Sistemas de Aproveitamento de Energia Solar Térmica
Projecto de Dissertação Orientador na FEUP: Prof.
Orientador na
Faculda de de
Mestrado Integrado em Engenharia Industrial e Gestão
Sistemas de Aproveitamento de Energia Solar Térmica
SOLution
João Gaspar Moura Martins
Projecto de Dissertação do MIEIG 2007/2008 Orientador na FEUP: Prof. João Falcão e Cunha
Orientador na SOLution: Eng. João Oliveira
Faculda de de E ngenharia da Universidade do Porto Mestrado Integrado em Engenharia Industrial e Gestão
2009-01-30
Sistemas de Aproveitamento de Energia Solar Térmica na
E ngenharia da Universidade do Porto Mestrado Integrado em Engenharia Industrial e Gestão
Sistemas de Aproveitamento de Energia Solar Térmica
Dedico este trabalho aos meus pais e irmãos, à Márcia e ao Ravi, por toda a Luz e Inspiração.
Sistemas de Aproveitamento de Energia Solar Térmica
Resumo
A presente Tese foi desenvolvida na SOLution Portugal e enquadra-se no âmbito da conclusão do Mestrado Integrado em Engenharia Industrial e Gestão.
O crescente aumento dos gases de efeito de estufa e as consequências que daí advêm para a Terra e para o Homem, colocam o tema das energias alternativas na ordem do dia. Para a energia solar, como fonte alternativa de energia, perspectiva-se um futuro promissor. É neste contexto que a SOLution actua, propondo-se a agarrar as oportunidades associadas à utilização da energia solar como fonte alternativa de energia.
Visando o posicionamento da SOLution como uma referência no mercado nacional, no sector da energia solar térmica para aquecimento de águas sanitárias, a empresa desenvolve mecanismos de apoio técnico-comerciais a dois segmentos distintos, o sector doméstico de pequenas instalações e o sector de serviços de grandes instalações.
O segmento das grandes instalações é caracterizado por projectos de ampla envergadura técnica e financeira. De facto, verifica-se que os projectos de dimensionamento necessitam de um estudo cuidado, à medida das necessidades de cada sistema. Por outro lado, requerem um elevado esforço financeiro que é uma forte barreira para a implementação destas soluções. Desta forma, o Projecto de Dissertação abordou um caso específico, o Lar Calvário do Carvalhido, direccionando a análise para as áreas críticas do segmento das grandes instalações. Na componente técnica, elaborou-se um estudo exaustivo de todas as componentes de dimensionamento de um sistema solar. Na componente financeira, elaborou-se uma candidatura do mesmo lar ao Sistema de Incentivos do QREN, que gere os fundos comunitários de Portugal.
Ambas as análises foram realizadas com uma perspectiva de continuidade futura, contribuindo para o desenvolvimento de estruturas de apoio que terão implicações práticas na abordagem da SOLution a projectos futuros semelhantes.
O segmento das pequenas instalações é um sector homogéneo e maduro, na medida em que o seu menor grau de complexidade tem permitido a adaptação dos sistemas solares em função dos consumos típicos das habitações, facilitando a sua disseminação. Contudo, o sector foi recentemente regulamentado ao abrigo de uma nova legislação energética que veio dinamizar o mercado, estipulando valores mínimos de contribuição solar obrigatórios para os novos projectos de habitação. Esta evolução do Mercado, imposta pelo Regulamento das Características de Comportamento Térmico dos Edifícios, Decreto-Lei n.º 80/2006, veio desencadear um novo processo de adaptação dos sistemas solares SOLution às tipologias domésticas do mercado Português. Neste âmbito, justificou-se igualmente analisar o posicionamento competitivo da SOLution face à concorrência.
O Projecto de Dissertação abordou os sectores de maior relevância no domínio da energia solar térmica e procurou desenvolver ferramentas de análise de extrema utilidade para o progresso da empresa. Acredita-se que o trabalho desenvolvido deu uma forte contribuição para melhor posicionamento da SOLution para os desafios do futuro.
Solar Thermal Energy Systems
Abstract
The following Thesis was developed at SOLution Portugal as part of my Master Degree in Industrial Engineering and Management.
The increase of greenhouse gases and the consequences to Earth and Mankind, bring the alternative energies issue to the center of debate. A brilliant future is anticipated to solar energy, as an alternative source of energy. It’s in this context that SOLution works, proposing to seize the opportunities associated with the use of solar energy as an alternative source of energy.
With the purpose of positioning SOLution as a reference in the national market, in the solar thermal energy sector for domestic water heating, the company intends to develop technical and commercial support tools for two main market segments: the domestic sector with small scale systems, and the services sector with larger scale systems.
The large installations require projects with high technical expertise and large investments. Indeed, the initial project design needs careful study to accommodate the specifications of each system. On the other hand, they usually require a high financial effort which is a strong barrier to the implementation of these solutions.
Thus, this Thesis addressed a specific case, the “Lar Calvário do Carvalhido”, directing the analysis for the critical areas of the large scale installations segment. From the technical point of view, a comprehensive study of the solar system components was produced. From the financial point of view, an application to QREN (which manages European funds in Portugal) was made.
Both analysis were conducted with a view of future continuity, contributing to the development of a support structure and procedures at SOLution, which will have impact on the approach to similar projects in the future.
The segment of small scale systems is homogeneous and mature, as the lower level of complexity has allowed the adjustment of solar systems to the domestic consumption and facilitated its dissemination. However, the sector has recently been regulated under a new energy law that brought vitality to the market, by demanding minimum levels of solar contribution which are now mandatory for new housing projects. This evolution of the market imposed by the Regulamento das Características de Comportamento Térmico dos Edifícios, Decreto-Lei nº 80/2006, introduces the need to adjust SOLution’s solar systems to the Portuguese house market. In this context, it is also required to study the competitive positioning of SOLution on the market and where it stands facing competition.
This Thesis addressed the most relevant issues of the solar thermal energy systems and sought to develop tools of analysis that will be extremely useful for the progress of the company. It is believed that the work here developed gave a strong contribution to better position the company for the challenges of the future.
Sistemas de Aproveitamento de Energia Solar Térmica
Agradecimentos
Ao meu orientador Eng. João Oliveira, pela oportunidade concedida e por todo apoio durante o estágio na SOLution, pelo incentivo, colaboração, sabedoria e amizade.
Ao Professor João Falcão e Cunha, orientador do estágio na Faculdade de Engenharia da Universidade do Porto, pela preciosa orientação e pelos válidos conselhos que direccionaram o Projecto no melhor sentido.
Ao Dr. Fernando Oliveira, pelo exemplo de vida e pela demonstração que a força de vontade é o melhor meio para alcançar os objectivos.
Ao Exmo. Sr. Mário Mandim, pelos momentos enriquecedores e intervenções sempre oportunas.
Aos docentes do MIEIG, por todo conhecimento transmitido ao longo do trajecto académico que culmina neste trabalho, mas fundamentalmente, pela contribuição para o meu crescimento como pessoa.
A todos os amigos da FEUP, pelos anos de tão boa convivência e companheirismo.
Índice de Conteúdos
1 Apresentação do Projecto de Dissertação ... 1
1.1 A Energia Solar Térmica ... 1
1.2 SOLution Portugal ... 3
1.3 Objectivos ... 4
1.4 Estrutura da Tese ... 5
2 Estado de Arte da Energia Solar Térmica em Portugal ... 6
2.1 Panorama Energético Nacional ... 6
2.2 Compromissos de Portugal com a Energia Solar Térmica ... 7
2.3 Caracterização do Mercado Solar Térmico Activo ... 9
2.4 Funcionamento de Sistema Solar Térmico ... 9
3 Sistemas Solares de Grande Dimensão ... 16
3.1 Introdução ... 16
3.2 Estudo e Dimensionamento Técnico ... 17
3.2.1 Apresentação do Caso de Estudo ... 17
3.2.2 Situação Actual das Instalações ... 17
3.2.3 Requisitos a Resolver pelo Projecto ... 18
3.2.4 Critérios de Dimensionamento do Sistema ... 20
3.2.5 Dimensionamento e Projecto Técnico ... 24
3.2.6 Análise dos Resultados Obtidos ... 32
3.3 Quadro de Referência Estratégico Nacional – QREN ... 34
3.3.1 Introdução ... 34
3.3.2 Enquadramento dos Sistemas de Grandes Dimensões no QREN ... 34
3.3.3 Organização Operacional do QREN ... 35
3.3.4 Análise da candidatura ao QREN ... 37
3.4 Síntese do Tema Sistemas Solares de Grande Dimensão ... 39
4 Sistemas Solares de Pequena Dimensão... 40
4.1 Introdução ... 40
4.2 Estudo Energético Introdutório ... 41
4.3 Enquadramento no RCCTE ... 42
4.3.1 Análise Comparativa para Diferentes Tipologias e Regiões ... 43
4.3.2 Análise de Posicionamento Competitivo – SOLution ... 47
4.4 Síntese do Tema Sistemas Solares de Pequena Dimensão ... 53
5 Conclusões e Perspectivas de Trabalho Futuro ... 54
6 Referências e Bibliografia ... 56
ANEXO A: Tecnologias e Temperaturas de Operação ... 58
ANEXO B: Capacidade de Colectores Instalada na UE... 59
ANEXO C: Anexos do Dimensionamento do Projecto ... 60
ANEXO D: Especificação Técnica Colectores UNISOL27cc ... 61
ANEXO E: Especificação Técnica Acumuladores WSG ... 62
Sistemas de Aproveitamento de Energia Solar Térmica
ANEXO G: Proposta SOLO0000177 – Lar Calvário do Carvalhido ... 66
ANEXO H: Tipologias Novas Construídas no País em 2007 ... 67
ANEXO I: Acumulação de AQS – Comparação SOLTERM ... 68
ANEXO J: Simulação de Referência T3 Porto ... 69
Índice de Figuras
Figura 1 – Mapa Europeu de irradiação solar incidente no plano horizontal [4] ...2
Figura 2 – Número anual de horas de sol em Portugal [6] ...2
Figura 3 – Distribuição dos consumos energéticos no sector doméstico [2] ...7
Figura 4 – Área de colectores a instalar por sector até 2010 [20]...8
Figura 5 – Conjuntura do mercado da Energia Solar Térmica ...8
Figura 6 – Área de colectores instalada em cada sector, nos últimos 2 anos (Fonte: SOLution) ...9
Figura 7 – Esquema de funcionamento dos sistemas termossifão (Fonte: SOLTERM) ... 10
Figura 8 – Esquema de funcionamento dos sistemas de circulação forçada (Fonte: SOLTERM) ... 10
Figura 9 – Esquema Colector Selectivo Plano [1] ... 12
Figura 10 – Esquema Colector Concentrador Parabólico [1] ... 13
Figura 11 – Esquema colector de tubos de vácuo [1] ... 13
Figura 12 – Curvas de eficiência para diferentes tipos de colector (Fonte: SOLution) ... 14
Figura 13 – Implementação comparativa entre tubos de vácuo e colectores planos [7] ... 15
Figura 14 – Orientação e dimensões da cobertura ... 17
Figura 15 – Colector UNISOL27cc (Fonte: SOLution) ... 21
Figura 16 – Área técnica e área de instalação do campo de colectores ... 24
Figura 17 – Distância mínima entre colectores - ZONA A ... 24
Figura 18 – Orientação dos colectores - ZONA B e C ... 25
Figura 19 – Disposição do campo de colectores ... 26
Figura 20 – Perdas de rendimento do colector (SOLution) ... 26
Figura 21 – Esquema hidráulica da instalação solar (Fonte: SOLution) ... 26
Figura 22 – Depósitos de acumulação WSG 3000 em série (Fonte: SOLution) ... 27
Figura 23 – Esquema das tubagens do circuito primário ... 28
Figura 24 – Informação técnica bomba WILO 30/10 (Fonte: WILO AG) ... 30
Figura 25 – Esquema de controlo ... 31
Figura 26 – Instruções de controlo ... 31
Figura 27 – Energia fornecida em função da carga energética necessária – F-Chart ... 32
Figura 28 – Energia de carga F-Chart vs energia de carga SOLTERM ... 32
Figura 29 – Energia solar fornecida F-Chart vs energia solar fornecida SOLTERM ... 32
Figura 30 – Amortização do investimento no sistema solar ... 33
Sistemas de Aproveitamento de Energia Solar Térmica
Figura 32 – Comparativo Esolar entre sistemas de referências e sistemas SOLution ... 45
Figura 33 – Variação da fracção solar da tipologia T2 nas diferentes cidades ... 46
Figura 34 – Mercado Solar Térmico em Portugal Ano 2006 [23] ... 48
Figura 35 – Valores de produtividade da amostra de colectores em estudo... 51
Figura 36 – Valores de rentabilidade da amostra de colectores em estudo ... 52
Figura 37 – Tecnologias, Temperaturas de Operação e Aplicações da Energia Solar (Fonte RALPLUS) ... 58
Figura 38 – Capacidade de Colectores Instalada na EU até 2007 [21] ... 59
Figura 39 – Ábaco de perdas em tubagens de cobre (mm c.a./m2) [13] ... 60
Figura 40 – Especificação técnica colectores UNISOL27cc (Fonte: SOLution) ... 61
Figura 41 – Especificação técnica acumuladores WSGO (Fonte: SOLution) ... 62
Índice de Tabelas
Tabela 1 – Comparação do tipo de funcionamento dos sistemas ... 11
Tabela 2 – Estimativa dos consumos de AQS do Lar ... 19
Tabela 3 – Perfil de consumos ... 20
Tabela 4 – Carga energética para AQS ... 20
Tabela 5 – Intensidade útil diária ... 22
Tabela 6 – Optimização do campo de colectores... 23
Tabela 7 – Perda de carga total da instalação ... 30
Tabela 8 – Fracção solar do sistema F-Chart ... 32
Tabela 9 – Especificações técnicas dos sistemas solares de AQS de referência ... 44
Tabela 10 – Especificações técnicas dos sistemas solares de AQS SOLution ... 45
Tabela 11 – Estrutura do estudo de posicionamento competitivo... 49
Tabela 12 – Dados climatéricos para simulação F-Chart [13] ... 60
Tabela 13 – Factor de inclinação do colector para simulação F-Chart [13]... 60
Tabela 14 – Cp do fluido térmico em função da temperatura e volume de anti-congelante [1] ... 60
Tabela 15 – Fogos concluídos (Nº) em construções novas para habitação familiar, ano 2007 (Fonte: INE) ... 67
Tabela 16 – T3 Porto - Rendimento de sistema SOLution com depósito 300 litros ... 68
Sistemas de Aproveitamento de Energia Solar Térmica
1 Apresentação do Projecto de Dissertação
A presente Tese insere-se no âmbito da realização do Projecto de Dissertação de conclusão do Mestrado Integrado em Engenharia Industrial e Gestão da Faculdade de Engenharia da Universidade do Porto (FEUP). O Projecto “Sistemas de Aproveitamento de Energia Solar Térmica” é resultado do estágio curricular, cumprido ao abrigo do protocolo de cooperação entre a FEUP e a empresa SOLution Portugal.
Neste capítulo pretende-se fazer uma breve abordagem ao Projecto de Dissertação. No próximo capítulo faz-se uma introdução ao potencial energético do sol e às tecnologias de aproveitamente existentes, seguidamente apresenta-se a empresa de sistemas solares SOLution e a sua postura no mercado nacional. Posteriormente será feita uma contextualização do Projecto, com a descrição dos objectivos definidos. A apresentação finaliza com uma síntese da estrutura da tese.
1.1 A Energia Solar Térmica
Potencial da Energia Solar [4]
O Sol é um recurso praticamente inesgotável que emite constantemente energia para a superfície terrestre, sob forma de radiação, que pode ser absorvida ou reflectida pelos elementos que a recebem.
A radiação solar incidente sobre uma superfície perpendicular ao eixo Terra-Sol, situada no topo da atmosfera, é, em média, de 1.373 W/m2. Após atravessar a atmosfera, num dia de céu relativamente limpo, a radiação solar atinge a superfície terrestre com uma potência inferior em cerca de 30% da registada no topo da mesma, ou seja, aproximadamente, de 1.000 W/m2. O total da energia solar que chega à superfície da Terra por ano é superior a 10.000 vezes o consumo total de energia da humanidade. Em apenas 20 minutos o Sol fornece à Terra tanta energia como a que toda a humanidade consome num ano.
A radiação solar que atinge a superfície terrestre é constituída por três componentes: • Radiação directa – Atinge directamente a superfície terrestre;
• Radiação difusa – Desviada em diferentes direcções pelos componentes da atmosfera; • Radiação reflectida – Proveniente da reflexão no solo e objectos circundantes.
Em Portugal, o potencial disponível é bastante considerável, sendo um dos países da Europa com melhores condições para aproveitamento deste recurso, dispondo de um número médio anual de horas de Sol, variável entre 2.200 e 3.000, no continente.
Como se pode verificar pelas figuras anteriores, os valores de irradiação disponível em Portugal, são dos mais elevados de toda a Europa, onde na Alemanha, por exemplo, o número médio anual de horas de Sol varia entre 1.200 e 1.700 horas.
Vectores da Energia Solar
A energia solar pode ser utilizada de forma passiva ou de forma activa. A forma passiva consiste no aproveitamento da energia para aquecimento de edifícios, através da concepção cuidada e de técnicas de construção inovadoras. A forma activa apresenta duas formas de transformação, por conversão eléctrica e por conversão térmica.
No caso da energia solar fotovoltaica, a conversão de energia solar em electricidade ocorre em células fotovoltaicas (sem efeito térmico), usualmente constituídas por silício, e outros materiais semi-condutores. No caso de energia solar térmica, tema sob a qual a Tese incide, a energia solar é captada com recurso a colectores solares que através de processos térmicos é transformada em calor.
Tecnologias da Energia Solar Activa [19]
As tecnologias de conversão da energia solar em energia térmica têm desenvolvimentos distintos em função das gamas de temperatura necessárias. Devem assim considerar-se tecnologias e equipamentos para:
• Temperaturas baixas – temperatura operação até 90 ºC;
• Temperaturas médias – temperatura operação entre 90ºC a 150ºC; • Temperaturas altas – temperatura operação entre 150ºC a 300ºC; • Temperaturas muito altas – temperatura operação superior a 300ºC.
As aplicações que requerem baixas temperaturas, tipicamente para aquecimento de água, podem ser divididas em duas gamas distintas, uma para aquecimento de piscinas e outra para aquecimento de água para fins sanitários ou apoio ao aquecimento central. Nestas gamas de temperatura existe uma tecnologia bem desenvolvida e madura – colectores planos ou colectores parabólicos (CPC) de baixa concentração.
Figura 2 – Número anual de horas de sol em Portugal [5]
Figura 1 – Mapa Europeu de irradiação solar incidente no plano horizontal [3]
Sistemas de Aproveitamento de Energia Solar Térmica
Para temperaturas médias as aplicações podem ser a climatização (aquecimento central e arrefecimento) ou o aquecimento de águas de processo, para fins industriais. Nestes casos, requerem-se colectores com temperaturas de operação mais elevada, como os CPC de alta concentração ou tubos de vácuo.
As tecnologias para temperaturas de aquecimento altas e muito altas aplicam-se processos a vapor e para produção de electricidade. Neste caso, as tecnologias são de ponto e concentram-se em grandes centrais solares.
No Anexo A estão identificadas esquematicamente as diferentes tecnologias com as temperaturas de operação correspondentes.
O Futuro da Energia Solar Térmica
A tecnologia mais madura actualmente e com maior difusão é a tecnologia aplicada a sistemas solares para aquecimento de águas sanitárias. No entanto, segundo estudos de mercado da European Solar Thermal Technology Platform (ESTPP), os próximos passos e desenvolvimentos tecnológicos a médio/longo prazo serão dirigidos para as aplicações de águas quentes de processo e vapores de processo, especialmente ao nível da indústria, na qual as tecnologias existentes apresentam ainda taxas de eficiência medianas. [6]
A maior parte das energias renováveis podem ser consideradas concorrência indirecta ao solar térmico, sendo que são um substituto aos combustíveis fósseis. Os combustíveis fósseis são recursos finitos, ao qual se perspectiva uma grande escalada dos preços, adivinhando-se, portanto, um futuro promissor para os recursos endógenos. Dentro desta categoria, colocam-se as bombas de calor, geotermia e biomassa.
1.2 SOLution Portugal
A SOLution é um dos líderes europeus no mercado de soluções completas de energia solar, não só para a produção de água quente sanitária e apoio aos sistemas de aquecimento central, mas também para os sistemas de climatização e produção de electricidade. Com sede na Áustria e graças à experiência já adquirida no sector, rapidamente conseguiu atingir um elevado grau de serviço e satisfação dos seus clientes com os produtos esteticamente interessantes, fiáveis e de qualidade.
No seu percurso internacional, Portugal apresenta um papel de relevo ao ser a primeira filial da empresa fora da Áustria. Esta presença local aumenta a capacidade de resposta no mercado Português e reflecte a aposta forte no nosso país, numa perspectiva de futuro. A estrutura local da SOLution é complementada por parcerias com instaladores locais, que permitem uma especialização nos diferentes segmentos, dando a cada um o apoio técnico-comercial necessário para o sucesso na instalação dos sistemas solares SOLution.
Actualmente a SOLution Portugal encontra-se em fase de adaptação e estruturação no mercado. Por este motivo, o Projecto de Dissertação assume grande importância para a empresa, apoiando o seu processo de estruturação actual.
1.3 Objectivos
Os objectivos do Projecto de Dissertação devem ser interpretados sobre duas perspectivas: a do autor e a da empresa, sendo que ambas se relacionam dentro de objectivos comuns. Para o autor, o Projecto constitui a conclusão do Mestrado, para a SOLution esta primeira parceria com a FEUP no desenvolvimento de Projectos de Dissertação, surge como uma valiosa oportunidade para acolher novos colaboradores que acrescentem valor ao desempenho da organização, com vista à possibilidade de protocolos futuros.
Os objectivos do estágio foram definidos considerando a conjuntura actual da empresa. Por um lado, trata-se de uma empresa recém-criada, com uma estrutura em crescimento. Por outro lado, a empresa actua num mercado de grande expansão, onde as novidades e incertezas são constantes.
O Projecto de Dissertação teve como objectivo a estruturação da informação técnico-comercial dos sistemas solares SOLution, com vista ao desenvolvimento de mecanismos de apoio ao dimensionamento de sistemas solares para aquecimento de água sanitária (AQS). Contribuindo para gerar processos de resposta às consultas de forma eficaz e coerente.
Considerando que o mercado da energia solar térmica apresenta dois grandes segmentos de mercado distintos, a Tese também foi segmentada dessa mesma forma, em sistemas solares de grande dimensão e sistemas solares de pequena dimensão. Esta distinção justifica-se pela diferente abordagem técnica aos dois segmentos, de maior complexidade nas grandes instalações e também pelo surgimento de legislação energética que restringe o dimensionamento dos sistemas solares de pequena dimensão.
Sendo assim, no âmbito da Tese “Sistemas de Aproveitamento de Energia Solar Térmica”, o estágio desenvolveu-se em torno de dois temas principais:
1. Sistemas Solares de Grande Dimensão; 2. Sistemas Solares de Pequena Dimensão.
No primeiro tema pretende-se realizar um estudo exaustivo dos sistemas solares de grande dimensão, que são instalações extremamente complexas, de especificações técnicas pormenorizadas e consequentemente apresentam necessidades de investimento bastante elevadas.
Os projectos de grande escala são necessariamente dimensionados caso a caso, passo a passo, pelo que o objectivo do estudo deste tema consiste na concepção de uma estrutura de apoio técnico-comercial integral, que permita abordar de forma lógica e organizada estes sistemas, perspectivando o sucesso de implementação das soluções.
Para o efeito, foi estudado um caso específico de instalação de um sistema solar térmico para o aquecimento de águas sanitárias do Lar Calvário do Carvalhido. Com base nas necessidades energéticas do sistema, elaborou-se um projecto de dimensionamento exaustivo do Lar.
Neste tema, o Quadro de Referência Estratégica Nacional (QREN), instrumento que regulamenta a aplicação de fundos comunitários a Portugal, assume também uma relevância crucial ao associar uma possibilidade de financiamento ao projecto, tornando a viabilidade do investimento mais atractiva, pois, os elevados recursos financeiros exigidos são, na maioria dos casos, uma forte barreira à implementação dos sistemas de grande escala.
Sistemas de Aproveitamento de Energia Solar Térmica
Ambas as análises de dimensionamento técnico e de integração no QREN são efectuadas com perspectivas de utilização em projectos futuros, contribuindo para o objectivo de criar estruturas de apoio eficientes para as exigentes solicitações do mercado.
No segundo tema, os sistemas solares de pequena dimensão representam as pequenas instalações de AQS para uso doméstico. Este tema foi abordado numa perspectiva multiplural ao englobar um conjunto de análises distintas mas que convergem no propósito comum de estruturar e organizar os sistemas solares para AQS, de acordo com a recente legislação energética para os novos edifícios.
Os sistemas solares de pequena dimensão caracterizam-se pela sua tecnologia já madura e pela uniformização dos sistemas de AQS, adaptados e pré-dimensionados para as diferentes tipologias domésticas. Tecnicamente são sistemas de complexidade reduzida e a generalidade das soluções existentes no mercado são semelhantes. Contudo, as novas exigências energéticas impostas pelo Regulamento das Características de Comportamento Térmico dos Edifícios (RCCTE - DL. 80/2006), introduziram a necessidade reestruturar os kits de AQS SOLution para as tipologias do mercado Português.
Dada a uniformização das instalações solares de AQS e das marcas presentes no mercado Português, é fundamental a SOLution distinguir-se dos demais concorrentes e posicionar-se de acordo com as características dos equipamentos que comercializa. Desta forma, é também interesse da SOLution exaltar as suas vantagens face ao desempenho energético dos seus sistemas, performance e qualidade, adaptados à nova legislação em vigor.
Em suma, dada a rápida ascensão do mercado solar térmico, a capacidade de resposta ao cliente é crucial para que a empresa conquiste o seu espaço no mercado. É fundamental para a SOLution dar um seguimento técnico-comercial rápido e coerente às solicitações dos seus clientes. O Projecto de Dissertação foi precisamente delineado com o intuito de alavancar a empresa, cimentando estruturas base e criando ferramentas de análise aos projectos típicos que são solicitados, melhorando a qualidade do serviço e reposta ao cliente.
1.4 Estrutura da Tese
A Tese encontra-se estruturada nos seguintes capítulos:
Este capítulo inicial introduz o Projecto de Dissertação no contexto da energia solar e da empresa, definindo igualmente os objectivos do trabalho e metodologia de abordagem utilizada.
No capítulo 2 é caracterizado o Estado de Arte em Portugal. Este capítulo apresenta a conjuntura actual da energia solar térmica e descreve o funcionamento e tecnologias típicas das instalações solares para AQS.
Feita a contextualização no âmbito da energia solar térmica, são analisados os segmentos de mercado identificados no capítulo anterior. O capítulo 3 aborda o tema dos “Sistemas Solares de Grande Dimensão”, subdividido na análise de dimensionamento técnico e na análise da candidatura ao QREN, aplicadas a um caso específico.
Por sua vez, no capítulo 4 estuda-se o tema dos “Sistemas Solares de Pequena Dimensão”, na qual são realizadas duas análises distintas, o enquadramento dos sistemas domésticos no RCCTE e a análise de posicionamento competitivo da SOLution.
Por fim, no Capítulo 5 são apresentadas as conclusões do estágio realizado e perspectivas para o desenvolvimento de trabalhos futuros.
2 Estado de Arte da Energia Solar Térmica em Portugal
2.1 Panorama Energético Nacional
Os recentes aumentos excessivos do preço do petróleo colocaram a discussão sobre a segurança de oferta no topo da agenda política e energética internacional. É praticamente certo que os combustíveis fósseis – carvão, petróleo e gás – continuarão a desempenhar um papel central na produção de energia durante a primeira metade do corrente século, tanto na Europa como no resto do mundo, pelo que se tornam necessárias novas tecnologias para reduzir as emissões de gases com efeito de estufa a partir destas fontes.
O sistema energético nacional caracteriza-se por uma forte dependência externa e por uma elevada intensidade energética. Portugal não possui capacidade interna de produção de combustíveis fósseis produzindo apenas cerca de 15% da energia que necessita e importando os restantes 85%. [22]
Tratando-se de um produto raro e em vias de esgotamento, é evidente que o preço do petróleo tenderá a subir historicamente, os combustíveis serão sempre caros, além de que a sua procura é inflacionada pelo desenvolvimento das economias emergentes. Em Portugal, dado não haver produção de petróleo, a vulnerabilidade à flutuação dos preços é por tudo isso mais acentuada do que noutros países.
O Consumo Energético nos Edifícios
Em Portugal (2005), o peso do consumo dos principais sectores de actividade económica relativamente ao consumo final de energia primária, foi de 28% na Industria, 35% nos Transportes, 17% no sector Doméstico, 13% nos Serviços e 7% nos outros sectores. [22] Estatísticas indicam que os edifícios foram responsáveis pelo consumo de 5,8 Mtep (milhões de toneladas equivalente de petróleo), representando cerca 30% do consumo total de energia primária do país e 62% dos consumos de electricidade, em 2005. O sector residencial com cerca de 3,3 milhões de edifícios contribuiu com 17% dos consumos de energia primária em termos nacionais, representando cerca de 29% dos consumos de electricidade, o que evidencia a necessidade de uma atenção particular à eficiência energética dos equipamentos consumidores de electricidade como forma de moderação dos consumos. [2]
Sistemas de Aproveitamento de Energia Solar Térmica 50% 25% 25% Cozinhas e AQS Aquecimento e Arrefecimento Iluminação e Electrodomésticos
Em termos de utilizações finais, estes consumos de energia nos edifícios residenciais distribuem-se aproximadamente da seguinte forma:
Estes valores permitem inferir algumas conclusões de forma a melhorar a eficiência térmica e energética dos edifícios. Entre outras medidas, os custos elevados associados à produção de águas quentes sanitárias, cuja fonte energética se divide entre o gás e a electricidade poderão ser transferidos para uma produção de origem renovável, sendo a energia solar térmica uma forte alternativa.
2.2 Compromissos de Portugal com a Energia Solar Térmica
Nos últimos anos tem-se assistido a uma nova investida da energia solar no país, de forma a recuperar o terreno perdido em comparação com o resto da Europa. De facto, Portugal é dos países com maior irradiação solar e simultaneamente, dos países com menor aproveitamento deste género de tecnologias.
Destaca-se o facto de países como a Alemanha e Áustria, de clima continental e menos propícios ao aproveitamento de energia solar térmica (Figura 1), totalizarem mais de 50% (71% incluindo a Grécia) da capacidade térmica instalada nos 27 Estados Membros da União Europeia, que actualmente atinge cerca de 16750 MWth, segundo estatísticas da EurObserv’ER, 2008 (Anexo B).
Para potenciar o aumento da contribuição da energia solar para o aquecimento de água, foi lançada a Iniciativa Pública - Programa Água Quente Solar (IP-AQSpP), promovida pela DGGE e com o apoio de várias entidades, à semelhança das iniciativas públicas nos países mais desenvolvidos.
Este programa, lançado em 2001, visa promover o recurso a colectores solares para aquecimento de água, quer nos sectores residencial e serviços, quer na indústria. Os objectivos passavam por chegar a 2010 com um milhão de metros quadrados de colectores solares instalados, numa média de 150 mil metros quadrados por ano, evitando 1,8% de emissões de Gases com Efeito de Estufa (GEE). [16]
No seguimento da Iniciativa Pública, a ADENE, através do Fórum “Energias Renováveis Portugal” determinou o potencial de implementação no horizonte de 2010, considerando-se diferentes factores de exequibilidade por sector.
Do total de área de colectores solares instalados, prevê-se que 67% da área de colectores será relativa a instalações no sector doméstico, cobrindo 25% de todo o sector. O que demonstra o potencial aplicabilidade de sistemas de AQS no território nacional.
Contudo, desde o lançamento do programa em 2001 a 2007, foram instalados em Portugal cerca de 300 mil metros quadrados de colectores solares. Ou seja, o País atingiu 30% da meta estabelecida, quando faltavam apenas três anos para 2010, o que fica longe das metas estabelecidas então no âmbito do Programa Água Quente Solar. [13]
O Programa Nacional para as Alterações Climáticas (PNAC 2006) reviu em baixa esta meta e considera já que se atingirá metade do objectivo traçado. As metas do programa foram dilatadas por mais dez anos, prevendo-se que, até 2020, sejam instalados 100 mil metros quadrados por ano, o que corresponderá a 1,6 milhões de metros quadrados em 2020. [13] Em suma, a conjuntura e o potencial de implementação da energia solar térmica é resumido na seguinte figura:
Figura 4 – Área de colectores a instalar por sector até 2010 [20]
Sistemas de Aproveitamento de Energia Solar Térmica
2.3 Caracterização do Mercado Solar Térmico Activo
Indo mais ao detalhe, relativamente ao sector solar térmico activo, o programa “Fórum Energias Renováveis em Portugal” realizou em 2001 um estudo exaustivo do mercado, com descrição do potencial e tecnologias existentes para aproveitamento da energia solar, a caracterização do passado, do presente e identificando as perspectivas futuras do solar térmico em Portugal.
Considerando o aquecimento de águas sanitárias, tecnologia mais desenvolvida e com maior procura, o estudo realizado identificou que o mercado nacional dos sistemas solares térmicos pode ser dividido em dois sectores: o sector doméstico para uso pelas famílias (particulares) e o sector de equipamentos sociais/industriais e serviços. Esta divisão dos sectores para aquecimento de água pode ser igualmente definida por sistemas solares de pequena dimensão (sector doméstico) e sistemas solares de grande dimensão (sector de equipamentos sociais/industriais). [19]
A área total de colectores SOLution instalados reforça os sectores identificados pelo estudo, demonstrado na figura seguinte:
As “Outras Instalações” contemplam instalações de sistemas combinados (sistemas AQS com apoio ao aquecimento central) e instalações em piscinas particulares. Os sistemas combinados podem ser definidos como Médias Instalações, pois já requerem um levantamento técnico, caso a caso, em função das necessidades térmicas, tipo de aquecimento central e isolamento térmico, entre outras variáveis e não serão alvo de abordagem no Projecto de Dissertação. 2.4 Funcionamento de Sistema Solar Térmico
Os sistemas solares domésticos para aquecimento de águas sanitárias podem ser divididos em dois grupos, considerando o seu princípio de funcionamento.
Termossifão [21]
O kit termossifão1 tem na sua constituição um acumulador de água sanitária instalado em cima do colector solar – Figura 7. A energia solar captada pelo colector é transferida para o acumulador aproveitando o princípio da deslocação natural do calor, assim não é necessária circulação forçada (bomba circuladora) para efectuar a deslocação de energia. A partir das diferenças de densidades criadas pelas diferenças de temperatura, a água quente que é menos densa sobe e a água fria, mais densa, desce, criando assim uma circulação natural.
1 A palavra termossifão significa deslocação natural de energia.
Deste modo, o sistema já montado de uma unidade no local - composto por colector, acumulador com resistências eléctricas de apoio e sistema de fixação - é uma solução bastante prática e simples, que cumpre os requisitos necessários por lei para AQS.
Com este tipo de sistema não é necessária uma bomba electro-circuladora para movimentar o fluido, nem um controlador diferencial para accionar a bomba, como nos sistemas de circulação forçada seguintes.
Circulação Forçada [21]
Um sistema de circulação forçada é um sistema onde o colector solar e o depósito se encontram fisicamente separados, o que permite uma série de vantagens em relação aos sistemas de termossifão. O funcionamento de um sistema deste tipo não deixa de ser simples: Um fluido circula nos colectores, sendo aquecido (e sofrendo aquilo que pode ser descrito como um efeito de estufa). Um regulador solar permite-lhe escolher cómoda e rapidamente a temperatura a que pretende que este fluido circule até ao depósito de acumulação onde a água é aquecida por uma serpentina solar. Assim poderá regular com precisão a temperatura a que pretende que seja feito o abastecimento aos pontos de água quente.
Figura 7 – Esquema de funcionamento dos sistemas termossifão (Fonte: SOLTERM)
Sistemas de Aproveitamento de Energia Solar Térmica
Vantagens e desvantagens dos sistemas [15]
Tabela 1 – Comparação do tipo de funcionamento dos sistemas
Sistema Termossifão Sistema Circulação Forçada
Vantagens
• Sistema simples de fácil instalação; • Ideal para habitações já existentes; • Baixo custo do sistema;
• Auto-regulação - circulação natural.
• Sistema mais eficiente, com menores perdas térmicas (acumulador na vertical -estratificação, situado em espaço interior);
• Óptima integração estética;
• Adaptação a diferentes sistemas de apoio energético.
Desvantagens
• Elevadas perdas térmicas da instalação, devido à colocação do acumulador na horizontal (ausência de estratificação) e sujeito a intempérie;
• Energia de apoio limitada à resistência eléctrica;
• Elevado peso do conjunto; • Impacto estético da instalação; • Limita-se utilização doméstica.
• Maior custo do sistema;
• Instalação mais complexa (rede de tubagens, bomba circuladora e controlador do sistema);
• Difícil instalação em habitações já existentes.
Considerando as valências de cada sistema, a SOLution aposta na comercialização dos sistemas de circulação forçada. Apesar de serem sistemas mais caros e complexos, são sistemas mais eficientes, que obtêm melhor fracção solar e vão de encontro à política de qualidade, fiabilidade e garantia dos equipamentos por parte da SOLution.
Além do mais, para as grandes instalações é exclusivamente viável instalação de sistemas de circulação forçada.
É nestes sistemas que a SOLution consegue ser mais competitiva e que acredita que o sucesso no mercado passa pela aposta nestas soluções.
Tipos de colector
A energia da radiação solar é captada e transferida através de colectores solares, sendo depois acumulada no depósito sob a forma de água quente. Os colectores são o coração do sistema solar, pelo que em função da utilização que se pretende deve-se escolher o tipo de colector mais adequado.
A área de colectores depende do consumo de água quente e da temperatura de utilização, sendo tanto maior quanto maiores forem as necessidades de energia.
Interessa referir que num sistema solar térmico apenas parte da energia disponível vai ser transferida para o fluido. Este processo está dependente do rendimento do colector, considerando-se este como quociente entre a energia recebida e a energia disponível. Consequentemente quanto maior o rendimento e menor as perdas térmicas, maior será a energia disponível, devendo-se por este motivo prestar especial atenção a estes factores.
Colector Selectivo Plano [1]
Este tipo de colector é o mais comum e destina inferiores a 60 ºC.
Os colectores planos são formado por:
• Cobertura de vidro transparente: para provocar o efeito de estufa e reduzir as
calor e ainda assegurar a estanquicidade do colector. A cobertura em vidro de segurança (geralmente vidro temperado) confere uma maior durabilidade e resistência ao colector, protegendo de eventuais condições climatéricas, como por exemplo a queda de granizo.
• Placa absorsora: serve para receber a energia e transforma
para o fluido térmico que circula por uma série de tubos em paralelo ou serpentina. Para obter maiores rendimentos existem superfícies selectivas que absor
corpo negro mas perdem menos radiação.
• Caixa de isolamento térmico: serve para evitar perdas de calor uma vez que deverá ser isolada termicamente, para dar rigidez e proteger o interior do colector, dos agentes externos.
Ao fazer circular o fluido térmico através dos tubos de cobre, retira aproveita-lo para aquecer o depósito de água.
Vantagens:
• Mais barato que um colector de vácuo e parabólico composto;
• Oferece múltiplas opções de montagem (sobre o telhado, integrado no montado na fachada e de instalação livre);
• Boa taxa de preço/performance; Desvantagens:
• Apresenta menor eficiência em relação aos colectores de vácuo e colectores parabólicos concertadores (CPC) devido a maiores perdas térmicas
• Pouco adaptado par
para máquinas de refrigeração;
• Exige mais espaço no telhado do que os colectores de vácuo.
Figura [1]
Este tipo de colector é o mais comum e destina-se a produção de água quente a temperaturas
formado por:
Cobertura de vidro transparente: para provocar o efeito de estufa e reduzir as
calor e ainda assegurar a estanquicidade do colector. A cobertura em vidro de segurança (geralmente vidro temperado) confere uma maior durabilidade e resistência ao colector, protegendo de eventuais condições climatéricas, como por exemplo a
Placa absorsora: serve para receber a energia e transforma-la em calor, transmitindo para o fluido térmico que circula por uma série de tubos em paralelo ou serpentina. Para obter maiores rendimentos existem superfícies selectivas que absor
corpo negro mas perdem menos radiação.
Caixa de isolamento térmico: serve para evitar perdas de calor uma vez que deverá ser isolada termicamente, para dar rigidez e proteger o interior do colector, dos agentes
ido térmico através dos tubos de cobre, retira-se calor destes podendo lo para aquecer o depósito de água.
Mais barato que um colector de vácuo e parabólico composto;
Oferece múltiplas opções de montagem (sobre o telhado, integrado no montado na fachada e de instalação livre);
Boa taxa de preço/performance;
Apresenta menor eficiência em relação aos colectores de vácuo e colectores concertadores (CPC) devido a maiores perdas térmicas
para gerar altas temperaturas, geração de vapor, fornecimento de calor para máquinas de refrigeração;
Exige mais espaço no telhado do que os colectores de vácuo.
Figura 9 – Esquema Colector Selectivo Plano [1]
de água quente a temperaturas
Cobertura de vidro transparente: para provocar o efeito de estufa e reduzir as perdas de calor e ainda assegurar a estanquicidade do colector. A cobertura em vidro de segurança (geralmente vidro temperado) confere uma maior durabilidade e resistência ao colector, protegendo de eventuais condições climatéricas, como por exemplo a
la em calor, transmitindo-a para o fluido térmico que circula por uma série de tubos em paralelo ou serpentina. Para obter maiores rendimentos existem superfícies selectivas que absorvem como um
Caixa de isolamento térmico: serve para evitar perdas de calor uma vez que deverá ser isolada termicamente, para dar rigidez e proteger o interior do colector, dos agentes
se calor destes podendo
Oferece múltiplas opções de montagem (sobre o telhado, integrado no telhado,
Apresenta menor eficiência em relação aos colectores de vácuo e colectores concertadores (CPC) devido a maiores perdas térmicas;
Sistemas de Aproveitamento de Energia Solar Térmica
Colector Parabólico Concentrador – CPC [1]
A diferença fundamental relativamente a um colector plano convencional é a geometria da superfície absorsora.
Nos CPCs a área absorsora é constituída por duas alhetas unidas a um tubo e colocadas em cima de uma superfície reflectora. A captação solar realiza-se nas duas faces das alhetas e as perdas térmicas são reduzidas.
O Sol incide na parte superior das alhetas e na superfície parabólica reflectora. Os raios são reflectidos e incidem na parte inferior das alhetas ou directamente no tubo, contribuindo para aquecer ainda mais o fluido térmico.
As perdas de calor são reduzidas porque a área de absorção é menor que num colector plano, pois é constituída só pela superfície das alhetas, implicando uma melhoria do rendimento térmico. Por outro lado, a inércia térmica do colector é inferior e a temperatura nominal de funcionamento é atingida mais rapidamente. A zona situada entre a superfície reflectora e a caixa é preenchida com isolamento para evitar as perdas de calor pela parte inferior.
Vantagens:
• Elevada eficiência mesmo com elevadas diferenças de temperaturas entre o absorsor e o meio envolvente (no Verão);
• Elevada eficiência com baixa radiação (no Inverno);
• Suporta aplicações de calor com mais eficiência do que os colectores planos; • Adequado para elevadas temperaturas, climatização.
Desvantagens:
• Mais caro do que um colector plano. Colectores de Vácuo [1]
Estes colectores consistem geralmente em tubos de vidro transparente, cujo interior contém tubos metálicos (absorvedores). A atmosfera interior dos tubos está em vácuo o que elimina as perdas por convecção, elevando assim o rendimento devido a menores coeficientes de perdas.
Figura 10 – Esquema Colector Concentrador Parabólico [1]
Estes colectores absorvem e transferem eficazmente a energia térmica, através de uma chapa colectora e de um "tubo de calor" contidos num tubo de vidro em vácuo, para um permutador de calor altamente isolado. Este tem uma inércia térmica muito baixa, e uma condutividade excepcionalmente rápida.
O vácuo no tubo de vidro, sendo o melhor isolamento possível para um colector solar, suprime as perdas de calor e protege também a chapa absorvente e o "tubo de calor" das condições adversas exteriores.
Vantagens
• Trabalharem eficientemente a altas temperaturas de absorção;
• Solução para sistemas com fraca orientação e exposição solar, radiação reduzida, limitação de espaço.
Desvantagens
• Esperança média de vida menor;
• Eventuais problemas de dissipação da energia produzida a mais, especialmente nos meses de Verão;
Colectores de PVC [21]
Para completar a análise aos colectores existentes no mercado, termina-se com os colectores PVC que não se enquadram nos sistemas de AQS. Este colectores são constituídos por tubos pretos de plástico, não são vitrificados, revestidos ou isolados termicamente e portanto apresentam elevadas perdas térmicas. A sua utilização resume-se ao aquecimento de piscinas, onde as temperaturas de operação são menores, aumentando o seu período de utilização anual. Terminada a análise às várias tecnologias existentes no mercado, seguidamente justifica-se a aposta da SOLution, na tecnologia dos colectores selectivos planos.
Na Figura 12, apresentam-se as curvas típicas de eficiência para diferentes tipos de colectores. Colector de tubo vácuo, colector plano e absorsor para piscinas, com a mesma irradiação solar global, bem como a área de aplicação.
Figura 13 – Implementação comparativa
Verifica-se que só para ∆T > 40 K os colectores de v
em média a diferença de temperatura entre o colector e a temperatura ambiente inferior a 40 K, habitualmente nos sistemas solares do
não se justificando, por isso
Esta análise é verificada na prática através de estudos de mercado realizados nos países de maior implementação e mais anos experiência
Grécia.
A Figura 13 demonstra percentagem de área de colectores de vácuo instalados comparativamente com os colectores selectivos planos no ano 2007:
Considerando que em países como a Alemanha e Áustria 90% da superfície total instalada corresponde a colectores selectivos planos, em Portugal a implementação dessa tecnologia ainda faz mais sentido, visto que a irradiação solar do país é muito superior à verificada nestes países.
Contudo, apesar dos colectores selectivos planos são os mais aconselhados para aplicações domésticas de produção de água quente sanitária (armazenamento d
Contudo, deve-se considerar a instalação de colectores CPC ou vácuo nas seguintes condições:
• Espaço disponível insuficiente • Inclinação necessária
• Orientação do campo de colectores des
Nas instalações de sistemas com colectores CPC e de tubo de vácuo ocorrem muitas vezes situações de sobreaquecimento
estagnação, devido à subida da temperatura sobredimensionados
As instalações solares Este fenómeno, resultante da falta de capacidade de dissipação do calor produzido nos colectores (exceptuando as perdas térmicas), é desaconselhável, na medida em que a longo prazo implica maiores custos de man
Após a contextualização da energia solar térmica em Portugal e a breve descrição dos sistemas de energia solar, seguidamente
Sistemas de Aproveitamento de Energia Solar Térmica
Implementação comparativa entre tubos de vácuo e colectores planos [7]
∆T > 40 K os colectores de vácuo apresentam maior eficiência. Sendo em média a diferença de temperatura entre o colector e a temperatura ambiente inferior a 40 K, habitualmente nos sistemas solares domésticos, a eficiência dos colectores é semelhante,
por isso, o uso do colector de tubos de vácuo.
Esta análise é verificada na prática através de estudos de mercado realizados nos países de maior implementação e mais anos experiência no sector, casos da Alemanha, Áustria e
demonstra percentagem de área de colectores de vácuo instalados comparativamente com os colectores selectivos planos no ano 2007:
Considerando que em países como a Alemanha e Áustria 90% da superfície total instalada corresponde a colectores selectivos planos, em Portugal a implementação dessa tecnologia a faz mais sentido, visto que a irradiação solar do país é muito superior à verificada nestes
Contudo, apesar dos colectores selectivos planos são os mais aconselhados para aplicações domésticas de produção de água quente sanitária (armazenamento d
se considerar a instalação de colectores CPC ou vácuo nas seguintes
insuficiente para instalar colectores solares planos; nclinação necessária insuficiente;
Orientação do campo de colectores desfavorável.
Nas instalações de sistemas com colectores CPC e de tubo de vácuo ocorrem muitas vezes sobreaquecimento, especialmente nos meses de Verão.
subida da temperatura máxima dos colectores. Os siste
As instalações solares Este fenómeno, resultante da falta de capacidade de dissipação do calor produzido nos colectores (exceptuando as perdas térmicas), é desaconselhável, na medida em que a longo prazo implica maiores custos de manutenção e menor tempo de vida do sistema. Após a contextualização da energia solar térmica em Portugal e a breve descrição dos
, seguidamente inicia-se a análise intensa dos sistemas solares.
Sistemas de Aproveitamento de Energia Solar Térmica
e colectores planos [7]
ácuo apresentam maior eficiência. Sendo em média a diferença de temperatura entre o colector e a temperatura ambiente inferior a 40 mésticos, a eficiência dos colectores é semelhante,
Esta análise é verificada na prática através de estudos de mercado realizados nos países de no sector, casos da Alemanha, Áustria e
demonstra percentagem de área de colectores de vácuo instalados
Considerando que em países como a Alemanha e Áustria 90% da superfície total instalada corresponde a colectores selectivos planos, em Portugal a implementação dessa tecnologia a faz mais sentido, visto que a irradiação solar do país é muito superior à verificada nestes
Contudo, apesar dos colectores selectivos planos são os mais aconselhados para aplicações domésticas de produção de água quente sanitária (armazenamento de água até 60ºC). se considerar a instalação de colectores CPC ou vácuo nas seguintes
lares planos;
Nas instalações de sistemas com colectores CPC e de tubo de vácuo ocorrem muitas vezes , especialmente nos meses de Verão. O sistema entra em máxima dos colectores. Os sistemas
As instalações solares Este fenómeno, resultante da falta de capacidade de dissipação do calor produzido nos colectores (exceptuando as perdas térmicas), é desaconselhável, na medida em
utenção e menor tempo de vida do sistema. Após a contextualização da energia solar térmica em Portugal e a breve descrição dos
3 Sistemas Solares de Grande Dimensão
3.1 Introdução
O segmento de mercado das grandes instalações solares revela ser importância estratégica para as ambições da SOLution. De facto, constata-se que é o sucesso dos grandes projectos e a elevada poupança energética associada que referenciam a empresa no mercado e potenciam o seu crescimento sustentado.
Consequentemente, o estudo deste tema adquire dimensões cruciais para o crescimento e afirmação da SOLution em Portugal. A abordagem técnica ao nível do dimensionamento do sistema é essencial, dotando a proposta ao cliente de uma componente de elevado valor acrescentado: um sistema à medida, uma solução à medida.
Dada a pequena dimensão da empresa e o relativamente curto histórico no mercado português no segmento, o valor acrescentado pelo conhecimento, familiarização e interiorização de todos os conceitos e variáveis associadas à complexidade destes projectos, será uma mais-valia para a empresa em projectos futuros de grandes dimensões.
A cada projecto as variáveis alteram-se, é necessário um estudo cuidadoso das necessidades energéticas do sistema e o correcto dimensionamento técnico de todos os componentes constituintes em função das cargas do sistema e tendo em conta as restrições inerentes a cada caso. Para o estudo deste tema, o dimensionamento técnico foi aplicado ao Lar Calvário do Carvalhido que pretende a instalação de um sistema para aquecimento das águas sanitárias aproveitando a energia solar térmica disponível.
A análise é realizada com o intuito de criar um documento possível de ser utilizado para outros projectos semelhantes de AQS. Apesar de cada sistema ter as suas especificações, são dimensionados passo-a-passo, portanto, o estudo realizado seguidamente e globalidade da estrutura apresentada servirá como um guia para dimensionamento de projectos futuros. O projecto de dimensionamento do Lar será posteriormente integrado no QREN, instrumento que a SOLution ambiciona beneficiar e cuja análise completará a abordagem ao tema “Sistemas de Solares de Grande Dimensão”.
Sistemas de Aproveitamento de Energia Solar Térmica
3.2 Estudo e Dimensionamento Técnico
3.2.1 Apresentação do Caso de Estudo
Apresenta-se seguidamente o dimensionamento de um sistema solar de grande escala, aplicado a um projecto concreto, no caso, o Lar de Idosos Calvário do Carvalhido situado no Porto.
Apesar de se aplicar a um sistema de grande dimensão, o estudo efectuado permite compreender na prática o funcionamento da generalidade dos sistemas solares. Paralelamente ao projecto desenvolveu-se uma ferramenta F-Chart para auxílio ao dimensionamento, sendo igualmente utilizado para efeitos de simulação energética o software SOLTERM2.
3.2.2 Situação Actual das Instalações
Este projecto refere-se à instalação de sistemas de energia solar no Lar Calvário do Carvalhido, localizado na Rua Sarmento de Beires, nº 204, Porto, considerando a potencialidade de poupança energética no consumo de águas sanitárias na sua actividade diária de apoio aos idosos, aproveitando o espaço disponível na cobertura do edifício para instalação de colectores solares.
3.2.2.1 Caracterização da envolvente externa
O edifício situa-se no concelho do Porto, em área urbana. O horizonte solar apresenta-se, sem obstruções assinaláveis, não existindo construções ou obstáculos naturais que possam criar sombreamentos significativos sobre a cobertura.
3.2.2.2 Caracterização do edifício
Trata-se de um edifício de 4 pisos - Figura 1:
• Zona de implantação: Rua Sarmento de Beires, nº 104 – Porto; • Área de implantação: 300 m2;
• Orientação: Norte Nordeste (NNE) - Sul Sudoeste (SSO); • Sombreamentos: inexistentes no azimute Sul.
2 SOLTERM é um software de modelação energética desenvolvido pelo Lab. de Investigação INETI.
As coberturas, conforme se verifica pela Figura 1, apresentam um azimute solar de 15º aproximadamente. Em termos de área útil, tem-se:
• Cobertura fachada Sul: 40 m2; • Cobertura fachada Oeste: 130 m2; • Cobertura fachada Este: 110 m2.
3.2.2.3 Descrição da área técnica
A casa das máquinas está prevista situar-se no edifício a poente do campo de colectores (Figura 1), devendo ser acondicionada para acolher os depósitos acumuladores previstos na instalação, ligadas às caldeiras e restantes acessórios previstos para o sistema de aquecimento de águas sanitárias.
3.2.3 Requisitos a Resolver pelo Projecto
Para o dimensionamento de um sistema de energia solar e devido ao fornecimento variado de potência e da energia do Sol, é necessário conhecer as quantidades de consumo, o perfil de consumo e a temperatura desejada para a água quente. Estes requisitos são essenciais para correcto dimensionamento do projecto.
3.2.3.1 Necessidades energéticas
Como instituição social de apoio a idosos, as exigências de conforto e aquecimento durante o ano são elevadíssimas, pelo que é uma prioridade do Lar reduzir significativamente a factura energética actual. Assim surge a oportunidade de investimento em energia solar, potenciando o seu bem mais valioso, o edifício.
Actualmente o Lar está equipado com sistema de caldeiras com apoio a gás propano que asseguram as necessidades energéticas do Lar. O sistema existente garante o aquecimento das águas sanitárias durante todo o ano e garante o aquecimento das instalações durante os meses mais frios, portanto o sistema tem uma carga superior no Inverno. No entanto, o dimensionamento de uma instalação solar deve limitar-se às necessidades energéticas nos meses de maior irradiação, sendo por isso necessário dissociar a componente das necessidades para aquecimento de águas sanitárias.
Através de dados históricos obtidos do ano 2007, relativamente aos custos energéticos de gás propano, estimou-se o consumo energético para o aquecimento de água sanitária e aquecimento central (Tabela 2). Considerando a inexistência de necessidades de aquecimento durante os meses mais quentes, o critério utilizado para a estimativa exclusiva das águas sanitárias foi a média de consumo energético diária registada nesses meses.
Este critério de avaliação foi validado com as informações de consumos projectadas pelo promotor, mas também tendo em conta que não devemos sobreavaliar as necessidades térmicas para não correr o risco de projectar uma capacidade de produção superior ao consumo. Se, por um lado, temos a produção energética máxima durante o Verão, deveremos ter em conta que a ocupação e respectivos consumos de AQS poderão diminuir no período de férias, coincidindo com os picos máximos de produção de energia solar térmica e consequentemente correndo o risco de estagnação do sistema.
Sistemas de Aproveitamento de Energia Solar Térmica 2007 Valor c/IVA Valor s/IVA Propano Kg Consumo kWh Consumo AQS estim. Consumo Aquec. Janeiro 5.855,51 € 4.839,26 € 4.393 56.550 14.000 42.550 Fevereiro 6.212,32 € 5.134,15 € 4.661 59.996 14.000 45.996 Março 5.665,63 € 4.682,34 € 4.251 54.717 14.000 40.717 Abril 3.426,08 € 2.831,47 € 2.571 33.088 14.000 19.088 Maio 2.865,18 € 2.367,92 € 2.150 27.671 14.000 26.912 Junho 1.206,56 € 997,16 € 905 11.653 14.000 0 Julho 1.334,97 € 1.103,28 € 1.002 12.893 14.000 0 Agosto 2.363,12 € 1.952,99 € 1.773 22.822 14.000 0 Setembro 2.402,34 € 1.985,40 € 1.802 23.201 14.000 0 Outubro 1.312,15 € 1.084,42 € 984 12.672 14.000 0 Novembro 3.859,02 € 3.189,27 € 2.895 37.269 14.000 23.269 Dezembro 7.408,83 € 6.123,00 € 5.559 71.552 14.000 57.552 Total 43.911,71 € 424.084 168.000 256.084
Através do tratamento dos dados de consumo de gás, convertendo em forma calorífica, obteve-se o valor de 14.000 kWh mensais para as necessidades de aquecimento de AQS nas actividades diárias do Lar, a uma temperatura média de consumo de 60ºC. Considerando a temperatura da água de rede 15ºC, são necessários diariamente 450 kWh de energia para elevar a temperatura da água 45 K. Desta forma, de acordo com o desenvolvimento da fórmula (1) [21], estimou-se o consumo diário de AQS:
Onde,
Q ≡ Quantidade de calor [Wh]; V ≡ Volume de água quente [kg];
Cp ≡ Calor específico da água [Wh/kg.K];
∆T ≡ Diferença de Temperatura da água [K].
Cp = 1,16 Wh/kg.K
Estimaram-se assim, consumos de AQS do Lar na ordem dos 8.600 litros (considerando a massa especifica da água de 1 kg/litro).
É de salientar ainda que foi considerada a possibilidade de instalação de um sistema de apoio solar ao aquecimento central, que iria aumentar o potencial de contribuição da energia solar para a redução de consumos energéticos no Lar. Esta possibilidade foi eliminada tendo em conta que o parque de colectores previsto para cobertura das necessidades de AQS já prevê utilizar a maior parte da área de cobertura disponível para colectores solares. Sendo os sistemas de AQS a forma mais rentável de aplicação da energia solar, considerou-se sua aplicação prioritária e eliminou-se a possibilidade de apoio ao aquecimento.
( )
[ ] ) 1 ( Q =Vaq ×Cp × ∆T Wh(
)
V Kg T T C Q V aq r c p aq = − ⇔ = 450×1.0001,16×45≈8.600Hora Jan Fev Mar Abr Mai Jun Jul Ago Set Out Nov Dez 0-7 300 300 300 300 300 300 300 300 300 300 300 300 7-8 600 600 600 600 600 600 600 600 600 600 600 600 8-9 800 800 800 800 800 800 800 800 800 800 800 800 9-10 700 700 700 700 700 700 700 700 700 700 700 700 10-11 500 500 500 500 500 500 500 500 500 500 500 500 11-12 400 400 400 400 400 400 400 400 400 400 400 400 12-13 900 900 900 900 900 900 900 900 900 900 900 900 13-14 900 900 900 900 900 900 900 900 900 900 900 900 14-15 400 400 400 400 400 400 400 400 400 400 400 400 15-16 300 300 300 300 300 300 300 300 300 300 300 300 16-17 400 400 400 400 400 400 400 400 400 400 400 400 17-18 600 600 600 600 600 600 600 600 600 600 600 600 18-19 700 700 700 700 700 700 700 700 700 700 700 700 19-20 800 800 800 800 800 800 800 800 800 800 800 800 20-24 300 300 300 300 300 300 300 300 300 300 300 300 Total 8600 8600 8600 8600 8600 8600 8600 8600 8600 8600 8600 8600
Jan Fev Mar Abr Mai Jun Jul Ago Set Out Nov Dez
V (l/dia) 8.600 8.600 8.600 8.600 8.600 8.600 8.600 8.600 8.600 8.600 8.600 8.600 m3(kg/dia) 8.600 8.600 8.600 8.600 8.600 8.600 8.600 8.600 8.600 8.600 8.600 8.600 Tr ºC 10,80 10,80 11,80 12,80 13,70 15,20 16,20 16,10 15,60 14,10 11,60 10,60 Tc ºC 60,00 60,00 60,00 60,00 60,00 60,00 60,00 60,00 60,00 60,00 60,00 60,00 Q (MJ/dia) 1.771 1.771 1.735 1.699 1.666 1.612 1.576 1.580 1.598 1.652 1.742 1.778 3.2.3.2 Perfil de consumos
A distribuição de consumo de água diária é necessária ser descriminada com vista ao correcto dimensionamento energético e para efeitos de simulação. O perfil de consumos típico nos Lares apresenta picos da parte da manhã e ao final da tarde, contudo, a distribuição é bastante homogénea entre as 8 h e 24 h. Com base no total de 8.600 litros definidos no ponto anterior, na Tabela 3, definiu-se a seguinte distribuição de consumos em litros:
3.2.3.3 Cálculo da carga energética para AQS
Considerou-se a distribuição de consumos obtida no ponto anterior, à temperatura de consumo de 60ºC (Tc) e a temperatura média da água da rede ao longo do ano (Tr) tabelada
para a cidade do Porto (Anexo C, Tabela 12). A carga energética calculou-se pela aplicação dessas variáveis na fórmula (1).
Tendo em conta os cálculos expostos na Tabela 4, o projecto de instalação de sistema solar térmico considerou esta carga energética diária como o potencial de poupança energético. 3.2.4 Critérios de Dimensionamento do Sistema
O dimensionamento do sistema deve ter em consideração a carga energética, procurando tirar o maior partido da energia solar térmica mas evitando que haja excesso de energia produzida pelo sistema solar e estagnação da instalação. Assim, dimensionou-se o sistema para cobrir a totalidade das necessidades do mês que tem menor carga energética, que é o mês de Julho.
Tabela 3 – Perfil de consumos
