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MANUAL DE CAPACITAÇÃO EM PROJETOS DE SISTEMAS DE AQUECIMENTO SOLAR

Edição Abril de 2008

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Unidade 1- Panorama do Mercado Mundial O MANUAL O conteúdo programático deste manual pode ser resumido no diagrama de blocos a seguir:

Figura 1.1 – Conteúdo programático

A primeira parte do manual trata dos conceitos teóricos da radiação e geometria solares, visando aperfeiçoar 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. A planilha de simulação oferece condições para o aluno simular e compreender os assuntos abordados. 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 e orientado pelo bom senso haja vista a grande importância de se projetar sistemas com consumos racionais de água. O último bloco Distribuição será dedicado às peculiaridades das instalações solares de pequeno, médio e grande porte, sendo incluídos aspectos técnicos inerentes à hidráulica de água quente, além da apresentação do QUALISOL- Programa de Qualificação de Fornecedores de Sistemas de Aquecimento Solar do INMETRO. 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. Este manual trata também de aspectos de dimensionamento, projeto, instalação e manutenção de sistemas de aquecimento solar sob a ótica da NBR 15569, norma brasileira que aborda o tema. 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 manual.

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IMPORTANTE: Este manual é uma versao preliminar e ainda será revisado e construido em rede com todos vocês leitores e estudiosos da energia solar. Sua contribuição é muito importante. Comentarios,sugestões, perguntas e críticas devem ser enviadas para os seguintes endereços eletrônicos: diretoria@dasolabrava.org.br cidadessolares@cidadessolares.org.br INTRODUÇÃO Os recursos energéticos são utilizados pelo homem para satisfazer algumas de suas necessidades básicas na forma de calor e trabalho. A disponibilidade destes recursos é um dos principais fatores para o desenvolvimento das nações e não menos importantes devem ser suas formas de conversão e utilização. O extraordinário crescimento da população mundial determina a maciça utilização de energia elétrica e de combustíveis fósseis, entre eles, o carvão, petróleo e o gás natural. Muitas alternativas energéticas estão disponíveis e vem sendo desenvolvidas e aplicadas em diversos países: energia eólica, biomassa, MCHS (mini e micro centrais hidrelétricas) e PCHS (pequenas centrais hidrelétricas), energia solar térmica e energia solar fotovoltaica. Dentre estas, a energia solar térmica para o aquecimento de água tem despertado interesse mundial principalmente devido à sua importância social, econômica, ambiental e tecnológica e à abundância do recurso solar em todas as regiões do planeta. Hoje o aquecimento solar é uma das principais políticas públicas do planeta no combate às mudanças climáticas. Em Dezembro de 2007, a International Union for Conservation of Nature, realizou uma pesquisa que procurou avaliar quais tecnologias disponíveis que inspiravam mais confiança em sua capacidade de combater o aquecimento global. A pesquisa foi aplicada durante a reunião da Convenção do Clima da ONU (UNFCCC), realizada em Bali e o resultado apresentou que a solução com maior índice de aprovação na pesquisa, foi o uso de energia solar para aquecimento de água (74%). Nesta pesquisa, a IUCN ouviu mil integrantes de governos, de organizações não governamentais e do setor industrial de 105 países. O atual estágio de crescimento e desenvolvimento das nações exigindo uma crescente e muitas vezes insustentável exploração dos recursos naturais permite-nos criar e antever cenários nos quais o aquecimento solar venha a ser aproveitado em grande escala, principalmente no Brasil, que tem condições de se tornar uma referência mundial no aproveitamento do recurso solar.O Brasil tem um enorme potencial de aproveitamento da energia solar: praticamente todas suas regiões recebem mais de 2200 horas de insolação com um potencial equivalente a 15 trilhões de MWh, correspondente a 50 mil vezes o consumo nacional de eletricidade. Neste manual as aplicações práticas da Energia Solar são tratadas em sentido mais restrito, incluindo-se apenas aquelas que decorrem da incidência da radiação solar sobre coletores solares para geração de calor.

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O AQUECIMENTO SOLAR NO CONTEXTO INTERNACIONAL O mercado mundial de aquecedores solares começou a crescer a partir da década de 70, mas expandiu significativamente durante a década 90 e como resultado deste crescimento houve um aumento substancial de aplicações da tecnologia, da qualidade e confiabilidade e modelos de produtos disponíveis. Segundo relatório publicado em 2007 pela IEA - Agencia Internacional de Energia, os principais países utilizadores da tecnologia de aquecimento solar são destacados no mapa da figura 1.2 São 45 países ao todo que representam aproximadamente 59% da população global e cerca de 90 % do mercado de aquecimento solar mundial.

Figura 1.2 - Principais países utilizadores do aquecimento solar

Fonte: IEA- Solar Heat Worldwide – Markets and Contribution to the Energy Supply 2007(dados de 2005)

O mercado de aquecimento solar é geralmente avaliado sob a ótica de quatro indicadores comparativos utilizados globalmente e reportados anualmente pela IEA. São eles: 1 - Área coletora instalada acumulada dada em metros quadrados – m2; 2 - Área coletora instalada acumulada per capita dada em metros quadrados por mil habitantes – m2/ 1.000 habitantes 3 - Potência instalada acumulada de coletores solares dada em MWth 4 - Potência instalada acumulada per capita dada em MWth por cem mil habitantes. Os dois primeiros indicadores foram muito utilizados até o ano de 2004, mas diante da necessidade crescente de comparar o aquecimento solar com outras fontes de energia em termos de potência, especialistas da IEA definiram uma fator de conversão entre metros quadrados de coletores solares e potência nominal em MWth (potência térmica):

1 m2 de coletor solar ↔ 0, 7 kWth

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Ao final de 2005, havia 159 milhões de metros quadrados de coletores solares instalados nestes 45 países, o que representava:

• 110 GWth de potência nominal térmica instalada;

• Produção de 66.406 GWh de energia;

• Redução da emissão de 29,3 milhões de toneladas de CO2 por ano. As figuras 1.3 e 1.4 mostram a participação de alguns dos principais atores da tecnologia solar em todo o mundo.

Paises Área Coletora Paises Área ColetoraChina 75.000.000 Canada 723.124

Estados Unidos 29.141.546 Holanda 620.400Turquia 9.000.000 Italia 533.000

Alemanha 7.401.000 Dinamarca 350.240Japao 6.999.449 Portugal 285.800

Australia 5.150.000 Suecia 278.825Israel 4.800.000 Reino Unido 201.160Grecia 3.047.200 Tunisia 143.000Austria 3.008.612 Polonia 122.740Brasil 2.700.468 Belgica 101.783

Taiwan 1.425.700 Nova Zelandia 93.950India 1.250.000 Barbados 77.232

França 913.868 Rep Thceca 65.550Espanha 796.951 Hungria 37.700Chipre 784.000 Albania 32.680

Africa do Sul 781.500 Noruega 13.500Mexico 728.644 Finlandia 10.380

Figura 1.3 – Área coletora instalada nos principais países utilizadores do aquecimento solar Fonte: IEA- Solar Heat Worldwide – Markets and Contribution to the Energy Supply 2007 ( dados de 2005)

Potência Solar Per Capita Potência Solar Per CapitaKWth por 1000 Habitantes KWth por 1000 Habitantes

Chipre 657,00 Suécia 17,63Israel 498,00 NovaZelândia 15,92

Austria 205,36 Holanda 13,21Barbados 200,49 Espanha 12,95

Grécia 191,82 Brasil 10,14Turquia 86,07 Tunisia 9,91Australia 59,15 França 9,24

Alemanha 56,30 Eslovaquia 8,32Dinamarca 42,32 Albania 7,31

Taiwan 41,58 Italia 6,23China 39,90 Estados Unidos 5,21Japao 38,25 Macedonia 5,16

Eslovenia 37,83 Belgica 4,60Suiça 35,60 Republica Tcheca 4,49Malta 33,71 Africa do Sul 3,54

Luxemburgo 20,17 Hungria 2,42Portugal 19,06 Reino Unido 2,36

PaisesPaises

Figura 1.4 – Potência per capita de coletores solares instalada nos principais países utilizadores do aquecimento solar

Fonte: IEA- Solar Heat Worldwide – Markets and Contribution to the Energy Supply 2007 ( dados de 2005)

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Os números de tabela 1.4 mostram a real penetração dos aquecedores solares nos diferentes países, pois considera a área coletora instalada per capita. Conclui-se que no Brasil existe ainda uma baixa penetração dos aquecedores solares. No cenário mundial, os lideres da maioria dos países elaboram programas de governo que criam diferentes políticas publicas para incentivar e obrigar o uso dos aquecedores solares e o impacto destas iniciativas nos diferentes mercados poderá ser analisado anualmente nos relatórios da IEA e nas publicações e relatórios emitidos pela ABRAVA (www.dasolabrava.org.br), entidade que congrega e representa a cadeia produtiva de aquecedores solares no Brasil.

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Unidade 2- Os Benefícios do Aquecimento Solar O AQUECIMENTO SOLAR NO BRASIL

Estudos e levantamentos estatísticos realizados pela ABRAVA-Associação Brasileira de Refrigeração, Ar Condicionado, Ventilação e Aquecimento, através de seus Departamentos de Economia e de Aquecimento Solar caracterizam a evolução histórica do mercado de aquecimento solar entre os anos de 2002 e 2007. O gráfico da figura 2.1 mostra a evolução da área instalada anualmente e da área acumulada de coletores solares no Brasil.

Figura 2.1 – Evolução do mercado de aquecimento solar no Brasil

Fonte: ABRAVA

A IMPORTÂNCIA ESTRATÉGICA DO AQUECIMENTO SOLAR NO BRASIL No Brasil, a utilização de chuveiros elétricos para aquecimento de água é disseminada como em nenhum outro país do mundo. Esta prática se intensificou na década de 70, com a crise do petróleo e com o incentivo ao uso de equipamentos elétricos. Nesta mesma década o Brasil iniciou a construção de diversos empreendimentos hidrelétricos, havendo excedente de energia no mercado, e nenhuma preocupação eminente quanto ao uso destes chuveiros e de outros aparelhos consumidores de energia elétrica. Como resultado, os chuveiros elétricos são produzidos em larga escala e conseqüentemente possuem baixo custo inicial, além de apresentarem grande simplicidade de instalação. Esses fatores criaram condições para que tais equipamentos fossem largamente disseminados nas residências brasileiras. No entanto, em longo prazo, essa solução tecnológica traz uma série de malefícios para o setor de energia elétrica, principalmente nos horários de ponta, quando a demanda de energia elétrica atinge seu pico diário.

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Esse fato ficou bastante evidenciado no ano de 2001, quando a demanda por energia elétrica superou a oferta e houve os “apagões” de energia. Ressalta-se que, nesse período, o aquecimento solar de água experimentou um crescimento de 80% em relação ao verificado nos anos anteriores. Considerando as instalações de chuveiros elétricos, de acordo com a ELETROBRAS/PROCEL estes estão presentes em cerca de 91% dos lares brasileiros. A figura 2.2 a seguir apresenta a quantidade média de chuveiros por residência instalados em cada região do Brasil. O número médio de chuveiros por residência no Brasil é de 0,91, ou seja, quase um chuveiro por residência, com concentração maior nas regiões Sul, Sudeste e Centro-Oeste.

0,02

0,55

1,041,10

1,17

0,91

0,0

0,2

0,4

0,6

0,8

1,0

1,2

1,4

N NE CO SE S Brasil

Número de ch

uveiros por residên

cia

Figura 2.2 – Penetração do chuveiro elétrico por região do Brasil

Fonte: PROCEL- Programa Nacional de Conservação de Energia Elétrica

A figura 2.3 a seguir representa uma curva típica da demanda de energia diária da Companhia de Força e Luz da cidade de São Paulo (CPFL). Percebe-se claramente que há uma demanda acentuada nos horários entre 17 e 22 horas, com uma participação considerável do setor residencial.

Figura2.3 Desagregação da curva de carga típica da CPFL, 1993.

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Nos horários de pico de consumo de energia, a demanda total cresce bastante no setor residencial em decorrência principalmente da realização dos banhos. Este fato é representado na figura 2.4, a seguir, curva de carga típica da Concessionária de Energia do Estado de Minas Gerais (CEMIG), em que se mostra a separação das principais cargas típicas (chuveiro, TV e VCR dentre outras) de uma residência em Belo Horizonte.

Figura 2.4-Curva de carga do sistema CEMIG, (fonte: CEMIG)

O PROCEL estima que existam mais de 30 milhões de chuveiros elétricos instalados no Brasil. Esses equipamentos, além de consumirem cerca de 8% de toda a eletricidade produzida no país, são responsáveis por aproximadamente de 18% do pico de demanda do sistema elétrico nacional. Este último fato evidencia a importância estratégica dos aquecedores solares devido ao fato de reduzirem a demanda de energia nos horários críticos do dia. Falando mais claramente, 18% do pico de demanda, significa dizer que 18% de todas as usinas construídas no Brasil estão construídas somente para ligar o chuveiro elétrico no horário de ponta. Isto significa que se investiram muitos recursos financeiros para construir usinas com potência total de 18.000 MW, o que quer dizer que em 2008, Itaipu (14.000MW) e mais um conjunto de termelétricas de mais 4000 MW estão construídas somente para ligar o chuveiro elétrico e perpetuar um modelo complexo de geração, transmissão e distribuição de energia elétrica para aquecer água a 40 oC. Os chuveiros elétricos são grandes consumidores de energia e, apesar de eficientes, do ponto de vista de conversão de energia elétrica em térmica, seu uso, não é, de forma alguma, eficiente, sob o ponto de vista da utilização da eletricidade. Converter energia elétrica, com a qual se faz praticamente qualquer coisa, em água quente a 40oC, com o que apenas toma-se banho, á a forma mais displicente e irracional de utilização da energia elétrica sob a ótica da física. A substituição dos chuveiros elétricos por sistemas de aquecimento solar de água proporciona a redução significativa da demanda energética no horário de ponta e do consumo de energia elétrica. Somente no ano de 2007, foram economizados no Brasil com o aquecimento solar cerca de 620 GWh, energia suficiente para abastecer 350.000 residências brasileiras consumindo cerca de 145 kWh por mês.

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Os quase 730.000 domicílios brasileiros que já usavam os aquecedores solares ao final de 2007 representam, entretanto, apenas 1,48% de todos os domicílios do país, uma penetração muito baixa se comparada com Israel, por exemplo, onde mais de 90% das casas usam o Sol para aquecer água. Cada vez mais o aquecimento solar faz sentido econômico para seus usuários, pois com os preços cada vez mais altos de eletricidade e do próprio gás, as economias de 60 a 80% que a tecnologia proporciona, reduzem o tempo de retorno do investimento para menos de 2 anos. Se todo o dinheiro economizado pelos usuários dos aquecedores solares, fosse depositado em uma única conta de banco, somente com as economias de 2007, a poupança atingiria valores da ordem de 295 milhões de reais. Além das economias diretas obtidas pelos consumidores, os impactos econômicos podem ser extrapolados para todo o país. O aquecimento solar já economizou para o Brasil e seus cidadãos 1,94 bilhão de reais, recursos equivalentes e bem conservadores, necessários à construção de uma usina hidrelétrica de 645 MW. Para se entender claramente o potencial do aquecimento solar no Brasil basta dizer que somente 1,48 % de todas as casas possuíam a tecnologia ao final de 2007. Em Israel, onde o aquecimento solar é item obrigatório em todas as edificações do país, fez com que em 20 anos, 90% das residências se convertessem para o aquecedor solar. Se tomarmos este número como referência, certamente um número ambicioso (mas necessário), até 2030 o Brasil teria uma quantidade de coletores solares para aquecimento de água equivalente a um parque de usinas de 40.000 MW, ou seja, o equivalente a 30 usinas nucleares como Angra, 300 três Marias ou ainda 3 Itaipus. Pensar em sustentabilidade com inteligência e clareza é migrar de um modelo complexo para um modelo simples, descentralizado, gratuito, renovável e inesgotável como mostra a figura 2.5 a seguir.

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Figura 2.5-Migrando do sistema complexo para o simples

BENEFÍCIOS AMBIENTAIS DO AQUECIMENTO SOLAR Apesar de sua matriz energética relativamente limpa, o Brasil sofre com impactos ambientais e sociais da geração de energia e tem como contribuir nesta área para o esforço global de mitigação das mudanças climáticas. O fato das hidroelétricas serem relativamente baixas emissoras de gases-estufa não as torna totalmente limpas e sustentáveis. Um documento assinado por centenas de Organizações Não Governamentais brasileiras e internacionais encaminhado em junho de 2004 à Conferência Internacional Pelas Energias Renováveis, realizada em Bonn, Alemanha, sintetiza os impactos sociais das grandes hidrelétricas na visão da sociedade civil organizada: citando a Comissão Mundial de Barragens, o documento afirma que “as grandes barragens são responsáveis pelo desalojamento de 40 a 80 milhões de pessoas (no mundo), com muitos dos deslocados recebendo nenhuma ou inadequada compensação. Milhões de pessoas têm também perdido suas terras e modos de vida e têm sofrido por causa dos efeitos à jusante e de outros impactos indiretos das grandes barragens”. O documento também alerta para os impactos ambientais das grandes hidrelétricas, por estas serem emissoras de gases estufa, já que “a decomposição da matéria orgânica nos reservatórios das hidrelétricas causa a emissão de metano e gás carbônico”, e por serem “um importante fator no rápido declínio da biodiversidade fluvial no mundo todo”. O mesmo documento alerta para a possível alteração hidrológica motivada pelas mudanças climáticas globais causadas pelo aquecimento global, que ao alterar o regime de chuvas pode implicar redução notável da geração hidrelétrica (“Doze Razões para Excluir as Grandes Barragens das Iniciativas para Energias Renováveis”, documento disponível em www.irn.org) Por conta dos problemas acima descritos, a expansão da hidroeletricidade no Brasil hoje encontra diversos problemas que vão das dificuldades de licenciamento a uma enxurrada de processos judiciais que têm dificultado grandemente a implantação de novas usinas. Numa escala menor, mas ainda importante, eletricidade e calor têm sido gerados por meio de queima de combustíveis fósseis no país tanto em termelétricas conectadas à rede quanto em geradores isolados, caldeiras e fornos localizados em áreas urbanas. Estes usos também contribuem com a poluição local e são matéria de preocupação ambiental por conta de, por um lado, apresentarem tendência de crescimento e, por outro, serem de difícil controle, dada sua dispersão geográfica. 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

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nitrogênio, monóxido de carbono, dióxido de enxofre, compostos orgânicos voláteis e material particulado, trazendo grandes benefícios ao ar urbano. Além de apresentar estas vantagens concretas, a instalação de aquecedores solares em escala contribui para diversas metas globais que foram definidas a partir da ECO-92 no Rio de Janeiro. Particularmente contribui com as diretrizes da Agenda 21 Brasileira, que no seu objetivo número 4 propugna entre suas ações e recomendações “desenvolver e incorporar tecnologias de fontes renováveis de energia, levando em consideração a disponibilidade e a necessidade regional”, e também com a Declaração do Rio, adotada na Rio 92, que prevê em seu PRINCÍPIO 8 que "para atingir o desenvolvimento sustentável e a mais alta qualidade de vida para todos, os Estados devem reduzir e eliminar padrões insustentáveis de produção e consumo". BENEFÍCIOS SOCIAIS DO AQUECIMENTO SOLAR Os aquecedores solares de água contribuem também para o desenvolvimento econômico de diversas maneiras. Por exemplo, não demandando investimentos de capital elevados para sua produção, podem ser produzidos por empresas de pequeno e médio porte, reconhecidamente importantes geradoras de empregos. A descentralização intrínseca nesta tecnologia também é responsável por importante geração de empregos em revendas, empresas de projeto e de instalação. O quadro abaixo apresenta o número de postos de trabalho criados por unidade de energia gerada em diversas fontes de energia. Nitidamente pode-se observar que fontes que dependem de grandes concentrações de capital e manejo de fontes fósseis geram quantidades de postos de trabalho bastante inferiores àquelas descentralizadas e renováveis. Enquanto a hidroeletricidade pode gerar cerca de 250 postos de trabalho por TWh, a tecnologia solar fotovoltaica pode gerar de entre 30 mil a 100 mil postos de trabalho para a mesma quantidade de energia. Apesar do caso solar exemplificado no quadro 6 ser o fotovoltaico, estima-se que os aquecedores solares, pelas suas características, gerem um número de postos de trabalho de magnitude assemelhada.

Quadro 1. Postos de trabalho gerados por diferentes formas de energia

Fonte de energia

Postos de trabalho anuais por

TeraWatt-hora

Nuclear 75 PCHs 120 Gás natural 250 Hidroeletricidade 250 Petróleo 260 Petróleo offshore 265 Carvão 370 Lenha 733 – 1.067 Eólica 918 – 2.400 Álcool 3.711 – 5.392 Solar (fotovoltaica) 29.580 – 107.000 Fonte: Ethanol learning curve–the Brazillian experience; Goldemberg, J; Coelho,S.T.; Nastari,P.M.; Lucon,O; disponível em Pergamon – www.sciencedirect.com; publicado por Elsevier Ltd; 2003

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Adicionalmente, e ainda no âmbito local e regional, efeitos econômicos benéficos também são induzidos por meio de economias significativas de combustível ou energia elétrica, de maneira que o investimento em aquecedores solares de água se paga em períodos de 3 anos, ou até menos em certos casos. Para famílias de baixa renda, a experiência de instalação de aquecedores solares em habitações de interesse social tem mostrado que a economia na conta de luz pode ser entendida como um fator de distribuição de renda, redução da inadimplência e regularização dos serviços elétricos. No âmbito global os aquecedores solares podem contribuir para a redução de conflitos por controle das fontes fósseis de energia, principalmente do petróleo. A redução da demanda internacional por petróleo propiciada por tecnologias de conservação de energia e pelo emprego de fontes alternativas ao petróleo e renováveis está na agenda do dia dos governos dos países grandes consumidores. 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 e há muitos anos vários programas de governo são escritos mas nenhum deles é oficialmente lançado no Brasil. Com base na experiência já acumulada no Brasil, com a instalação de mais de 3,7 milhões de metros quadrados de área coletora ao final de 2007, pode-se afirmar que a substituição dos chuveiros elétricos e aquecedores a gás por aquecedores solares só tem apresentado vantagens, para todos os setores envolvidos, cujos benefícios e impactos positivos pode ser assim resumidos: 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 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 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.

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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. Para o meio ambiente: evita-se o alagamento de áreas verdes e férteis necessários a construção de usinas hidrelétricas e reduz-se a emissão de CO2 na atmosfera protegendo o clima do planeta. Cada m2 de coletor solar:

Figura 2.6- Benefícios do aquecimento solar

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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 limpa, renovável e inesgotável. O SOL O Sol, nossa fonte de luz e de vida, é a estrela mais próxima de nós e a que melhor conhecemos. Basicamente, é uma enorme esfera de gás incandescente, em cujo núcleo acontece a geração de energia através de reações termo-nucleares.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. O modelo representado na figura 3.1 mostra as principais regiões do Sol. A fotosfera, com cerca de 330 km de espessura e temperatura de 5785 K, é a camada visível do Sol. A palavra vem do grego: photo = luz. Logo abaixo da fotosfera se localiza a zona convectiva, se estendendo por cerca de 15% do raio solar. Abaixo dessa camada está a zona radiativa, onde a energia flui por radiação. O núcleo, com temperatura de cerca de 15 milhões de graus Kelvin, é a região onde a energia é produzida, por reações termo-nucleares. A cromosfera é a camada da atmosfera solar logo acima da fotosfera. A palavra vem do grego: cromo = cor. Ela tem cor avermelhada e é visível durante os eclipses solares, logo antes e após a totalidade. Estende-se por 10 mil km acima da fotosfera e a temperatura cresce da base para o topo, tendo um valor médio de 15 mil K. Ainda acima da cromosfera se encontra a coroa, também visível durante os eclipses totais. A coroa se estende por cerca de dois raios solares.

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Figura 3.1 – O Sol

Fonte : http://astro.if.ufrgs.br/esol/esol.htm

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. Tão logo foi conhecida a distância do Sol, em 1673, por Jean Richer (1630-1696) e Giovanni Domenico Cassini (1625-1712) que determinaram a distância (paralaxe) de Marte e com esta estimaram a unidade astronômica como 140 milhões de km (150 milhões de km é o valor atual), foi possível determinar a sua luminosidade e sua potência. 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 ( extraterrestre), conforme apresentado na figura 3.2. Segundo Duffie e Beckman, seu valor mais atual da constante solar é de 1367 W/m2. Esse valor da constante solar é medido por satélites logo acima da atmosfera terrestre.

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Figura 3.2 – A constante solar

Fonte : ADEME, 2002

Essa constante corresponde a um valor máximo da irradiação solar, pois é medida antes que ocorra qualquer tipo de atenuação por nuvens, aerossóis, poluição ou absorção pelos próprios elementos constituintes da atmosfera terrestre. Visite o site http://www.if.ufrgs.br/oei/exp/fsol.htm para conhecer um experimento de como determinar o valor desta constante solar através de experimento prático. Ao atravessar a atmosfera terrestre, entretanto, condições climáticas e locais introduzem modificações na intensidade e espectro da radiação, além de alterar sua direção original. Assim, a irradiação solar incidente sobre os coletores solares é decomposta em duas componentes como mostra a figura 3.3:

• Radiação solar direta: definida como a fração da irradiação solar que atravessa a atmosfera terrestre sem sofrer qualquer alteração em sua direção original.

• Radiação difusa: refere-se à componente da irradiação solar que, ao atravessar a atmosfera, é espalhada por aerossóis, poeira, ou mesmo, refletida pelos elementos constituintes dessa atmosfera. A parte da radiação que atinge o coletor proveniente da emissão e reflexão de sua vizinhança, caracterizada pela vegetação e construções civis, também é incluída em sua componente difusa, sendo comumente denominada albedo.

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Figura 3.3 – Componentes da Radiação Solar

Fonte : ADEME, 2002

COORDENADAS GEOGRÁFICAS: LATITUDE, LONGITUDE E ALTITUDE As coordenadas terrestres permitem a localização de um ponto sobre a superfície terrestre ou sua vizinhança, possibilitando calcular as grandezas envolvidas no estudo da geometria solar para a cidade ou região específica de interesse.

Latitude Geográfica (φφφφ) corresponde à posição angular em relação à linha do Equador, considerada de latitude zero. Cada paralelo traçado em relação ao plano do Equador corresponde a uma latitude constante: positiva, se traçada ao Norte e negativa, se posicionada ao sul do Equador. Os Trópicos de Câncer e de Capricórnio correspondem às latitudes de 23o 27’ ao Norte e ao Sul, respectivamente, compreendendo a região tropical.

Longitude geográfica (L) é o ângulo medido ao longo do Equador da Terra, tendo origem no meridiano de Greenwich (referência) e extremidade no meridiano local. Na Conferência Internacional Meridiana foi definida sua variação de 0o a 180o (oeste de Greenwich) e de 0o a –180o (leste de Greenwich). A Longitude é muito importante da determinação dos fusos horários e da hora solar.

Altitude (Z) equivale à distância vertical medida entre o ponto de interesse e o nível médio do mar.

Como será visto adiante, coordenadas geográficas influenciam significativamente a radiação solar incidente em cada localidade. Informações mais completas estão disponíveis nas Normais Climatológicas publicadas pelo Instituto Nacional de Meteorologia [INMET, 2000].

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OS MOVIMENTOS DA TERRA E AS ESTAÇÕES DO ANO A Terra descreve uma órbita em torno do Sol, encontrando-se este num dos focos. O plano que contém esta trajetória e a de todos os planetas denomina-se plano de eclíptica. Os movimentos da Terra, mostrados na figuras 3.4, podem ser sucintamente descritos como

movimento de rotação: a terra roda sobre si mesma e completa uma rotação num dia, percorrendo a sua trajetória num ano e 6 horas. De 4 em 4 anos acerta-se o calendário com um ano bissexto.

movimento de translação em torno do Sol, em uma órbita elíptica cujo período

orbital é de 365,256 dias. Como o eixo polar possui uma inclinação de 23,45º em relação à normal do plano da órbita terrestre, à medida que a Terra orbita em torno do Sol, os raios solares incidem mais diretamente em um hemisfério do que no outro. Assim, há verão com dias mais longos e inverno com dias de menor duração.

Figura 3.4 – Movimento de Translação da Terra Fonte: ANEEL- Atlas http://www.aneel.gov.br/aplicacoes/atlas/pdf/03-Energia_Solar(3).pdf

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. Uma observação simples que permite "ver" o movimento do Sol durante o ano é através do gnômon. Como mostrado na figura 3.5. Um gnômon nada mais é do que uma haste vertical fincada ao solo. Durante o dia, a haste, ao ser iluminada pelo Sol, forma uma sombra cujo tamanho depende da hora do dia e da época do ano. A direção da sombra ao meio-dia real local nos dá a direção Norte-Sul. Ao longo de um dia, a sombra é máxima no nascer e no ocaso do Sol, e é mínima ao meio-dia. Ao longo de um ano (à mesma hora do dia), a sombra é máxima no solstício

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de inverno, e mínima no solstício de verão. A bissetriz marca o tamanho da sombra nos equinócios, quando o Sol está sobre o equador. Foi observando a variação do tamanho da sombra do gnômom ao longo do ano que os antigos determinaram o comprimento do ano das estações, ou ano tropical.

Figura 3.5 – Usando o gnômon para identificar os movimentos do Sol

Fonte: http://astro.if.ufrgs.br/tempo/mas.htm

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

No solstício de inverno, que corresponde ao dia 21 de junho no Hemisfério Sul, temos a maior noite do ano. Para descrever a trajetória do Sol no céu, é conveniente adotar um sistema de coordenadas fixo na Terra e assumir que o Sol se move em uma órbita circular em torno da Terra. Neste caso, em ambos os equinócios, o Sol encontra-se sobre o plano do Equador, correspondendo, assim, a dias e noites iguais, com 12 horas de duração. No solstício de verão (22/12), o Sol encontra-se sobre o Trópico de Capricórnio, localização correspondente à cidade de São Paulo, sendo, assim, verão no Hemisfério Sul. Isto significa que neste dia, às 12 horas, o Sol passa no ponto mais alto do céu na cidade de São Paulo, como mostra a figura 3.7. Este fenômeno é popularmente conhecido como “sol a pino”, ou seja, tomando-se uma linha vertical (zênite) sobre um observador na cidade de São Paulo às 12 horas, o ângulo que o raio solar faz com a linha zenital é zero. Para um observador instalado no Equador, este ângulo será de 23,45º ao Sul. No solstício de inverno(21/06), o Sol encontra-se sobre o Trópico de Câncer, estando a 23,45º a Norte, ao meio-dia solar, em relação a um observador no Equador. Dessa forma, conside-randose o movimento relativo do Sol em torno da Terra, podemos concluir que sua trajetória anual fica compreendida entre os trópicos de Câncer e Capricórnio, como mostra a figura 3.7.

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Figura 3.6 –A órbita da Terra

Fonte : http://members.tripod.com/meteorologia/estacao.html

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 –Trajetória anual do Sol

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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====δδδδ

365

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. Identifique os dias do ano no qual você tem Sol a pino em sua cidade.

Figura 3.8 –Declinação Solar

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

Figura 3.9 - Declinação Solar para os meses do ano

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GEOMETRIA SOLAR O melhor aproveitamento do recurso solar é um dos requisitos para garantir o bom funcionamento da instalação, menor investimento na implantação do sistema, além de uma maior economia ao final do mês. A instalação correta e otimizada de uma bateria de coletores solares exige uma definição prévia das inclinações e orientações mais adequadas, as quais variam em função da posição geográfica da localidade em estudo e do perfil de consumo de água quente. 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. Como será discutido a seguir, o correto posicionamento dos coletores solares visa promover:

• Maior período diário de insolação sobre a bateria de coletores;

• Maior captação da radiação solar em determinadas épocas do ano ou em médias anuais, dependendo do tipo de aplicação requerida ou de particularidades do uso final da água quente. 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 (declividade). Neste caso, devemos fazer a correção necessária com base em cálculos trigonométricos simples. A declividade corresponde geometricamente à tangente do ângulo de inclinação. Na prática, a declividade corresponde à razão ou fração entre a altura e a base do triângulo retângulo formado pelo ângulo de inclinação, como mostra a figura 3.11.

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Normalmente a declividade é indicada em percentual, mas pode também aparecer na forma decimal.

17°

4,0 m

1,2 m

Figura 3.11 – Medidas e inclinação do telhado

Observe a figura 3.11, tirando as medidas internas do telhado temos:

Altura = 1,2 m;

Distância = 4 m; Dividindo a altura pela distância, nós encontramos a inclinação do telhado em porcentagem,

sendo:

Inclinação = 1,2 / 4 = 0,3 = 30% de inclinação que corresponde a 17º.

Existe um artefato chamado inclinômetro que pode ser utilizado na prática da instalação e para utilizá-lo basta apoiá-lo sobre o telhado e fazer a leitura direta em graus no visor.

A tabela 3.1 indica uma série de ângulos e suas respectivas tangentes ou declividades:

Tabela 3.1 – Ângulos de inclinação e declividades

Ângulo Tangente Declividade

2o 0,03 3%

5o 0,09 9%

7o 0,12 12% 10o 0,18 18% 12o 0,21 21% 15o 0,27 27% 17

o 0,31 31% 20

o 0,36 36% 22

o 0,40 40% 25o 0,47 47% 27o 0,51 51% 30o 0,58 58% 35o 0,70 70% 40

o 0,84 84% 45

o 1,00 100% 50

o 1,19 119% 55o 1,43 143% 60o 1,73 173%

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65o 2,14 214% 70o 2,75 275%

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 3.12. 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

γ < 0: a leste do Sul γ > 0: a oeste do Sul

Figura 3.12 - Ângulo Azimutal de Superfície

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Este ângulo permite avaliar o período efetivo de insolação sobre a bateria de coletores solares e é mais comumente referenciado como ângulo de desvio de norte geográfico ou de orientação geográfica dos coletores solares. Na planilha solar tanto o conceito de desvio do norte geográfico como do ângulo azimutal podem ser trabalhados simultaneamente para consolidar o conhecimento. 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 (sempre no sentido horário) da declinação magnética a partir da indicação do Norte Magnético pela bússola, como mostra a figura 3.13. Essa correção varia localmente e a cada ano e é dada na tabela 3.2 para as capitais brasileiras. O calculo da declinação magnética também pode ser feito no seguinte site: http://www.ngdc.noaa.gov/seg/geomag/jsp/struts/calcDeclination

N

E

S

W N

E

SW

NORTEMAGNÉTICO MAGNÉTICO

NORTE

NORTEGEOGRÁFICO

1º PASSO 2º PASSO 3º PASSO

N

W

S

E

Figura 3.12 – Declinação magnética

Tabela 3.2 – 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

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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

POSICIONANDO CORRETAMENTE OS COLETORES SOLARES Parece intuitivo que a melhor inclinação para uma bateria de coletores solares seria aquela que permitisse “levar” esses mesmos coletores para onde o Sol está em cada dia do ano. Dessa forma, seriam compensadas a latitude local e a declinação solar. Como os coletores solares são instalados fixos devemos nos guiar com por alguns critérios: Critério 1 – Média anual: Neste caso, a média aritmética calculada a partir das inclinações ótimas nos respectivos solstícios de verão e inverno, coincide com a própria latitude da localidade de interesse, ou seja :

βfixa = lφl onde φ é a latitude local. Critério 2 – Favorecimento do Inverno: Este critério é muitas vezes aplicado devido à maior demanda de água quente no período de inverno. Neste caso, recomenda-se:

βfixa = lφl + 10° onde φ é a latitude local. Critério 3 – Períodos de pico de demanda de água quente: Como, por exemplo, o aquecimento solar de água para hotéis na região nordeste do Brasil. Na maioria dos casos, a alta temporada coincide com os meses de verão, portanto o projeto solar deverá contemplar essa especificidade. Utilize sua planilha de simulação para verificar a variação da radiação solar média anual e mensal e verifique como os valores variam com a alteração da inclinação. Da mesma forma, parece intuitivo que a orientação ideal do coletor solar seria aquela que possibilitasse os coletores enxergar o Sol durante a maior parte do dia e do ano. Como regra prática atende-se às orientações apresentadas na figura 3.14.

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Figura 3.14 – Desvios do Norte Geográfico ( ângulos azimutais de superfície)

Observe que os coletores solares podem ser instalados tanto para leste quanto para Oeste, mas para obterem o mesmo desempenho que teriam se orientados para o norte, devem ter sua área acrescida. Falaremos mais disto quando estudarmos os temas dimensionamento e fração solar. Com um desvio para o Leste, o período diário de captação adiantar-se-á em uma hora a cada 15º de desvio. Se o desvio for para o Oeste, a captação retardar-se-á na mesma proporção, mas com um ligeiro acréscimo de rendimento, já que no período da tarde a temperatura ambiente geralmente é mais elevada. Utilize a planilha solar para simular os níveis de incidência solar em planos de diferentes inclinações e orientações. Anote os valores das médias mensais de radiação e mais importante do que isto, observe criticamente o comportamento mensal da curva de radiação nestes planos. ÂNGULOS RELATIVOS À GEOMETRIA SOLAR Neste item 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.

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Ângulo horário (ωωωω): 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 por 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 (θθθθz): é o ângulo formado entre a vertical (zênite) em relação ao observador e a direção do Sol, mostrado na figura 3.15. O ângulo zenital varia entre 0º e 90º, sendo calculado pela seguinte equação :

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

θz

Figura 3.15 - 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)

(((( ))))

tan tan - arcos

tan tan - cos

s

s

δδδδφφφφ====ωωωω

δδδδφφφφ====ωωωω

31

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 (θθθθ): é o ângulo formado entre a normal à superfície e a reta determinada pela direção da radiação direta, como representa a figura 3.16.

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 3.15 - Ângulo de Incidência da Radiação Solar Direta

Vamos fazer algumas simplificações para fixação do uso da equação 3.5:

Para superfície horizontal - ββββ = 0

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

cos θ = senδ senφ + cos δ cos φ cos ω

(((( ))))δδδδφφφφ==== tan tan - arcos 15

2 N

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

Para ângulo azimutal de superfície γγγγ = 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 ωωωω = 0 e γγγγ = 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 ) CÁLCULO DA RADIAÇÃO SOLAR GLOBAL INCIDENTE SOBRE 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 manual, 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 e possibilitara estimar o desempenho destes durante o ano. 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

−+

++

=

βρ

βgTH

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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 pôr-do-sol aparente para a superfície inclinada, dado pela equação:

Tabela 3.3 – 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

(((( ))))δδδδφφφφωωωω++++ωωωωδδδδφφφφ

ππππ++++

ππππ==== sensensencoscos

365

d2cos033,01

3600x24ss

sc0

GH (3.8)

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

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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 3.4.

Tabela 3.4 - 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:

o

T

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.

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

s s −−−−ωωωω++++ωωωω++++==== KH

H

35

Etapa 4 – Cálculo da razão RB Etapa 5 – Cálculo de HT pela equação 3.6 Utilize sua planilha solar para consolidar os conceitos apresentados neste capitulo.

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Unidade 4- O Coletor Solar Plano TRANSFERÊNCIA DE CALOR NO COLETOR SOLAR O coletor solar é basicamente um dispositivo que promove o aquecimento de um fluido de trabalho, como água, ar ou fluido térmico, através da conversão da radiação eletromagnética proveniente do Sol em energia térmica.

No coletor solar busca-se, sempre, a maximização da energia absorvida e a minimização das perdas desta energia. De acordo com a NBR 15569, os coletores solares devem ser conforme ABNT NBR 10184 e devem ser capazes de operar nas faixas de pressão, temperatura e demais condições especificadas em projeto, incluindo resistência de exposição direta à radiação solar. A escolha de um tipo de coletor solar depende basicamente da temperatura de operação requerida em determinada aplicação prática, como mostra a figura 4.1.

Figura 4.1 – Coletores solares por aplicação e por níveis de temperatura

No Brasil os coletores solares mais usados são os planos sem cobertura, na sua maioria usados para o aquecimento de piscinas e os coletores solares planos com cobertura para fins sanitários e para água quente de processos. O aquecimento de piscinas a temperaturas entre 26 e 34 oC é normalmente promovido por coletores solares abertos. Essa designação é utilizada, pois tais coletores não possuem cobertura transparente nem isolamento térmico. Apresentam ótimo desempenho para baixas temperaturas o qual decresce significativamente para temperaturas mais elevadas. São fabricados predominantemente em material polimérico como polipropileno e epdm. Deve-se ficar muito atento, pois materiais plásticos sem o devido tratamento contra radiação UV se desgastam em menos de um ano e portanto os coletores solares devem ser resistentes ao Sol de modo que

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durem 20 anos. Recentemente tem-se falado de coletores feitos de PVC e garrafas pet e cabe lembrar que estes materiais NÃO são aplicáveis na sua forma final para fabricação de coletores solares destinados ao aquecimento de água nos padrões de durabilidade e saúde exigidos. Os coletores solares fechados são utilizados para fins sanitários, atingindo temperaturas da ordem de 70 a 80 oC e são os mais utilizados no Brasil. Entender alguns tópicos de transferência de calor torna mais clara nossa compreensão sobre os parâmetros construtivos dos coletores solares. Tente identificar os principais mecanismos de transferência de calor que acontecem em um coletor solar e fique atento aos seguintes pontos:

• 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, 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

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função, servindo de cobertura aos coletores e, ainda, protegendo-os das intempéries aos quais estão permanentemente expostos;

• 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.

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 4.2 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)

39

Para o Sol, considerando a temperatura de 5800K, µmax = 0,5µm. Ou seja, o Sol emite radiação numa faixa de 0 a 3µm, sendo que a potência emissiva máxima ocorre para a radiação de 0,5µm. Admitindo, agora, que a placa coletora atinja uma temperatura média de 100oC (373K), pela Lei de deslocamento de Wien µmax = 7,8µm. Assim, como esperado, a 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. Na figura 4.3 mostra-se as curvas típicas de transmissividade espectral para vidros lisos com diferentes espessuras. Observe que o vidro é transparente no comprimento de onda da emissão do Sol ( banda solar) mas é opaco nos comprimentos de onda emitidos pela placa absorvedora, o que comumente chamamos de efeito estufa.

Figura 4.3 - Transmitância do vidro - Fonte: Adaptado de Meinel e Meinel

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. Como nosso objetivo é aumentar o máximo possível a temperatura de equilíbrio da placa do coletor, busca-se maximizar a energia absorvida por ela na banda solar e, portanto, empregar tintas com alta absortividade nessa região do espectro. Como pretendemos também minimizar a energia emitida pela mesma placa, agora na chamada banda de emissão, devemos buscar tintas que emitam menos energia nessa faixa de comprimentos de onda. É o que chamamos de pinturas seletivas. A Figura 4.4 mostra o comportamento uma superfície seletiva real de óxido de cromo sobre níquel

40

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 do coletor solar plano com cobertura, como pode ser visto na figura abaixo, fica assim constituído:

Cobertura

Aleta

Flauta

Isolamento

Caixa

Figura 4.5 - Componentes do Coletor Solar

Basicamente, um coletor solar plano fechado é constituído por como mostra a figura 4.5:

• Caixa externa: geralmente fabricada em perfil de alumínio, chapa dobrada, aço inox, ou material plástico e que suporta todo o conjunto. A missão da caixa é proteger do vento, da chuva, da poeira, suportar os diversos componentes do coletor e atuar como união com a estrutura através dos elementos de fixação necessários. Não é aceitável ter de trocar um coletor,

41

ou a caixa, antes do tempo de vida normal desta, que deve ser pelo menos de 15 anos.A caixa deve ser estanque às entradas de ar e água e resistente à corrosão. Deverão selar-se todas as possíveis juntas, mas terá de haver um sistema de compensação depressão interior que não permita a entrada de água.

• Isolamento térmico: minimiza as perdas de calor para o meio. Fica em contato direto com a caixa externa, revestindo-a. Os materiais isolantes mais utilizados na indústria nacional são: lã de vidro ou de rocha e espuma de poliuretano. A precaução mais importante é o seu comportamento com a temperatura, já que no verão e com a instalação parada, pode ultrapassar os 100º C. O envelhecimento e a umidade são dois fatores a se levar em conta, pois desta maneira perdem-se grande parte das características isolantes.

• Tubos (flauta / calhas superior e inferior): tubos interconectados através dos quais o fluido escoa no interior do coletor. Normalmente, a tubulação é feita de cobre devido à sua alta condutividade térmica e resistência à corrosão.

• Placa absorvedora (aletas): responsável pela absorção e transferência da energia solar para o fluido de trabalho. As aletas metálicas, em alumínio ou cobre, são pintadas de preto fosco ou recebem tratamento especial para melhorar a absorção da energia solar.

• Cobertura transparente: geralmente de vidro, policarbonato ou acrílico que permite a passagem da radiação solar e minimiza as perdas de calor por convecção e radiação para o meio ambiente.

As qualidades fundamentais que devem ter são: o Ter uma boa transparência ( perto de 90%) o Provocar o efeito estufa e reduzir as perdas por convecção, melhorando o

rendimento do coletor. o Assegurar a estanqueidade do coletor à água e ao ar. As coberturas dos

coletores devem resistir à pressão do vento, e aos choques térmicos. Tratamentos especiais que podem ser aplicados à cobertura transparente são de dois tipos:

o Um tratamento anti-reflexo sobre a superfície exterior para diminuir as perdas por reflexão dos raios solares incidentes.

o Um tratamento na superfície interior, para que reflita as radiações de elevado comprimento de onda, e não impeça a passagem da radiação de curto comprimento, para diminuir as perdas por radiação.

• Vedação: importante para manter o sistema isento da umidade externa.

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.

42

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 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 4.6 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.

43

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

Em Regime Permanente:

perdasabsorvidoútil QQQ −= (4.4)

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)

44

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)

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

útil

RQ

QF = (4.10)

Então,

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

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

45

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

−−=

G

TTUFF

A

A ambfiLRpcR

ext

)(ατη (4.13)

Os gráficos de n versus (Tfi-Tamb)/G como mostrado na figura 4.7, 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 sistema de aquecimento solar.

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

Eficiência Térmica (%)

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:

−−=

p

L

L

pR

cm

FUA

UA

cmF

&

& 'exp1

. (4.16)

46

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.

47

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

Espessura Mínima da Placa (mm)

Alumínio

Cobre

UL = 6,5W/m2 ºC

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

48

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

Espessura Mínima da Placa

(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.

A planilha solar tem como dados de entrada o FR(ττττcααααp) e o FR(UL). Estas grandezas são avaliadas nos ensaios dos coletores solares realizados no contexto do PBE- Programa Brasileiro de Etiquetagem. Daí a grande importância do programa no contexto de se fazer um projeto de engenharia correto. Estas grandezas são especificas para cada coletor solar no Brasil e no mundo e devem ser requisitadas pelos projetistas aos fabricantes de equipamentos ou ainda retiradas da tabela do INMETRO. http://www.inmetro.gov.br/consumidor/tabelas.asp No anexo IV encontra-se mais informações sobre o PBE – Programa Brasileiro de Etiquetagem de Coletores Solares.

49

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. Os reservatórios térmicos de acumulação da água quente em instalações de aquecimento solar são dimensionados para garantirem a demanda diária de água quente do consumidor final na temperatura requerida pela aplicação 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. Estudos recentes realizados na Inglaterra e disponíveis em (http://www.bsee.co.uk/news /fullstory.php

/aid/3618/Managing_the_risk_from_Legionnaires_disease_.html) estabelecem os cuidados básicos no armazenamento de água (quente e fria). Tais critérios, que visam evitar a proliferação de bactérias como a Legionella, são assim enumerados: 1. O volume armazenado de água quente e fria deve ser reduzido ao mínimo necessário. Reservatórios devem ser fechados para prevenir a entrada de material orgânico. 2. Isolamento dos componentes para que as temperaturas permaneçam fora da faixa crítica de crescimento das bactérias, entre 20 e 50oC. Para a Legionella, a faixa ótima de crescimento está entre 35 e 46oC, sendo instantaneamente destruída em temperaturas superiores a 70oC. Para valores acima de 50oC, essa bactéria sobrevive no máximo entre 5 e 6 horas, segundo Jaye et al [2001] em um estudo nacional realizado para os bombeiros hidráulicos da Nova Zelândia. 3. Emprego de materiais metálicos e inorgânicos nas conexões e acessórios das tubulações. 4. Limpeza regular das partes vulneráveis do sistema 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 como mostra a figura 5.1.

50

Figura 5.1 - O reservatório térmico

De acordo com a NBR 15569, os reservatórios térmicos devem ser conforme ABNT NBR 10185 e devem ser capazes de operar nas faixas de pressão, temperatura e demais condições especificadas em projeto, incluindo resistência de exposição direta à radiação solar (se aplicável). 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;

• Alguns materiais metálicos necessitam de proteção interior contra corrosão, seja mediante pintura tipo epóxi ou esmaltagem. Em regiões de água muito agressiva haverá necessariamente a necessidade de um anodo de sacrifício (geralmente de magnésio) para proteger o reservatório.

• 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. Por exemplo, no mercado brasileiro, essa espessura varia entre 0, 4 e 0,8mm para o aço inoxidável, em valores aproximados;

• Deve ser resistente termicamente às oscilações de temperaturas;

Isolamento térmico:

• 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 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:

51

( ) iiefpRT NTTVcQ

−=

∆

efV pc

t -Us

amb e - 1 ρ

ρ (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. Para o poliuretano, de uso muito difundido no Brasil, a espessura normalmente empregada é, aproximadamente, 50 mm para um tanque de 100 litros e 20 mm para um tanque de 1000 litros.

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 Tipos de Reservatórios Térmicos Os reservatórios térmicos podem ser classificados usualmente de várias maneiras:

• Quanto ao seu posicionamento físico os reservatórios são classificados em horizontal e vertical

• Quanto a pressão de trabalho, são classificados como de alta e baixa pressão;

• Quanto seu funcionamento podendo operar em desnível ou em nível com caixa de água fria;

• Quanto ao tipo de troca de calor, em circuito direto (sem trocadores de calor) ou indireto ( com trocadores de calor). A correta seleção dos reservatórios térmicos é fundamental para o bom desempenho de uma instalação de aquecimento solar.

52

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, conseqüentemente, 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, favorecendo a estratificação. No entanto, muitas vezes o projeto arquitetônico não comporta tal configuração adotando-se, então, a posição horizontal. Os reservatórios fabricados com materiais maus condutores (como é o caso dos reservatórios plásticos) também favorecem a estratificação.

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

Ainda que a energia contida nos 2 reservatórios térmicos seja a mesma, o dono da instalação 1 fica mais satisfeito pois tomará mais banhos quentes que o dono da 2ª instalação que terá de usar o apoio convencional. Para fomentar a estratificação é importante a existência de dispositivos que impeçam a projeção água da rede ( fria) que entra, em direção a saída, como é o caso do difusor ( bengala) mostrada na figura. A existência do difusor faz com que a água fria que entra, funcione como um embolo que empurra a água quente sem se misturar. Mais adiante veremos que uma correta associação de reservatórios térmicos em instalações de médio e grande porte, permite obter uma melhor estratificação da temperatura. Para encontrar os reservatórios térmicos etiquetados visite o site do INMETRO: http://www.inmetro.gov.br/consumidor/tabelas.asp

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Unidade 6- Dimensionamento de Instalações de Aquecimento Solar e a Economia Anual de Energia

O dimensionamento adequado de um sistema de aquecimento solar (SAS) não é uma tarefa simples, exigindo o conhecimento prévio dos hábitos de consumo de água quente pelos usuários finais, com base em uma análise criteriosa do tipo da construção que receberá os coletores solares, disponibilidade de radiação solar nas condições específicas da obra, fatores climáticos locais e desempenho térmico dos produtos, dentre outros. O organograma da figura 6.1 evidencia as principais etapas a serem cumpridas para um correto dimensionamento de uma instalação de aquecimento solar. .

Figura 6.1–Etapas para o correto dimensionamento de uma instalação de aquecimento solar

A visita técnica, caracterizada como Passo 1 do Dimensionamento, evidencia a necessidade de se identificar as expectativas do empreendedor ou usuário final quanto ao nível de conforto e economia a serem atingidos com uso do sistema de aquecimento solar através de questionários, pesquisa de hábitos, etc. Nessa oportunidade, é feita também uma avaliação prévia dos locais disponíveis na obra para inserção dos componentes de uma instalação. Neste caso, em obras já construídas a visita técnica ao local é de fundamental importância. No caso de obras novas, entenda-se como visita técnica a analise em conjunto com o empreendedor das plantas de projeto da edificação. 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.

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DEMANDA DE ÁGUA QUENTE Para dimensionar a necessidade de água quente dos usuários, caracterizada pelo volume diário de água quente e temperatura de operação requerida, é importante ter-se conhecimento prévio de padrões de consumo para diferentes edificações brasileiras, em função das classes sociais e das aplicações finais para o setor residencial, industrial e de serviços O levantamento da demanda de água quente é feito com base em informações gerais obtidas a partir de:

• Normas de Instalações Prediais de Água Quente, como NB128 e NBR7198;

• Pesquisa de hábitos dos usuários potenciais;

• Observação, sensibilidade e bom senso;

• Experiência.

Para promovermos este dimensionamento, pode-se 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. Entretanto, 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

Entretanto, uma análise simples dos valores apresentados nessa tabela nos leva a buscar explicações: - Por que o hóspede de um hotel consumiria água quente de modo similar ao morador de um casa popular? - Por que o morador de um apartamento gastaria mais água quente do que o de uma residência? No Brasil, tem-se, ainda, grande carência de informações sistematizadas sobre o perfil de consumo de água quente no setor residencial. Por causa de tais paradoxos, é que bom senso, observação

55

crítica e conhecimento prévio da aplicação e tipologia construtiva se tornam tão importantes no dimensionamento da demanda diária de água quente. A forma de dimensionamento mais adequada 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.

Tabela 6.2 – Vazão e temperatura de água quente de equipamentos Peças Consumo mínimo

Consumo máximo

Ciclo diário

(minuto/pessoa) Temperatura de consumo (oC)

Ducha de banho 6,6 l/min 12,0 l/min 10 39 – 40

Lavatório 3,0 l/min 4,8 l/min 2 39 – 40

Ducha Higiênica 3,0 l/min 4,8 l/min 2 39 – 40

Banheira 80 l 440 l banho 39 – 40

Pia cozinha 3,0 l/min 4,8 l/min 3 39 – 40

louças (12 pessoas)

20 l 20 l ciclo de lavagem 39 – 50

Máquina de lavar roupa 90 l 200 l ciclo de lavagem 39 – 40

Fonte :NBR 12269

Em boa parte das residências onde são instalados chuveiros de potência até 5200W, a vazão do banho é limitada pelo próprio equipamento entre 4 e 6 litros/minuto. Uma vazão racional de banho ficaria entre 7 e 10 litros por minuto mas existem usuários que optam por vazões irracionais de água com duchas de 20, 30, 50 litros por minuto. Este tipo de uso de água quente não condiz com a realidade de desenvolvimento sustentável e deve ser evitada por todos projetistas que podem lançar mão de redutores de vazão por exemplo, até que exista uma necessária regulamentação nacional que limite as vazões das duchas fabricadas no país, a números mais racionais. CONSUMO DE ÁGUA – PENSAR RACIONALMENTE PARA NÃO FALTAR NO FUTURO Debater tecnologias usando o tema sustentabilidade como premissa básica e necessária, exige uma análise criteriosa de vários pontos de vista e que traduzam o real impacto destas tecnologias no desenvolvimento da sociedade em harmonia com o meio ambiente. Um dos principais temas da atualidade no Brasil e no mundo passa pelo uso dos aquecedores solares. Alguns setores menos informados insistem em dizer que o uso dos aquecedores solares aumenta o consumo de água e esta afirmação não é verdadeira. Vamos analisar duas tecnologias distintas sob o ponto de vista de consumo de água e energia, analisando o chuveiro elétrico e o aquecedor solar. A tabela 6.3 mostra o consumo de água que as duas tecnologias demandam:

Tabela 6.3 – Consumo de água entre aquecedor solar e chuveiro elétrico Tecnologia Aquecedor Solar Chuveiro

Vazão de agua 3 litros por minuto 3 litros por minutoConsumo diário no uso final por domicilio 96 litros 96 litros

Consumo diário na geração de energia elétrica por domicilio 0 48 litrosConsumo no tempo de espera por domicilio 0,75 litros 0

Consumo diário por tecnologia por domicilio 96,75 litros 144 litrosConsumo anual por domicilio 35.313 litros 52.560 litros

56

Um primeiro fato a constatar é que a decisão de usar mais ou menos água é decidida pelo consumidor e exclusivamente por ele. O aquecedor solar também pode ser utilizado com vazão de 3 litros por minuto, a exemplo do que é feito nas mais de 20 mil habitações de interesse social que hoje já usam os aquecedores solares. Portanto as vazões de consumo de água são exatamente as mesmas, ou seja, uma casa com padrão de banho de 3 litros por minuto, 8 minutos de banho e 4 moradores pode usar o chuveiro e o aquecedor solar consumindo para os banhos exatamente a mesma quantidade de água. O aquecimento solar é moderno porque pode ser acoplado a sistemas existentes, pode ser projetado em novas edificações por diferentes métodos, mas quem decide quanto tempo de banho e quais as vazões de água desejadas são os usuários. Hoje o consumidor pode comprar chuveiros e duchas com vazões que vão de 3 a 60 litros por minuto, este último valor demonstra que as mesmas empresas que disponibilizam chuveiros elétricos com vazões racionais entre 4 e 6 litros por minuto, também disponibilizam no mercado duchas e chuveiros com vazões muitíssimo superiores. Mas esta não pode ser o único ponto a ser analisado. Como já comentado no capítulo 1 e revisando aqui, o PROCEL - Programa Nacional de Combate ao Desperdício de Energia Elétrica da Eletrobrás, estima que existam entre 27 e 30 milhões de chuveiros elétricos instalados no Brasil. Esses equipamentos, além de consumirem cerca de 5% de toda a eletricidade produzida no país, são responsáveis por aproximadamente 18% do pico de demanda do sistema elétrico nacional. Por outro lado, para gerar a energia elétrica necessária para ligar o chuveiro elétrico somente no horário de ponta, ou seja, das 18 às 21 horas, se gasta muita água. Como citado, o chuveiro elétrico responde pela construção e operação de 18% de todas as usinas de energia elétrica construídas no Brasil, ou seja, cerca de 18.000 MW de potência no horário de ponta. Neste horário de pico de demanda, várias termelétricas são acionadas para gerar energia para o banho habitual e pouco sustentável do brasileiro. No que concerne ao funcionamento das termelétricas, dois pontos que preocupam especialistas do mundo inteiro, nos parece merecer muita atenção:

• O volume de água necessário à geração do vapor indispensável ao acionamento das turbinas, e

• A poluição emitida pela queima dos combustíveis utilizados nas termelétricas, como o carvão mineral, o óleo combustível, o óleo diesel e o gás natural.

Para ilustrar a preocupação com o consumo de água das termelétricas, vamos comparar o consumo de uma destas com o consumo de uma região metropolitana: a termelétrica de SUAPE, em Pernambuco, localizada a cerca de 50 km do Recife é projetada para gerar 523 MW queimando gás natural e consumindo um volume de água aproximado de 36.000 m³/h (equivalente a 10 m³/s), enquanto a Companhia Pernambucana de Saneamento (COMPESA) fornece aos 3 milhões de habitantes da região metropolitana do Recife cerca de 12 m³/s. Portanto, uma única usina térmica de 523 MW consume mais que o volume d’água fornecido aos habitantes de uma metrópole como o Recife. Por volta de 90% da água utilizada pelas termelétricas evapora, comprometendo assim a disponibilidade hídrica para outros usos na bacia hidrográfica. Se alocarmos o consumo de água das termelétricas aos distintos usos de eletricidade, a quota parte dos chuveiros elétricos é de aproximadamente 48 litros por domicilio como mostra a tabela 6.3

57

Deste resultado podemos afirmar que o uso de aquecedores solares economiza pouco mais de 17.000 litros de água por ano e por domicilio. Para a cidade de São Paulo, com seus mais de 11 milhões de habitantes, a hipotética substituição dos chuveiros por aquecedores solares economizaria mais de 48 bilhões de litros de água por ano, e isto ao longo de 20 anos, vida útil dos aquecedores solares. Não é a toa que Israel, país que sofre de forte escassez hídrica, os aquecedores solares são obrigatórios desde 1980. Por seu lado a poluição gerada pelas termelétricas tem aspectos locais e globais, estes últimos relativos às mudanças climáticas causadas pela queima de combustíveis fósseis. Quanto a este importante problema global, os aquecedores solares têm muito a contribuir. 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

Banheira de Hidromassagem

Lavabo Ducha Higienica

Cozinha

Lavanderia

58

Para preenchimento das planilhas seguintes, identifique uma família e sua classe social. Faca uma analise critica dos resultados obtidos na planilha solar.

0,00

2. Banheira de hidromassagem

0,00

3. Lavabo

0,00

1. Chuveiro - DuchaVazão da ducha (litros/minuto) Tempo estimado de uso

(minutos)Frequência diária

de usoConsumo diário de

água quente

Consumo diário de água quente

Vazão do lavabo (litros/minuto) Tempo estimado de uso (minutos)

Frequência diária de uso

Consumo diário de água quente

Capacidade da banheira (litros)

Frequência semanal de uso

4. Ducha higiênica

0,00

5. Pia da cozinha

0,00

6. Máquina de lavar-louça

0,00

7. Lavanderia

0,00

Massa de roupa seca por semana (kg)

Consumo de água quente por kg de roupa

Consumo diário de água quente

Vazão da pia (litros/minuto) Tempo estimado de uso (minutos)

Frequência diária de uso

Consumo diário de água quente

Consumo de água quente (litros/ciclo)

Frequência diária de uso

Consumo diário de água quente

Vazão da ducha (litros/minuto) Tempo estimado de uso (minutos)

Frequência diária de uso

Consumo diário de água quente

Faça uma analise crítica sobre o uso de água quente nos diferentes pontos. Reflita sobre o uso da água quente e sua necessidade em cada ponto analisando o gráfico de porcentagem de consumo de água quente. A demanda de água quente para outras tipologias de edificações pode seguir outra metodologia, mas sempre deve ser baseada em bom senso e experiências de sucesso. Em muitos casos é possível estimar o consumo de água quente através da analise de contas de energia elétrica, de gás,etc. Em outros, pode ser necessária a instalação de sistemas de medição ( hidrômetros de água quente, medidores de energia,etc) para aferir o real consumo de água quente.

59

O dimensionamento de demanda de água quente feito com a planilha leva em consideração o consumo de água a 40 oC, ou seja, consumo da água já misturada ( quente + fria). Como vimos neste capitulo, para que haja eliminação do risco da Legionella devemos armazenar água aquecida à temperaturas superiores a 50oC. Recomenda-se não passar de 60OC a temperatura média de armazenamento de modo a não aumentar muito as perdas térmicas bem como diminuir o risco de queimaduras. Demanda de Energia 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

1000

VL 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. A planilha solar calcula automaticamente a demanda de energia para o volume de água quente especificado a uma temperatura de banho ou temperatura de consumo está ajustada para 40oC. Ao determinar o volume o volume de água quente a ser armazenado a temperatura média de armazenamento será recalculada. Para facilitar o levantamento dos dados necessários à implantação de sistemas de aquecimento solar, serão disponibilizados para download formulários de inserção da tecnologia solar para diferentes tipologias construtivas. Área Coletora

Determinada a demanda diária de água quente da tipologia construtiva, passa-se para o passo seguinte que é determinar a área de coletores necessária para suprir uma determinada parcela da demanda de energia necessária para atender a esta demanda. A definição da área coletora a ser utilizada para aquecer determinada quantidade de água depende de vários fatores e de alguma experiência do projetista. Uma pergunta bastante freqüente feita pelas pessoas que pretendem substituir o sistema de aquecimento elétrico ou a gás de água pelo sistema solar é: Afinal, qual será a economia que terei em minha conta mensal de energia? Vamos trabalhar o conceito de fração solar e retornamos ao dimensionamento da área coletora ao final deste capitulo.

60

Economia anual de energia elétrica – método da fração solar A economia a ser atingida depende do padrão de consumo de cada tipologia: hábitos dos moradores, eletrodomésticos usados, freqüência de sua utilização e tarifas praticadas pela concessionária de energia elétrica local,etc. Por exemplo, uma residência da classe A onde se utiliza, de forma intensiva, água quente em duchas de elevada vazão, em banhos de longa duração, em banheiras de hidromassagem, na cozinha e lavanderia a conta de energia elétrica ao final do mês é bastante elevada. Entretanto esse valor também é decorrente do uso do ar condicionado em todos os quartos e salas, de fornos elétricos e de microondas, de geladeiras e congeladores de diferentes portes, etc. Neste caso, embora o consumo de água quente seja alto, o impacto na conta mensal de energia elétrica decorrente do aquecimento solar poderá ser relativamente menor ao obtido em uma residência da classe D, que dispõe apenas de uma televisão e geladeira pequena e cuja participação do chuveiro na conta de energia é muito mais significativa do que no primeiro caso. De uma forma geral, pode-se afirmar que a substituição de sistemas convencionais de aquecimento de água por energia solar atende a uma dicotomia do mercado brasileiro: Conforto versus Economia. Em determinadas classes sociais, busca-se intensivamente o maior conforto propiciado pelo aquecimento solar central, enquanto que para a classe média e de baixa renda, a economia obtida torna-se cada vez mais importante e decisiva. Para a avaliação da economia de energia obtida com a utilização do aquecimento solar, nas condições específicas de cada obra, utiliza-se, internacionalmente, o Método da Carta F. Este método avalia a contribuição da energia solar na demanda total de energia para aquecimento de água, conhecida como 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:

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;

61

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;

FRττττcααααp 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:

FR(ττττcααααp) 322

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

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

62

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

Lf

F (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.

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)

Fração Solar - F

40ºC

45ºC

50ºC

55ºC

60ºC

Temperatura de armazenamento

Figura 6.2 – Influência da temperatura de armazenamento na fração solar

Depois de avaliado o conceito da fração solar retorne a planilha solar e vamos entender este processo passo a passo novamente:

63

1- Determinou-se a demanda de água quente e com isto a demanda diária de energia; 2- Estudou-se a inserção da tecnologia, avaliando-se a área disponível para implantação dos coletores solares, sua orientação e inclinação e finalmente quantificou-se a radiação solar disponível na área determinada. 3- Como regra geral, uma instalação de aquecimento solar bem dimensionada apresenta frações solares entre 60 e 80%. 4- Os coletores solares são ensaiados no Brasil, no contexto do PBE- Programa Brasileiro de Etiquetagem e destes relatórios extrai-se 3 importantes grandezas necessárias ao dimensionamento da área coletora e específicos de cada produto disponível no mercado: a. Área unitária de cada modelo de coletor solar b. 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 / INMETRO (

c. FRτcαp 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 5- Inserindo todos estes valores na planilha solar resta ao projetista variar o numero de coletores solares (daquele modelo especifico) proposto para a obra até que a fração solar desejada seja obtida. Muitas vezes esta fração solar é limitada até mesmo pelo espaço disponível. Em obras de médio e grande porte, é necessário dimensionar o numero de coletores que permitam o melhor equilíbrio hidráulico, conceito que vamos estudar na próxima unidade. 6- Varie o numero e tipo de coletores solares ( fechados e abertos, com classificação de A a E nos ensaios do INMETRO) e veja como a fração solar se altera de acordo com os produtos selecionados. Varie também a inclinação e orientação dos coletores solares para ganhar mais intimidade com a planilha e verifique os valores mensais da fração solar. Pratique o uso da planilha solar e mantenha contato conosco, de suas sugestões, aponte dificuldades e nos ajude a aprimorar a ferramenta. Envie e-mail para cidadessolares@cidadessolares.org.br .

64

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

65

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

66

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 auto-regulável 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.

67

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

Diâmetro (mm)

Comprimento equivalente (m) 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.

68

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: 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

69

Lista de materiais - cobre

Item Desc. Qtde

Tubo 22mm 8,7m

Cotovelo 90º 22mm 2

Curva 45º 22mm 2

Tê 22mm 1

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

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.

70

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.

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.

71

Sifão não prejudicial ao escoamento

Ponto de formaçãode bolhas de ar

Figura 7.5 - Formação de sifões na tubulação

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

72

TERMOSSIFÃO COM DOIS TELHADOS

Figura 7.6 – Alternativas construtivas

DISPOSIÇÃO DE COLETORES E RESERVATÓRIO TÉRMICO 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. 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.

73

Figura 7.7- Disposição dos componentes

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 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.

CORRETO

ERRADO

74

1

2

3

4

5

6

Sensor frioSensor quente

Saída paraconsumo

Coletores Solares Válvula de retenção Reservatório Térmico Controlador Diferencial de Temperatura Caixa d´água Bomba

Figura 7.8– Sistema Bombeado

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.

Fabricante: Grundfos Fabricante: Schneider Figura 7.9 – Bombas hidráulicas

75

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

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.

fabricante: Fullgauge

Figura 7.11 – Controlador Diferencial de Temperatura

76

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

presilha

reservatório

térmico

retorno para o reservatório saída para os coletores

coletor

solar

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. 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 30 cm 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

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 15569, 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. 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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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

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

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) 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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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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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; 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.

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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:

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.

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

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.

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

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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 conseqüentemente 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.

Figura 8.7- Associação entre reservatório térmico e sistema de pressurização

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.

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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

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. 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;

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� Seguir as especificações de montagem dos coletores fornecidas pelo fabricante.

Figura 8.10 - Suporte metálico

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

d = h x k ;

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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. 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 conseqüentemente 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.

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).

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

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.

T1

T2

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

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.

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

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.

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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. 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

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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

= N° de coletores x Área útil do coletor x N° de filas de coletores

Figura 8.18 - Cálculo da área útil

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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

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Qo = Au x 72 l/h.m² 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.

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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. 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.

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Cálculo da altura de sucção (Ha)

- 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

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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.

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.

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

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protegido com material que suporte as condições as quais será submetido, garantindo assim, uma vida prolongada ao isolamento.

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.

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:

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� 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. � 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.

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.

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. 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;

102

� 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; � Demais sistemas de acompanhamentos, como medidores de radiação solar,

medidores de vazão, sensores de temperatura auxiliares, hidrômetros e etc. 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.

Figura 8.22. Representação esquemática de um sistema de aquecimento solar com trocador de calor

103

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.

O Brasil tem um programa de qualidade do INMETRO para qualificação de revendas e instaladoras. Este programa é chamado de QUALISOL. O Anexo V traz mais informações sobre o programa e para encontrar as empresas já com o Selo entre no site do INMETRO: http://www.inmetro.gov.br/consumidor/pbeQualisol.asp

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

104

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.

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.

105

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

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.

106

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.

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.

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 . 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

107

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;

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

108

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)

109

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.

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

110

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

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

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.

111

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. � 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

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

112

� 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.

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

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:

113

a. As conexões entre coletores podem ser executadas com luvas soldadas ou luvas de união, as quais facilitam futuras manutenções e substituição de coletores; 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.

INSTALAÇÃO DE SENSORES E QUADRO DE COMANDO

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

114

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 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.

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

115

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;

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;

116

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.

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.

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;

117

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.

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.

MANUTENÇÃO

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

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.

Manutenção corretiva

118

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

reservatório

Válvula eliminadora de ar

Vedação defeituosa Substituir

Válvula anticongelamento

Válvula em operaçãoChecar condições de

funcionamento

Tubulação rompida devido a congelamento

Reparar 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

119

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 Method, Wiley-

Interscience, New York (1977). BENNETT, I., Monthly Maps of Mean Daily Insolation for the United States, Solar Energy, 1965. COLLARES-PEREIRA, M., RABL, A., The average Distribution of Solar Radiation - Correlations between

Diffuse and Hemispherical and between Daily and Hourly Insolation, Solar Energy, V.22, p.155, 1979.

DNMET, Normais Climatológicas : 1961-1990, Brasília, 1992. DUFFIE, J. A., BECKMAN W. A., Solar Engineering of Thermal Processes, John Wiley & Sons, INC, 2ª

Edição, 1991. INCROPERA, F. P. & WITT, D. P. Fundamentos de Transferência de Calor e de Massa. Trad. 3a ed.

Horácio Macedo trad. 4a ed. Sérgio Stamile Soares ( 1998 ), Rio de Janeiro, Livros Técnicos e Científicos Editora S. A.,1992 .

ISO 9459 Part 2, Solar Heating – Domestic Water Heating Systems; Performance Testing for Solar

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MORRISON, G.L., Reverse circulation in thermosyphon solar water heaters, Solar Energy, Vol.36, Num. 4, pp. 377-379, 1986.

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

Corporation, USA (1992).

121

122

ANEXO I – Perdas de carga localizadas – comprimento equivalente em metros de tubo de PVC rígido ou cobre

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

123

124

ANEXO III- O Programa Brasileiro de Etiquetagem

INTRODUÇÃO

O Programa Brasileiro de Etiquetagem para Coletores Solares permite a criação de critérios personalizados para comparar os diferentes modelos de coletores disponíveis no mercado nacional. Representa, pois, uma forma rápida e segura para a seleção do coletor solar que melhor atenda às necessidades de água quente a custos compatíveis. O elenco de ensaios experimentais, normalizados nacional e internacionalmente, foi avaliado e definido pelo Grupo de Trabalho em Energia Solar, GT-SOL, coordenado pelo INMETRO. Esses ensaios, discutidos sucintamente a seguir, fornecem ao consumidor final engenheiros, projetistas e arquitetos, garantias sobre a durabilidade e desempenho térmico dos produtos ensaiados. Para o consumidor leigo, os resultados do Programa estão sumarizados na forma de selo – a Etiqueta do INMETRO. Entretanto, para o projetista de instalações solares são necessárias informações adicionais que constam, apenas, do Relatório Final entregue a cada fabricante. Vamos discutir detalhadamente estas questões. Coletores Solares - Ensaios experimentais Os ensaios experimentais foram divididos em duas etapas, conforme descrito a seguir. 1° Etapa – Eficiência Térmica 1.1 - Eficiência térmica 1.2 a. - Ensaio de estanqueidade (Coletores fechados) 1.2 b. - Pressão hidrostática (Coletores abertos) 1.3. - Ensaio destrutivo 1.4. - Inspeções 2° Etapa – Ensaio Completo 2.1 - Exposição não operacional 2.2 - Choque térmico 2.3 - Eficiência térmica instantânea 2.4 - Fator de correção para o ângulo de incidência 2.5 - Constante de tempo 2.6 - Pressão hidrostática 2.7 - Ensaio destrutivo 2.8 - Inspeções Exposição não-operacional

125

O coletor solar é exposto ao Sol sem a passagem de água em suas tubulações durante 30 dias, consecutivos ou não, em que a radiação solar diária exceda 17MJ/m2. O dia que apresenta esta característica é denominado dia válido. Normalmente, para que este período se complete, o coletor permanece entre 45 e 60 dias em exposição, dependendo da época do ano. A figura a seguir, mostra os coletores em exposição.

. Bancadas de Exposição Não-Operacional – Green Solar

Choque Térmico Durante o ensaio de Exposição não-operacional, são promovidos três choques térmicos a cada período de 10 dias válidos completados. Para que se inicie o teste, é necessário que a radiação solar instantânea no plano do coletor seja superior a 890 W/m2, durante um período mínimo de 1 hora. Observada esta condição, três jatos de água fria com vazão controlada são simultaneamente direcionados para o vidro do coletor, conforme ilustra a figura.

126

Figura Choque Térmico e Estanqueidade

Esse ensaio leva o coletor a condições extremas, sendo um bom indicativo da qualidade dos materiais usados e, principalmente, de sua vedação. Problemas de vedação, evidenciados na figura, podem comprometer, de modo significativo, o desempenho térmico do coletor, assim como seu tempo de vida útil, que, em condições normais de operação, é estimado pelos fabricantes entre 15 e 20 anos. Os fabricantes, cujos coletores apresentarem problemas como quebra de vidro ou infiltração, são imediatamente notificados. Neste caso, o ensaio é interrompido e o coletor solar substituído.

. Problemas de Vedação

Pressão Hidrostática Como os coletores solares são submetidos a condições operacionais bastante diversas, a pressão para este ensaio é de 1,5 vezes o valor da pressão máxima especificada pelo fabricante. Entretanto, este valor não poderá ser inferior a 20 mca (2 kgf/cm2) ou superior a 60 mca (6 kgf/cm2). Esse ensaio é feito após a Exposição não-operacional, sem incidência de raios solares sobre o coletor e com duração fixada em 15 minutos. O coletor está em conformidade com a norma quando:

� não ocorrer perda de pressão durante o ensaio; � não houver evidência de vazamento ou deterioração das partes em contato

direto com o fluido (água). Etapa 1 e 2 - Inspeções

127

Diariamente são feitas inspeções visuais no coletor solar para detectar evidências de problemas de vedação, quebra ou qualquer outra avaria. Constante de Tempo Para atender à exigência de regime quase-permanente na operação dos coletores solares nos ensaios do Grupo 2, devemos determinar a constante de tempo do coletor solar. Essa constante é definida como o tempo necessário para que a diferença de temperatura entre a água à saída e entrada do coletor (Tfs - Tfi ) seja reduzida a 36,8% de seu valor inicial, quando a radiação solar incidente é instantaneamente bloqueada. É o que demonstra a figura 7.4.

20

24

28

32

36

40

0 30 60 90 120

Tempo(segundos)

Tfe

Tfs

Constante de Tempo = 54 segundos

Figura. Resultado de ensaio de constante de tempo

Os valores medidos da Constante de Tempo para os coletores ensaiados no PBE são muito variados, compreendendo uma faixa entre 60 e 250 segundos. Esse valor é altamente dependente dos materiais utilizados e suas respectivas espessuras, ou seja, da inércia térmica do coletor solar. Eficiência Térmica Instantânea Este conceito foi exaustivamente analisado ao longo dessa unidade. No PBE são adotadas as equações de eficiência térmica anteriormente discutidas. Pela Primeira Lei da Termodinâmica, temos:

ext

fifsp

.

A.G

)T - T ( c m====ηηηη (7.1)

Pelo Método das Perdas, temos:

(7.2)

128

(((( ))))

ααααττττηηηη

G

T - T UF - F

A

A =

ambfiLR pvR

ext

transp

Para efetuarmos esses cálculos, são feitas as seguintes medidas experimentais:

� vazão mássica: •

m � temperatura da água à entrada do coletor: Tfi � temperatura da água à saída do coletor: Tfs � temperatura ambiente: Tamb � radiação solar instantânea: G Até o ano de 2004 estes ensaios experimentais não eram realizados sob condições climáticas controladas, dessa forma, as normas utilizadas fixam as seguintes exigências:

i. ângulo de incidência da radiação solar direta inferior a 30º ; ii. taxa de energia solar incidente no plano do coletor superior a 630W/m2 ; iii. vazão mássica igual a 0,02kg/s por m2 de área externa do coletor; iv. velocidade do vento no plano médio do coletor inferior a 4,5 m/s; v. regime quase-permanente

Como conseqüência da condição i, o produto (cp) é conhecido como produto (cp)n , evidenciando a incidência praticamente normal da radiação direta. Na figura 7.5, mostramos as curvas de eficiência térmica instantânea para vários coletores participantes da primeira fase do PBE.

0

10

2 0

3 0

4 0

5 0

6 0

7 0

8 0

9 0

0 , 0 0 0 0 , 0 10 0 , 0 2 0 0 , 0 3 0 0 , 0 4 0 0 , 0 5 0

(Tfi - Tamb)/G

Eficiência Térmica (%)

SRCC-1

SRCC-2

Curva de Eficiência Térmica Instantânea – PBE

129

Simulador Solar Inaugurado no dia 17 de dezembro de 2004 no Grupo de Estudos em Energia (GREEN), localizado na Pontifícia Universidade Católica de Minas Gerais (PUC Minas), o primeiro Simulador Solar da América Latina entrou em operação no ano de 2005.

Desenvolvido na Alemanha, o simulador demandou investimentos da ordem de US$ 620 mil, custeados pela Eletrobrás/PROCEL com verba do Banco Mundial (BIRD), por meio do GEF (Fundo para o Meio Ambiente Mundial). A parceria faz parte do Projeto de Capacitação Laboratorial coordenado pela ELETROBRÁS/PROCEL com o apoio do PNUD (Programa das Nações Unidas para o Desenvolvimento) que objetiva capacitar laboratórios para etiquetagem e concessão do Selo PROCEL de equipamentos. Com isso, é criada a rede para dar suporte a Lei de Eficiência Energética (Nº 10.295/2001), que estabelece índices máximos de consumo de energia ou mínimos de eficiência energética, priorizando os produtos do Programa Brasileiro de Etiquetagem - PBE, coordenado pelo INMETRO com o apoio da ELETROBRÁS/PROCEL.

No ano de 2005, foram realizados 63 ensaios no simulador solar, sendo 26 destinados ao acompanhamento da produção 2005, coordenado pelo INMETRO. Esse fato agilizou os ensaios de modo a acabar com a fila de espera de coletores solares que, em média, atingia de 8 a 10 meses. Deve-se destacar que para os ensaios completos, a duração é, ainda, de 2 a 3 meses seguindo as normas adotadas pelo PBE, que são rígidas e exigem o envelhecimento prévio da amostra a ser ensaiada sob determinadas condições climáticas.

Fotos Simulador Solar PUC Minas/GREEN

Eficiência Energética Média Para cálculo da eficiência média dos coletores, constante da Etiqueta do INMETRO, tomou-se o valor da abscissa desse gráfico igual a 0,02 e 0,005, respectivamente para coletores com finalidade banho e piscina. Este valor foi adotado com base em medições realizadas em várias instalações termossolares sob condições reais de operação. Fator de Correção para o Ângulo de Incidência - K O principal objetivo deste ensaio é quantificar a influência do ângulo de incidência da radiação direta sobre a transmissividade do vidro, desde que a operação dos coletores solares extrapole

130

a faixa de ângulos de incidência imposta no ensaio para determinação da curva de eficiência térmica instantânea. Este ensaio obedece as seguintes exigências:

i. ângulo de incidência da radiação solar direta variando entre 60 e 0º; ii. diferença entre as temperaturas da água à entrada do coletor e a do ambiente deve ser

inferior a 1ºC; iii. vazão mássica igual a 0,02kg/s por m2 de área externa do coletor; iv. velocidade do vento no plano médio do coletor inferior a 4,5 m/s; v. regime quase-permanente.

O critério ii tem como objetivo anular o segundo termo da equação 8.35, rescrevendo-a na forma:

{{{{ }}}}θθθθ

θθθθ ααααττττηηηη F A

A = pvR

ext

transp

onde o subscrito θ indica que os valores de eficiência térmica e do produto (cp) são determinados para ângulos de incidência entre 0 e 60º. Para coletores planos com cobertura transparente do tipo vidro liso comercial, o comportamento físico da curva de eficiência térmica em função do ângulo de incidência da radiação direta é apresentado na figura

131

0

10

20

30

40

50

60

70

80

90

100

0 10 20 30 40 50 60 70 80

Angulo de Incidência da Radiação Direta

Eficiência Térmica (%)

Fator de Correção para o Ângulo de Incidência

Verificamos, então, uma redução mais acentuada da eficiência térmica dos coletores para ângulos superiores a 50º. Esses ângulos ocorrem no princípio da manhã e final da tarde, desde que a inclinação e orientação do coletor solar estejam otimizadas para a cidade em questão.

Definimos, então, o Fator de Correção para o Ângulo de Incidência - Kτα como a razão entre a

eficiência medida para um determinado ângulo θ e o valor máximo, obtido para θ = 0°. Feitas as simplificações, podemos afirmar que:

npv

pv= K

θθθθ

τατατατα ααααττττ

ααααττττ

(7.4)

Para avaliar o comportamento do coletor ao longo do dia, tornamos linear a função Kτα na forma:

−−−−θθθθ

++++τατατατα 1cos

1b a = K

(7.5)

Para os coletores ensaiados, o parâmetro a igual à unidade. A variação do parâmetro b é bastante acentuada, compreendendo a faixa entre 0,055 e 0,222. O fator de correção para o ângulo de incidência aplicado à equação e5 corrige o valor da eficiência térmica do coletor para ângulos de incidência superiores a 30º. Esta correlação terá grande importância no desenvolvimento do Modelo da Carta – F, a ser estudado no seguinte. Produção Mensal de Energia

132

Para o consumidor leigo, é muito importante oferecer, na Etiqueta do INMETRO, informações sobre a produção mensal de energia para cada coletor ensaiado. Assim, o GT–SOL definiu, como referência, o mês de setembro para a cidade de Belo Horizonte, considerando a inclinação dos coletores igual a 25º.

A informação sobre a produção mensal de energia é útil apenas para uma comparação inicial entre os diversos produtos disponíveis no mercado nacional. Conforme apresentado nas unidades anteriores, a economia real a ser obtida por

uma instalação de aquecimento solar depende:

1. da inclinação e orientação efetivas dos coletores solares; da radiação solar incidente no plano dos coletores, na cidade em questão.

Portanto ao elaborar um projeto deve-se sempre refazer os cálculos de produção

mensal de energia para as condições reais do projeto.

Metodologia para cálculo da produção mensal de energia para o mês de referência. Passo 1 – Determinar a radiação solar incidente no plano do coletor, em média horária para o mês especificado. Passo 2 – Determinar a temperatura ambiente, em média horária. Adotamos para isso o modelo recomendado pela ASHRAE, que possui como dados de entrada apenas as temperaturas máxima (Tmax) e mínima (Tmin) para o mês em questão. Considerando que a temperatura é máxima às 14 horas, a equação proposta é:

ππππ−−−−∆∆∆∆++++

∆∆∆∆−−−−====

180

)14HS(15cos

2

T

2

TTT maxamb

onde: minmax TTT −=∆

HS: hora solar Passo 3 – Determinar o ângulo de incidência da radiação direta para a hora média do período útil de operação dos coletores solares.

Em Belo Horizonte, adotamos o intervalo entre 8 e 17 horas. Passo 4 – Atribuir valores à temperatura da água à entrada dos coletores. Esses valores são arbitrados e dependem, significativamente, do volume do reservatório e do perfil diário de demanda de água quente. Passo 5 – Determinar a eficiência térmica corrigida, em média horária. Passo 6 – Determinar a produção mensal de energia por coletor solar em média mensal. Consideramos que a energia produzida pelo coletor solar durante uma hora, é equivalente ao produto de sua eficiência térmica pela energia incidente no plano do coletor neste mesmo período. O valor horário é multiplicado por 30 para obtenção da energia gerada durante um

133

mês, em cada intervalo de tempo. A soma dos valores horários para as i horas do dia, com nível satisfatório de radiação solar, fornece a produção mensal de energia. Em nosso caso, o índice i varia de 1 a 9, correspondente ao período entre 8 e 17 horas. Assim, tem-se:

A constante 1000 é apenas para conversão da unidade em kWh/mês, permitindo, assim, uma melhor avaliação, por parte dos consumidores finais, da economia de energia a ser obtida com a utilização do aquecimento solar. Veja, na figura 8.7, um modelo da Etiqueta do INMETRO.

Figura 7.8 - A Etiqueta do INMETRO

Reservatórios Térmicos - Ensaios experimentais Em 1999, os reservatórios foram incluídos no Programa Brasileiro de Etiquetagem de Sistemas e Equipamentos para Aquecimento Solar de Água. A relação atual dos ensaios, normas adotadas ou procedimentos definidos pelo Regulamento Específico do Programa (RESP/006 – SOL), são apresentados abaixo.

� Marcações e instruções � Tensão suportável

[kWh/mês] A *1000

1*1h*)I (I * 30 E ext

9

1

difdir mensal ∑=

+=i

η

134

� Volume � Pressão � Coeficientes de perda de calor � Corrente de fuga � Potência absorvida � Resistência ao calor e fogo � Resistência ao enferrujamento

Os reservatórios não são classificados por faixas de desempenho térmico. Dessa forma, apenas aqueles aprovados em todos os ensaios, recebem a etiqueta de aprovação do INMETRO. No ensaio de marcações e instruções e nos ensaios referentes ao desempenho e segurança elétrica do tanque, a conformidade é verificada de acordo com os métodos de ensaios prescritos nas normas adotadas. Para os ensaios de volume efetivo, pressão hidrostática e desempenho térmico, os critérios de conformidade, estabelecidos pelo GT-SOL, são descritos a seguir. No ensaio de volume efetivo, a conformidade é verificada medindo-se a capacidade volumétrica do tanque e comparando-a com a capacidade volumétrica nominal declarada pelo fabricante. O tanque será aprovado se a capacidade volumétrica medida não diferir da nominal por mais de 10 % e menos de 5 %. No ensaio de pressão hidrostática, a conformidade é verificada carregando o tanque com água fria e submetendo-o a uma pressão 50% maior que a pressão de operação declarada pelo fabricante. Durante 15 minutos o tanque deverá resistir à pressão aplicada sem que ocorra vazamento da água ou deformação permanente visível.

No ensaio de desempenho térmico, a condutância térmica global de perda de calor do tanque é medida indoor, conforme o método de ensaio prescrito na norma ISO 9459 – parte 2: item 9.9, exceto que durante o período de resfriamento do tanque a velocidade do ar é 0 m/s (condição de convecção natural). Para estabelecer o critério de conformidade numa linguagem adequada ao consumidor, a perda específica de energia diária (24 h) do tanque é estimada para as seguintes condições:

Temperatura inicial do tanque , Tr,i = 50 oC

Temperatura ambiente, T’a = 21oC

A perda específica de energia diária é multiplicada por 30 para obtenção da perda específica de energia mensal. O tanque será aprovado se a perda específica de energia mensal estiver de acordo com os valores apresentados na tabela 7.1.

Volume nominal do tanque

(m3)

Perda Específica de Energia Mensal

(kWh/mês.m3)

0,1 ≤ 310

135

0,15 ≤ 290

0,2 ≤ 280

0,25 ≤ 270

0,3 ≤ 270

0,4 ≤ 250

0,5 ≤ 240

≥ 0,6 ≤ 210

- Critério de Aprovação no Ensaio de Desempenho Térmico

136

ANEXO V – Programa QUALISOL Brasil Assim como em diversos países do mundo, no Brasil, as revendas e instaladores representam uma posição estratégica com relação à difusão do aquecimento solar. Na maioria das vezes estão em contato direto com o consumidor no momento de decisão de compra e instalação e algumas vezes também planejam e entregam os equipamentos e são responsáveis diretos por garantir uma instalação qualificada com funcionamento, durabilidade e estética assegurados e comprovados. Além das revendas e instaladoras, as empresas fabricantes de equipamentos solares também realizam instalações e contratos diretos com consumidores finais e assumem a responsabilidade por todo o processo desde a venda até a instalação e pós-venda. Portanto, a qualidade dos sistemas de aquecimento solar depende diretamente de:

• bons produtos, etiquetados;

• boas revendas , qualificadas;

• bons instaladores, qualificados. Desta forma, o QUALISOL BRASIL, que tem como missão premiar o consumidor final com um Selo de Qualidade e um Certificado de Garantia, foi denominado de “QUALISOL BRASIL: Programa de Qualificação de Fornecedores de Sistemas de Aquecimento Solar”, englobando fabricantes, revendas e instaladoras. Pode-se afirmar que o desenvolvimento sustentável do mercado de aquecimento solar no Brasil e qualquer esforço neste sentido, somente pode ser bem sucedido quando os fornecedores formarem uma rede capacitada e especializada para as diversas tarefas que envolvem a comercialização e instalação de sistemas de aquecimento solar entregando aos consumidores e ao mercado os devidos documentos de garantia de qualidade. O QUALISOL BRASIL tem como objetivo garantir ao consumidor a qualificação de fornecedores de sistemas de aquecimento solar de modo a permitir:

• A ampliação do conhecimento de fornecedores em relação ao aquecimento solar;

• A ampliação da base de mercado do aquecimento solar e suas diversas aplicações;

• O aumento da qualidade das instalações e conseqüente satisfação do consumidor final;

• Uma melhor e mais duradoura reputação e confiança em sistemas de aquecimento solar nas suas diversas aplicações;

• Um crescente interesse e habilidade dos fornecedores na prospecção de novos clientes e estímulo ao surgimento de novos empreendedores.

137

138