção
do ambiente. O PNAEE integrou assim, e de forma natural, essa nova legislação, através do
Programa Eficiência Energética nos Edifícios, traçando metas concretas para 2015 também
neste âmbito específico. PARQUE EXPO”. [ADENE]
5.3.1
Programa Solar Térmico 2010
A Estratégia Nacional para a Energia 2020 (ENE 2020) estabelecida na Resolução do
Conselho de Ministros n.º 29/2010, de 15 de Abril entre outros objectivos estabelecia no seu
ponto 6 “Desenvolver, durante o 1.º semestre de 2010, no âmbito da aplicação do quadro de
referência estratégico nacional e dos outros instrumentos de apoio ao desenvolvimento
económico, linhas de apoio para o investimento no domínio das energias renováveis e da
promoção da eficiência energética, designadamente no apoio ao solar térmico, visando
também o incremento das exportações nesses domínios”.
O mesmo documento define uma aposta nas energias renováveis nomeadamente na energia
solar. Para além das metas para os sistemas solares eléctricos existe uma indicação objectiva
com vista à promoção do segmento solar térmico. “Será definido um novo modelo de
promoção para prosseguir a aposta no solar térmico, aproveitando o potencial solar do País e
o baixo custo associado às tecnologias disponíveis, de modo a cumprir os objectivos do
PNAEE e do PNAC.”
5.4
5.4.1
Certificação e Credenciação de Técnicos e Instalações
Certificação de Produtos
A tarefa de outorgar a marca de produto certificado cabe actualmente ao CERTIF –
Associação para a Certificação de Produtos (entidade acreditada pelo Sistema Nacional de
Qualidade).
Para efectuar os ensaios em Portugal apenas o Laboratório de Ensaio de Colectores Solares
(LECS) do INETI está acreditado actualmente para tal, prevendo-se, no médio prazo, o
surgimento de outras entidades capacitadas para a realização destes ensaios.
84
CAPÍTULO 5
O sistema de certificação, implementado pela CERTIF adopta o Sistema n.º 5 (ISSO ou CNQ
n.º 5), que compreende ensaios de concessão e inspecção da produção, visando a certificação
tanto de colectores solares térmicos como dos sistemas em termossifão (tipo “kit”).
5.4.2
Certificação Energética
“Com a entrada em vigor do SCE – Sistema de Certificação de Edifícios (Decreto-lei nº 782006), lançou-se o desafio de garantir a eficiência energética no sector da construção. De
forma a avaliar o cumprimento desse objectivo, a base de dados do SCE será essencial, uma
vez que será possível, à medida que o parque de edifícios é certificado, avaliar a evolução da
eficiência energética dos edifícios em termos médios, esta informação será extremamente útil
na implementação e ajuste de políticas neste sector.
Os processos de certificação são assegurados por técnicos devidamente acreditados para o
efeito, os peritos qualificados, tendo por base os dois diplomas em vigor aplicados à
construção: O Regulamento das Características do Comportamento Térmico dos Edifícios
(RCCTE) e o Regulamento dos Sistemas Energéticos de Climatização em Edifícios (RSECE).
O certificado energético atribui uma etiqueta de desempenho energético aos edifícios
(habitação e serviços), permitindo classificá-los numa escala que varia de A+ (elevada
eficiência) a G (baixa eficiência), que assegura uma fácil interpretação por parte do
consumidor. Para além disso, são identificadas potenciais medidas de melhoria de
desempenho energético e de qualidade do ar interior (QAI), para garantir uma maior
economia de energia e consequente redução de emissões de CO2.
A classificação energética dos edifícios no âmbito do RCCTE é calculada pelo quociente
entre as necessidades anuais estimadas de energia primária, para climatização e águas quentes
sanitárias e o valor limite estabelecido para cada região. Para se obter a classificação máxima
(A+) o edifício ou fracção deverá apresentar menos de ¼ das necessidades energéticas de um
edifício de referência (B-). Nesse sentido estes devem:
•
Adoptar soluções construtivas que garantam um baixo coeficiente de transmissão
térmico;
•
Recorrer a sistemas solares passivos;
•
Adoptar envidraçados e sombreamentos que permitam minimizar os ganhos
térmicos no verão e maximizá-los no Inverno;
•
Garantir valores mínimos de renovação de ar com recurso à recuperação de calor;
•
Prever o aproveitamento de energias renováveis nomeadamente colectores solares
térmicos, Um dos factores determinantes para alcançar uma elevada classificação
energética numa habitação é a existência de colectores solares térmicos;
•
Recorrer a sistemas de climatização eficientes.
Manuel Cerveira
85
Sistemas Térmicos de Energia Solar
Estes equipamentos permitem reduzir até 70 % o consumo médio anual de energia final para
produção de AQS. No caso da habitação, a legislação prevê a contabilização das necessidades
de energia para preparação das águas quentes sanitárias, com um objectivo específico de
favorecimento da penetração dos sistemas de colectores solares ou outras alternativas
renováveis.
A obrigatoriedade da instalação de colectores solares para a produção de água quente sanitária
abre um amplo mercado para o desenvolvimento da energia solar, que em anos anterior tinha
sido pouco explorada, apesar de Portugal ser dos países da Europa com mais horas de sol por
ano.
No caso dos edifícios de serviços, no âmbito do RSECE, é obrigatória a certificação periódica
de todos os edifícios com mais de 1000 m2. Todos estes edifícios terão que afixar o certificado
em local bem visível na entrada do edifício. Os certificados energéticos são baseados na
classe energética, que é obtida através do cálculo do consumo global de energia do edifício
sob condições nominais. Nos edifícios de serviços, além da consideração dos aspectos
anteriormente indicados para os edifícios residenciais, a eficiência dos sistemas de iluminação
e climatização são determinantes para atingir elevadas classes de eficiência energética. Nestes
casos, terão que ser efectuadas, periodicamente, auditorias energéticas e à Qualidade do Ar
Interior. Quando o consumo de energia estiver acima do limite máximo fixado pelo RSECE, é
necessário elaborar um plano de racionalização energética.” [ADENE]
5.4.3
Medidas de Melhoria
“Os certificados dos edifícios residenciais e de serviços incluem uma lista de potenciais
medidas de melhoria do desempenho energético baseadas no consumo efectivo, medidas essas
devidamente estudadas pelo perito para o caso específico em análise. No caso do parque
edificado espera-se que a mais-valia inerente a uma certificação energética seja a
implementação dessas medidas de melhoria de forma voluntária pelo proprietário, uma vez
que a classe energética é actualmente um critério relevante na determinação do valor dos
edifícios.
De acordo com a informação extraída da base de dados do Sistema Nacional de Certificação
(SCE) em média as propostas de medidas de melhoria incidem sobre sistemas de produção de
água quente sanitária (32 %), isolamento da envolvente (20 %), sistemas de energia solar
(18 %), sistemas de aquecimento ambiente (12 %), vãos envidraçados (10 %) e outros (8 %).
Esta realidade contraria as orientações da entidade gestora para que o estudo das medidas de
melhoria pelos peritos considere uma determinada hierarquia, segundo a qual se deverá
começar privilegiando a correcção de patologias construtivas, a redução das necessidades de
energia útil por intervenção na envolvente e utilização de energias renováveis e, por fim,
sobre a eficiência dos sistemas.
Desta forma, tenta-se incentivar os proprietários a adoptar soluções que promovam, primeiro,
uma redução daquilo que são as necessidades de energia para manter os espaços confortáveis
86
CAPÍTULO 5
e em condições de salubridade, e, só depois, uma utilização eficiente da energia necessária
para aquecer, arrefecer os espaços e para produzir águas quentes sanitárias. Existem, pois,
aspectos que estão a ser melhorados no sistema para reorientar a abordagem dos peritos nesta
matéria. Desde logo, o reforço da mensagem junto dos técnicos para seguirem a hierarquia
estabelecida.
Por outro lado e numa abordagem mais de fundo, está também a ser trabalhada a revisão da
legislação para que esses aspectos tenham mais influência na classificação energética
atribuída ao imóvel, criando assim um incentivo natural à optimização dessa componente do
edifício.
Outro factor relevante será a disponibilização de incentivos que privilegiem as soluções que
reduzam as necessidades de energia fóssil.
Neste âmbito, a implementação de medidas de melhoria tem sido facilitada pelos programas
desenvolvidos no âmbito do PNAEE, nomeadamente o programa “Renováveis na hora”, a
“Medida Solar Térmico 2009” e a troca de lâmpadas associada ao phase-out progressivo da
iluminação incandescente clássica. O programa “Renováveis na hora” dinamiza e promove a
microprodução de energia eléctrica utilizando fontes renováveis de energia, por outro lado a
“Medida Solar Térmico 2009” terá um impacto significativo, uma vez que permite melhorar a
eficiência energética da produção de água quente que corresponde em geral a grande parte das
necessidades de energia das habitações.
Mais recente, o incentivo, em sede de IRS, ao investimento em soluções de isolamento de
paredes e substituição de janelas, é outro instrumento de política que, já em 2010, irá
certamente dar um impulso significativo à adopção destas medidas, quando propostas pelos
peritos nos certificados.” [ADENE]
5.4.4
Certificação na Europa
Existiam nos diversos países europeus diferentes sistemas de certificação dos sistemas solares
térmicos, que recorriam a normas ISO, DIN ou normas estabelecidas pelos próprios
laboratórios. Desde a publicação das Normas Europeias para os produtos solares térmicos, foi
possível estabelecer uma base europeia para o desenvolvimento de um esquema específico de
uma Marca Europeia para os sistemas solares térmicos: a Solar Keymark. [11]
A Keymark (marca Europeia CEN/CENELEC) já estabelece as regras genéricas de
certificação dos produtos em geral. A Solar Keymark tenta estabelecer as regras específicas
para os sistemas solares (regras específicas dos produtos solares).
A Solar Keymark é promovida pela ESTIF www.estif.org, organização que surgiu da fusão da
ASTIG e da ESIF) através de um projecto iniciado no ano 2000, composto no essencial pelo
estabelecimento de uma rede de laboratórios acreditados para a realização dos ensaios
segundo as Normas Europeias (o INETI faz parte do projecto), o estabelecimento do esquema
específico de certificação Solar Keymark e a disseminação da Marca Solar Keymark.
Manuel Cerveira
87
Sistemas Térmicos de Energia Solar
A introdução na Europa de um sistema de certificação dos sistemas solares térmicos permitirá
que qualquer equipamento ensaiado num dos laboratórios acreditados possa ser válido nos
vários países europeus que o reconheça, assim como permitir a comparação dos diferentes
produtos com maior facilidade.
Irá também produzir uma padronização dos produtos comercializados e aumentar a sua
qualidade, aumentado assim a confiança no consumidor.
Este sistema de certificação pretende ser o único vigente e cobrirá toda a Europa. A maior
parte dos países caminha no sentido da adopção da Solar Keymark, exceptuando poucos que
se mantêm nos seus esquemas de certificação nacionais.
No sistema português já existem aproximações a este esquema de forma a facilitar aos
fabricantes nacionais aderir a este esquema europeu.
A certificação dos sistemas de energia solar permite dar uma maior credibilidade e garantia de
qualidade aos sistemas solares, uma vez que os produtos certificados são produtos que foram
sujeitos a ensaios e obtiveram aprovação e o seu processo produtivo está sujeito a um sistema
de qualidade, inspeccionado pela entidade certificadora.
A implementação de um sistema de certificação europeu através da Solar Keymark permitirá
uma clarificação e aumento da credibilidade de todos os equipamentos e entidades envolvidas,
podendo ser possível comparar os produtos com uma mesma base independente de
características e escolher, com qualidade, o mais adequado para a aplicação pretendida.
Não deixa de ser importante salientar que todos estes esforços só serão coroados de êxito se
toda esta informação chegar aos consumidores. É preciso começar desde já a divulgação das
certificações, para que o consumidor exija na compra a comprovação de qualidade atestada
por estes esquemas de certificação. A União Europeia necessita mesmo de conseguir
estabelecer em todo o espaço comunitário estas normas e batalhar pelo seu cumprimento. Em
Portugal terá de ser conseguido um percurso idêntico para que seja obtida a credibilidade que
não foi possível nas décadas de 70 e 80 do século XX e dessa forma se consiga a confiança
que permita fazer o real aproveitamento do potencial solar existente.
5.4.5
Certificação e formação dos técnicos e instaladores
No que se refere à formação dos técnicos e instaladores, deverão os respectivos programas de
formação ser feitos por cada um dos Estados-Membros da União Europeia ou pelos
organismos administrativos por estes nomeados.
O organismo de acreditação deve assegurar que o programa de formação oferecido pelo
organismo de formação tem continuidade e cobertura regional ou nacional.
O organismo de formação deve dispor de instalações técnicas adequadas para assegurar a
formação prática, incluindo algum equipamento de laboratório ou instalações correspondentes
para assegurar a formação prática. O organismo de formação deve também assegurar, para
88
CAPÍTULO 5
além da formação de base, cursos de aperfeiçoamento mais curtos sobre questões específicas,
como as novas tecnologias, a fim de permitir a formação contínua nas suas instalações. O
organismo de formação pode ser o fabricante do equipamento ou sistema, um instituto ou uma
associação.
A formação para fins de certificação ou qualificação do instalador deve incluir uma parte
teórica e uma parte prática. No final da formação, o instalador deve possuir as competências
necessárias para instalar os equipamentos e sistemas que correspondam às necessidades de
desempenho e fiabilidade do cliente, incorporar técnicas de qualidade e cumprir todos os
códigos e normas aplicáveis, incluindo em matéria de rotulagem energética e ecológica.
Além disso, deverão ser tomadas em consideração todas as demais determinações constantes
da directiva 2009/28/CE do parlamento europeu e do conselho de 23 de Abril de 2009 relativa
à promoção da utilização de energia proveniente de fontes renováveis que altera e
subsequentemente revoga as Directivas 2001/77/CE e 2003/30/CE, que se apliquem às
instalações dos sistemas solares térmicos.
5.5
Resumo
Neste capítulo, foram referidas algumas das normas nacionais e europeias mais importantes
relacionadas com a aplicação dos sistemas de aproveitamento térmico de energia solar e
indicados programas que ao longo das últimas décadas foram lançados por governos de
alguns países para incentivar à utilização deste tipo de energia alternativa.
Das normas apresentadas, algumas referem-se a equipamentos, materiais e instalações, outras
porém, tem como objectivo, criar condições para garantir a maior qualificação dos
projectistas, instaladores e outros intervenientes na realização das referidas instalações de
modo a que as mesmas possam entrar em funcionamento, certificadas.
Manuel Cerveira
89
Sistemas Térmicos de Energia Solar
6 CONCLUSÕES
O advento da revolução industrial, cujo início se aponta ao século XVIII, alterou o modo de
ocupação das pessoas que à data se centrava em actividades agrícolas e de manufactura, tendo
estas passado a laborar em actividades industriais o que permitiu a promoção de melhores
condições de vida das pessoas resultantes da subida da remuneração do trabalho. Na primeira
metade do século XIX, período no qual as maiores preocupações se centraram no maior
aproveitamento das tecnologias anteriormente desenvolvidas, as pessoas foram descoradas,
tendo mesmo chegado ao ponto de se passar a exigir que produzissem ao ritmo a que foram
colocadas as máquinas o que provocou grandes convulsões sociais.
A partir da segunda metade do século XIX, surgiram novas mudanças que se prolongaram até
à primeira metade do século XX, tendo permitido, desenvolver meios de transporte mais
rápidos de carácter quase individual como o automóvel e do avião para distâncias mais
longas. Foram igualmente desenvolvidas as comunicações à distância por telefone, a
radiodifusão e a televisão, tendo este período sido designado por 2ª revolução industrial.
A partir da segunda metade do século XX com o elevado desenvolvimento da electrónica
avançou-se, ao nível das telecomunicações, da automação e da robótica, tendo sido
conseguido alcançar níveis muito elevados de produção que obrigou a ter de se recorrer em
grande escala à utilização dos combustíveis fósseis para permitir manter as produções cada
vez maiores e mais diversificadas de produtos que além dos atrás citados, outros utensílios e
equipamentos a que as pessoas passaram a utilizar no conforto em casa e nos locais de
trabalho ou simplesmente em tempos de lazer.
Assim, a partir da primeira metade da década de oitenta do século XX, mais propriamente a
partir de 1973, sentiu-se a necessidade de fazer a exploração de reservas de combustíveis
fósseis existentes em diversos países que até então não eram exploradas. Por outro lado, os
países produtores de petróleo fomentaram o aumento dos preços de venda o que conduziu à
procura de soluções alternativas para se poderem manter os níveis de conforto e facilidade de
deslocação, sem ficar na total dependência dos combustíveis fósseis.
Assim, procurar na fonte inesgotável cujo recurso é o sol o aproveitamento da sua energia,
passou a constituir uma prioridade, tendo-se mesmo tornado de importância capital para fazer
face às dificuldades que alguns países entre os quais Portugal, por não possuírem reservas de
combustíveis fósseis e por isso, passaram a ter que despender de grandes quantidades de
divisas para os poderem adquirir devido aos elevados preços a que aqueles passaram a ser
comercializados.
Sendo Portugal, um dos países da Europa com maior nível de incidência solar ao longo de
grande parte do ano, tudo levaria a supor, que o aproveitamento da energia solar, tivesse tido
um incremento elevado como se pensou e que foram ensaiados por protagonistas como
Manuel Collares Pereira, João Farinha Mendes e outros que através do Laboratório Nacional
de Engenharia Civil (LNEC), Laboratório Nacional de Engenharia e Tecnologia Industrial
(LNETI) e Sociedade Portuguesa de Energia Solar (SPES), nos finais dos anos setenta do
90
CAPÍTULO 6
século XX e mesmo durante grande parte dos anos oitenta, participarem em experiências e se
movimentaram para alterar o paradigma do país.
Algumas empresas e instituições também participaram, nessa primeira onda que morreu na
praia, por um lado devido à má qualidade de alguns dos equipamentos então fabricados e
instalados que não permitiram resultados satisfatórios para os potenciais utilizadores; por
outro, pelas opções que foram tomadas pelo governo de então que apontou como estratégia a
opção pelo gás natural.
Poderá mesmo pensar-se agora, que se perderam pelo menos cerca duas décadas, e, que por
acção de uma crise petrolífera que começou a fazer-se sentir no princípio da primeira década
deste século XXI, se tenha novamente despertado, e, que com alguns dos mesmos
protagonistas de há três décadas, embora em novos organismos que só mudaram de nome,
como sejam os casos do INETI e LNEG, se tenha que tentar através do aproveitamento dos
cacos, e, por imposição obrigatória da lei ou por vinculação às normas da European Union
(EU), de tomar consciência da mudança e que Portugal possa fazer do sol o seu maior aliado
na solução da superação de grande parte das necessidades energéticas através da sua melhor
utilização e aproveitamento.
Através deste trabalho, são apresentadas soluções que de algum modo procuram contribuir
para estimular o aumento da utilização do sol para o aproveitamento energético,
concretamente na forma de aproveitamento térmico para aquecimento de águas de consumo,
aquecimento ambiente e de água em piscinas.
Por aquilo que este trabalho poderá significar de estímulo para os mais novos que se julga ser
da maior importância, ficou já patente, através da instalação solar térmica apresentada na
figura 4.2 sob a forma de bancada didáctica que foi construída pelos alunos na Escola
Secundária de Anadia e se encontra à disposição dos alunos, professores e restante
comunidade escolar.
Por outro lado, com o controlador electrónico MANCER desenvolvido durante a realização
deste trabalho, procura-se de algum modo estimular os técnicos, especialistas, estudantes do
ensino superior de engenharia e engenheiros, a poderem dar azo à sua imaginação,
criatividade e interesse pela produção, de tal modo que possam desenvolver produtos deste ou
de outro tipo capazes de competir com o que existe no mercado ou quem sabe, em muitos
casos serem precursores de novos produtos com grande importância e aplicação prática.
Ao longo deste trabalho foram também apresentados alguns projectos de instalações que
demonstram haver boas condições para que seja cada vez maior a utilização do
aproveitamento térmico de energia solar em Portugal, não só pelo que significa de ganhos ao
nível económico nas mais diversas aplicações, mas também pelas significativas melhorias ao
nível das condições ambientais em contraponto com outras formas de aplicação com o mesmo
objectivo em que se terá de recorrer à utilização de combustíveis fósseis, cujos custos são
elevados, causam dependência externa na aquisição e na sua utilização provocam danos
nocivos para o ambiente.
Manuel Cerveira
91
Sistemas Térmicos de Energia Solar
Dadas as difíceis condições de satisfação energética que desde os finais do século passado e
início deste século e milénio, que se têm feito sentir em muitos países e particularmente em
Portugal, país de origem e onde reside o autor deste trabalho, fez com desde há já alguns anos
a esta parte, o tenha levado a considerar que a melhor alternativa ao nível do aproveitamento
energético em Portugal seria apostar no melhor e cada vez maior aproveitamento das
condições solares de que desfruta em grande parte do ano. Assim e por entender que com a
abordagem deste tema tão actual, poderia até resultar em mais um pequeno contributo para
que mais alguns participem nesta mudança de rumo tão importante para toda a humanidade
em que tantos já se encontram envolvidos e que alguns como atrás já foi referido há muitos
anos já consideraram e iniciaram, fez que fosse por diante o trabalho que aqui se apresenta.
92
Sistemas Térmicos de Energia Solar
REFERÊNCIAS
7 REFERÊNCIAS
LIVRO DE ORIENTAÇÃO FUNDAMENTAL
[KALOGIROU] “Solar energy engineering: processes and systems” Soteris Kalogirou, Elsevier, 2009.
[RORIZ]
“Energia Solar em Edifícios“ Autores: Luis Roriz, João Resendo, Fernado Lourenço e
Kathrin Calhau. Editor: Edições Orion
“Energia Solar” Introdução às Aplicações da Energia Solar. Autor: J.C.McVEIGH
“ O Aquecedor Solar de Água”Autores: Thierry Cabriol, Albert Pelissou e Daniel Roux. Editor:
Edições Cetop. Colecção Novas Energias
“ Calor Solar en su Casa” Autor: R.W. Adams. Editor: Paraninfo.
“Guia para Instaladores de Colectores Solares”
“Programa Solar Térmico 2010” Editor: ADENE - Agência para a Energia.
Colecção: Agua Quente Solar para Portugal
NORMAS E LEGISLAÇÃO
[1]
Estratégia Nacional para a Energia 2020 (ENE 2020) estabelecida na Resolução do Conselho de
Ministros n.º 29/2010, de 15 de Abril.
[2]
Directiva 2009/28/CE do Parlamento Europeu e do Conselho, relativa à promoção da utilização
de energia proveniente de fontes renováveis, de 23 de Abril de 2009, Jornal Oficial das
Comunidades Europeias, 5.6.2009.
[3]
Plano Nacional de Acção para a Eficiência Energética (2008-2015), estabelecido na Resolução
do Conselho de Ministros nº. 80/2008 de 20 de Maio.
[4]
Directiva 2006/32/CE do Parlamento Europeu e do Conselho, relativa à eficiência na utilização
final de energia e aos serviços energéticos, de 5 de Abril de 2006, Jornal Oficial das
Comunidades Europeias, 27.4.2006.
[5]
RCCTE – Regulamento das Características do Comportamento Térmico dos Edifícios, Decreto
de Lei nº 80/2006, de 4 de Abril.
[6]
RSECE – Regulamento dos Sistemas Energéticos e de Climatização dos Edifícios, Decreto de
Lei nº 79/2006, de 4 de Abril.
[7]
Sistema Nacional de Certificação Energética e da Qualidade do Ar Interior nos Edifícios,
Decreto de Lei nº 78/2006, de 4 de Abril.
[8]
Directiva 2002/91/CE do Parlamento Europeu e do Conselho, relativa ao desempenho
energético dos edifícios, de 16 de Dezembro de 2002, Jornal Oficial das Comunidades
Europeias, 4.1.2003.
[9]
RSECE – Regulamento dos Sistemas Energéticos de Climatização em Edifícios, Decreto-lei nº.
118/98, de 7 de Maio.
[10] RCCTE – Regulamento das Características de Comportamento Técnico dos Edifícios, Decretolei nº. 40/90 de 6 de Fevereiro.
Manuel Cerveira
93
Sistemas Térmicos de Energia Solar
DISSERTAÇÕES
[11] “Avaliação de Sistemas Solares Térmicos de Produção de Água Quente Sanitária em Edifícios
de Habitação Multifamiliar”, Alexandre Daniel de Sousa Santos, Dissertação de Mestrado em
Engenharia Mecânica, IST/UTL – Maio 2012.
[12] “Sistemas Solares Térmicos – Simulação de perfis de consumo e cálculo do comportamento
térmico a longo prazo”, Nuno Filipe dos Santos Mexa, Mestrado em Engenharia de Energia e
do Ambiente, UL/FC – 2011.
[13] “Integração de painéis solares térmicos soluções de pós-construção”, Ana Sofia Guerra
Madeira, Mestrado em Engenharia do Ambiente, UNL / FCT – 2010.
[14] “Projecto de uma Bomba de Calor com aproveitamento de Energia Solar”, Ricardo Ferreira,
Mestrado Integrado em Engenharia Mecânica, FEUP - Julho2010.
[15] “Sistemas de Aproveitamento de Energia Solar Térmica SOLution”, João Gaspar Moura
Martins, Mestrado Integrado em Engenharia Industrial e Gestão, FEUP – 2009-01-30.
SITES E INFORMAÇÕES DA INTERNET
[ADENE]
Agência para a Energia – www.adene.pt/
[AGUAQS]
AguaQuenteSolar.pt – www.aguaquentesolar.pt
[APISOLAR]
Associação Portuguesa dos Industriais da Energia Solar – www.apisolar.pt/
[CERTIF]
Associação para a Certificação – www.certif.pt
[DGEG]
Direcção Geral de Energia e Geologia – www.dgeg.pt
[HSC]
Legionnaires’ disease, The control of legionella bacteria in water system, Health
Safety Commission: Disponível em http://www.hse.gov.uk/pubns/books/l8.htm
[LNEG]
Laboratório Nacional de Energia e Geologia – http://www.lneg.pt/
[RELOPA]
RELOPA - Electrodomésticos, Térmica e Ventilação, SA – http://www.relopa.pt/pt
[SOLTERM]
Análise de desempenho de sistemas solares – http://www.lneg.pt/iedt/projectos/370/
[SPES]
Sociedade Portuguesa de Energia Solar – www.spes.pt/
[SOLARGUS] Grupo SOLARGUS – www.solargus.pt/
[VULCANO]
VULCANO Soluções de Água Quente – www.vulcano.pt/
[ZANTIA]
ZANTIA - Climatização, S.A. – www.zantia.com/
94
Sistemas Térmicos de Energia Solar
REFERÊNCIAS
LINKS - DATASHEET
Microcontrolador PIC16F887
http://www.microchip.com/downloads/en/DeviceDoc/41291G.pdf
Condicionador de Sinal – AMPOP LM358
http://www.datasheetcatalog.org/datasheet/stmicroelectronics/2163.pdf
Clock - PCF 8583
http://www.datasheetcatalog.org/datasheet/philips/PCF8583_5.pdf
Conversor ULN 2803
http://www.datasheetcatalog.org/datasheets/105/366825_DS.pdf
Sonda Pt1000
http://www.rossatogroup.com/prodotti/details/386/94/centraline/sonde/sonde-pt-1000.html
INFORMAÇÕES UTEIS
Energia 2020 – Objectivo a 10 anos
Energia Solar – Aplicações Térmicas – Manuel Collares Pereira, disponível em
http://www.gazetadefisica.spf.pt/magazine/article/475/pdf
Energia Solar - António Varela - SESUL-UNL
Ponto da situação e caminhos para 2020 - João Farinha Mendes - LNEGANEXOS
Relatório de aplicação de Software SolTerm
Projecto – Esquema de Princípio de instalação solar de AQS + apoio aquecimento ambiente e
aquecimento de água de piscina.
Manuel Cerveira
95
Sistemas Térmicos de Energia Solar
ANEXOS
ANEXO I
O Sol em Portugal Continental
Manuel Cerveira
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Sistemas Térmicos de Energia Solar
ANEXO II
Microcontrolador PIC16F887
98
Sistemas Térmicos de Energia Solar
ANEXOS
ANEXO III.1
Condicionador de Sinal AMPOP - LM358
Manuel Cerveira
99
Sistemas Térmicos de Energia Solar
ANEXO III.2
100
Sistemas Térmicos de Energia Solar
ANEXOS
ANEXO IV
Conversor ULN 2803
Manuel Cerveira
101
Sistemas Térmicos de Energia Solar
ANEXO V
RTC - Real Time Clock PCF 8583
102
Sistemas Térmicos de Energia Solar
ANEXOS
ANEXO VI
Sensor de Temperatura – Sonda Pt1000
Caratteristiche tecniche sonda
Temperaturadifunzionamento
Sensore
Valore di resistenza a 0°C
Coefficiente α
Tensionediisolamento
Cavo
Lunghezza cavo
Lunghezza sensore
Diametrosensore
Manuel Cerveira
-40°C ÷ +180°C
Termoresistenza PT 1000
1kΩ
0.00385 oK-1
500 Vac per 1 secondo
Silicone
2m
28 mm
5,5 mm
103
Sistemas Térmicos de Energia Solar
ANEXOS
Quadro 0.1 – Características do colector plano KBB K423 VH4L.
Descrição
Tipo de construção
Área total do colector
Área da placa absorvedora
Área de abertura
Caixa
Área de Aplicação
Dimensões
Comprimento x largura x altura
Peso
Cobertura
Ligações
Isolamento térmico na face posterior
Isolamento térmico na face lateral
Placa absorvedora
Material
Cobertura
Grau de eficiência
Rendimento óptico η0
a1(w/m2.k)
a2 (w/m2.k)
Capacidade das condutas de calor
Pressão admissível de funcionamento
Temperatura de estagnação (DIN 4753-3)
Modo de montagem
Caudal aconselhável por colector
Colector plano
2,51 m2
2,327 m2
2,30 m2
Alumínio, prensado por extrusão, anodizado
Circulação forçada e termossifão
2168 x 1158 x 95 mm
38,5 kg
3,2 mm vidro de segurança, de elevada
transparência, resistente ao granizo
Tubo de cobre Ø 22 mm
50 mm lã mineral 70 kg/m3 + fibra de vidro
30 mm lã mineral
Superfície integral de alumínio sobre cobre
Bluetec
77,5 %
0,775
3,33
0,0152
1,30 litros
10 bar
217 ºC
Vertical ou horizontal
120 l/h
Características do Acumulador WBO
Quadro 0.2 – Características do Acumulador WBO.
Designação – Acumulador WBO
Unidades
Permutadores/serpentinas
212 DUO
Inferior
Superior
litros
193
-
NL
4
0,8
Caudal constante água quente 45º/90º
l/h (kW)
650 (26,5)
436/17,6
Caudal constante água quente 60º/90º
l/h (kW)
387/22,6
260/15,2
Potência máxima área de aquecimento
kW
27
18
Área do permutador térmico
2
m
0,8
0,5
Temperatura máxima admissível da água
ºC
95
-
Pressão máxima admissível da água
bar
10
-
Temp máx admissível do aquecimento (ºC)
130
160
-
Pressão máxima admissível do aquecimento
bar
16
-
Isolamento
mm
55-PUR
-
Capacidade do permutador térmico
litros
5,3
3,5
Consumo de água de aquecimento
3
M /h
2
1,2
Perda de pressão do permutador térmico
mbar
75
54
-
1,6
-
Capacidade
Desempenho NL n. DIN 4708
Perdas energéticas
Manuel Cerveira
105
Sistemas Térmicos de Energia Solar
Quadro 0.3 – Características do Acumulador WBO - continuação.
Designação – Acumulador WBO
Unidades
212 DUO
Diâmetro com isolamento (D)
mm
520
-
Diâmetro do depósito (d)
mm
420
-
Altura para entrada de água fria (E)
mm
120
-
Altura para entrada de água quente (F)
mm
1452
-
Altura de recirculação (G)
mm
517
-
Altura (H)
mm
1582
-
Cota de inclinação (W)
mm
1670
-
Altura de ligação de aquecimento – ida (K)
mm
1237
-
Altura de ligação de aquecimento – retorno (L)
mm
887
-
Altura ida solar (M)
mm
632
-
Altura retorno solar (N)
mm
120
-
Altura flange (O-)
mm
317
-
Altura entrada resistência eléctrica (R)
mm
812
-
Altura de entrada da sonda 1 (X1)
mm
372
-
Altura de entrada da sonda 2 (X2)
mm
1572
-
Ligação de água quente /fria
R
3/4
-
Sistema de circulação
R
3/4
-
Alimentação/retorno
Rp
-
1
Sistema solar/retorno
Rp
1
-
Ligação da resistência eléctrica
Rp
11/2
-
Flange
NW
100
-
Manga do sensor
Rp
1/2
1/2
Manga do termómetro
Rp
1/2
1/2
Ânodo
Rp
1
1
Peso (vazio)
kg
92
-
CONEXÕES
106