Dimensionamento e Projecto Técnico

3.2.5.1 Dimensionamento e projecto do campo de colectores

Conforme referido anteriormente, deve-se evitar excesso de capacidade instalada relativamente à carga energética, de forma a impedir altas temperaturas: os sistemas solares térmicos podem atingir temperaturas da ordem dos 200 ºC, nos dias de maior radiação, caso todos os pontos consumo estejam satisfeitos. Apesar de suportarem cargas excessivas, este fenómeno aumenta os custos de manutenção e pode acelerar o envelhecimento do sistema. Assim, determinou-se o número ideal de 59 de colectores, minimizando o desperdício energético mas maximizando o factor solar. Sabendo igualmente da inexactidão da carga térmica, dado que se trata de uma estimativa, aconselha-se a não sobredimensionar o sistema. Apesar da optimização do sistema solar para 59 colectores, à partida não será possível a sua implementação na totalidade. De facto, após o levantamento técnico da área de instalação, verifica-se que a área de cobertura do Lar não é suficiente para o campo de colectores dimensionado. O Lar é constituído por vários edifícios, no entanto, a campo de colectores será instalado no edifício 1 e o edifício 2 irá comportar a área técnica como indicado na figura seguinte:

A zona A (fachada Sul), zona B (fachada Oeste) e zona C (fachada Este), são os locais nos quais o parque de colectores será instalado. Todos os colectores serão orientados a Sul, à excepção dos colectores na zona A que serão orientados a Sul Sudoeste. O telhado em questão é tipicamente Português com 25º de inclinação em relação ao plano horizontal.

Para efeitos de dimensionamento, a distância entre colectores deverá ser calculada considerando que a sombra será máxima no solstício de Inverno, através da fórmula (4) obtida por dedução do esquema seguinte:

ZONA A

Figura 16 – Área técnica e área de instalação do campo de colectores

Sistemas de Aproveitamento de Energia Solar Térmica

Onde,

L ≡ Altura colector [m];

β ≡ Inclinação do colector [graus];

γ ≡ Inclinação do telhado [graus]; h0 ≡ Altura solar [graus];

h0 = (90º - Latitude) - 23º,5 = 90º - 41º,5 - 23º,5 = 25º

ZONA B e ZONA C

Para as zonas B e C, a inclinação do telhado irá afectar o dimensionamento de forma diferente, pois as filas de colectores ficarão à mesma altitude. A inclinação a do telhado (γ) condiciona a distância entre os colectores na medida em que o seu comprimento (L) é superior (Figura 18), L2 = L[ cos( γ ) ] = 2,163.cos(25º), sendo a distância resultado da expressão

sobre cobertura plana.

A orientação e a desobstrução do horizonte não condicionam a instalação dos colectores para uma distância superior a 2,439 m na zona A e superior a 4,877 nas zonas B e C, caso contrário haveriam sombreamentos entre fileiras. Com base nos cálculos anteriores e considerando a área viável de implementação de colectores, concluiu-se que apenas é possível a instalação de 45 colectores orientados a Sul, ao invés dos 59 colectores optimizados anteriormente. Desta forma, os colectores serão instalados no plano inclinado do edifício principal, totalizando uma área bruta de 112,5 m2 de área de abertura total de colector.

A fixação dos colectores irá assentar sobre a própria estrutura do telhado, devendo o construtor considerar o esforço exercido pelo campo de colectores, tendo em conta o peso/vento subsequente à sua instalação. Definiu-se uma distância de instalação dos colectores de 2,5 m para a zona A e de 5,0 m para as zonas B e C. As fileiras serão instaladas junto ao vão superior do telhado, para assegurar a instalação dentro dos perímetros de segurança (Figura 19). Os colectores da zona A não serão orientados no eixo Norte-Sul, no entanto este desvio não terá consequências significativas no seu rendimento, como demonstra a Figura 20. Para uma inclinação de 36º, os 10 colectores em questão na zona A apenas terão uma quebra de 5% no seu rendimento. Sendo estas perdas diluídas na totalidade do sistema.

Figura 18 – Orientação dos colectores - ZONA B e C

] [ ) cos( ) tan( ) ( ) 4 ( 0 2 1 _h L m sen L d d d = + = _

β

−

γ

₋

_γ

_+

β

+

γ

m sen d cos(36º 25º) 2,439 ) º 25 º 25 tan( ) º 25 º 36 ( 163 , 2 =     _{+ +} − − = m h sen L d d d cos( ) 4,877 ) tan( ) ( 0 2 2 1  =    ₊ = + =

β

β

Figura 21 – Esquema hidráulica da instalação solar (Fonte: SOLution)

Após a definição do campo de colectores, em função das necessidades energéticas do sistema e das restrições existentes, seguidamente é feito o dimensionamento técnico das restantes componentes do sistema solar de AQS, em função área de abertura de 112,5 m2.

O calor gerado nos colectores é transportado para os tanques de armazenamento solar, através do circuito solar. Este é constituído pelos seguintes elementos:

• Tubagens – permitem a ligação dos colectores aos tanques de armazenamento;

• Fluído de transferência térmica – transporta o calor do colector para o tanque de armazenamento;

• Bomba circuladora solar – faz circular o fluído de transferência térmica no circuito solar;

• Permutador de calor do circuito solar: transfere o calor do circuito primário para a água potável acumulada nos depósitos;

• Equipamento e acessórios para enchimento, esvaziamento e drenagem;

• Equipamento de segurança: vaso de expansão e válvula de segurança que protegem o sistema de danos (perdas) devido à expansão do fluído térmico.

3.2.5.2 Esquema hidráulico da instalação

O objectivo da instalação pressupõe o aquecimento de águas sanitárias do Lar. A energia captada pelos colectores (circuito primário) é transferida para os depósitos de acumulação de água sanitária através de um permutador de placas, como se observa no respectivo esquema hidráulico:

Figura 19 – Disposição do campo de colectores Figura 20 – Perdas de rendimento do colector

Campo de colectores

Permutador de placas

Sistemas de Aproveitamento de Energia Solar Térmica

3.2.5.3 Cálculo do volume de acumulação

Geralmente, considera-se um volume de acumulação entre 50 a 90 litros por m2 de colector [21], dependendo do grau de simultaneidade entre o consumo e a produção do sistema solar. No Lar as necessidades energéticas são elevadíssimas, havendo um consumo de AQS constante ao longo de cada dia, comportamento esse que se reflecte durante todo o ano. Considera-se então um volume de acumulação de 75 litros por m2, pois, dada a elevada taxa de consumo, não será necessária uma grande acumulação energética, sendo que um maior volume de acumulação não irá melhorar significativamente o rendimento da instalação. Pelo contrário, apenas irá encarecer o sistema ao nível de equipamentos e de respectiva instalação. Tendo em conta as dimensões da área técnica, considerou-se um volume total de 6.000 litros, constituídos através de 2 acumuladores tipo WSG3000 (com isolamento) ligados em série, de acordo com especificação do Anexo E. Propôs-se ainda separar cada acumulador com válvulas motorizadas que possam dar prioridade ao acumulador mais próximo do ponto de consumo.

3.2.5.4 Selecção do permutador de calor

Quanto maior for a eficácia de permuta, maior a energia transferida para o circuito secundário e consequentemente, menor é a temperatura de regresso do fluído térmico. Os permutadores externos apresentam maiores taxas de eficácia, logo, devido à elevada área de colectores e ao volume de acumulação superior a 3.000 litros [17], considerou-se a utilização de permutadores de placas externos. A superfície de permuta genericamente aconselhada é de 750 W por cada m2 de superfície colectora [17]. Neste caso prático, para 112,5 m2 de colectores a potência mínima aconselhável é de 79 kW, ou seja, o permutador dimensionado foi o PTL140 da SOLution que permite uma superfície total de absorção máxima até 140 m2.

3.2.5.5 Determinação do caudal do fluido térmico

Além do maior rendimento, uma das vantagens de colectores com baixas perdas térmicas, consiste no mais reduzido caudal, que é definido através da fórmula (6) [15]:

Onde,

Figura 22 – Depósitos de acumulação WSG 3000 em série (Fonte: SOLution)

] . / [ 10 ) 6 ( kg sm2 C U C p L =

C ≡ Caudal do fluído térmico [kg/s.m UL ≡ Coeficiente global de perdas térmicas [

Cp ≡ Calor específico da água [kJ/kg].

O calor específico da mistura de água com anticongelante água pura (Cp = 4,185 kJ/kg

de glicol (considerada de 30% 30% de glicol à temperatura de oper tabelados (Anexo C, Tabela

circuladora a dimensionadas Caudal do fluido térmico:

Considerando o parque de colectores com 112,5 m

3.2.5.6 Tubagens no circuito primário: campo de colectores

Os colectores solares SOLution têm melhor rendimento quando instalados em

colectores tendo em conta o facto dos tubos de cobre dentro dos colectores serem em paralelo de canais. Esta disposição justifica em parte o bom rendimento e a possibilidade de baixos caudais. Com base nesta característica procura

disponível, de acordo com o esquema seguinte.

Tendo em conta que o campo de colectores não é simétrico, consideramos a inclusão de válvulas reguladoras de caudal tipo SRV15_S para assegurar o equilíbrio hidráulico do sistema. O retorno da água

possível reduzindo as perdas de carga e de calor

O purgador é o elemento utilizado para evacuar os gases, geralmente ar, contido nas tubagens. A presença de gases no circuito pode dar lugar à formação de bolsas que impeçam a correcta circulação dos fluidos. Desta forma, c

grupo de colectores para permitir uma boa purga de ar do sistema bom funcionamento do sistema solar.

Figura

Ø 22

Ø 35 Ø 28

Caudal do fluído térmico [kg/s.m2];

Coeficiente global de perdas térmicas [W/m2.K]; Calor específico da água [kJ/kg].

O calor específico da mistura de água com anticongelante no circuito primário

kJ/kg). Como tal, o Cp do fluido deverá ser corrigido pela percentagem

de glicol (considerada de 30% por recomendação do fornecedor de colectores). Considerando 30% de glicol à temperatura de operação de 60ºC, o Cp corrigido é de 3

, Tabela 14). Esta correcção afecta igualmente as tubagens e a bomba das posteriormente.

Considerando o parque de colectores com 112,5 m2 de área, o Ctotal do sistema Tubagens no circuito primário: campo de colectores

Os colectores solares SOLution têm melhor rendimento quando instalados em

colectores tendo em conta o facto dos tubos de cobre dentro dos colectores serem em paralelo Esta disposição justifica em parte o bom rendimento e a possibilidade de baixos caudais. Com base nesta característica procura-se a maximização da utilização da área disponível, de acordo com o esquema seguinte.

Tendo em conta que o campo de colectores não é simétrico, consideramos a inclusão de válvulas reguladoras de caudal tipo SRV15_S para assegurar o equilíbrio hidráulico do da água quente foi projectado de forma a ter um menor cumprimento possível reduzindo as perdas de carga e de calor.

O purgador é o elemento utilizado para evacuar os gases, geralmente ar, contido nas tubagens. A presença de gases no circuito pode dar lugar à formação de bolsas que impeçam a correcta

. Desta forma, considerou-se ainda purgadores de

grupo de colectores para permitir uma boa purga de ar do sistema - factor fundamental ao bom funcionamento do sistema solar.

Figura 23 – Esquema das tubagens do circuito primário

colector por h l C 73,11 / 976 , 3 232 , 3 10 = = Água quente –

Válvula reguladora de caudal Água fria – ida

no circuito primário é inferior ao da do fluido deverá ser corrigido pela percentagem recomendação do fornecedor de colectores). Considerando corrigido é de 3,976 kJ/kg – valores Esta correcção afecta igualmente as tubagens e a bomba

total do sistema = 3290 l/h

Os colectores solares SOLution têm melhor rendimento quando instalados em série de 3 a 6 colectores tendo em conta o facto dos tubos de cobre dentro dos colectores serem em paralelo Esta disposição justifica em parte o bom rendimento e a possibilidade de baixos ização da utilização da área

Tendo em conta que o campo de colectores não é simétrico, consideramos a inclusão de válvulas reguladoras de caudal tipo SRV15_S para assegurar o equilíbrio hidráulico do ter um menor cumprimento

O purgador é o elemento utilizado para evacuar os gases, geralmente ar, contido nas tubagens. A presença de gases no circuito pode dar lugar à formação de bolsas que impeçam a correcta ainda purgadores de ar manuais em cada factor fundamental ao

Esquema das tubagens do circuito primário

– retorno

Válvula reguladora de caudal ida

Sistemas de Aproveitamento de Energia Solar Térmica

3.2.5.7 Dimensionamento de tubagens

Para o caudal total 3,3 m3/h e de forma a não ultrapassar o limite da perda de carga linear de 40 mm.c.a/m, verificou-se, através do respectivo ábaco (Anexo C, Figura 39) que é aconselhável um diâmetro de tubo de cobre de 35 mm. A perda de carga correspondente no ábaco é de aproximadamente 30 mm.c.a/m, garantindo o limite máximo mencionado.

3.2.5.8 Cálculo da perda de carga total

Perda de carga na tubagem

Do ponto anterior, temos como base do cálculo do valor da perda de carga 30 mm c.a. para o caudal de água do sistema em tubo de cobre 35. Este valor deve ser corrigido com o factor [13] de viscosidade tendo em conta a percentagem de glicol existente no fluído térmico:

O campo de colectores não apresenta um caudal homogéneo, sendo que o caudal de 3,29 m3/h e o diâmetro de tubo 35 mm foi calculado com base na área total de colectores. No entanto, para os colectores mais distantes da área técnica o caudal existente é menor em função do menor número de colectores. Sendo assim, baseado nos cálculos do capítulo 4.2.4.7, obteve-se a mesma carga equivalente com tubo de cobre 22 mm para os 14 colectores mais distantes e tubo de cobre 28 mm para os 14 seguintes (Figura 23). Para os restantes colectores será utilizado tubo de cobre 35 mm, como calculado anteriormente. Este dimensionamento permite reduzir custos significativos para a instalação das tubagens.

Perda carga nas singularidades [15]

• Maior grupo – 6 colectores em série: em cada grupo tem-se um caudal de cerca de 3290 l/h, ao que corresponde uma perda de carga de 244,8 mm.ca/m por colector (dados do fabricante) ou seja 1470 mm.ca no grupo de 6 colectores. Estando o campo de colectores em paralelo o valor da perda de carga nos colectores corresponde ao valor de 6 colectores em série, ou seja 1470 mm.ca.

• Projectam-se 20 mudanças de direcção a 90º (Comp. Equivalente 1,5) • Projectam-se 12 derivações em T (Comp. Equivalente 1,4)

• Projectam-se 10 contracções bruscas 4:3 (Comp. Equivalente 0,5)

• Projectamos 12 válvulas de regulação de caudal, consideradas como válvulas de borboleta (Comp. Equivalente 21,3)

• Considera-se um permutador de placas tipo PTL140

Para efeitos de cálculo apenas se considerou o grupo de 6 colectores, pois é onde se regista a maior perda de carga relativamente aos grupos de 4 e 3 colectores.

Assim, com base nos comprimentos de tubagens (calculados numa base pessimista) e cálculo das perdas de carga de singularidades, chegou-se à seguinte perda de carga total da instalação:

24 , 1 58 , 0 4 , 1 . . ) 8 ( =4 =4 = água vis dissolução vis factor . . 2 , 37 30 24 , 1 mm ca perdas factor perdas_corrigidas = × = × =

Descrição LE Unid. Perda de carga (mm.ca)/Un. Perda de carga (mm.ca) Diametro (mm) Área Tubo (dm2) Volume (l) Tubagem de cobre 22 1 61 61 1.830 20 0,03142 191,64 Tubagem de cobre 28 1 20 20 600 25 0,04909 98,17 Tubagem de cobre 35 1 125 125 3.750 32 0,08042 1005,31 Mudança de direcção a 90º 1,5 20 30 893 Derivações em T 1,4 12 16,8 500 Contrações bruscas 4:3 0,5 10 5 149 Válvulas de borboleta semi-abertas 21,3 12 255,6 7.604 Válvula de retenção borboleta 10 1 10 298

Grupo de 6 colectores 1.470 1 1470 1.470 55,35 Permutador de placas (PTL140) 500 1 500 500 2,70

Total 17.593 1.353

O valor total das perdas de carda para o sistema solar instalado, considerando o circuito primário, circuito secundário e respectivos componentes, é de 17,6 m. c.a.

O cálculo das perdas de carga baseia-se nos pressupostos assumidos neste projecto, com base nas informações disponíveis, podendo no entanto variar mediante condicionamentos locais, estando por isso sujeita a variações.

3.2.5.9 Selecção da bomba circuladora

Sendo o sistema de circulação forçada, o transporte do fluido térmico do circuito primário desde o campo de colectores até aos acumuladores é impulsionado através de bombas circuladoras. Estas devem ser suficientemente potentes em função das perdas totais do circuito e do caudal do circuito primário.

Pela análise dos grupos hidráulicos disponíveis e pelo caudal vs perda de carga total da instalação calculado anteriormente, optou-se pelo grupo circulador RGP3010, com bomba WILO STAR 30/10. Como se verifica através da Figura 30, para o caudal de 3,29 m3/h, a bomba suporta uma perda de carga de 12 m.ca.

Para o sistema dimensionado, com uma estimativa de perdas na ordem de 17,6 m.ca (tabela 6), aconselha-se a instalação de duas bombas WILO STAR 30/10 em paralelo, assegurando a potência necessária para o correcto funcionamento do sistema primário.

Tabela 7 – Perda de carga total da instalação

Sistemas de Aproveitamento de Energia Solar Térmica

3.2.5.10 Cálculo do vaso de expansão

O volume de um vaso de expansão deve ser pelo menos igual ao aumento de volume do líquido do circuito, de acordo com a fórmula (9): [15]

Onde,

VE ≡ Volume útil do vaso de expansão [L]; P ≡ Pressão relativa do sistema [bar];

VT ≡ Capacidade total do circuito primário; p ≡ Pressão relativa inicial no vaso [bar];

t ≡ Temperatura máxima possível [ºC].

De acordo com cálculos, obteve-se um volume de vaso de expansão de 216 litros para o circuito primário. Por recomendação do fabricante, considerou-se um vaso de expansão de 300 litros tipo ADG300.

3.2.5.11 Vaso de expansão águas quentes sanitárias

Deve considerar-se um vaso de expansão em cada secção que fechada de fluido, nomeadamente os acumuladores de água: calcula-se um volume de 10% do volume do acumulador [15], ou seja 300 litros por acumulador.

3.2.5.12 Controladores diferenciais e vasos de expansão

O sistema de controlo tipo UVR da SOLution permite o controlo do sistema assegurando o funcionamento global da instalação, de acordo com o seguinte esquema análogo (Figura 25), programa solar com 2 consumidores – Programa 224:

Os sistemas de controlo são baseados no princípio da medição das diferenças de temperatura. No esquema análogo acima consideramos a bomba A1 a bomba do circuito primário, estando ligada em paralelo à bomba do circuito secundário, onde circula a água dos acumuladores. Esta bomba é accionada a partir do momento que a temperatura dos colectores S1 é superior a qualquer dos pontos dos acumuladores S2, S3, de acordo com as instruções da Figura 26. A prioridade é dada ao acumulador mais próximo do ponto de consumo, com o arranque de A1. Posteriormente, quando S2 atingir o valor máximo (ou desejável) de 60 ºC, a válvula motorizada A2 passa a alimentar o segundo depósito. O esquema eléctrico deverá assegurar que os grupos circuladores do circuito primário e secundário funcionem, caso A1, A2 estejam activos.

Figura 25 – Esquema de controlo Figura 26 – Instruções de controlo

] [ ) 1 ( 100 ) 1 )( 5 , 2 07 , 0 ( ) 9 ( Vt L p P t V_E × + + − =

0 10000 20000 30000 40000 50000 60000

J an F ev Mar A br Mai J un J ul A go S et O ut Nov Dez

C arga F -C hart MJ /mês P roduç ão F -C hart MJ /mês

42000 44000 46000 48000 50000 52000 54000 56000

J an F ev Mar A br Mai J un J ul A go S et O ut Nov Dez

C arga F -C hart MJ /mês C arga S olterm MJ /mês 0 5000 10000 15000 20000 25000 30000 35000 40000

J an F ev Mar A br Mai J un J ul A go S et O ut Nov Dez

P roduçã o F -C ha rt MJ /m ês P roduçã o S olterm MJ /m ês

Jan Fev Mar Abr Mai Jun Jul Ago Set Out Nov Dez Total

Carga F-Chart MJ/mês 54.893 49.581 53.778 50.963 51.658 48.372 48.869 48.980 47.940 51.212 52.259 55.117 613.621 Forn F-Chart (MJ)/mês 6.024 10.012 17.209 24.284 28.846 31.648 37.478 36.263 27.453 20.569 10.876 6.782 257.443

Fracção Solar 11% 20% 32% 48% 56% 65% 77% 74% 57% 40% 21% 12% 42%

No documento Sistemas de aproveitamento de energia solar térmica na SOLution (páginas 36-44)