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MANUAL DE CAPACITACAO

EM PROJETOS DE SISTEMAS

DE AQUECIMENTO SOLAR

Ini

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Curso de Aquecimento Solar Manual do Professor

Unidade 1 A Energia Solar é responsável por praticamente todos os recursos energéticos disponíveis na Terra como, por exemplo, petróleo, biomassas e energia eólica. Entretanto, as aplicações práticas da Energia Solar são tratadas em sentido mais restrito, incluindo-se apenas aquelas que decorrem da incidência da radiação solar sobre edificações (Arquitetura Bioclimática) ou sobre coletores e painéis solares, denominadas aplicações ativas. Tais aplicações exigem a instalação dos dispositivos de conversão em energia térmica e fotovoltaica, respectivamente. A dimensão bioclimática da Arquitetura tem sua maior atuação na área de projetos que objetivam o melhor aproveitamento das condições naturais de iluminação e ventilação. Dessa forma, busca-se aliar conforto, saúde e segurança dos usuários com redução do consumo de energia elétrica nas edificações. Com base em sua experiência anterior, vamos construir juntos um fluxograma das aplicações práticas da Energia Solar.

Figura 1.1 – Fluxograma das Aplicações Práticas da Energia Solar

Energia Solar

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O escopo do curso Aquecimento Solar– Manual do Professor está restrito ao aquecimento de água em temperaturas inferiores a 70ºC. Dentre os setores consumidores de energia citados a seguir, identifique processos e equipamentos que utilizam água aquecida até 70ºC:

O conteúdo programático do curso pode ser resumido no diagrama de blocos a seguir:

A primeira parte do manual trata dos conceitos teóricos da radiação e geometria solares, visando otimizar a captação da energia solar incidente. Em termos práticos, estes conceitos serão muito importantes na decisão sobre a melhor inclinação e orientação dos coletores solares em cada obra as quais variam com a localização da cidade em questão. O segundo e terceiro blocos Transferência e Armazenamento referem ao estudo do coletor solar e do reservatório térmico, respectivamente. Serão discutidos os respectivos balanços de energia, materiais e parâmetros de projeto recomendados, além da apresentação do Programa Brasileiro de Etiquetagem do INMETRO. No bloco Dimensionamento, será dada ênfase às peculiaridades regionais do uso de água quente em residências para diferentes classes econômicas. Sabe-se que em aplicações comerciais e industriais o volume diário de água quente requerido é, normalmente, pré definido pelo processo ou cliente. O último bloco Distribuição será dedicado às peculiaridades das instalações solares de pequeno, médio e grande portes, sendo incluído aspectos técnicos inerentes à hidráulica de água quente. A otimização de cada bloco e de sua inter-relação com os demais serão fundamentais para garantir a qualidade de uma instalação de aquecimento solar de água.

Setor Residencial

Setor Comercial

Setor Industrial

USOS FINAIS - ÁGUA AQUECIDA

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Como referência para estudos aprofundados recomendamos a consulta ao livro Solar Engineering of Thermal Processes de Duffie e Beckman e cuja nomenclatura será adotada nas unidades desenvolvidas neste curso. No anexo III encontra-se um relatório do mercado brasileiro de aquecimento solar que será reeditado a cada ano. IMPORTANTE: Este manual é uma versao preliminar e ainda será revisado. Comentarios, sugestões, perguntas e críticas devem ser enviadas para cidadessolares@cidadessolares.org.br

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Unidade 2

O aquecimento Solar e a Conservação de Energia Elétrica Desde o racionamento de energia elétrica de junho de 2001, estão sendo feitas várias previsões, algumas otimistas e outras bastante sombrias, sobre o cenário energético brasileiro : prazos e custos relativos à construção de novas hidrelétricas e termelétricas a gás natural e aumento de tarifas para compensação dos novos custos operacionais ou de perda de receita das concessionárias de energia elétrica. O aquecimento de água em chuveiros elétricos no setor está presente em cerca de 70% das residências brasileiras. Nas regiões Sul e Sudeste seu uso atinge, praticamente, a totalidade das residências. No diagrama de blocos a seguir, represente a forma convencional de geração de água quente no país, a partir das fontes primárias de energia, usualmente empregadas em nossa matriz energética :

Concluímos, assim, que no Brasil a geração de eletricidade é essencialmente renovável e esforços têm sido feitos no sentido de se preservar tal “privilégio” , através da criação de mecanismos legais de incentivo ao uso de fontes renováveis complementares como biomassa, eólica, pequenos aproveitamentos hidrelétricos e solar. Neste ponto, devemos ressaltar que o aquecimento solar de água em substituição ao chuveiro elétrico não tem sido entendido por técnicos e legisladores brasileiros como uma forma de geração de energia, mas apenas como uma medida eficiente de conservação e uso racional de energia. Entretanto, estudos realizados em várias concessionárias de energia elétrica do país têm atribuído ao chuveiro elétrico e ao nosso hábito de banho diário, normalmente em horário concentrado ao final do dia, a participação de 25 a 50% no aumento acentuado de potência elétrica requerida entre 17 e 21 horas. Esse período é conhecido como horário de pico, mostrado na figura 2.1. Em relação ao consumidor final, a substituição do chuveiro elétrico pelo aquecedor solar garante efetiva redução no consumo mensal de energia, sem comprometimento de seu nível de conforto e qualidade de vida.

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Figura 2.1 – Curva de Demanda Desagregada por Setor da Economia Com base na experiência já acumulada no Brasil, com a instalação de mais de 3,2 milhões de metros quadrados de área coletora, pode-se afirmar que a substituição dos chuveiros elétricos por aquecedores solares só tem apresentado vantagens, para todos os setores envolvidos, cujos benefícios e impactos positivos pode ser assim resumidos: Para a Concessionária de Energia: permite a criação de programas eficientes de Gerenciamento pelo Lado da Demanda- GLD, com atenuação e deslocamento do pico de demanda que ocorre normalmente entre 17 e 21h, com garantia da qualidade de produtos, projetos e dos resultados a serem obtidos. Para o consumidor residencial: verifica-se uma acentuada redução na conta mensal de energia, entre 30 e 50%, mantendo-se o mesmo nível de conforto, destacando-se inclusive a garantia de atendimento a eventuais metas de consumo que possam ser novamente estabelecidas para o setor residencial. Para o setor produtivo: redução de custos operacionais, aumento de eficiência e competitividade, redução de impactos ambientais nas plantas industriais atualmente em operação, decorrentes do uso do aquecimento solar. Para o setor educacional: qualificação de professores e estudantes em eficiência energética, com ênfase ao aquecimento solar, de forma a disseminar conceitos e tecnologias importantes e que não fazem parte dos currículos atuais. Para os profissionais: participação em programas efetivos de qualificação e treinamento, modificando positivamente seu perfil e área de atuação, além da ampliação de postos de trabalho. Para o país: investimentos podem ser postergados ou utilizados em outros setores vitais, o meio ambiente é protegido, além da geração de empregos locais, inerentes à fabricação e instalação de aquecedores solares.

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Unidade 3

Captação da Energia Solar O objetivo dessa unidade é estudar a radiação solar e sua geometria, visando maximizar a radiação incidente no plano do coletor solar função de:

- localidade em estudo (latitude geográfica); - época do ano; - hora do dia; - inclinação e orientação dos coletores

Inicialmente, vamos conhecer um pouco mais sobre esta fonte de energia inesgotável e não-poluente.

3.1 - O SOL O Sol é uma esfera de 695 000 km de raio e massa de 1,989 x 1030 kg, cuja distância média da Terra é de 1,5x1011 metros. Sua composição química é basicamente de hidrogênio e hélio, nas proporções de 92,1 e 7,8%, respectivamente. A energia solar é gerada no núcleo do Sol, através de reações de fusão nuclear quando quatro prótons de hidrogênio se transformam em um átomo de hélio, sendo liberada grande quantidade de energia. Veja figura 3.1. Nesta região, a temperatura do Sol chega a atingir 15 milhões de graus Celsius, enquanto na superfície seu valor é ordem de 6000K.

Figura 3.1 – O Sol

Fonte : http://www.if.ufrgs.br/ast/solar/portug/sun.htm

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Constante Solar e as Componentes da Radiação Solar A radiação solar percorre a distância Terra-Sol sem alterar sua direção, de acordo com os princípios da propagação de ondas eletromagnéticas, até atingir a atmosfera da Terra. Denomina-se Constante Solar – Gsc – o fluxo de energia radiante, expresso em W/m2, que incide normalmente ao plano de uma superfície colocada fora da atmosfera terrestre, conforme apresentado na figura 3.2. Segundo Duffie e Beckman, seu valor mais atual é 1367 W/m2.

Figura 3.2 – A constante solar

Fonte : ADEME, 2002 Ao atravessar essa atmosfera, parte dos raios mantém sua direção original até atingir o solo. Esta componente recebe o nome de radiação solar direta. O restante dos raios sofre espalhamento, absorção ou reflexão na atmosfera por seus diferentes componentes, como ozônio, vapor de água, dióxido de carbono, além da presença eventual de nuvens e aerossóis, mostrados na figura 3.3. Esta componente é denominada radiação solar difusa .

Figura 3.3 – Atenuação da radiação solar ao atravessar a atmosfera terrestre Fonte : http://www.ucar.edu/learn/1_3_1.htm

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Figura 3.3 – Componentes da Radiação Solar

Fonte : ADEME, 2002 Os movimentos da Terra e as estações do ano

Os movimentos da Terra, mostrados nas figuras 3.4 e 3.5, podem ser sucintamente descritos como : - movimento de rotação em torno de seu próprio eixo com período de aproximadamente 24 horas

Figura 3.4 – Movimento de Rotação da Terra Fonte : http://www.ucv.mct.pt/equinocio/lat_long/cap2.asp

- movimento de translação em torno do Sol, em uma órbita elíptica cujo período orbital é de 365,256 dias

Figura 3.5 – Movimento de Translação da Terra Fonte : http://www.ucv.mct.pt/equinocio/lat_long/cap2.asp

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O ângulo formado entre a vertical ao plano da órbita e o eixo Norte –Sul, mostrado na figura 3.6, é de 23º 27´, ou seja, 23,45º, definindo, assim, regiões e épocas do ano com maior nível de incidência da radiação solar. No caso específico do Hemisfério Sul, os solstícios e equinócios são :

- Solstício de Verão : 22 de dezembro - Equinócio de Outono : 21 de março - Solstício de Inverno : 21 de junho - Equinócio de Primavera : 23 de setembro

Figura 3.6 –A órbita da Terra

Fonte : http://members.tripod.com/meteorologia/estacao.html Para o perfeito entendimento do movimento relativo entre a Terra e o Sol, recomenda-se a alteração do sistema de coordenadas para as coordenadas equatoriais, mostrado na figura 3.7. Neste caso, o movimento é feito em torno de eixos paralelos ao eixo de rotação e ao Equador, sendo uma de suas coordenadas a declinação solar (δ ).

Figura 3.7 –Coordenadas Equatoriais

Fonte : http://www.pgie.ufrgs.br/portalead/astgeo/sistcrds.htm

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A declinação solar é análoga à latitude e, portanto, δ = 0° corresponde a qualquer ponto sobre o equador celeste. Veja a figura 3.8. Valores negativos correspondem a pontos do hemisfério Sul e positivos ao hemisfério Norte. A declinação solar pode ser obtida pela equação de Cooper na forma:

++++ππππ====δδδδ365

28424523

d sen, o (3.1)

na qual d corresponde ao dia do ano, sendo igual a unidade, em 1º de janeiro. Portanto, o parâmetro d varia de 1 a 365. Na figura 3.9, mostramos o gráfico da declinação solar para os meses do ano.

Figura 3.8 –Declinação Solar

Fonte : http://www.pgie.ufrgs.br/portalead/astgeo/sistcrds.htm

-30

-20

-10

0

10

20

30

1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12

Meses do ano

De

clin

ação

sol

ar (

grau

s)

Figura 3.9 –Declinação Solar para os meses do ano

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3.2 – GEOMETRIA SOLAR O estudo da geometria solar será desenvolvido de forma bastante aplicada e objetiva, sendo dividido em duas partes. A primeira trata das condições físicas de instalação na obra e a segunda parte refere-se aos ângulos solares propriamente ditos.

Ângulos relativos à instalação dos coletores solares Inclinação do coletor (ββββ): é o ângulo formado pelo plano inclinado do coletor solar e o plano horizontal, expresso em graus e mostrado na figura 3.10.

β

Figura 3.10 – Inclinação do Coletor Solar Na construção civil e arquitetura é bastante comum expressar o ângulo de inclinação em porcentagem. Neste caso, devemos fazer a correção necessária com base em cálculos trigonométricos simples.

Exemplo 3.1: Determine o ângulo de inclinação do telhado da figura 3.9, projetado com uma inclinação de 35%.

Solução

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Ângulo azimutal de superfície (γγγγ): corresponde ao ângulo formado entre a direção norte-sul e a projeção no plano horizontal da reta normal à superfície do coletor solar, de acordo com a figura 3.11. Seu valor varia na faixa ( -180º ≤ γ ≤ 180º ), de acordo com a convenção: γ = 0: para o Sul γ < 0: passando pelo leste γ > 0: passando pelo oeste

Figura 3.11 - Ângulo Azimutal de Superfície Este ângulo permite avaliar o período efetivo de insolação sobre a bateria de coletores solares.

Exemplo 3.2 Um coletor solar é instalado de tal maneira que o ângulo azimutal de superfície seja igual a (-90ºC) . Solução: a)Represente a rosa dos ventos e trace a normal ao plano do coletor solar em relação aos pontos cardeais. b)Discuta sobre a incidência das componentes direta e difusa no coletor solar ao longo de um dia. c) No caso de orientação ao arquiteto na concepção do telhado, qual recomendação você faria para garantir o maior número de horas possível de incidência da radiação

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solar?

Norte magnético e Norte Geográfico

Em todo o estudo da geometria solar, quando mencionamos o Norte, estamos sempre fazendo referência ao norte verdadeiro ou geográfico. Assim sendo, o instalador deverá fazer a correção da declinação magnética a partir da indicação do Norte Magnético pela bússola. Essa correção varia localmente e é dada na tabela 3.1 para as capitais brasileiras.

Tabela 3.1 – Declinação magnética para as capitais brasileiras

Capital Declinação magnética (em graus)

Porto Alegre -14,74 Florianópolis -17,46 Curitiba -17,3 São Paulo -19,6 Belo Horizonte -21,5 Rio de Janeiro -21,4 Vitória -22,8 Salvador -23,1 Aracaju -23,1 Maceió -22,9 Recife -22,6 João Pessoa -22,4 Natal -22,1 Fortaleza -21,6 Teresina -21,4 São Luis -20,7 Belém -19,5 Macapá -18,5 Palmas -19,9 Manaus -13,9 Boa Vista -14,0 Porto Velho -10,6 Rio Branco -7,34 Goiânia -19,2 Cuiabá -15,1 Campo Grande -15,2 Brasília -20,0

Ângulos relativos à geometria solar

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O escopo deste item será bastante direcionado aos objetivos finais deste curso e, assim sendo, vamos estudar apenas os ângulos horário, zenital e o ângulo de incidência da radiação direta imprescindíveis ao cálculo da radiação solar incidente para inclinação e orientação arbitrárias.

Ângulo horário (ω): corresponde ao deslocamento angular do Sol em relação ao meridiano local devido ao movimento de rotação da Terra. Como a Terra completa 360o em 24 horas, tem-se um deslocamento de 150 / hora para a seguinte convenção:

ω = 0: 12 horas ω > 0: período da tarde ω < 0: período da manhã Assim, às 06:00h o ângulo horário é igual a -90º; enquanto que às 16:00h, seu valor é de +60º.

Ângulo zenital (θz): é o ângulo formado entre a vertical (zênite) em relação ao observador e a direção do Sol, mostrado na figura 3.12. O ângulo zenital varia entre 0º e 90º, sendo calculado pela seguinte equação :

ϖϖϖϖφφφφδδδδ++++φφφφδδδδ====θθθθ coscoscossensenz cos (3.2)

Exemplo 3.3 Determine o ângulo zenital para Natal/RN do dia do solstício de inverno : a) 12 e b) 18 horas. Solução :

para 12 horas, o ângulo horário é nulo e seu cosseno é igual a 1. Assim, a equação 3.2 se reduz a:

φφφφδδδδ++++φφφφδδδδ====θθθθ coscossensenz cos

Como : Latitude de Natal : φ = Solstício de Inverno : δ = Tem-se : cos θ z = θ z = b)

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θz

Figura 3.12 - Ângulo Zenital Para determinar a hora do nascer e do pôr-do-sol, correspondente aos ângulos horários (-ωs ) e (+ωs), o ângulo zenital é igual a 90º. Assim, a equação 3.2 se reduz a: (3.3)

Exemplo 3.3 Determine a hora do nascer e do pôr-do-sol em Natal, no dia 15/07 e calcule o período teórico de insolação nesta cidade, em horas Solução : a)

(((( ))))

tan tan - arcos

tan tan - cos

s

s

δδδδφφφφ====ωωωω

δδδδφφφφ====ωωωω

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Conclui-se que o período teórico de horas de insolação (N) pode ser calculado pela seguinte equação: (3.4)

Ângulo de incidência da radiação direta (θ): é o ângulo formado entre a normal à superfície e a reta determinada pela direção da radiação direta, como representa a figura 3.13. Sua variação é: 0º ≤ θ ≤ 90º . O ângulo de incidência da radiação direta sobre uma superfície com determinada orientação e inclinação é calculado pela equação: cos θθθθ = senδδδδ senφφφφ cos ββββ - sen δδδδ cos φφφφ sen ββββ cosγγγγ +

+ cos δδδδ cos φφφφ cos ββββ cos ωωωω + cos δδδδ sen φφφφ sen ββββ cos γγγγ cos ωωωω (3.5) + cos δδδδ senββββ sen γγγγ sen ωωωω

θ

Figura 3.13 - Ângulo de Incidência da Radiação Solar Direta Vamos fazer algumas simplificações para fixação do uso da equação 3.5:

Para superfície horizontal - β = 0 Fazendo-se sen β = 0 e cos β = 1, a equação 3.5 é reduzida a:

(((( ))))δδδδφφφφ==== tan tan - arcos 152

N

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cos θ = senδ senφ + cos δ cos φ cos ω

Verifique que, neste caso, o ângulo de incidência coincide com o ângulo zenital.

Para ângulo azimutal de superfície γ = 180º Fazendo-se sen γ = 0 e cos γ = -1, a equação 3.5 é reduzida a: cos θ = senδ senφ cos β + sen δ cos φ sen β +

+ cos δ cos φ cos β cos ω - cos δ sen φ sen β cos ω Acompanhe o algebrismo a seguir: . cos θ = sen δ (sen φ cos β + cos φ sen β) +

+ cos δ cos ω (cos φ cos β - sen φ sen β )

cos θ = sen (φ + β) sen δ + cos (φ + β)cos δ cos ω

Para o meio-dia solar ω = 0 e γ = 180º Fazendo-se sen ω = 0 e cos ω = 1, a equação 3.5 é reduzida a: cos θ = sem δ sem φ cos β + senδ cos φ sen β +

+ cos δ cos φ cos β - cos δ sen φ sen β

cos θ = cos β (senδ senφ + cos δ cos φ) - sen β (cos δ sen φ - sen δ cos φ)

cos θ = cos (φ - δ) cos β - sen (φ - δ) sen β cos θ = cos [(φ - δ + β) ] θ = (φ - δ + β ) ou θ = (-φ + δ - β )

3.3 - CÁLCULO DA RADIAÇÃO SOLAR GLOBAL INCIDENTE SO BRE SUPERFÍCIE INCLINADA – MÉDIA MENSAL Duffie e Beckman [1991] apresentam, em detalhes, toda a teoria sobre modelos de estimativa da radiação solar em suas componentes e para médias horárias, diárias e mensais. Neste curso, vamos discutir apenas a metodologia de cálculo da radiação global em média mensal, visto que este cálculo permitirá escolher a face do telhado mais favorável à instalação dos coletores solares. A equação proposta por Duffie e Beckman [1991] é:

(3.6) 2

cos1 H

2

cos1 H R

H

H-1 H D B

D

−+

++

= βρβ

gTH

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onde HT : radiação solar global incidente no plano inclinado; H: radiação solar global incidente no plano horizontal; HD : radiação solar difusa incidente no plano inclinado; (em todos os casos, a barra

superior corresponde às médias mensais das radiações)

ρg: reflectância da vizinhança nas proximidades do coletor solar, cujos valores são fornecidos na tabela 3.2, a seguir. RB : razão entre a radiação extraterrestre incidente no plano inclinado e na horizontal,

sendo calculada pela equação 3.7:

onde ω´s corresponde ao por-do-sol aparente para a superfície inclinada, dado pela equação:

Tabela 3.2 – Reflectância de Materiais

Material ρρρρg

Terra 0,04

Tijolo Vermelho 0,27 Concreto 0,22 Grama 0,20 Barro / Argila 0,14 Superfície Construção Clara 0,60

Fonte : Siscos [1998]

Agora, vejamos passo a passo a metodologia de cálculo :

Etapa 1 - Cálculo da radiação solar extraterrestre - H o

(((( ))))(((( )))) (((( ))))(((( ))))(((( ))))φφφφδδδδωωωωππππ++++ωωωωδδδδφφφφ

γγγγββββφφφφ++++ββββφφφφδδδδωωωω++++γγγγββββφφφφδδδδ−−−−ββββφφφφδδδδωωωωππππ====

sen sen 180 sen cos cos

cossensencoscoscossencossencossencossen sen 180 Rss

´s

´s

B

(((( ))))(((( ))))

δδδδββββ++++φφφφ

δδδδφφφφ====ωωωω

tan )tan(- cos

tan tan- cos mínimo

1-

-1´s

20

(((( ))))δδδδφφφφωωωω++++ωωωωδδδδφφφφ

ππππ++++ππππ

==== sensensencoscos365

d2cos033,01

3600x24ss

sc0

GH (3.8)

Etapa 2 - Cálculo da radiação solar global incidente no plano horizontal - H Caso essa informação não esteja disponível, recomenda-se sua estimativa pelo Modelo de Bennett [1965]. Sua equação é expressa por:

h c N

n ba

H

H

o

++++++++==== (3.9)

onde: h: altitude da estação (medidas em quilômetros) a, b, c: coeficientes empíricos determinados a partir de dados observados e dados na tabela 3.3.

Tabela 3.3 - Coeficientes empíricos de correlação de Bennett Modificada

Mês a b c Janeiro 0.225 0.4812 0,0007 Fevereiro 0.221 0.5026 0,0006 Março 0.221 0.5142 0,0005 Abril 0.188 0.5574 0,0005 Maio 0.197 0.5423 0,0004 Junho 0.235 0.4780 0,0004 Julho 0.264 0.4386 0,0004 Agosto 0.291 0.3768 0,0006 Setembro 0.260 0.4242 0,0006 Outubro 0.235 0.4744 0,0005 Novembro 0.207 0.4816 0,0007 Dezembro 0.237 0.4343 0,0007

Fonte : Nunes et al. [1976]

Etapa 3 - Cálculo da radiação solar difusa incidente no plano horizontal - H D Modelos mais comuns para decompor a radiação solar em suas componentes direta e difusa baseiam-se no índice de claridade em média mensal KT, definido pela equação:

oT

H

H K ====

na qual H é a radiação global diária média mensal e oH é a radiação extraterrestre, ambas incidentes em superfície horizontal e já definidas anteriormente. Collares-Pereira e Rabl propuseram para cálculo da componente difusa em média mensal, com base no índice de claridade em média mensal.

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[[[[ ]]]] )103115 cos(* 90)-(*0,004550,505 - 90)-(00606,0775,0 Td

s s −−−−ωωωω++++ωωωω++++==== KH

H

Etapa 4 – Cálculo da razão RB Etapa 5 – Cálculo de HT pela equação 3.6 A aplicação deste procedimento será exemplificada em atividades do Grupo de Discussão.

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Unidade 4

O Coletor Solar Plano

4.1 - TRANSFERÊNCIA DE CALOR NO COLETOR SOLAR Um coletor solar plano é constituído basicamente por uma superfície absorvedora, capaz de captar a radiação solar incidente e transferir calor para o fluido que se deseja aquecer. No coletor solar busca-se, sempre, a maximização da energia absorvida e a minimização das perdas desta energia. Analisemos, então, como ocorrem as transferências de calor no coletor solar.

Mecanismos de troca de calor

Condução

Convecção

Radiação

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Sol-vidro:

tubos - água:

Placa- meio ambiente

placa - meio ambiente:

Figura 4.1 - Vista lateral de um coletor solar

• a energia solar é absorvida pela placa coletora que se aquece e, devido à diferença de temperatura entre a placa e o ambiente, passa a trocar calor com o meio externo;

• a fim de reduzir estas trocas de calor com o meio, a escolha de materiais adequados é de extrema importância no projeto do coletor;

• para reduzir as perdas de calor pela base e laterais do coletor a placa é colocada no interior de uma caixa revestida internamente por material isolante. Os materiais mais utilizados, juntamente com suas condutividades térmicas estão listados no quadro abaixo;

Materiais isolantes

Condutividade Térmica (W/m.K)

Lã de vidro 0,038 Lã de rocha 0,040 Espuma rígida de poliuretano

0,026

• são fatores importantes a serem observados quando da escolha do isolamento: • espessura necessária - influência no peso final do coletor solar e nos custos envolvidos; → quanto menor a condutividade térmica, menor a espessura do isolamento necessária para

que se tenha a mesma perda de calor! • toxidez, inflamabilidade, resistência mecânica; • a caixa externa, que suporta todo o conjunto e recebe o revestimento isolante deverá ser

resistente ao transporte e intempéries. É geralmente construída em perfil de alumínio, chapa dobrada ou material plástico;

• se a superfície absorvedora é deixada em contato direto com o ar ambiente, além das perdas relacionadas à radiação, serão significativas as perdas convectivas, reduzindo-se a temperatura de operação. É o caso dos coletores utilizados no aquecimento de piscinas, que são abertos ao ambiente uma vez que não necessitam aquecer a água a temperaturas muito elevadas;

• o isolamento térmico do topo do coletor, onde são elevadas as perdas de calor por radiação e convecção, deve ser feito através de um material que, colocado entre a placa absorvedora e o ar ambiente, seja transparente à radiação solar e, simultaneamente, opaco à radiação emitida pela placa coletora. O vidro e alguns materiais sintéticos se prestam a esta função, servindo de cobertura aos coletores e, ainda, protegendo-os das intempéries aos quais estão permanentemente expostos;

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• tendo em vista que o topo do coletor é o local por onde toda a energia solar é captada e, ao mesmo tempo, por onde ocorrem as maiores perdas térmicas para o meio externo, atenção especial será dada, a seguir, às características espectrais tanto da cobertura como da placa absorvedora.

4.2 - A CAPTAÇÃO DO CALOR RADIANTE Todos os corpos emitem radiação térmica dependente de sua temperatura, sendo que quanto maior a temperatura, menor o comprimento de onda da radiação emitida. A temperatura do Sol é estimada em milhões de graus, mas a radiação por ele emitida é equivalente àquela de um corpo a 5800K, com comprimentos de onda de 0 até 3µm, compreendendo a faixa da radiação ultra violeta, visível e parte do infravermelho. Esta é a chamada Banda Solar. A figura abaixo representa a variação, com o comprimento de onda, da potência emissiva espectral da radiação solar (Ebl), que é a energia emitida por unidade de tempo e área por um corpo negro à temperatura T. Este valor é calculado pela Lei de Planck e o gráfico evidencia, para um corpo a 5900K, a faixa de comprimentos de onda da radiação emitida.

Figura 4.2 - Potência emissiva do Sol Fonte: http://www2.cptec.inpe.br/satelite/metsat/pesquisa/radsat/radsol.htm

O valor do comprimento de onda para o qual a potência emissiva espectral da radiação emitida por um corpo é máxima, é função da sua temperatura e pode ser calculado através da Lei de deslocamento de Wien:

2898max =Tλ (µm.K) (4.1)

Para o Sol, considerando a temperatura de 5800K, λmax = 0,5µm. Ou seja, o Sol emite radiação numa faixa de 0 a 3mm, sendo que a potência emissiva máxima ocorre para a radiação de 0,5mm. Admitindo, agora, que a placa coletora atinja uma temperatura média de 100oC (373K), pela Lei de deslocamento de Wien λmax = 7,8µm. Assim, como esperado, a

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potência máxima da radiação emitida pela placa tem um comprimento de onda maior que a radiação solar estando a banda de emissão da placa absorvedora além da Banda Solar.

Estas características espectrais são fundamentais na escolha dos materiais mais adequados aos coletores solares, como a tinta de revestimento da placa absorvedora e o vidro utilizado como cobertura dos coletores. Figura 4.3 - Transmitância do vidro Fonte: http://www.eriesci.com/products&services/CustomGlass/evr-tech.html

0,0

0,2

0,4

0,6

0,8

1,0

1,2

0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11

Comprimento de onda ( µµµµm)

Figura 4.4 - Comportamento espectral do óxido de cromo

Fonte: Adaptação de Duffie e Beckmann [1991] O conjunto final, como pode ser visto na figura abaixo, fica assim constituído:

comprimento de onda, nm

1mm

3mm

26

Cobertura

Aleta

Flauta

Isolamento

Caixa

Figura 4.5 - Componentes do Coletor Solar

4.3 - EFICIÊNCIA TÉRMICA DE COLETORES SOLARES A eficiência térmica dos coletores solares é definida como a razão entre a taxa de calor efetivamente transferido para a água e a energia radiante incidente na superfície do coletor.

ext

util

incidente

util

AG

Q

Q

Q

.==η (4.2)

onde: Qútil: taxa de calor transferido para a água, W Qincidente: taxa de calor radiante incidente na superfície do coletor, W G : Radiação global incidente no plano do coletor, W/m2 Aext: área externa total do coletor, m2

A Eficiência Térmica pelo Método Direto Na prática, o calor útil transferido à água dos coletores pode ser calculado através das medidas da vazão de água nos coletores e das temperaturas de entrada e saída do fluido uma vez que, da Primeira Lei da Termodinâmica, tem-se que:

)( fifspútil TTcmQ −= & (4.3)

onde m& : vazão mássica da água através do coletor solar, kg/s cp : calor específico à pressão constante da água, igual a 4180 J/kg oC, para a faixa comum de operação

27

Tfi e Tfs : temperatura da água à entrada e à saída do coletor, respectivamente Medindo-se, ainda, a radiação global no plano do coletor (G), a eficiência térmica pode ser calculada de acordo com a equação 4.2:

ext

util

AG

Q

.=η (4.2)

A Eficiência Térmica pelo Método das Perdas Balanço de Energia Global Na figura abaixo estão representados, quantitativamente os fluxos de energia em um coletor solar, evidenciando a grandeza da energia incidente e das perdas que normalmente ocorrem no conjunto.

Perdas no Topo (347)Perdas óticas

(121)Perdas térmicas

(226)20 o C

65 o C

40 o C

Perdas Base50

Fluxo(W/m2)

absorvedor

Fluxoincidente

Fluxo útil

Figura 4.6 - Diagrama esquemático dos fluxos de energia no coletor solar Fonte : adaptado de ADEME, 2002 Em Regime Permanente:

perdasabsorvidoútil QQQ −= (4.4)

28

Q útil: taxa de calor transferido para a água Q absorvido: parcela da radiação incidente que é absorvida pela placa absorvedora Q perdas: taxa de calor perdido pela base, laterais e topo do coletor Calor absorvido

AGQ pcabsorvido ατ= (4.5)

A: área da placa coletora, m2 G: radiação solar global incidente no plano do coletor, W/m2 τc: transmissividade da cobertura transparente αp: absortividade da placa coletora Calor perdido O calor é perdido pela base, laterais e, principalmente, pelo topo do coletor. Assim,

lateraisbasetopoperdas QQQQ ++= (4.6)

Qtopo: convecção e radiação Qlaterais e Qbase: predominantemente por condução através do isolamento Admitindo que a força motriz responsável pelas perdas de calor é a diferença de temperatura entre a placa (Tp) e o meio ambiente (Tamb), pode-se escrever:

)( ambpLperdas TTAUQ −= (4.7)

Sendo UL o coeficiente global de perdas de calor, igual à soma dos coeficientes individuais do topo, base e laterais:

lateraisbasetopoL UUUU ++= (4.8)

A taxa de calor útil, transferido para a água é então:

)]([ ambpLpcutil TTUGAQ −−= ατ (4.9)

Neste ponto, pode-se calcular a Eficiência do Coletor, como visto acima:

ext

util

incidente

util

AG

Q

Q

Q

.==η (4.2)

29

No entanto, esta forma de equacionamento do calor útil não é vantajosa, uma vez que tem como parâmetro a temperatura média da placa absorvedora, de difícil cálculo e medição posto que é dependente de parâmetros de projeto e condições operacionais. Define-se então o Fator de Remoção de Calor do Coletor Solar, como a razão entre o calor útil real e o calor útil máximo que seria transferido para a água. Esta seria uma situação hipotética quando toda a placa estivesse à temperatura de entrada do fluido no coletor (as perdas de calor da placa para o meio seriam mínimas):

)(máximoútil

útilR Q

QF = (4.10)

Analisemos um pouco mais o Fator de Remoção de Calor do Coletor Solar através do exemplo a seguir. Exemplo 4.1 – Para as duas situações apresentadas a seguir, discuta qualitativamente o valor esperado para o fator de remoção de calor.

entrada de água25oC

saída de água35oC

Tp = 40o C

Tinicial da placa: 70o C

Tamb = 25oC

saída de água25,1oC

entrada de água25oC

Tp = 25,2o C

(1) (2)

Então,

)]([)( ambfiLpcmáximoutil TTUGAQ −−= ατ e (4.11)

)]([ ambfiLpcRútil TTUGAFQ −−= ατ (4.12)

30

A Eficiência do Coletor Solar pode, finalmente, ser dada por:

−−=

G

TTUFF

A

A ambfiLRpcR

ext

)(ατη (4.13)

Os gráficos de η versus (Tfi-Tamb)/G serão ricos em informações uma vez que a equação acima tem a forma da equação de uma reta cujo termo independente e inclinação são dados por:

LRext

UFA

Ainclinação .−= (4.14)

pcRext

FA

Ateindependentermo ατ.= (4.15)

Conhecendo-se o significado da inclinação e do ponto onde as retas tocam o eixo das ordenadas, é possível, então, avaliar aspectos importantes relativos ao coletor como as perdas térmicas e, principalmente, o Fator de Remoção de Calor, pontos de partida para a identificação e otimização de parâmetros críticos ao desempenho de todo o sistema.

0,0

20,0

40,0

60,0

80,0

100,0

-0,020 0,000 0,020 0,040 0,060

(Tfi - Tamb)/G

Efic

iênc

ia T

érm

ica

(%)

Figura 4.7 - Curva de Eficiência Térmica Instantânea de Coletores Solares O Fator de Remoção de Calor Duffie e Beckmann (1991) obtiveram uma expressão analítica para o Fator de Remoção, cuja forma final evidencia sua dependência tanto com fatores de projeto como operacionais:

31

−−=

p

L

L

pR

cm

FUA

UA

cmF

&

& 'exp1

. (4.16)

onde m& : vazão mássica do fluido, kg/s cp : calor específico à pressão constante do fluido em J/kg oC F’: Fator de Eficiência do Coletor, calculado por:

[ ] ificont

L

L

hDR

FDWDUW

UF

,

1'

)(

1

1

'

π++

−+

= (4.17)

onde W: espaçamento entre os tubos; D: diâmetro externo dos tubos; Di: diâmetro interno dos tubos; F: eficiência das aletas; R'cont: resistência de contato entre a placa absorvedora (aletas) e os tubos, por unidade de comprimento, na direção do escoamento do fluido; hf,i: coeficiente convectivo de transferência de calor entre a superfície interna dos tubos e o fluido, calculado a partir de equações clássicas de transferência de calor; O Fator de Eficiência do Coletor é, então, fortemente dependente:

• de parâmetros de projeto como o diâmetro e o espaçamento entre os tubos; • de parâmetros de fabricação, como é o caso do contato entre a aleta e os tubos. Este

contato deve ser tal que minimize a resistência e facilite a transferência do calor da aleta para os tubos; quanto maior esta resistência, menor será F';

• da eficiência das aletas Destaca-se, aqui, a importância de uma alta eficiência das aletas para que se obtenha uma alta eficiência dos coletores e, conseqüentemente, um elevado fator de remoção de calor, haja vista que teremos sempre: F > F’ > FR Influência dos Parâmetros de Projeto na Eficiência das Aletas e Coletores Nos gráficos abaixo, é analisada a variação da eficiência das aletas com o tipo do material e a espessura da placa utilizada.

32

0

0,1

0,2

0,3

0,4

0,5

0,6

0,7

0,8

0,9

1

0 1 2 3 4 5

[UL/(kplaca δδδδplaca )]1/2 Laleta

F

Figura 4.8 - Eficiência das aletas

Otimização da Aleta de Coletores Solares

0,00

0,10

0,20

0,30

0,40

0,50

0,60

0,70

5 6 7 8 9 10 11 12

Nº de tubos/metro linear

Esp

ess

ura

Mín

ima

da

Pla

ca (

mm

) Alumínio

Cobre

UL = 6,5W/m2 ºC

Figura 4.9 (a) - Influência dos parâmetros de projeto - coletor tipo B

33

Otimização da Aleta de Coletores Solares

0,00

0,50

1,00

1,50

2,00

2,50

5 6 7 8 9 10 11 12

Nº de tubos / metro linear

Esp

essu

ra M

ínim

a da

Pla

ca

(mm

)Alumínio

Cobre

UL = 6,5W/m2 ºC

Figura 4.9 (b) - Influência dos parâmetros de projeto - coletor tipo A

Para o aumento da eficiência das aletas é, então, recomendável:

- materiais de alta condutividade térmica, como cobre e alumínio - placas de maior espessura - maior número de tubos por metro linear de coletor solar a fim de reduzir o

espaçamento entre os mesmos.

34

Unidade 5

O Reservatório Térmico O reservatório térmico tem como função armazenar a água aquecida nos coletores evitando ao máximo a perda de calor do fluido para o meio externo. O primeiro passo na escolha do reservatório adequado a cada projeto consiste na determinação de seu volume, o que é feito a partir do dimensionamento da demanda diária do volume de água quente necessário. Tal dimensionamento será visto com detalhes em unidade posterior. Nesta etapa, é também previsto o sistema de aquecimento auxiliar, objetivando a garantia de fornecimento de água quente em períodos de baixa insolação ou consumo excessivo de água quente. Os reservatórios podem ser abertos (não pressurizados) ou fechados (pressurizados) sendo estes últimos os mais comuns, uma vez que são adequados à instalações de pequeno, médio e grande porte; são constituídos, basicamente, por um corpo interno revestido externamente por um material isolante e recobertos por uma proteção externa.

TERMOSTATO

RESISTÊNCIAELÉTRICA

ISOLAMENTO

SUPORTE

CORPO EXTERNOTAMPA LATERAL

CORPO INTERNO

Figura 5.1 - O reservatório térmico Fatores relevantes em um Reservatório Térmico: Corpo interno:

• por ficar em contato direto com a água é geralmente fabricado com materiais resistentes à corrosão, como cobre e aço inoxidável. No entanto, podem ser encontrados no mercado reservatórios feitos com fibra de vidro e polipropileno; ressalta-se, aqui, a importância dos testes normalizadores em todos os tipos de produtos;

• deve suportar as variações de pressão que porventura ocorram devido ao aumento da temperatura da água (expansão) e flutuações na rede de abastecimento. Quanto maiores as pressões de trabalho previstas, maiores deverão ser as espessuras da parede do corpo interno;

• deve ser resistente termicamente às oscilações de temperaturas; Isolamento:

• o isolamento deve impedir ou minimizar a transferência de calor da água contida no interior do reservatório para o meio externo. Desta forma, similarmente ao que acontece nas

35

placas coletoras, o isolamento deve oferecer grande resistência à passagem do calor, dificultando ao máximo sua transferência de um meio para outro.

• o calor perdido mensalmente no reservatório pode ser calculado pela seguinte equação:

( ) iiefpRT NTTVcQ

−=

∆

efV pc

t -Us

amb e - 1 ρρ (5.1)

onde

Ni : número de dias do mês de referência ρ: densidade da água, na temperatura média de armazenamento, igual a 1000kg/m3; cp: calor específico da água para a temperatura média de armazenamento, igual a 4180 J/kg°C; Vef: capacidade volumétrica efetiva do tanque, em m3; ∆t: período de tempo de armazenamento, em segundos; Ti e Tf: temperatura da água no início e final do período de armazenamento, respectivamente; Tamb: temperatura ambiente média durante o armazenamento. Us: coeficiente de perda de calor, expresso em W/ºC, calculado segundo a Norma ISO 9459

por:

−−

∆=

ambf

iefps TT

TT

t

VcU

ambln

ρ (5.2)

• o material isolante mais utilizado é o poliuretano expandido, cuja condutividade térmica

é igual a 0,026 W/m.K e tem a vantagem de conferir ao reservatório uma boa rigidez estrutural. Proteção externa

• normalmente feita em alumínio, aço galvanizado ou aço carbono pintado, a importância da proteção externa está em preservar o conjunto das intempéries, danos relativos a transporte, instalação, etc A Estratificação nos Reservatórios Térmicos Uma vez que o reservatório recebe fluxos tanto de água quente como de água fria provenientes do coletor e da caixa de alimentação, respectivamente, as diferenças de temperatura e, consequentemente, de densidade da água, farão com que a água mais quente fique na parte superior e a água mais fria na parte inferior do reservatório. É o efeito da estratificação. Além do efeito isolante, função primeira do reservatório térmico, deve-se ressaltar que o desempenho do sistema termossolar como um todo é fortemente dependente da temperatura de entrada da água no coletor, água esta proveniente da base do reservatório térmico. Será visto adiante que, quanto mais baixa for esta temperatura, maior o desempenho resultante do sistema. Assim, pode-se dizer que a estratificação da água no interior dos reservatórios é, também, fator de importância fundamental. Para potencializar este efeito, recomenda-se a instalação dos reservatórios na posição vertical. Com isto, reduz-se a área de troca de calor entre as próprias camadas de água,

36

favorecendo a estratificação. No entanto, muitas vezes o projeto arquitetônico não comporta tal configuração adotando-se, então, a posição horizontal.

Figura 5.2 – Diagrama esquemático da estratificação da água no reservatório térmico

Saída de água quente para consumo

Entrada de água fria de alimentação

Entrada de água quente proveniente do coletor

Saída de água fria para a entrada do coletor

Água Quente

Água Fria

37

Unidade 6

Dimensionamento de Instalações de Aquecimento Solar e a Economia Anual de Energia

O dimensionamento correto de uma instalação de aquecimento solar depende de :

- condições climáticas locais, - hábitos de consumo dos usuários - vazão de água quente dos equipamentos definidos - temperatura da água aquecida

Na verdade, o dimensionamento do aquecimento solar deve contemplar o objetivo da família nesta decisão :

AUMENTO DO NÍVEL DE CONFORTO

? ou ECONOMIA MENSAL NA CONTA DE ENERGIA

Em ambos os casos, a economia mensal é garantida ao se substituir a energia elétrica pela solar, mas o dimensionamento do sistema é sensivelmente diferente nestas duas situações. Para promovermos este dimensionamento, devemos consultar a Norma Brasileira de Instalação Predial de Água Quente – NB 128; já que sua substituta mais recente NBR/7198 não apresenta estimativas de consumo de água quente. Os valores constantes nesta norma, apresentados na Tabela 6.1, devem ser, ainda, avaliados criticamente em função do nível sócio - econômico da família e seus hábitos atuais. Tabela 6.1 – Consumo médio estimado de água quente

Uso final / Aplicação Consumo estimado (litros/dia)

Alojamento provisório 24 / pessoa Casa popular ou rural 36 / pessoa Residência 45 / pessoa Apartamento 60 / pessoa Quartel 45 / pessoa Escola ou Internato 45 / pessoa Hotel (excluídas a cozinha e lavanderia) 36 / hóspede Hospital 125 / leito Restaurante ou similar 12 / refeição Lavanderia 15 / kg de roupa seca

Fonte :ABNT Norma Brasileira de Instalação Predial de Água Quente – NB 128 Outra forma de dimensionamento pode ser desenvolvida com base na vazão e capacidade dos equipamentos de uso final, além do tempo e freqüência de sua utilização. A tabela 6.2, apresenta valores típicos para uso residencial.

38

Tabela 6.2 – Vazão de água quente de equipamentos

Peças de Utilização Vazão

(litros/minuto) Banheira 18

Bidê 3,6 Chuveiro 7,2*

Lavadora de Louça 18 Lavabo 7,2

Tanque (lavanderia) 18 Pia cozinha 15

Fonte :ABNT Norma Brasileira de Instalação Predial de Água Quente – NB 128 *Este número, por exemplo, é bastante controvertido. No caso de casas populares onde são instalados chuveiros de potência até 4400W, a vazão do banho é limitada pelo próprio equipamento em 3 litros/minuto. Em relação aos pontos de utilização e nível de conforto, vamos tentar elaborar juntos uma planilha que servirá de roteiro para nossos trabalhos posteriores.

6.1 - DIMENSIONAMENTO DETALHADO

De acordo com sua experiência, estime o por residência nas seguintes classes sociais para a sua cidade de origem:

Classe Social Número médio de moradores por residência

A B C D

Identifique os pontos de consumo típicos por classe social na listagem apresentada a seguir: Chuveiro / Ducha A B C D Banheira de Hidromassagem A B C D Lavabo A B C D

Ducha Higiênica A B C D

Cozinha (pia e lava-louça) A B C D

Lavanderia (máquina de lavar roupa) A B C D

Para preenchimento das planilhas seguintes, identifique uma família e sua classe social Chuveiro / ducha Vazão Banho (litros/minuto)

Tempo Estimado de Banho (min)

Número de banhos por mês

Volume mensal de água quente (litros)

Potência Elétrica Chuveiro (kW)

Consumo mensal de energia (kWh/mês)

Banheira de Hidromassagem Capacidade (litros)

Freqüência Semanal de Uso

Volume mensal de água quente (litros)

Obs.: freqüência semanal corresponde ao número de vezes em que a banheira é utilizada pela família durante a semana Lavabo: Vazão (litros/min)

Freqüência Diária de Uso

Volume mensal de água quente (litros)

Ducha Higiênica:

Vazão (litros/min)

Freqüência Diária de Uso

Volume mensal de água quente (litros)

Cozinha:

Número Diário de Refeições Volume mensal de água quente (litros)

40

Lavanderia: Massa estimada por lavagem (kg)

Freqüência de Uso Semanal

Volume mensal de água quente (litros)

Volume mensal requerido de água quente(litros) Vmês

A energia necessária para aquecer este volume de água ao final do mês (Lmes), qualquer que seja a forma de aquecimento escolhida é dada pela 1ª Lei da Termodinâmica na forma:

[[[[ ]]]]kWh/mês 3600

)TT(c

1000V

L ambbanhopmêsmês

−−−−ρρρρ==== (6.1)

onde ρ : densidade da água, considerada igual a 1000kg/m3

cp : calor específico da água a pressão constante igual a 4,18 kJ/kg°C Tbanho e Tamb correspondem à temperatura desejada para a água de banho e a temperatura ambiente. Para cálculo aproximado da área coletora a ser utilizada na obra, vamos retornar às informações contidas na Etiqueta do INMETRO, mostrada na figura 6.1. Este cálculo aproximado, conhecido como pré-dimensionamento, deve levar em conta que a produção média de energia do coletor constante nesta Etiqueta, considerou como as condições climáticas para o mês de setembro em cidade de Belo Horizonte

41

Figura 6.1 - Etiqueta do INMETRO para um Coletor Solar Hipotético Para o dimensionamento final, devem ser utilizados os dados de cada cidade e as condições específicas de inclinação e orientação dos coletores solares na obra em questão bem como as características especificas de suas curvas de rendimento. Utilize a planilha para fazer dimensionamento correto das instalações de aquecimento solar. Para o exemplo desenvolvido, calcule:

Número total de coletores

Área coletora (m2)

Razão Volume (litros)/ Área coletora (m2)

6.2 - ECONOMIA ANUAL DE ENERGIA ELÉTRICA – MÉTODO D A FRAÇÃO SOLAR A fração solar fi para um determinado mês do ano é definida como a razão entre a contribuição do sistema de aquecimento solar (Qsolar) e a demanda mensal de energia (Lmês), calculada mediante a equação:

42

mêsmês L

solar Q f ==== (6.2)

Beckman et al. [1977] propuseram dois parâmetros adimensionais e empíricos X e Y, a saber:

(((( )))) L

tTTUFAX

mês

mêsambREFLRC ∆∆∆∆−−−−==== (6.3)

(((( )))) L

N H FAY

êsm

mêsTpcRC θθθθααααττττ

==== (6.4)

onde

AC : área total de coletores solares, em m2; FRUL : produto do fator de remoção e coeficiente global de perdas térmicas do coletor solar, expresso

em W/m2 °C, calculado experimentalmente nos ensaios do PBE / INEMTRO; TREF : temperatura de referência, considerada constante e igual a 100°C; Tamb : temperatura ambiente média para o mês em questão, °C; ∆tmês : duração do mês, em segundos; Lmês: demanda total de energia para aquecimento do volume de água (V), calculada pela equação 6.1;

FR (τcαp)θ : produto do fator de remoção, transmissividade do vidro e absortividade da tinta dos coletores, para ângulo médio de incidência da radiação direta, expresso em W/m2 °C. De modo geral, pode ser considerado igual a 96% do valor medido experimentalmente nos ensaios do PBE / INMETRO;

HT : radiação solar diária em média mensal incidente no plano do coletor por unidade de área, J/m²

Nmês: número de dias do mês

A determinação da fração solar f pode ser feita pelo ábaco da figura 6,1, apresentada a seguir, ou da seguinte equação empírica, proposta por Klein:

322 Y0215,0X0018,0Y245,0X065,0Y029,1f ++++++++−−−−−−−−==== (6.5)

43

Fração Solar

0,00

0,50

1,00

1,50

2,00

2,50

3,00

3,50

0 2 4 6 8 10 12 14 16 18

X

Y

f=0,9

f=0,8

f=0,7

f=0,6

f=0,5

f=0,4f=0,3

f=0,2

f=0,1

Figura 6.1 - Ábaco para Determinação da Fração Solar - F

Para maiores detalhes, inclusive relativas às duas correções sugeridas, recomenda-se consultar Duffie e Beckmann [1991] A fração solar anual F é definida como a razão entre a soma das contribuições mensais do aquecimento solar e a demanda anual de energia que seria necessária para fornecer o mesmo nível de conforto, sendo calculada pela equação:

∑∑∑∑

∑∑∑∑

====

======== 12

1ii

12

1iii

L

LfF (6.6)

No gráfico da figura 6.2, apresenta-se uma análise da influência da temperatura de armazenamento na fração solar final. Estes dados foram obtidos para a cidade de Belo Horizonte a partir da variação da relação entre o volume de água quente a ser armazenado e a área total de coletores solares. Uma análise desse gráfico permite avaliar facilmente que, para uma mesma configuração da instalação solar, quanto menor for a temperatura desejada maior será a fração solar.

44

0,0%

10,0%

20,0%

30,0%

40,0%

50,0%

60,0%

70,0%

80,0%

90,0%

100,0%

0 50 100 150 200 250 300 350 400 450 500 550 600 650 700 750 800 850 900 950 1000

Volume do tanque / área coletora (litros/m²)

Fra

ção

Sol

ar -

F

40ºC

45ºC

50ºC

55ºC

60ºC

Temperatura de armazenamento

Figura 6.2 – Influência da temperatura de armazenamento na fração solar

45

Unidade 7

A Instalação Solar Térmica de Pequeno Porte Hoje no Brasil existem diversas instalações solares em funcionamento, onde cerca de 90% das instalações solares são residenciais. As grandes instalações ainda são pouco difundidas dentro dos setores comercial e industrial – hotéis, motéis, indústrias, vestiários, grandes edifícios, etc. Os sistemas de aquecimento solar podem ser classificados quanto ao modo de circulação de água:

� Circulação natural ou Termossifão; � Circulação forçada ou sistema bombeado.

No caso de sistemas de pequeno porte, sempre que possível, devemos buscar o funcionamento do sistema por circulação natural. Já em sistemas de médio e grande porte, a utilização da circulação forçada é imprescindível para o correto funcionamento do sistema. Sistemas de médio e grande porte são mais complexos e sempre devem estar acompanhados de um detalhado projeto de engenharia, garantindo o desempenho das instalações solares uma vez que seus custos são elevados. Uma visão geral sobre as instalações de pequeno porte mostra que diversos sistemas de aquecimento solar não funcionam corretamente, justamente pelo descaso a qualidade de projeto e instalação. Esta unidade se dedica ao estudo das características de um sistema de pequeno porte focado na qualidade de uma instalação solar.

Figura 7.1 – Sistemas de aquecimento solar de pequeno porte

46

7.1 - SISTEMAS DE AQUECIMENTO SOLAR POR CIRCULAÇÃO NATURAL OU TERMOSSIFÃO Os sistemas de aquecimento solar com princípio de funcionamento por circulação natural ou termossifão são os mais utilizados em obras de pequeno porte, apesar de simples, seu correto funcionamento é função de diversos fatores interligados, que vamos avaliar nesta unidade. A figura 7.2 apresenta os componentes básicos de uma instalação tipo termossifão.

A

B

C

D

1. Coletor solar 2. Reservatório térmico 3. Caixa d’água fria 4. Sifão 5. Entrada de água fria

6. Retorno de água dos coletores 7. Saída de água para os coletores 8. Saída de água para consumo 9. Registro para limpeza do sistema 10. Suspiro

Figura 7.2 – Circulação Natural - Termossifão Conhecidos todos os componentes de uma instalação solar por circulação natural vamos entender o princípio de funcionamento deste sistema. Primeiramente vamos analisar a pressão no ponto B da instalação: considerando que o trecho AB está a uma temperatura de 21ºC, e o trecho CD juntamente com o coletor solar, estão a 45ºC. Relembrando a equação de pressão manométrica expressa em Pascal (Pa) temos:

Pman = ρgh

47

onde: ρ : densidade da água à determinada temperatura (kg/m3); g: aceleração da gravidade igual a 9,81 m/s2; h: altura da coluna (m)

Tabela 7.1- Densidade da água em função da temperatura

Temperatura (ºC) Densidade (kg/m3) 5 1000 10 1000 15 999 20 998 30 996 40 992 50 988

Portanto a pressão manométrica exercida no ponto B é a pressão da coluna de água fria do trecho AB e a pressão da coluna de água quente do coletor mais o trecho CD. Considerando uma altura entre o ponto B e o ponto D igual a 3 metros:

Pman(AB) = 998 kg/m3 x 9,81 m/s2 x 3,0 m = 29.371,14 Pa

Pman(coletor + CD) = 990 kg/m3 x 9,81 m/s2 x 3,0 m = 29.135,70 Pa Temos então no ponto B uma diferença de 235,44 Pa. Fazendo-se a conversão de Pascal para metros de coluna d’água: 1 mca = 9810 Pa. Portanto a diferença de pressão no ponto B é igual a 0,024 mca. Como a maior pressão exercida no ponto B é da coluna de água fria, haverá fluxo no sentido do ponto A para o ponto D. Podemos então simplificar o funcionamento do termossifão da seguinte forma: O Sol, ao incidir sobre o coletor solar, aquece a água que está no seu interior. Com a diminuição da densidade, as colunas de água adquirem pressões diferentes gerando um fluxo continuo no sentido ascendente do coletor. A vazão em sistemas solares por termossifão é considerada autoregulável pois quanto maior a radiação solar, maior a vazão no coletor e se não houver radiação ou a temperatura da água no coletor for inferior à do reservatório, a circulação cessará. Observe que a diferença de pressão é muito pequena e portanto muito sensível às perdas de carga e obstruções ao longo da tubulação. Vamos discutir adiante quais os pontos primordiais para um perfeito funcionamento de uma instalação solar por termossifão.

48

7.2 -TUBOS E CONEXÕES As interligações entre o reservatório térmico e os coletores solares, que iremos adotar como circuito primário, são executadas sempre com tubos e conexões de cobre e latão, pois este circuito está sujeito a temperaturas elevadas, podendo seus componentes serem danificados ou ainda ocorrer a formação de sifões entre o coletor e o reservatório. Os mais utilizados são os tubos CLASSE E, de acordo com a tabela abaixo:

Tabela 7.2 - Diâmetros de tubos de cobre

fonte: Eluma S.A.

Segundo Mesquita (2002), o circuito primário de uma instalação solar por termossifão não deve ultrapassar 14 metros de tubulação total, ou seja, a soma dos comprimentos equivalentes das conexões e da tubulação não deve exceder 14 metros. A tabela a seguir mostra os comprimentos equivalentes para diâmetros de 22mm e 28mm que são os mais utilizados. Tabela 7.3 - Comprimentos equivalentes

Comprimento equivalente (m)

Diâmetro (mm)

Cotovelo 90º

Curva 45º

Tê passagem direta

Tê passagem lateral

Registro gaveta aberto

22 1,2 0,5 0,8 2,4 0,2 28 1,5 0,7 0,9 3,1 0,3

Geralmente os tubos de 22mm são utilizados para instalações que possuem até 8 m2 de área coletora e os tubos de 28mm, para instalações até 12 m2. Acima disto, torna-se necessário a divisão em baterias menores de coletores ou a utilização de bomba hidráulica para promover a circulação de água entre os coletores e o reservatório. Vale lembrar que para uma mesma vazão, a perda de carga de um tubo de 28mm será menor que no tubo de 22mm ou seja, existe um comprimento equivalente entre os tubos calculado da seguinte forma:

49

Comprimento equivalente = (D1/D2)

5 De acordo com o exemplo, 3,3 m de tubo de 28mm equivale a 1m de tubo de 22mm. Portanto a substituição de alguns trechos de tubos de 22mm por tubos de 28mm podem reduzir as perdas de carga do circuito primário e adequá-lo a um bom funcionamento por termossifão. Exemplo 7.1 -

Figura 7.3 - Cálculo de perda de carga

Lista de materiais - cobre Item Desc. Qtde Tubo 22mm 8,7m Cotovelo 90º 22mm 2 Curva 45º 22mm 2 Tê 22mm 1

50

Comprimento real:

Alimentação: 5,2m Retorno: 3,5m

Comprimento equivalente:

2 cotovelos 90º = 2 x 1,2m = 2,4m 2 curvas 45º = 2 x 0,5 = 1m 1 tê passagem lateral = 2,4m

Comprimento Total = 15,3m Este valor excede aos 14 metros permitidos. Como solução podemos trocar parte da tubulação de alimentação para 28mm:

Tubo 28mm = 2,7m 1 tê passagem lateral 28mm = 3,1m

Como descrito anteriormente, 3,3m de tubo de 28mm correspondem a 1m de tubo de 22mm à mesma vazão, então:

2,7m + 3,1m = 5,8m de tubo 28mm = 1,8m de tubo 22mm. O comprimento total da tubulação será:

15,3m – 2,4m(tê 22mm) – 2,7m(tubo 22mm) + 1,8m = 12m

7.3 - ALTURAS RECOMENDADAS Outro item muito importante para o correto funcionamento do termossifão são os parâmetros geométricos da instalação solar que são mostrados na figura 7.4. A caixa d’água deve sempre estar acima do reservatório térmico para que o mesmo esteja sempre cheio. A altura mínima (Hrr) garante a pressurização do sistema para vencer as perdas de carga até os pontos de consumo; A altura entre o topo dos coletores solares e a base do reservatório (Hcr), permite o funcionamento do sistema por termossifão e diminui o efeito de fluxo reverso que será tratado mais à frente. Por último, a distância entre o reservatório e o coletor (Dcr), não deve ser superior ao especificado para conferir à tubulação uma inclinação superior a 10%, evitando a formação de sifões e bolhas de ar.

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Hrr > 0,15m

0,20m < Hcr < 4,0m

Dcr < 10xHcr

Hs > 0,30m

SUSPIRO

RESERVATÓRIO

COLETOR

CAIXAD`ÁGUA

Figura 7.4 – Distâncias recomendadas para um sistema em termossifão A formação de sifões no arranjo da tubulação pode gerar acúmulo de bolhas de ar ou vapor que interrompem o fluxo de água, prejudicando o funcionamento do sistema. A tubulação deverá ser disposta sempre ascendente, principalmente do caminho entre a saída do coletor até a entrada do reservatório térmico.

Sifão não prejudicial ao escoamento

Ponto de formaçãode bolhas de ar

Figura 7.5 - Formação de sifões na tubulação

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Caso não seja possível atender a estes parâmetros pode-se lançar mão de algumas alternativas construtivas como as construções tipo torre, telhados com maior inclinação ou instalação de caixa de água externa. No mercado brasileiro ainda existem soluções como reservatórios que funcionam em nível com a caixa de água ou válvulas de desnível negativo.

TERMOSSIFÃO TÍPICO TERMOSSIFÃO COM TORRE

TERMOSSIFÃO COM DOIS TELHADOS

Figura 7.6 – Alternativas construtivas

7.4 - DISPOSIÇÃO DE COLETORES E RESERVATÓRIO TÉRMIC O O sistema de aquecimento solar deve ser instalado o mais próximo dos pontos de consumo para que o tempo de espera* não seja grande. Por sua vez os coletores solares devem estar arranjados de forma que a tubulação de retorno dos coletores para o reservatório seja a menor possível. A figura 7.7 mostra uma instalação correta, onde os coletores foram dispostos de forma a diminuir a tubulação de retorno e uma instalação não desejável onde a tubulação de alimentação é a menor. Tempo de espera: período gasto para que a água saia do reservatório e chegue até o ponto de consumo, considerando que toda a água da tubulação está fria.

53

7.5 - FLUXO REVERSO Em sistemas de circulação natural ou termossifão pode acorrer, durante a noite, inversão da circulação de água. O desnível entre o topo dos coletores solares e a base do reservatório térmico (Hcr) minimiza e anula na maioria dos casos este risco. O fluxo reverso acorre devido ao mesmo fato que faz com que a água circule nos coletores solares durante o dia. Nos períodos noturnos, a água que está no interior dos coletores fica a uma temperatura inferior ao restante da tubulação devido às trocas térmicas que existem entre o coletor e o meio externo. Desta forma, a coluna de água dentro dos coletores se torna mais densa que a coluna que liga o reservatório ao coletor e portanto surge um fluxo no sentido contrário que retira água quente do reservatório retornando-a até os coletores. Neste caso o coletor passa a se comportar como um dissipador de calor, o que não é desejável.

Figura 7.7- Disposição dos componentes

7.6 - SISTEMA BOMBEADO Quando a circulação por termossifão não é possível, ou porque os coletores estão colocados a um nível superior ao reservatório, ou porque a diferença de densidades não é suficiente para vencer as

CORRETO

ERRADO

54

perdas de carga nas tubulações, utiliza-se circulação forçada da água por intermédio de uma bomba, como mostrado na figura 7.8. Nesta situação, a bomba é comandada por um sistema que acompanha as temperaturas da água na parte superior dos coletores e da parte inferior do reservatório, ligando a bomba sempre que a diferença entre as duas temperaturas referidas seja positiva e superior a um valor predeterminado, normalmente 5°C; a bomba é desarmada quando os dois sensores estiverem também a uma temperatura que pode ser ajustada de acordo com as peculiaridades do sistema, normalmente 2ºC. Este sistema de comando designa-se por termostato diferencial, ou CDT - Controlador Diferencial de Temperatura.

1

2

3

4

5

6

Sensor frioSensor quente

Saída paraconsumo

1 – Coletores Solares 4 – Válvula de retenção 2 – Reservatório Térmico 5 - Controlador Diferencial de Temperatura 3 – Caixa d´água 6 - Bomba

Figura 7.8– Sistema Bombeado

7.7 - BOMBAS HIDRÁULICAS A bomba hidráulica será utilizada na impossibilidade de se instalar os coletores solares abaixo do reservatório térmico ou em instalações de médio e grande porte. Para sistemas de pequeno porte, existem no mercado, bombas silenciosas de consumo reduzido que atendem as especificações de um sistema de aquecimento solar. Para sistemas de médio e grande porte, as bombas devem ser especificadas segundo os cálculos de vazão e perda de carga de todo o circuito primário. As bombas mais utilizadas em sistemas de pequeno porte variam de 1/25 CV a 1/4 CV, sendo acionadas diretamente pelo CDT, já bombas de maior potência, devem ser acionadas com auxílio de contatores elétricos.

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Fabricante: Grundfos Fabricante: Schneider Figura 7.9 – Bombas hidráulicas

A bomba deve ser instalada próximo ao reservatório térmico na saída de água para os coletores solares, sempre com o eixo na horizontal para não danificar seus elementos internos.

Figura 7.10 – sistema bombeado

7.8 - CONTROLADOR DIFERENCIAL DE TEMPERATURA O Controlador Diferencial de Temperatura ou CDT, controla o funcionamento da bomba hidráulica. Ele tem a função de acionar a bomba sempre que houver uma diferença de temperatura pré-estabelecida entre o coletor solar e o reservatório térmico. A bomba permanece em funcionamento até que esta diferença de temperatura se anule ou atinja um valor determinado. A configuração usada geralmente, determina que a bomba deve ser acionada quando a diferença entre os dois sensores for superior a 5ºC e desarmada quando atingir 2ºC. A monitoração é feita por meio de sensores que monitoram as temperaturas da água no topo dos coletores solares e na parte inferior do reservatório. Para correntes de até 10A em 127V, é possível o acionamento direto pelo CDT, acima disto torna-se necessário o acionamento da bomba através de contatores elétricos.

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fabricante: Fullgauge

Figura 7.11 – Controlador Diferencial de Temperatura Os sensores são instalados de acordo com a figura 7.12 e fixados diretamente ao tubo de cobre por meio de abraçadeiras ou presilhas.

sensor quente

presilhasensor frio

presilhareservatório

térmico

retorno para o reservatório saída para os coletores

coletorsolar

Figura 7.12 - localização dos sensores Existem ainda alguns CDT’s que possuem um temporizador incorporado que pode ser ajustado para desligar a bomba alguns segundos depois da condição de desligamento, para que toda a água quente que está na tubulação chegue ao reservatório. Estes aparelhos dispõem também de sistema de proteção contra eventual congelamento dos coletores solares (anticongelamento). Na eventualidade da temperatura cair a 6°C (ou menos), a bomba entrará automaticamente em operação até que tal condição seja revertida.

7.9 - TERMOSSIFÃO TUBULAR A alimentação do reservatório térmico deve ser feita por um ramal exclusivo da caixa d’água com aproximadamente 1 metro de tubo de cobre partindo do reservatório. Por sua vez, essa alimentação deve possuir um sifão próximo à entrada do reservatório térmico que tem a função de evitar o fenômeno que chamamos de termossifão tubular. Este fenômeno origina uma corrente convectiva dentro da tubulação fazendo com que a água quente do reservatório térmico flua para a caixa de água fria. Recomenda-se um sifão com aproximadamente 30cm de altura e 30 cm de largura.

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ÁGUA FRIA

ÁGUA QUENTE

VEM DA CAIXA

D'ÁGUA

Figura 7.13– Efeito do Termossifão Tubular

VEM DA CAIXA

D'ÁGUA

30 cm

SIFÃO

Figura 7.14 – Sifão

7.10 - RESPIRO E VÁLVULA DE SEGURANÇA E QUEBRA VÁCUO A instalação do respiro se faz necessária para que haja proteção do reservatório térmico e para que eventuais bolhas de ar ou vapor possam ser expelidas para a atmosfera. Caso não exista respiro, o reservatório poderá ser exposto a pressões de trabalho maiores que a pressão ao qual ele foi projetado, ou até mesmo pressões negativas (vácuo), causando deformação do reservatório interno e risco de vazamento. Segundo a NBR 12269/1992, o tubo do respiro deve subir, do ponto mais alto do reservatório, sem restrições ou mudança brusca de direção. Não devem ser conectadas torneiras ou válvulas em sua linha.

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A altura do respiro deve ser a menor possível respeitando a seguinte condição: o tubo deve subir a uma altura maior que 8cm acima do nível da caixa d’água para cada metro entre o nível da caixa d’água e a base do reservatório térmico ou 30cm, o que for maior. A instalação do respiro deve ser feita na tubulação do reservatório indicada para isso ou então, caso não exista tubulação própria, na tubulação de saída para consumo deve ser feita uma derivação para receber o respiro. Em sistemas de baixa pressão (até 4 m.c.a.) é fundamental a utilização do respiro pois as válvulas de segurança não funcionam adequadamente em pressões reduzidas. Já nos sistemas de alta pressão, o respiro pode ser substituído pela válvula de segurança evitando descompressão e pressão elevada no reservatório.

7.11 - ISOLAMENTO TÉRMICO O isolamento deve sempre estar presente em toda tubulação de água quente. Até mesmo alguma tubulação de água fria deve ser isolada, pois esta pode estar em contato com o reservatório térmico e ocasionalmente ter parte da água no seu interior aquecida. O isolamento deve ser especificado de acordo com diâmetro do tubo a ser isolado e com a espessura de isolamento necessária. Sua colocação deve ser feita por encaixe, sem deixar espaços entre o tubo e o isolamento e sua fixação deve permitir manutenção posterior, ou seja, não devem ser usados elementos de fixação permanentes, como colas, que além de não permitir a manutenção, podem alterar as propriedades do isolante.

Figura 7.15 – Isolamento Térmico

A tubulação que estiver exposta ao tempo deve receber uma camada de algum elemento refletor, como folha de alumínio corrugado, para que o isolamento seja protegido contra intempéries. Os isolamentos de polietileno expandido com espessuras de 5mm e 10mm são os mais utilizados.

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7.12 - PROBLEMAS HIDRÁULICOS – CIRCUITO SECUNDÁRIO Adotaremos como circuito secundário toda a hidráulica de água quente que parte do reservatório até os pontos de consumo. Abaixo estão relacionadas algumas observações importantes quanto a instalação da tubulação e acessórios que devem ser seguidas. Como já foi mencionado, a alimentação do reservatório térmico deve ser exclusiva e estar posicionada acima das tomadas de água fria, como meio de evitar o risco de queimaduras em casos de falha de abastecimento. A distribuição hidráulica não deve possuir sifões ao longo de seu trajeto até os pontos de consumo, pois estes locais estão propícios ao acúmulo de ar impedindo a passagem de água. Recomenda-se nas tubulações horizontais, uma leve declividade para que também não forme bolhas de ar no seu interior. Esta declividade deve estar no sentido do fluxo de água para que as possíveis bolhas de ar saiam pelo respiro que se localiza no ponto mais alto do reservatório térmico. As duchas higiênicas merecem atenção redobrada, pois através dela a água quente pode atingir a tubulação de água fria e chegar até a caixa d’água danificando toda tubulação de PVC ou ser consumida quando a válvula de descarga é acionada.

Fuga de água quente pela válvula de descarga Retorno de água quente para caixa d’água

Figura 7.16 - Problemas causados por ducha higiênica Isto ocorre porque a ducha higiênica possui dois registros para mistura e um gatilho; é comum o usuário deixar os dois registros abertos e utilizar apenas o gatilho que fica na ponta do esguicho. Os dois registros abertos interligam a saída de consumo de água quente à rede hidráulica de água fria. Para evitar estes inconvenientes, recomenda-se isolar o gatilho da ducha higiênica para que o usuário sempre feche os dois registros após o uso. Outra situação que deve ser evitada é alimentar o chuveiro com o ramal da bacia sanitária. Caso a válvula de descarga seja acionada enquanto o chuveiro é utilizado, o ramal cria uma sucção cortando

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a entrada de água fria e provocando o aumento de temperatura da água do chuveiro podendo causar queimaduras sérias.

7.13 - MANUTENÇÃO

Basicamente a única manutenção constante a ser feita pelos usuários é a limpeza dos vidros dos coletores solares, pois como vimos, quanto mais transparente estiver a cobertura, melhor o desempenho do coletor solar. Para limpeza, deve-se utilizar água e sabão neutro com auxílio de um pano ou vassoura e sempre no início da manhã ou final da tarde, para que não ocorram choques térmicos que possam ocasionar o trincamento dos vidros dos coletores. O período de limpeza varia de acordo com a região mas em geral de 6 em 6 meses. Como manutenção preventiva, as tubulações devem ser inspecionadas quanto a vazamento e integridade do isolamento. A resistência elétrica e a bomba hidráulica podem ser inspecionadas pelo seu funcionamento ( ruído, tensão de operação, vazamentos, etc)

7.14 - QUALIDADE DA ÁGUA É comum, em diversos locais do Brasil, o fornecimento de água com diferentes características de tratamento químico e ainda casos em que a água não recebe nenhum tipo de tratamento, sendo extraída de poços artesianos. Um problema que pode ocorrer é justamente a corrosão acelerada dos materiais dos coletores, reservatórios térmicos e nas tubulações de distribuição de água quente das residências. Existem casos que um sistema que deveria durar 15 anos, não passou de um ano devido à agressividade química da água. Caso a água apresente características muito agressivas, os equipamentos devem ser apropriados para atender as exigências. Existe no mercado reservatórios construídos em aços especiais específicos para estas regiões.

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Unidade 8

A Instalação Solar Térmica de Médio e Grande Porte O aquecimento solar, além de oferecer diversos benefícios sociais e ambientais, representa um fator econômico significativo. Hoje, graças ao programa nacional de certificação de coletores e reservatórios térmicos, à busca incessante por qualidade e avanço tecnológico dos fabricantes e a um movimento organizado entre empresas do setor, o aquecimento solar conquistou credibilidade no segmento de médio e grande porte e, cada vez mais, vem sendo adotado em hotéis, motéis, indústrias, hospitais, escolas, edifícios residenciais, clubes, academias, dentre outros, como solução definitiva para aquecimento de água para banho. Conforme apresentado nos capítulos anteriores, o uso de matérias-primas de qualidade, como o cobre, aço inoxidável, alumínio e polímeros especiais, pode proporcionar uma vida útil prolongada aos equipamentos, não sendo, porém, suficiente para garantir o funcionamento de um sistema de aquecimento solar. Para tanto, devem ser observados fatores de igual importância, tais como projeto, instalação e manutenção, visando alcançar a almejada economia de energia e financeira. Um sistema de aquecimento solar de médio porte (SAS – MP) e grande porte (SAS – GP) podem ser caracterizados como instalações com grau significativo de exigência técnica por agregarem inúmeras variáveis, que não somente se restringem à correta instalação de coletores solares e reservatórios térmicos. Neste capítulo serão abordados os temas referentes à etapa inicial de implantação de um sistema de aquecimento solar, correspondente às fases de projeto, planejamento e infra-estrutura de instalações de médio e grande porte. Um projeto e aquecimento solar é caracterizado como uma obra de engenharia, portanto, deve ser registrado no CREA (Conselho Regional de Engenharia, Arquitetura e Agronomia) e elaborado por profissional tecnicamente capacitado e habilitado.

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8.1. ORGANOGRAMA DE IMPLANTAÇÃO DE UM SAS-MP/GP O organograma apresentado abaixo descreve, passo a passo, as etapas de um projeto de implantação de um SAS-MP/GP. As fases de planejamento e projeto executivo, as quais serão enfatizadas neste capítulo, estão compreendidas entre as etapas 1 e 4 e serão detalhadas a seguir.

Fig 8.1. Organograma de implantação de uma SAS-MP/GP

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8.2. PROJETO EXECUTIVO Projetar um sistema de aquecimento solar, como o próprio nome diz, significa reproduzir o sistema que será instalado, determinando suas necessidades e particularidades, assim como ocorre quando se pretende construir um edifício ou uma casa. Um projeto executivo de aquecimento solar deve respeitar as normas técnicas aplicáveis, conter a especificação de todos os equipamentos e acessórios hidráulicos necessários, além das informações para perfeita compreensão do instalador hidráulico. A elaboração de um projeto executivo de aquecimento solar pode ser subdividida nas seguintes etapas: � Reservatório térmico: projeto detalhado e associação hidráulica; � Coletores solares: definição do modelo e forma de integração à obra; � Hidráulica: dimensionamento de tubulações, conexões, bombas e demais acessórios; � Comando e controle: definição do sistema de comando, carga e monitoração da instalação; 8.2.1. Reservatório térmico Interligação Hidráulica - Reservatórios Térmicos Instalações de médio e grande porte demandam o armazenamento de grandes volumes de água quente, o que normalmente não ocorre em um só reservatório térmico. Assim, existem basicamente duas maneiras de se associar reservatórios térmicos em uma instalação. São elas: a. Associação em Paralelo Esse tipo de associação é recomendável para a interligação de um número pequeno de reservatórios, pois grandes associações em paralelo podem se tornar inviáveis técnica e economicamente, conforme demonstrado abaixo.

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Figura 8.2. Associação em paralelo de dois

reservatórios térmicos Fig 8.3. Associação em paralelo de três reservatórios térmicos

Para a associação apresentada na Figura 8.2 tem-se: Por se tratar de uma associação em paralelo, as temperaturas T1 e T2 devem ser iguais. Para que isso ocorra, os trechos de tubulação para interligação hidráulica entre os reservatórios térmicos devem obedecer aos seguintes parâmetros: a1 = a2; b1 = b2; c1 = c2 e d1 = d2. Essa igualdade entre os trechos de tubulação garantirá uma equalização do fluxo de entrada e saída de água dos reservatórios térmicos e consequentemente o equilíbrio hidráulico entre os mesmos. Para a associação apresentada na Figura 8.3 tem-se: Da mesma forma que no caso anterior, as temperaturas T1, T2 e T3 devem ser equivalentes, assim como as distâncias entre os trechos de tubulação devem permanecer idênticas para que se garanta o equilíbrio hidráulico entre os reservatórios. Como se pode observar, o número de conexões hidráulicas, tubulações e a dificuldade de montagem se acentuam à medida que se aumenta o número de reservatórios associados. Por esse motivo, interligações em paralelo são utilizadas somente em casos muito específicos. b. Associação em Série Esse tipo de associação é a mais utilizada na interligação de reservatórios de médio e grande porte por favorecer a estratificação térmica da água e pela facilidade de instalação. Entretanto, para o correto funcionamento de uma instalação com tal configuração, alguns cuidados devem ser observados:

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Fig 8.4. Associação em série de dois reservatórios térmicos

� Os diâmetros das tubulações K1, K2 e K3 devem ser iguais, garantindo que o fluxo de entrada de água no reservatório seja igual ao de saída e vice-versa. � Os diâmetros das tubulações K1, K2 e K3 devem ser dimensionas de forma que atendam o pico de consumo da instalação. � A saída de água para os coletores deverá ser feita do reservatório 1 (reservatório mais frio) e o retorno no reservatório 2 (reservatório mais quente). Associação entre reservatórios e sistema de apoio Muito comum, em instalações solares de grande porte, a associação entre reservatórios térmicos e sistemas de apoio como caldeiras, geradoras de água quente ou aquecedores de passagem. As duas formas mais utilizadas para interligação entre os equipamentos estão apresentadas a seguir. a. Circulação forçada com retorno para o reservatório Tal tipo de associação é mais utilizado em sistemas nos quais as resistências elétricas do reservatório são substituídas por aquecedores de passagem. Nesse caso, o termostato, localizado no reservatório térmico, comandará o funcionamento da bomba.

Figura 8.5. Circulação forçada - associação entre reservatórios térmicos e aquecedor de passagem

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b. Instalação em série com a saída de consumo Esse tipo de associação também é possível de ser realizado, todavia, o número de aquecedores deve ser dimensionado para suprir a vazão máxima de consumo, pois devem fornecer água quente instantaneamente. Outro ponto importante a ser observado nesse tipo de instalação é se a pressão da água que circula pelo aquecedor será suficiente para acioná-lo ou se será necessária a instalação de um sistema pressurizador.

Figura 8.6. Instalação em série com a saída de consumo

A associação entre reservatórios térmicos e caldeiras ou geradoras de água quente também pode ser feita, devendo ser estudada, caso a caso, qual a melhor forma de interligação. c. Associação entre reservatório térmico e sistema de pressurização Em instalações onde a vazão da água nos pontos de consumo não é satisfatória, utiliza-se um sistema para aumentar a pressão de trabalho da rede de distribuição hidráulica. O pressurizador, quando instalado corretamente, funciona sem trazer prejuízos para o sistema de aquecimento solar, entretanto é importante observar os seguintes aspectos: � Deve-se verificar se o reservatório térmico suportará a pressão fornecida pelo pressurizador; � As redes de distribuição hidráulica de água fria e quente devem ser pressurizadas igualmente, evitando-se assim diferenças de pressão e consequentemente dificuldades na mistura da água nos pontos de consumo. � Não é permitido o uso de respiro, devendo-se instalar um conjunto de válvulas para sistemas de alta pressão. � Verificar sempre as especificações de instalação fornecidas pelo fabricante do equipamento.

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Figura 8.7- Associação entre reservatório térmico e sistema de pressurização

8.2.2. Coletores Solares De posse do número de coletores necessários à instalação, deve-se determinar a forma como eles serão integrados à obra. Para tanto, torna-se necessário saber qual a orientação e inclinação dos coletores, a forma como serão associados e fixados, se existem sombras entre baterias, dentre outras particularidades que serão apresentadas a seguir. a. Geometria Os coletores solares utilizados em obras de médio e grande porte, geralmente, são os mesmos utilizados em obras residenciais. Entretanto, alguns fabricantes produzem coletores com áreas superiores as comerciais e com características construtivas diferenciadas, para situações especiais de fornecimento e instalação. Assim como os reservatórios térmicos, os coletores solares também podem ser verticais ou horizontais. Cabe ao projetista determinar que geometria de coletores será mais adequada à instalação.

Figura 8.8 - Coletor vertical Figura 8.9 - Coletor horizontal

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b. Orientação e inclinação Conforme já apresentado em capítulos anteriores, a orientação e inclinação dos coletores solares devem ser determinadas de forma que eles possam captar ao máximo a radiação solar disponível. Orientação Assim como em qualquer instalação de aquecimento solar, os coletores devem ficar orientados para o norte geográfico e permitindo-se desvios de até 30° para leste ou oeste, sem a necessidade de compensação de área coletora. Inclinação Como visto, a inclinação dos coletores é determinada a partir da localidade onde os mesmos serão instalados. Esse valor é calculado através do valor, em módulo, da latitude + 10°. Vale lembrar que o ângulo encontrado através dessa equação privilegia os meses de inverno, cabendo uma análise da demandada de água quente da instalação ao longo do ano, para definição do ângulo que irá proporcionar o melhor rendimento ao sistema. c. Suporte Metálico A perfeita adequação dos coletores solares em instalações de médio e grande porte normalmente ocorre através do uso de suportes metálicos, garantindo assim a orientação e inclinação desejáveis para maior captação de energia do sistema. Ao definir um modelo de suporte que se adeque aos coletores e à área disponível para instalação, deve-se atentar para os seguintes aspectos: � Verificar se a estrutura do local onde serão instalados suportará o peso total do conjunto (suportes metálicos, coletores solares e acessórios hidráulicos); � O suporte deverá suportar as cargas de vento da localidade onde ele será instalado, � Ser resistente a intempéries e corrosão; � Ser de fácil montagem; � Seguir as especificações de montagem dos coletores fornecidas pelo fabricante.

Figura 8.10 - Suporte metálico

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d. Sombreamento e distância entre baterias de coletores Fixados os valores de orientação e inclinação dos coletores solares, é importante verificar qual a distância mínima entre as baterias de coletores para evitar ou minimizar o sombreamento que poderá ocorrer entre as mesmas ou em razão de outros obstáculos como construções vizinhas, árvores e etc. O valor da distância horizontal entre uma fila de coletores ou algum obstáculo de altura h poderá ser determinado , de forma simplificada através da seguinte equação:

Latitude ( ° ) 5 0 - 5 - 10 - 15 - 20 - 25 - 30 - 35

k 0,541 0,433 0,541 0,659 0,793 0,946 1,126 1,347 1,625 Tabela 13.1 – Fator k

Figura 13.11 - Distância mínima entre coletores

A distância ideal entre baterias deve considerar, além dos efeitos do sombreamento, um espaço suficiente para que se realizem manutenções e limpeza dos coletores. Vale lembrar que esta equação é apenas orientativa, e a análise de distâncias entre baterias deve ser criteriosamente desenvolvida para cada projeto. e. Associação entre baterias A eficiência de uma série de coletores está diretamente ligada à forma como eles são associados. A associação entre baterias é um dos passos mais importantes de uma instalação de aquecimento solar, pois a ela está relacionada a temperatura que se pretende atingir, a vazão de operação do sistema e consequentemente o dimensionamento das tubulações e demais acessórios. As associações entre as baterias de coletores podem ser em série, em paralelo ou série-paralelo (mista); sendo a terceira a mais utilizada por permitir maior número de configurações. e.1. Associação em Paralelo Na associação em paralelo, o acréscimo de temperatura proporcionado ao fluído circulante é o mesmo, motivo pelo qual, a temperatura de saída do fluido da bateria 1 (T1) é igual a temperatura de saída do fluido da bateria 2 (T2).

d = h x k ; (8.1)

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Figura 8.12 - Associação em paralelo de uma bateria de 5 coletores solares

Figura 8.13 - Associação em paralelo de duas baterias de 5 coletores solares

e.2 Associação em Série Na interligação em série, a temperatura do fluido de entrada de uma bateria é igual a temperatura do fluido de saída da bateria anterior.

Figura 8.14 - Associação em série de duas baterias de 4 coletores solares

e.3 Associação em Série-Paralelo (Mista) É o tipo de associação mais utilizado em obras de médio e grande porte, pois quando há limitações de área física para instalação dos coletores, deve-se combinar os dois modelos de associação (série e paralelo) para que se consiga alocar o número de coletores necessários à instalação.

T1

T2

71

Figura 8.15 - Associação mista: três baterias em paralelo combinada com duas baterias em série

8.2.3. Hidráulica As instalações hidráulicas de aquecimento solar se dividem entre circuito primário, compreendido entre o reservatório térmico e os coletores, e secundário, correspondente ao circuito hidráulico situado entre o reservatório e os pontos de consumo.

Figura 8.16 - Instalação hidráulica de um sistema de aquecimento solar

a. Fluido de trabalho O fluido de trabalho no circuito primário é ,na grande maioria dos casos, a água que circula diretamente pelo interior dos coletores. Deve-se sempre verificar a composição físico-químico e a temperatura de operação da água para identificar sua compatibilidade com os materiais da instalação por onde irá circular.

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Em algumas instalações pode-se utilizar fluídos térmicos sendo, o aquecimento realizado de forma indireta por meio de trocadores de calor. b. Equilíbrio hidráulico A eficiência de uma bateria de coletores, como visto anteriormente está relacionada à sua associação e à vazão do fluido de trabalho. Dessa forma, adota-se o principio do retorno invertido, com o objetivo de equalizar a vazão entre as baterias de coletores. Esse princípio permite equilibrar hidraulicamente a instalação, de forma que a perda de carga no percurso do fluido de trabalho seja sempre a mesma, independente da bateria de coletores pela qual ele circule. Os diâmetros dos os trechos de tubulações deverão ser dimensionados de acordo com a vazão que neles circula. O correto dimensionamento do diâmetro das tubulações poderá reduzir sensivelmente os custos da instalação.

Nas ilustrações a seguir, pode-se observar a forma correta de interligação entre baterias de coletores utilizando-se o princípio do retorno invertido, onde todos os trechos (em vermelho), entre os pontos A e B, possuem a mesma distância e a forma incorreta, onde o fluido percorrerá distâncias diferentes em cada bateria que ele circule.

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Figura 8.17 – Equilíbrio hidráulico de baterias de coletores

c. Vazão do fluído de trabalho O valor da vazão total de operação (Qo) do circuito primário é calculado em função da associação das baterias de coletores solares. Adota-se, para o cálculo, o valor da vazão de teste de eficiência dos coletores solares para banho (72 litros por hora por m²)*, devendo-se ainda determinar a área útil (Au) da(s) bateria(s) de coletores interligados em paralelo que recebe o fluido de trabalho diretamente da bomba hidráulica;

Estudo de caso 8.1 Considerando a interligação hidráulica abaixo e a área útil de cada coletor igual a 1,63 m². Qual será a vazão de operação (Qo)do sistema ?

Au = 4 x 1,63m² x 1 = 6,52 m² Qo = Au x 72 l/h.m² Qo = 6,52 m² x 72 l/h.m² Qo = 469,4 litros/hora

Au = N° de coletores x Área útil do coletor x N° de filas de coletores (8.2)

Figura 8.18 - Cálculo da área útil

74

Estudo de caso 8.2: Considerando a interligação hidráulica abaixo e a área útil de cada coletor igual a 2m². Qual será a vazão de operação (Qo)do sistema ?

Au = 5 x 2m² x 2 = 20 m² Qo = Au x 72 l/h.m² Qo = 20 m² x 72 l/h.m² Qo = 1440 l/h

Estudo de caso 8.3: Considerando a interligação hidráulica abaixo e cada coletor solar com área de 2m². Qual será a vazão de operação (Qo)do sistema ?

Au = 4 x 2m² x 3 = 24 m² Qo = Au x 72 l/h.m²

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Qo = 24 m² x 72 l/h.m² Qo = 1728 l/h

d. Tubulações As tubulações utilizadas em instalações solares podem ser de cobre, aço galvanizado ou outro material que suporte as pressões e temperaturas de operação do sistema. Atualmente, as tubulações em cobre são as mais utilizadas por serem de fácil instalação, resistir a intempéries e altas temperaturas, atenderem bem as necessidades requeridas por uma instalação solar e ainda apresentarem um custo-benefício razoável. Os tubos em cobre utilizados em instalações de aquecimento solar são da Classe E, com diâmetros que variam entre 15 e 104 mm. De acordo com a norma NBR 5626-98, a velocidade máxima da água nas tubulações não deve ultrapassar 3 m/s. A tabela abaixo apresenta as vazões máximas permitidas para os diâmetros comerciais de tubulações em cobre.

Velocidades máximas Vazões máximas

(mm) (pol) m/s l/hora

15 1/2 1,6 720

22 3/4 1,95 2.160

28 1 2,25 4.320

35 1.1/4 2,50 9.000

42 1.1/2 2,50 14.400

54 2 2,50 20.520

66 2.1/2 2,50 32.040

79 3 2,50 43.200

104 4 2,50 64.800

Diâmetro

Tabela 8.2. Vazões máximas em tubos de cobre

e. Bomba Hidráulica

As bombas hidráulicas utilizadas em instalações de médio e grande porte, usualmente, são do tipo centrífuga com rotor em bronze, aço inoxidável, ou outro material que suporte a temperatura e as propriedades físico-quimicas do fluido que será bombeado.

Figura 8.19 - Bomba hidráulica

Em instalações de maior porte, recomenda-se a instalação de uma bomba reserva, garantindo assim o funcionamento ininterrupto do sistema em caso de manutenção ou defeito da bomba principal. e.1 Dimensionamento A escolha da bomba hidráulica ideal e a determinação do ponto de funcionamento da instalação são definidas pela vazão de operação da instalação e as perdas de carga do sistema.

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Para determinação das perdas de carga totais de um sistema de aquecimento solar deve-se adotar os seguintes passos:

� Calcula-se a perda de carga de tubulações e acessórios hidráulicos na sucção da bomba (Ha);

� Calcula-se a perda de carga de tubulações e acessórios hidráulicos no recalque da bomba (Hr); � Calcula-se a perda de carga nos coletores (Hc); � Soma-se Ha, Hr e Hc e encontra-se a altura manométrica (HMAN) da instalação. Estudo de caso 8.4: Calcule a bomba hidráulica para a instalação abaixo proposta considerando tubulações em cobre, 24 coletores com área útil de 2m²: O primeiro passo a ser adotado é esboçar a instalação em uma representação isométrica, identificando todas as cotas e conexões hidráulicas.

Cálculo da Vazão de operação (Qo) Au = 4 x 2m² x 3 = 24 m² Qo = Au x 72 l/h.m² Qo = 24 m² x 72 l/h.m² Qo = 1728 l/h ou 1,73 m³/h Definição do diâmetro da tubulação de interligação entre reservatório térmico e coletores Conforme Tabela 3, para vazão de 1728 l/h adota-se a tubulação de 22 mm Suponha-se que na instalação proposta tivéssemos as conexões e acessórios nas quantidades e dimensões apresentadas a seguir.

Cálculo da altura de sucção (Ha)

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- Altura estática de sucção (ha) (bomba acima da caixa d’água) - Comprimento real de tubulação (distância bomba/ reservatório) - Comprimento equivalente (ver anexo 1) 1 Saída de borda 25 cotovelos 90° 1 registro gaveta 1 entrada de borda

0,0 m 3,0 m 0,9 m 2,4 m 0,2 m 1,0 m

Total 7,5 m Conforme ábaco de Fair-Whipple-Hsiao para: Vazão = 0,48 l/s (1728 l/h) e Diâmetro = 3/4” obtém-se: Perda de carga unitária (Ju) = 0,15 m/m e velocidade de 1,5 m/s Então: Ha = 7,5 m * 0,15 m/m Ha = 1,13 m

Cálculo da altura de recalque (Hr) Conforme ábaco de Fair-Whipple-Hsiao (Anexo 2) para: Vazão = 0,48 l/s (1728 l/h) e Diâmetro = 3/4”, obtém-se: Perda de carga unitária (Ju) = 0,15 m/m e velocidade de 1,5 m/s Então: Hr = 82,1 m * 0,15 m/m

- Altura estática de recalque (hr) (coletor acima da caixa d’água) - Comprimento real de tubulação (bomba/coletores/reservatório) - Comprimento equivalente (ver anexo 1) 1 Saída de borda 15 cotovelos 90° 1 registro gaveta 1 válvula de retenção 1 registro globo 5 te 90° saída lateral 1 entrada de borda

1,5 m 35,0 m 0,9 m 18,0 m 0,2 m 2,7 m 11,4 m 12,0 m 0,4 m

Total 82,1 m

Hr = 12,32 m Cálculo da perda de carga nos coletores (Hc) O valor da perda de carga por coletor deve ser informado pelo fabricante. Para este exemplo será considerado o valor de 0,022 mca por coletor.

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Então Hc = 0,022 mca * 24 coletores Hc = 0,53 mca Altura manométrica da instalação (HMAN ) HMAN = Ha + Hr + Hc HMAN = 1,13 + 12,32 + 0,53 HMAN = 13,98 m De posse dos valores de vazão e altura manométrica, é possível determinar o ponto de operação da instalação e selecionar a bomba hidráulica que melhor atenderá as necessidades do sistema. A bomba ideal para a instalação é aquela onde a curva característica da bomba está o mais próximo possível do ponto de operação do sistema. Quando a curva não coincidir exatamente com o ponto de operação, deve-se optar pela bomba logo acima do ponto.

Sendo assim, a bomba que melhor se adequa ao exemplo proposto é a bomba B.

8.2.4 Isolamento térmico

As tubulações, conexões, registros e válvulas de uma instalação por onde circulem fluidos com temperaturas superiores a 40° C devem ser isoladas termicamente. O isolamento de tubulações externas, que estejam submetidas aos efeitos dos raios ultravioletas e intempéries, deve ser protegido com material que suporte as condições as quais será submetido, garantindo assim, uma vida prolongada ao isolamento.

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Figura 8.20 - Isolamento térmico interno Figura 8.21 - Isolamento térmico com

proteção UV As espessuras mínimas recomendadas para isolamento de tubulações em cobre, com polietileno expandido (condutividade térmica de 0,035 kcal/mh°C), estão apresentadas na tabela 8.3.

Diâmetro da tubulação (mm)

Espessura do Isolamento (mm)

D ≤ 22 5

22 > D ≥ 66 10

D > 66 20

Isolamento Térmico - Polietileno Expandido

Tabela 8.3 Espessura de isolamento

Cabe ressaltar que a tabela acima é apenas orientativa, devendo, a espessura do isolamento, ser determinada de acordo com o local da instalação e características do isolamento.

8.2.5 Sistema de proteção anticongelamento

Por não receber radiação solar durante a noite, o fluído de trabalho permanece estagnado e, portanto, exposto às condições climáticas do local da instalação. Em regiões com risco de geadas, são utilizados sistemas de proteção, com o intuito de evitar danos ao sistema. Para identificar a necessidade do uso de proteções anticongelamento, deve-se avaliar o histórico das condições climatológicas da região. Havendo registros de temperaturas próximas a 5°C, será indispensável a utilização de algum tipo de sistema de proteção anticongelamento. Os sistemas anticongelamento mais utilizados são: � Recirculação da água – esse sistema fará circular, através de uma bomba hidráulica, a água do reservatório térmico quando a temperatura do sensor, localizado nos coletores solares, acusar valores próximos a 5° C. � Válvula elétrica de drenagem – através de uma válvula elétrica dotada de um termostato, a água existente nos coletores é drenada quando a temperatura nos coletores atinge valores próximos a 5° C.

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� Fluido anticongelamento – por meio da mistura de água e um liquido anticongelante, cria-se uma solução que reduz a temperatura de congelamento do fluido de trabalho. Para que o sistema funcione corretamente, é necessário verificar se a solução encontra-se nas proporções ideais definidas pelo fabricante do fluido e se não irá comprometer os acessórios da instalação.

8.2.6 Temperaturas

Uma instalação de aquecimento solar deve ser projetada para suportar uma ampla variação de temperaturas, que vão desde as que apresentam risco de congelamento até aquelas próximas a de ebulição da água. As diversas maneiras de proteção do sistema contra os riscos de congelamento já foram abordadas no item anterior. No entanto, deve-se ressaltar que temperaturas elevadas também podem prejudicar a durabilidade de acessórios e equipamentos instalados. As altas temperaturas são verificadas nos casos de superdimensionamento da instalação onde a área coletora e o volume armazenado são muito superiores à necessidade real de consumo. Em tais hipóteses, para evitar danos a instalação de aquecimento solar, é importante a utilização de materiais e equipamentos que suportem a temperatura de operação sistema, bem como o uso de proteções que não permitam, por exemplo, o funcionamento da bomba de circulação quando o sistema alcançar temperaturas próximas à de ebulição da água.

8.2.7 Pressão

Da mesma forma que o reservatório térmico e os coletores solares, as tubulações e acessórios hidráulicos devem ser dimensionados para suportar pressões 1,5 vez superiores às quais serão submetidas durante o funcionamento do sistema de aquecimento solar. 8.2.8 Quadro de comando O quadro de comando de uma instalação solar tem a função de controlar todos os equipamentos elétricos e eletrônicos da instalação e é, na maioria dos casos, composto por:

� Controlador diferencial de temperatura: responsável pelo comando de operação da bomba de circulação dos coletores;

� Chaves seletoras: responsáveis pelo acionamento manual ou automático da bomba de circulação dos coletores e demais equipamentos;

� Disjuntores, contatores e relés de sobrecarga: possuem a função de proteção e acionamento do sistema;

� Controles para o sistema de apoio. O quadro de comando pode ainda conter alguns equipamentos para controle e acompanhamento do

rendimento da instalação, tais como: � Horímetro, cuja função é a de determinar o período de operação de um equipamento. � Programador horário para determinação dos períodos de funcionamento da instalação;

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� Demais sistemas de acompanhamentos, como medidores de radiação solar, medidores de vazão, sensores de temperatura auxiliares, hidrômetros e etc. 8.2.9 Aquecimento Indireto Nos casos em que não é possível implantar um sistema de aquecimento solar convencional, como em alguns casos de processos industriais, aquecimento de ambientes, proteção anticongelamento contendo fluidos especiais, dentre outros, utiliza-se o sistema de aquecimento indireto através do uso de trocadores de calor.

FiguFigura 8.22. Representação esquemática de um sistema de aquecimento solar com trocador

de calor

82

Unidade 9

INSTALAÇÃO E MANUTENÇÃO Um sistema de aquecimento solar, para alcançar os benefícios esperados, baseia-se em algumas diretrizes: projeto executivo, instalação e manutenção. Nesse contexto o instalador hidráulico possui um papel fundamental, pois cabe a ele seguir o projeto idealizado pelo projetista identificando possíveis interferências e modificações durante a implantação e, através de uma instalação de qualidade, minimizar manutenções corretivas. Neste capitulo serão abordados os temas referentes à etapa de instalação e manutenção de um sistema de aquecimento solar para uso sanitário. O instalador deverá seguir rigorosamente o projeto executivo da instalação, devendo sempre comunicar ao projetista caso haja a necessidade de modificações no projeto original.

9.1 INTERPRETAÇÃO DO PROJETO EXECUTIVO Para definição dos próximos passos do planejamento de instalação do sistema de aquecimento solar, é necessário interpretar o projeto executivo que dentre outras informações deverá conter: � Fluxograma de funcionamento; � Localização de equipamentos; � Arranjos de coletores solares e reservatórios térmicos; � Isométrico de instalação do(s) reservatório(s) térmico(s); � Bases de fixação dos suportes metálicos e dos reservatórios térmicos; � Detalhamento de suportes metálicos � Cortes; � Possíveis interferências com a edificação existente ou em construção; � Traçado da tubulação; � Lista de materiais elétricos e hidráulicos; � Detalhamento do sistema de controle e monitoração; � Acessórios e indicação de montagem; � Demais informações necessárias para perfeita interpretação e instalação do sistema; a. Fluxograma de funcionamento O fluxograma da instalação deve apresentar, de forma esquemática, com se dará o funcionamento da instalação, sem se preocupar com escalas e dimensões reais dos equipamentos.

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Figura 9.1. Fluxograma de uma instalação solar

b. Localização dos coletores e reservatórios em planta Por meio desta representação gráfica determina-se a localização dos reservatórios térmicos, os coletores solares e demais equipamentos na construção.

Figura 9.2. Localização de coletores, reservatórios e interligação hidráulica em planta

c. Isométricos As representações isométricas são utilizadas para descrever partes da instalação que seriam difíceis de se representar ou que exijam grau de detalhamento maior, como é o caso dos reservatórios térmicos e seus acessórios.

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Figura 9.3. Isométrico – reservatório térmico

d. Cortes Os cortes, assim como a representação isométrica auxilia na complementação de informações e interpretação do projeto.

Figura 9.4. Corte – distância entre coletores solares

9.2 ARMAZENAMENTO E TRANSPORTE DOS EQUIPAMENTOS Coletores solares É importante que os coletores sejam armazenados na vertical, seguindo as determinações do fabricante quanto ao número máximo de peças possíveis de serem empilhadas, em local coberto e protegido de intempéries. Em caso de armazenamento externo deve-se protegê-los contra chuva para que os mesmos não se danifiquem antes de serem instalados.

Com relação ao transporte dos coletores solares, o mesmo deve ser realizado preferencialmente por duas pessoas, segurando-se nas extremidades da caixa do coletor, de modo a evitar torções nos equipamentos.

b. Reservatórios térmicos

Os reservatórios térmicos devem ser armazenados em local protegido de intempéries e com suas entradas e saídas vedadas, até o momento da instalação, impedindo a entrada de folhas ou objetos que possam afetar o funcionamento do sistema.

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O transporte dos reservatórios térmicos deve ser executado através de seus olhais ou alças de transporte seguindo as recomendações do fabricante e nunca pelas tubulações.

9.3 DEFINIÇÃO DA EQUIPE DE INSTALAÇÃO Para definição do número de instaladores que serão necessários para implantação de um sistema de aquecimento solar é preciso observar o grau de dificuldade e em quanto tempo se pretende concluir a instalação. Através do projeto executivo é possível determinar a quantidade de instaladores e o tempo de execução da implantação do SAS. Recomenda-se que uma instalação solar seja executada por no mínimo dois instaladores, capacitados, garantido assim agilidade e segurança na implantação do sistema.

9.4 EPI’S E FERRAMENTAS Para minimizar o risco de acidentes durante a instalação é imprescindível que sejam seguidas todas as normas pertinentes à atividade que será realizada A seguir estão relacionados alguns EPIs, ferramentas e acessórios necessários para realização de uma instalação de aquecimento solar . 9.4.1. EPI – Equipamento de Proteção Individual Cada instalador deve portar: � Uniforme com jaleco de manga comprida; � Capacete com jugular; � Bota com solado antiderrapante; � Cinturão de segurança para trabalhos em altura; � Óculos com lentes em policarbonato incolor; � Luvas de vaqueta; � Óculos com lentes em policarbonato verde para solda;

Figura 9.5 - Símbolos de EPI

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9.4.2. Ferramentas Para correta instalação de equipamentos e acessórios é importante a utilização de ferramentas adequadas, que garantam maior agilidade e segurança à instalação. Pode-se verificar abaixo algumas das ferramentas essenciais para instalação de um sistema de aquecimento solar.

� Chave de grifo; � Conjunto de chaves de fenda e philips; � Alicate; � Serrote; � Martelo; � Corta tubos (cobre); � Lixa;

� Maçarico; � Inclinômetro � Trena; � Bússola; � Furadeira elétrica; � Extensão elétrica; � Multímetro;

9.5 ACESSÓRIOS DE UMA INSTALAÇÃO DE AQUECIMENTO SOLAR a. Bomba hidráulica Quando o sistema de aquecimento solar não pode operar em termossifão utiliza-se uma bomba hidráulica cujo objetivo é promover a circulação do fluido de trabalho entre os coletores e o reservatório térmico. As bombas hidráulicas utilizadas em sistemas de aquecimento solar devem possuir algumas características especiais para que operem de forma segura e duradoura. As bombas hidráulicas basicamente se dividem em duas partes:

� (fonte:website Schneider)

Figura 9.6 - Bomba hidráulica Corpo hidráulico: o corpo hidráulico abriga o rotor o qual pode ser fabricado em ferro fundido, aço inoxidável, bronze, polímero ou outro material, devendo ser especificado conforme as características físico químicas e temperatura do fluido que será bombeado. Motor elétrico: acoplado ao corpo hidráulico é responsável pelo acionamento do rotor sendo dimensionado conforme a potência necessária para vencer as perdas de carga e desníveis da instalação.

Motor elétrico

Corpo hidráulico

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b. Controlador diferencial de temperatura Os controladores diferenciais de temperatura são responsáveis pelo controle do sistema de aquecimento solar permitindo configurações para acionar e desacionar a bomba hidráulica.

(fonte: Fullgauge)

c. Termostato Termostatos são dispositivos que permitem a abertura ou fechamento de um circuito elétrico conforme um ajuste pré-definido de temperatura. Estes dispositivos são muito utilizados em reservatórios térmicos para acionamento de resistências e anéis de recirculação para prumadas de água quente.

d. Fluxostato O Fluxostato é um dispositivo que permite a abertura ou fechamento de um circuito elétrico quando ele acusa a existência ou não de fluxo de algum tipo de fluido na tubulação onde ele foi instalado. Este dispositivo é utilizado em anéis de recirculação para prumadas de água quente e normalmente é aplicado em conjunto ao termostato.

e. Sensores de temperatura Os sensores de temperatura são instrumentos utilizados para medição de temperatura e em sistemas de aquecimento solar são aplicados para comando e registro da temperatura de operação do sistema. Eles podem ser de diversos tipos; termopares, PT100, PT500 dentre outros.

(fonte: Fullgauge) f. Manômetro O manômetro é um instrumento utilizado para mediação de pressão. Usualmente estes equipamentos são utilizados em instalações de aquecimento solar de grande porte com objetivo de acompanhar e auxiliar nas regulagens de operação do sistema.

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g. Válvulas e registros Válvulas são dispositivos utilizados para controle, bloqueio, manutenção e desvio de fluxo do fluido circulante de uma instalação hidráulica. Em um SAS, as válvulas mais utilizadas são: Registro Globo (Válvula de regulagem) Os registros globo são utilizados para controle e regulagem da vazão de fluidos.

Fonte:website docol /website mipel

Figura 9.7 - Registro globo

Registro Gaveta (Válvula de bloqueio) O registro de gaveta tem a função bloquear a passagem do fluido, devendo funcionar totalmente abertos ou totalmente fechados.

Fonte:website deca /website mipel

Figura 9.8 - Registro gaveta

Registro Esfera (Válvula de bloqueio) O registro esfera também tem a função de bloqueio à passagem do fluido, devendo funcionar totalmente aberto ou totalmente fechado.

Fonte:website docol / website tigre /website mipel

Fig 9.9 -Registro globo

Válvula de retenção Esse tipo de válvula permite o fluxo do liquido em uma só direção podendo ser instalada na vertical ou horizontal de acordo com as especificações da válvula.

Fonte:website docol Figura 9.10 - Válvula de retenção

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Válvula eliminadora de ar (Válvula ventosa) Esse tipo de válvula é responsável por permitir a saída de ar do sistema.

Fonte:website genovalvulas

Figura 9.11 - Válvula eliminadora de ar

Válvula quebra-vácuo Tal válvula é responsável por permitir a entrada de ar no sistema.

Fonte:website silgonvalvulas

Figura 9.12 - Válvula quebra-vácuo

Válvula de segurança Esse modelo de válvula é responsável por proteger o sistema contra pressões superiores às dimensionadas para sua operação.

Fonte:website drava

Figura 9.13 Válvula de segurança

9.6 SUPORTES PARA COLETORES SOLARES Quando a orientação, inclinação ou posição de coletores solares não é satisfatória para o funcionamento do sistema, é necessária a utilização de suportes, com o objetivo de corrigir esses desvios. De posse do projeto dos suportes, suas especificações devem ser rigorosamente seguidas, de forma a garantir sua correta fixação à estrutura do telhado ou às bases construídas especialmente para sua instalação. A base dos suportes dos coletores deverá ser confeccionada em concreto ou outro material que suporte o peso dos coletores, as cargas de vento e as intempéries a que o sistema será submetido. Deve-se ainda atentar para os seguintes itens na confecção das bases: � A distância entre as bases deve ser calculada de forma que o suporte nela instalado não submeta o coletor solar a flexões superiores às permitidas pelo fabricante.

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� Os parafusos de fixação dos suportes nas bases devem ser galvanizados ou protegidos contra corrosão. � As bases devem prever canais para escoamento da água da chuva. � Quando os suportes metálicos forem instalados diretamente na laje, é necessário impermeabilizar o local onde forem fixados. � Quando os suportes metálicos forem instalados sobre telhados, as telhas perfuradas deverão ser impermeabilizadas. Os suportes e suas respectivas bases de fixação deverão ser projetados por profissional tecnicamente habilitado

9.7 INSTALAÇÃO DO(S) RESERVATÓRIO(S) TÉRMICO(S) Na instalação dos reservatórios deve-se considerar: Na alimentação de água fria do reservatório deve-se sempre instalar um sifão ou válvula de retenção* evitando o retorno de água quente para a caixa d’água, efeito denominado termossifão tubular. * Atenção: conforme a norma NBR 7198, “é vedado o uso de válvulas de retenção no ramal de alimentação de água fria por gravidade do reservatório térmico, quando o mesmo não possuir respiro.”

Figura 9.14 - Sifão

� A alimentação de água fria do reservatório deve conter no mínimo, 150 cm de tubulação anterior ao sifão em cobre ou material que suporte temperatura do sistema.

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Figura 9.15 -Tubulação de alimentação

� O reservatório deve possuir registros gaveta ou esfera em suas entradas e saídas; � A alimentação de água fria do reservatório, vinda da caixa d’água, deve ser exclusiva não permitindo derivações para outros pontos; � A saída para o dreno deve ser conectada a uma tubulação de esgoto ou destinada a local apropriado; � Quando for utilizado conjunto de válvulas para SAS de alta pressão, a área logo abaixo do conjunto deve ser devidamente impermeabilizada evitando infiltrações na edificação; � As interligações das entradas e saídas de um reservatório térmico horizontal convencional devem seguir as configurações apresentadas na figura a seguir promovendo a circulação de toda a água do reservatório.

Figura 9.16 - Conexões básicas de um reservatório térmico

9.8 INSTALAÇÃO DOS COLETORES SOLARES A interligação hidráulica dos coletores poderá ser executada em série ou paralelo de acordo com o que for definido no projeto da instalação. Além de seguir as configurações de projeto, no momento da instalação dos coletores, deve-se atentar para os seguintes itens: a. As conexões entre coletores podem ser executadas com luvas soldadas ou luvas de união, as quais facilitam futuras manutenções e substituição de coletores;

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b. Deve-se instalar um registro gaveta ou esfera na parte inferior da bateria para dreno dos coletores. c. Em associações superiores a duas baterias de coletores interligadas em série recomenda-se a instalação de uma válvula eliminadora de ar na saída da última bateria de coletores.

Figura 9.17 - Localização da válvula eliminadora de ar

d. A instalação dos coletores deve prever fácil acesso para limpeza e manutenção. e. Em instalações que operam em termossifão, recomenda-se a instalação da bateria de coletores com um pequeno aclive, entre 2% e 3%, no sentido da saída da água quente, evitando-se sifões provocados por desníveis no telhado ou erro na instalação.

9.9 INSTALAÇÃO DE SENSORES E QUADRO DE COMANDO

9.9.1 Instalação de sensores

Em sistemas cuja circulação é forçada, a bomba hidráulica é comandada por um controlador diferencial de temperatura o qual compara as temperaturas entre os sensores 1 e 2 localizados no topo do ultimo coletor da bateria e na base do reservatório respectivamente.

Figura 9.18 - Posicionamento de sensores

Conforme apresentado no capitulo anterior, geralmente, a bomba hidráulica é acionada quando o a diferença de temperatura entre o sensor 1 e 2 é igual ou superior a 5°C* e

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desligada quando igual ou inferior a 2°C*. Cabe ressaltar que esta temperatura é apenas orientativa devendo a mesma ser especificada no projeto da instalação. Alguns controladores possuem um terceiro sensor, normalmente instalado na saída de consumo do reservatório e que, além de fornecer a temperatura da água na saída de consumo, tem a função de bloquear o funcionamento da bomba, mesmo que o diferencial entre os sensores 1 e 2 seja igual ou superior a 5°C, quando a temperatura registrada por ele atingir o valores elevados (o qual deve ser ajustado previamente). A essa temperatura da-se o nome de temperatura de superaquecimento.

Figura 9.19 - Instalação de sensores

Os sensores devem, preferencialmente, ser instalados em poços termométricos e isolados termicamente após sua instalação.

9.9.2 Quadro de comando

O quadro de comando deve ser instalado em um local próximo ao SAS protegido de intempéries e de fácil acesso, para possíveis verificações de temperatura ou operação do sistema.

. Fonte: acervo Green

Figura 9.20 – Quadro de comando – Vista Interna

O projeto executivo deverá prever a localização do quadro de comando na edificação

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9.10 INSTALAÇÃO DO SISTEMA DE AQUECIMENTO AUXILIAR

a. Resistência elétrica

� As resistências elétricas devem possuir disjuntores específicos para seu acionamento; � Os cabos de energia devem ser conduzidos do quadro de comando a resistência elétrica do reservatório através de eletrodutos; � A resistência elétrica deve ser aterrada eletricamente; � Deve-se conferir a impedância das resistências elétricas antes de acionar o quadro de comando a fim de evitar curtos-circuitos;

b. Aquecedor de passagem a gás

� Deve-se verificar se as peças e anéis de vedação da entrada de água no aquecedor suportam a alimentação com água aquecida; � Os cabos de energia devem ser conduzidos do quadro de comando ao aquecedor de passagem através de eletrodutos; � Os aquecedores de passagem não devem ser instalados em locais confinados; � Deve-se seguir rigorosamente as normas técnicas aplicáveis e as especificações de instalação fornecidas pelo fabricante;

9.11 INTERLIGAÇÃO ENTRE RESERVATÓRIO E PONTO DE CONSUMO Este manual aborda apenas os aspectos referentes ao circuito primário de uma instalação de aquecimento solar, entretanto cabe observar alguns detalhes importantes na interligação entre o reservatório e a tubulação de consumo de água quente.

Figura 9.21 - Instalação hidráulica de um sistema de aquecimento solar

a. O diâmetro da tubulação de saída de consumo do reservatório deve ser igual ou superior ao de distribuição de água quente para os pontos de consumo; b. A tubulação de distribuição de água quente deverá ser isolada termicamente; c. A tubulação de distribuição hidráulica para os pontos de consumo deve estar sempre na descendente, evitando-se a formação de sifões, que podem prejudicar a vazão nos pontos de consumo. d. A prumada de água fria da descarga deverá ser exclusiva. Não deve-se instalar ramais para o registro de água fria do chuveiro e para ducha higiênica.

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9.12 TESTES E INICIO DE OPERAÇÃO DO SISTEMA

a. Start-up do sistema

A operação de start-up ou posta em marcha da instalação é muito importante, pois, através dela o sistema de aquecimento solar é submetido a testes, sendo possível verificar se o sistema funcionará conforme projetado.

b. Enchimento do sistema

Deve-se encher lentamente o sistema, preferencialmente da parte mais baixa para o topo evitando a formação de bolsas de ar no circuito hidráulico.

c. Teste de estanqueidade

Os circuitos hidráulicos devem ser testados com pressão 1,5 vez, superior à pressão de operação da instalação com objetivo de identificar possíveis vazamentos. As válvulas de segurança, quando existentes, devem ser instaladas após o teste de estanqueidade, pois as mesmas operam em pressão nominal inferior a de teste. Nesta etapa é importante acionar manualmente todas as válvulas ventosas para retirada completa do ar do sistema.

d. Teste de sensores e acessórios

Sensores, bomba hidráulica, válvula de segurança e demais acessórios devem ser testados simulando-se condições de operação do sistema e verificando seu comportamento.

9.13 ACABAMENTO Depois de realizados todos os testes na instalação inicia-se a etapa de acabamento e finalização da obra. Essa etapa consiste em: a. Isolamento térmico de toda a tubulação da instalação, lembrado–se que as tubulações expostas a radiação solar e intempéries devem possuir algum tipo de elemento protetor (alumínio corrugado, fita aluminizada, etc.). b. Verificar se todas as tubulações estão bem fixadas e sem formação de sifões no seu percurso; c. Verificar se todos os cabos elétricos estão devidamente encapados e conduzidos através de eletrodutos; d. Verificar a existência de alguma obstrução na saída do conjunto de válvulas de segurança.

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9.14 TREINAMENTO E ENTREGA DO MANUAL DE OPERAÇÃO Nesta etapa, o instalador deverá ensinar ao responsável pelo recebimento da instalação como operar o sistema, apresentado a localização de acessórios, quadro de comando e demais componentes. Cabe também ao instalador fornecer, quando aplicável, o projeto executivo as-built, a anotação de responsabilidade técnica (ART), os certificados de garantia e demais documentações pertinentes ao sistema.

9.15 MANUTENÇÃO A manutenção de um sistema de aquecimento solar de pequeno porte, quando corretamente instalado é bem simples.

9.15.1 Manutenção preventiva

Mensal � Lavagem dos coletores com água e sabão neutro no período da manhã; � Verificar a vedação dos coletores; � Verificar o funcionamento do sistema de anticongelamento, caso existente; � Verificar o funcionamento dos sensores de temperatura e as configurações do controlador diferencial de temperatura; � Verificar a regulagem do termostato; Semestral � Verificar estado do isolamento térmico; � Verificar e colocar em funcionamento o conjunto de válvulas; � Conferir as vedações da bomba hidráulica e a estanqueidade do sistema; Anual � Realizar a drenagem do sistema para limpeza; � Verificar a existência de formação de corrosão em algum item do sistema; � Verificar o estado de funcionamento do sistema auxiliar.

9.15.2 Manutenção corretiva

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PROBLEMA CHECAR CAUSA PROVÁVEL SOLUÇÃO

Coletores Coletores danificados Substituir

RegistrosRegistros do reservatório fechados

ou danificadosAbrir registros

Inclinação das tubulações

Ar no circuito hidráulico Retirar o ar do circuito

Tubulação de distribuição

Vazamento Localizar o vazamento e reparar

Desconfigurado Reconfigurar

Descontinuidae do cabeamento Checar o cabeamento e reparar

Sensores danificados Substituir

Bomba hidráulica Bomba danificada Reparar ou susbtituir

Resistências queimadas Substituir

Termostato danificado Substituir

Termostato desregulado Regular

Sujeira no orifício do piloto Limpar e abrir o orifício

Válvula piloto defeituosa Substituir

Termostato de acioanmento defeituoso

Reparar

Ajuste impróprio da chama piloto de gás

Reajustar

Usuários Consumo excessivoChecar a dimensionamento do

sistema

Aquecedor auxiliarPonto de ajuste do termostato muito

altoReduzir a temperatura de ajuste

do termostato

Sensor de temperatura Calibração imprópria Checar; recalibrar e substituir

Dimensionamento Sistema superdimensioando Checar dimensionamento

UsuáriosÁgua quente não esta sendo

utilizada

Escoar parte da água quente para reduzir a temperatura do

reservatórioVálvula eliminadora de

arVedação defeituosa Substituir

Válvula anticongelamento

Válvula em operaçãoChecar condições de

funcionamentoTubulação rompida devido a

congelamentoReparar ou substituir.

Tubulação defeituosa Reparar ou substituir.

Falta água quente

Controlador diferencial de temperatura

Aquecedor auxiliar (elétrico)

Aquecedor auxiliar (gás)

Água sai pelo telhado

Água muito quente

Tubulação do coletor

98

Unidade 10

Referências Bibliográficas ABNT – Norma Brasileira de Instalação Predial de Água Quente – NB 128. ABNT – Norma Brasileira de Execução de Instalações de Sistemas de Energia Solar que

utilizam coletores solares planos para aquecimento de água– NBR 12269 ABNT – Norma Brasileira de Projeto e Execução de Instalações Prediais de Água Quente –

NBR 7198. ABNT – Norma Brasileira de Instalação Predial de Água Fria – NBR 5626 ABRAVA – Manual de Aquecimento Solar (1998). ASHRAE – Active Solar Heating Systems Design Manual – ASHRAE (1988). BECKMAN, W. A., KLEIN S. A. and DUFFIE, J. A., Solar Heating Design by the f-Chart

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99

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Solares de Médio e Grande Portes, FAPEMIG, 1998 SIEGEL, R; HOWELL,J.R.- Thermal Radiation Heat Transfer, 3ª ed., Hemisphere

Publishing Corporation, USA (1992).

100

ANEXO I – Perdas de carga localizadas – comprimento equivalente em metros

de tubo de PVC rígido ou cobre

101

ANEXO II – Ábaco de Fair-Whipple-Hsiao para tubulações de cobre e plástico

102

ANEXO III – Relatório do Mercado

Evolução histórica do mercado de aquecimento solar entre os anos 2000 e 2006.

O gráfico da figura 1 mostra a evolução da área instalada anualmente e da área acumulada de coletores solares no Brasil.

Mercado Brasileiro de Aquecimento Solar

0

100.000

200.000

300.000

400.000

500.000

600.000

2000 2001 2002 2003 2004 2005 2006

Ano

Áre

a C

olet

ora

Inst

alad

a no

ano

(m

2)

0

500.000

1.000.000

1.500.000

2.000.000

2.500.000

3.000.000

3.500.000

Áre

a C

olet

ora

Acu

mul

ada

em O

pera

çao

(m2)

Nova Área Coletora Instalada(m2)

Área Coletora Acumulada em Operacao(m2)

Figura 1 – Gráfico da evolução do mercado de aquecimento solar no Brasil

Fonte: ABRAVA-Departamento Nacional de Aquecimento Solar Tabela – Área Coletora Instalada por ano (m2)

AnoAnoAnoAno 2000200020002000 2001200120012001 2002200220022002 2003200320032003 2004200420042004 2005200520052005 2006Novos Instalados (m2)Novos Instalados (m2)Novos Instalados (m2)Novos Instalados (m2) 260.000 480.000 310.000 323.700 389.100 394.658 434.331

Figura 2 – Tabela da área coletora instalada por ano no Brasil Fonte: ABRAVA-Departamento Nacional de Aquecimento Solar

Tabela - Área Coletora Instalada Acumulada* (m2)

AnoAnoAnoAno 2000200020002000 2001200120012001 2002200220022002 2003200320032003 2004200420042004 2005200520052005 2006Área em Operação (m2)Área em Operação (m2)Área em Operação (m2)Área em Operação (m2) 949.947 1.209.335 1.687.125 1.993.045 2.314.110 2.700.458 3.112.105

Figura 3 – Tabela da área coletora acumulada * em operação no Brasil Fonte: ABRAVA-Departamento Nacional de Aquecimento Solar

Indicadores energéticos do aquecimento solar

103

Os números propostos pela European Solar Thermal Industry Federation (ESTIF) e o programa para o Aquecimento e Arrefecimento Solar da Agência Internacional de Energia (IEA SHC) expressaram, pela primeira vez em 2004, a contribuição do aquecimento não mais em função da área instalada, mas em termos da potência gerada. O fator de conversão recomendado é de 0,70 kWth para cada metro quadrado de área de coletores solares. De acordo com esse índice, os aquecedores solares instalados no Brasil gerariam uma potência equivalente a 2178 MWth, Este valor é cerca de 19% inferior ao obtido na simulação feita para o caso brasileiro, que forneceu 0,86 kWth/ m2. Uma justificativa para tal discrepância pode estar associada aos menores níveis de irradiação solar na Europa. Entretanto, o valor europeu tem sido adotado também em vários estudos e projeções para o Brasil, tornando–os bastante conservativos e seguros.

0,0

500,0

1.000,0

1.500,0

2.000,0

2.500,0

3.000,0

Pot

ênci

a S

olar

Inst

alad

a (M

Wth

)

2000 2001 2002 2003 2004 2005 2006Ano

Potência Solar Instalada ( MWth)

Potencia (Indice IEA)

Potencia (Indice IEA corrigido para o Brasil)

Figura 4 – Gráfico da potência solar instalada

Fonte: ABRAVA-Departamento Nacional de Aquecimento Solar Outro indicador utilizado para avaliar o aquecimento solar no Brasil é da demanda retirada da ponta. A instalação de sistemas de aquecimento solar permite a intensa redução da demanda máxima instantânea de energia elétrica no Brasil reduzindo as pressões de investimentos do setor elétrico em capacidade de geração adicional somente para o atendimento ao habito de banho atrelado ao uso do chuveiro elétrico no Brasil.

104

USINA SOLAR VIRTUAL ADICIONADA

(Demanda Retirada do Horário de Ponta por ano)

48,62

57,9760,53

72,76 73,80

81,22

89,76

0,00

10,00

20,00

30,00

40,00

50,00

60,00

70,00

80,00

90,00

100,00

2000 2001 2002 2003 2004 2005 2006

Ano

Usi

na E

quiv

alen

te (

MW

)

Figura 5 – Tabela da área coletora instalada por ano no Brasil Fonte: ABRAVA-Departamento Nacional de Aquecimento Solar

Investimentos Economizados na Matriz Energética Brasileira

145,9

269,3

173,9181,6

218,3 221,4

243,7

0,0

50,0

100,0

150,0

200,0

250,0

300,0

2000 2001 2002 2003 2004 2005 2006

Ano

Milh

ões

de R

eais

Milhoes de reais Economizados

Figura 6 – Gráfico investimentos economizados na matriz energética do Brasil Fonte: ABRAVA-Departamento Nacional de Aquecimento Solar

105

Economia anual de energia ( GWh)

433,2

375,9

322,1

277,4

234,8

168,3132,2

0,0

50,0

100,0

150,0

200,0

250,0

300,0

350,0

400,0

450,0

500,0

2000 2001 2002 2003 2004 2005 2006

ano

(GW

h)

economia de energia por ano ( GWh)

Figura 7 – Gráfico economia anual de energia com a utilização do aquecimento solar no Brasil

Fonte: ABRAVA-Departamento Nacional de Aquecimento Solar Considerações para os cálculos: Penetração do aquecimento solar no setor residencial para substituição do chuveiro elétrico: 85% Área coletora média por domicílio: 4m2 Potência do chuveiro elétrico: 4,4 kW Fator de coincidência do uso do chuveiro elétrico no horário de ponta: 20% (Fonte: CEMIG; PROCEL) População total do Brasil: 184.572.979 Número de domicílios: 53.579.515 Número de domicílios com aquecimento solar: 661.322 Demanda de Potência Total Retirada da Ponta: 582 MW Postergação de Investimentos no Setor Elétrico: R$ 1.745.891.141,00 Número de domicílios com aquecimento solar: 661.322 Penetração do aquecimento solar no setor residencial: 1,23% Economia de energia em 2006: 433,2 GWh

Indicadores ambientais do aquecimento solar A geração de energia descentralizada e em pequena escala pode contribuir consideravelmente para a proteção do clima global e, ao mesmo tempo, ter um importante papel na melhoria da qualidade de vida. Os aquecedores solares de água são particularmente promissores já que a tecnologia é uma das mais simples e baratas fontes de energia renovável, com uma relação custo-benefício bastante favorável para a redução de emissões de gases-estufa e da poluição local causada pela queima de combustíveis fósseis em caldeiras. Segundo pesquisa encomendada pela ABRAVA, a instalação de 1 m2 de coletor solar para o aquecimento de água evita o uso de 215 quilos de lenha por ano, ou de 66 litros de diesel por ano ou

106

ainda de 55 quilos de gás por ano, dependendo do combustível substituído pelo aquecedor solar. Segundo a mesma pesquisa, quando substitui aquecedores elétricos, cada 1 m2 de aquecedor solar evita a inundação de aproximadamente 56 m2 de terras férteis que seriam utilizadas para a construção de hidrelétricas. Os aquecedores solares são uma alternativa excelente para prover a água quente desejada nas habitações, no comércio e nos serviços, e têm muito a contribuir para a mitigação dos impactos socioambientais do setor elétrico brasileiro. A tecnologia apresenta amplas vantagens ambientais, econômicas e sociais: por substituir hidroeletricidade e combustíveis fósseis, cada instalação de aquecedores solares reduz de uma vez e para sempre o dano ambiental regional e local associado às fontes de energia convencionais: não produz gases e materiais particulados que contribuem para a poluição urbana, não requer área alagada adicional para geração de eletricidade e não deixa lixo radiativo como uma herança perigosa para as gerações futuras. Quando substituem combustíveis fósseis, os aquecedores solares reduzem a poluição ambiental por óxidos de nitrogênio, monóxido de carbono, dióxido de enxofre, compostos orgânicos voláteis e material particulado, trazendo grandes benefícios ao ar urbano. Hoje é reconhecida e respeitada a política pública e liderança política que avança com a aplicação difundida das tecnologias de energias renováveis no combate às mudanças climáticas, como é o caso do aquecimento solar. “Metas firmes para penetração dos aquecedores solares deveriam ser estabelecidas com confiança na esfera federal, estadual e municipal, pelos próximos 20 anos no Brasil, assim como já é feito em vários locais do mundo.

Emissões anuais evitadas ( Toneladas de CO2)

37.022

47.131

65.751

77.674

90.187

105.244

121.287

0

20.000

40.000

60.000

80.000

100.000

120.000

140.000

2000 2001 2002 2003 2004 2005 2006

ano

Ton

elad

as d

e C

o2

emissões evitadas ( Toneladas de CO2)

Figura 8 – Gráfico emissões anuais evitadas de CO2

Fonte: ABRAVA-Departamento Nacional de Aquecimento Solar Considerações para os cálculos: Fator de emissão: 0,28 kg CO2/ kWh economizado Emissões evitadas de CO2 (2000-2006): 544.295 toneladas de CO2

107

Indicadores sociais do aquecimento solar

A estruturação da indústria brasileira de aquecimento solar evidencia um dos aspectos socais positivos da tecnologia solar advindos da modularidade de suas aplicações, da descentralização de sua produção gerando mais empregos por unidade de energia. A tabela 4 mostra o número de postos de trabalho estimados na instalação, operação e na manutenção de equipamentos de geração de fontes de energia distintas.

FonteFonteFonteFontePostos de Trabalho anuais por Postos de Trabalho anuais por Postos de Trabalho anuais por Postos de Trabalho anuais por

Terawatt-horaTerawatt-horaTerawatt-horaTerawatt-horaNuclear 75PCHs 120

Gás Natural 250Hidroeletricidade 250

Petróleo 260Petroleo Offshore 265

Carvao 370Lenha 733 - 1.067Eólica 918 -2.400Álcool 3.711 - 5392

Solar( Fotovoltaica) 29.580 - 107.000 Figura 9 – Postos de trabalho gerados por diferentes fontes de energia

Fonte: Goldemberg,J. Coelho, S.T; Nastari, P.M.; Lucon,O. Ethanol learning curve- the Brazillian esperience

A tecnologia termossolar segue a mesma lógica da geração de empregos da indústria solar fotovoltaica e segundo estudo realizado pela ABRAVA-Associação Brasileira de Refrigeração, Ar Condicionado, Ventilação e Aquecimento, através de seus Departamentos de Economia e de Aquecimento Solar, o setor gera aproximadamente 55 empregos por MWth implantado, conforme mostrado na figura 10.

Empregos Gerados por ano no Setor de Aquecimento Solar

10.010

18.480

16.722

11.935

12.462

14.980

15.194

0

2.000

4.000

6.000

8.000

10.000

12.000

14.000

16.000

18.000

20.000

2000 2001 2002 2003 2004 2005 2006

Ano

Núm

ero

de E

mpr

egos

Empregos gerados por ano

Figura 10 – Gráfico de empregos gerados por ano

Fonte: ABRAVA-Departamento Nacional de Aquecimento Solar

108

Indicadores econômicos do aquecimento solar

Com o desenvolvimento tecnológico e amadurecimento da indústria nacional nos últimos 10 anos, o Brasil começa a se tornar um pólo exportador da tecnologia solar de aquecimento de água como evidencia a o gráfico da figura 10. As exportações de 2001 a 2005 apresentaram um crescimento acumulado de 4256% com uma média anual de 157%.

Comércio Exterior no Setor de Aquecimento Solar

USD -

USD 50.000

USD 100.000

USD 150.000

USD 200.000

USD 250.000

USD 300.000

USD 350.000

USD 400.000

USD 450.000

Ano

Val

ores

TOTAL EXPORTAÇÃO

TOTAL IMPORTAÇÃO

TOTAL EXPORTAÇÃO USD 9.291 USD 11.715 USD 86.753 USD 225.688 USD 404.741 USD 313.364

TOTAL IMPORTAÇÃO USD 348.006 USD 191.112 USD 103.352 USD 254.815 USD 357.595 USD 288.359

2001 2002 2003 2004 2005 2006

Figura 11 – Comércio exterior no setor de aquecimento solar

Fonte: ABRAVA-Departamento Nacional de Aquecimento Solar

Não obstante, tem sido também fundamental para uma maior inserção das empresas do Solar no mercado externo o Programa ABRAVA Exporta, uma parceria da ABRAVA com a APEX-Brasil (Agência de Promoção de Exportações e Investimentos) para promover as exportações do setor de Refrigeração, Ar Condicionado, Ventilação e Aquecimento. O projeto foi implementado em 2004 e contou com a participação da Heliotek, Soletrol, Transen e Tuma, bem como da Enalter e Polisol em ações isoladas. Em junho dá-se início à nova fase do ABRAVA Exporta com a adesão de novas empresas (Astrosol, Colsol, Maxtemper e Pantho), que participarão de feiras internacionais como a Intersolar (Alemanha) e Climatización (Espanha) e missões empresariais ao Oriente Médio e América do Sul.

109

Participacao dos Paises na Exportação em 2006

USD 69.714

USD 64.257

USD 33.398

USD 32.074

USD 21.856

USD 18.961

USD 17.942

USD 9.296

USD 3.886

USD 826

USD 517

USD 118

USD - USD 10.000 USD 20.000 USD 30.000 USD 40.000 USD 50.000 USD 60.000 USD 70.000 USD 80.000

Emirados Árabes

Portugal

Angola

Colômbia

Venezuela

Argentina

Uruguai

Chile

Peru

África do Sul

Espanha

Austrália

Pai

ses

Valores

TOTALEXPORTAÇÃO

Figura 12 – Destinos das exportações brasileiras

Fonte: ABRAVA-Departamento Nacional de Aquecimento Solar

Origem das importações no setor de aquecimento solar

USD 281.320

USD 3.335

USD 2.276

USD 1.428

97,6%

1,2%

0,8%

0,5%

USD - USD 50.000 USD 100.000 USD 150.000 USD 200.000 USD 250.000 USD 300.000

Israel

Estados Unidos

Grécia

China

Paí

ses

Valores

Figura 13 – Origem das importações brasileiras

Fonte: ABRAVA-Departamento Nacional de Aquecimento Solar

110