† - pcc.usp.br .coletores dados pela norma da ABNT-NBR 10184/1988. Tomando como referncia o escoamento

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    OPERAO DE SISTEMAS DE AQUECIMENTO SOLAR DE GUA COM CONTROLE DE VAZES EM COLETORES PLANOS

    Laerte Bernardes Arruda Racine Tadeu Arajo Prado

    Resumo O presente trabalho apresenta um estudo experimental sobre o efeito do controle de vazes em sistemas de aquecimento solar de gua em instalaes com grande nmero de coletores, onde o gradiente de temperatura no suficiente para circular a gua por termossifonagem. Os resultados experimentais, obtidos em regime no permanente, foram comparados com os parmetros da equao do rendimento dos coletores determinados para condies de regime quase permanente. Os ensaios foram realizados em duas baterias de testes: em uma delas o fluxo de gua entre os coletores e o reservatrio ocorreu por termossifonagem, sem nenhuma restrio vazo; na outra bateria, a vazo foi controlada por um registro e uma bomba hidrulica. O sistema com circulao natural revelou uma grande habilidade em se adaptar disponibilidade de energia com as temperaturas da gua armazenada, por meio da otimizao da velocidade da troca de calor. Foi desenvolvido um modelo de operao para sistemas diretos ativos que calcula a vazo com base no monitoramento das temperaturas das extremidades das tubulaes que interligam o reservatrio aos coletores, temperatura do ar, radiao solar disponvel e vazo no instante anterior. O modelo foi testado experimentalmente resultando em significativa melhora na eficincia do sistema.

    OPERATION OF SOLAR WATER-HEATING SYSTEMS WITH FLOW CONTROL ON FLAT PLATE COLLECTORS

    Abstract The focus of this work is the experimental study of the effect of control water discharge in solar water-heating systems with a large number of collectors where the temperature gradient is not sufficient for thermosiphon water circulation. The experimental results, under transient conditions, were compared to a collector's performance equation of the quasi-steady-state model. The tests were carried out on two systems. In the first system the flow between the collectors and storage occurred by thermosiphoning and without discharge restrictions, in the other, the control flow was done by means of a valve and a pump. The system of natural circulation shows an unrivalled ability to adaptation of disposal energy with water temperature stored, through velocity of heat exchange optimization. An operation model was developed for active direct circulation systems that calculate the discharge taking into consideration the monitoring of the differential temperature between solar collectors and the storage tank, the air temperature, solar radiation available and the flow rate on previous time interval. This model was experimentally tested and resulted in a significant improvement in performance of the system operation.

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    1 INTRODUO A conservao e o uso racional de energia renovvel, de baixo custo e no poluente, tm sido a preocupao constante nos projetos e no gerenciamento dos sistemas prediais. Os sistemas de aquecimento de gua com aproveitamento da energia solar se enquadram nestes requisitos. Nestes sistemas, os componentes (coletores, reservatrios, trocadores de calor, fonte auxiliar de calor e tubulaes) podem apresentar-se sob diversas configuraes. A gua aquecida para o consumo pode receber o calor diretamente no coletor (sistema direto), ou atravs de um lquido refrigerante que, aps receber a energia calorfica no coletor, a transfere gua em um trocador de calor (sistema indireto). Tais sistemas podem ainda ter a circulao do fluido entre os componentes feita atravs de bombeamento, chamado sistema ativo, ou atravs do efeito de termossifonagem, chamado sistema passivo, conforme denominao encontrada na literatura como: ASHRAE (1999) e Duffie; Beckman (1991). Os sistemas diretos tm sido utilizados no Brasil, principalmente em residncias isoladas, h mais de duas dcadas, aproveitando a energia potencial do reservatrio superior e o efeito de termossifonagem para a movimentao da gua nos coletores. Para compensar eventuais dias de insolao insuficiente, a fonte de calor auxiliar comumente utilizada uma resistncia eltrica inserida no reservatrio. A circulao por termossifonagem ocorre devido diferena de densidade do fluido aquecido no coletor e do fluido, de temperatura mais baixa, armazenado na parte inferior do reservatrio. As condies em que devem ser instalados os coletores em relao ao reservatrio e os respectivos tubos de ligao, no que diz respeito ao desnvel e isolamento destas tubulaes, para o bom funcionamento do termossifo, foram estudados por Vaxman; Sokolov (1986). O desempenho dos sistemas de aquecimento de gua com energia solar tem sido conhecido atravs do estudo do comportamento de seus componentes sob diversas configuraes de instalao. Como resultado destas pesquisas, surgiram metodologias para a determinao da eficincia como, por exemplo, a proposta pela ASHRAE (1996) e Bosanac; Nielsen (1997) para os coletores. Tais mtodos geralmente consideram a condio de funcionamento em regime permanente. Tambm foram realizadas pesquisas considerando o sistema submetido a regime no permanente, tais como: os estudos de Huang (1980), para sistemas passivos; a avaliao do comportamento do reservatrio de gua quente em relao ao trocador de calor, desenvolvida por Dahm et al. (1998); a anlise de Nayak; Amer (2000), comparando terica e experimentalmente nove mtodos que avaliam a capacidade trmica dos coletores em testes dinmicos. Como o sistema funciona de forma integrada e uma parte sofre e provoca influncia nas demais, torna-se necessrio que a avaliao seja efetuada sobre o todo e que considere a variabilidade das fontes de energia, do consumo e das perdas de calor. Spirkl et al. (1997), procurando caracterizar o sistema em si, concluram que o comportamento

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    dinmico dos tubos no pode ser modelado implicitamente pelo modelo do coletor, mas sim por parmetros prprios que devem ser identificados no processo. Uma alternativa para evitar a complexidade dos modelos analticos a aplicao do conceito de rede neural artificial. Kalogirou; Panteliou; Dentsoras (1999) aplicaram esta ferramenta para um sistema domstico passivo em que os parmetros de entrada eram: a rea do coletor, o coeficiente de perda de calor (U), tipo e volume do reservatrio. Com dados da radiao solar, temperatura mdia do ambiente e a temperatura mdia da gua no incio do dia, obtidos em dez experimentos, a rede foi treinada para predizer a energia til que poderia ser absorvida e a temperatura no reservatrio para quaisquer outras situaes. Para aquecer o volume necessrio, em um sistema direto, o dimensionamento pode ser conduzido de forma que a gua circule uma nica vez pelo coletor, ou vrias vezes no dia. Sokolov; Arbel (1992) fizeram o controle de vazo em um sistema direto passivo por meio do controle da temperatura da gua na sada do coletor. Este controle era feito atravs de uma vlvula que operava de forma gradual e mantinha a temperatura em um valor constante pr-determinado, chamado de temperatura de utilizao. Embora o rendimento do coletor seja reduzido com o aumento da diferena de sua temperatura com o ar ambiente, foi observado um aumento na quantidade de energia utilizvel armazenada. A otimizao do projeto de implantao, do gerenciamento e operao de um sistema de aquecimento solar de gua de forma a garantir eficincia e segurana, especialmente em grandes edificaes, impe o conhecimento minucioso do seu comportamento, monitoramento e controle dos processos. Embora inmeros estudos tenham sido feitos, a dvida na adoo dos parmetros que influenciam o funcionamento e que resultam em uma vazo ideal de circulao de gua nos coletores ainda persiste. Este trabalho analisa o comportamento de um sistema de aquecimento solar de gua, direto e ativo, sob o controle da vazo nos coletores, pela comparao do desempenho com outro sistema direto, porm, passivo, visando sua aplicao em edificaes de grande porte, como hotis e conjuntos habitacionais. Isto , visando situaes em que o gradiente de temperatura no suficiente para circular a gua nos coletores pelo fenmeno da termossifonagem. Esta forma de comparao foi adotada porque o sistema passivo, funcionando simultaneamente com o outro, fica tambm sujeito s mesmas variaes das condies ambientais e o seu equilbrio natural tornou-se, no dia do ensaio, a referncia para a anlise dos resultados. Os parmetros que influenciam diretamente a eficincia de um sistema de aquecimento desta natureza so: o ganho de temperatura da gua no coletor; a temperatura de entrada da gua no coletor; a temperatura do ar; o perfil de temperatura da gua no reservatrio; as propriedades trmicas dos componentes e a radiao solar disponvel. O ganho de temperatura no coletor depende da vazo, da perda de calor para o ambiente e da radiao disponvel. A perda de calor est relacionada com as propriedades trmicas, com a diferena da temperatura do corpo aquecido com a do ar e da velocidade do ar. Nas tubulaes, a vazo tambm influencia as perdas, principalmente, pelo fato de ser intermitente.

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    Foi observado, sob vrias condies de funcionamento e de diferentes solicitaes de consumo, que o sistema funcionando por termossifo tem uma habilidade singular para manter o equilbrio das variveis descritas acima. O objetivo deste trabalho foi o de desenvolver uma metodologia que, avaliando as condies disponveis, possa estimar a vazo que deve ocorrer, para se obter a melhor eficincia nas condies reinantes, utilizan