INSTITUTO FEDERAL DE EDUC., CIÊNCIA E TECNOLOGIA DA BAHIA CAMPUS LAURO DE FREITAS CURSO: TÉCNICO EM SISTEMAS DE ENERGIA RENOVÁVEL DISCIPLINA: PROJETO E INSTALAÇÃO DE SISTEMA SOLAR TÉRMICO SISTEMA SOLAR TÉRMICO E SEUS COMPONENTES Prof. Dr. Fagner Barbosa Ferraz PROJETO E INSTALAÇÃO DE SISTEMA SOLAR TÉRMICO
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PROJETO E INSTALAÇÃO DE SISTEMA SOLAR TÉRMICO€¦ · COMPONENTES DE UM SISTEMA SOLAR TÉRMICO Isolamento térmico: minimiza as perdas de calor para o meio, sendo colocado sobre
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INSTITUTO FEDERAL DE EDUC., CIÊNCIA E TECNOLOGIA DA BAHIACAMPUS LAURO DE FREITAS
CURSO: TÉCNICO EM SISTEMAS DE ENERGIA RENOVÁVELDISCIPLINA: PROJETO E INSTALAÇÃO DE SISTEMA SOLAR TÉRMICO
SISTEMA SOLAR TÉRMICO
E SEUS COMPONENTES
Prof. Dr. Fagner Barbosa Ferraz
PROJETO E INSTALAÇÃO DE SISTEMA SOLAR TÉRMICO
COMPONENTES DE UM SISTEMA SOLAR TÉRMICO
Um Sistema de Aquecimento Solar (SAS) é composto por:
Em um SAS a água é aquecida pelos coletores solares e
ocorre naturalmente entre 8h e 16h, dependendo do nível de
radiação incidente.
Entretanto, essa água quente pode ser utilizada durante as 24
horas do dia e, portanto, precisamos providenciar seu
armazenamento para atender toda a demanda diária.
Esse armazenamento é feito com reservatórios térmicos (RT)
ou boilers.
COMPONENTES DE UM SISTEMA SOLAR TÉRMICO
As partes constituintes do reservatório térmico sem apoio
elétrico são mostradas na Figura:
Corpo interno: fica em contato direto com a água aquecida. O material
mais utilizado no corpo interno é o aço inoxidável, contudo se utiliza
também, o aço carbono, o cobre, ou o polipropileno.
Suportes: os reservatórios térmicos possuem bases de sustentação e
fixação capazes de suportar seu peso quando cheio de água. São
fabricadas em materiais metálicos protegidos contra corrosão.
COMPONENTES DE UM SISTEMA SOLAR TÉRMICO
Isolamento térmico: minimiza as perdas de calor para o meio, sendo
colocado sobre a superfície externa do corpo interno. A lã de vidro e a
espuma de poliuretano são os materiais mais utilizados.
Proteção externa: tem a função de proteger o isolante de intempéries
(umidade) e danos no transporte ou instalação. Essa proteção é
normalmente de alumínio, aço galvanizado ou aço carbono pintado.
Tubulações: tem a função de interligar o reservatório térmico aos pontos
de consumo, alimentação de água fria e demais componentes da
instalação (coletores solares, sistemas de aquecimento auxiliar e etc).
COMPONENTES DE UM SISTEMA SOLAR TÉRMICO
- Alguns reservatórios possuem apoio elétrico, contendo uma ou
mais resistências elétricas em contato com a água armazenada.
O acionamento pode ser com termostato ou manual.
Sabe como
funciona um
Termostato?
COMPONENTES DE UM SISTEMA SOLAR TÉRMICO
- Para o aquecimento complementar, também se utiliza
aquecedores instantâneos a gás:
COMPONENTES DE UM SISTEMA SOLAR TÉRMICO
Uma opção usada em habitações de interesse social é o
próprio chuveiro elétrico. Em dias ensolarados, a
resistência fica na posição “desligada” e nos períodos em
que o aquecimento solar necessita de complementação, a
resistência deve ser ligada na posição “verão” ou “inverno”.
COMPONENTES DE UM SISTEMA SOLAR TÉRMICO
Os reservatórios devem garantir temperatura mínima de 50 °Cou fornecerem ciclos de aquecimento até esta temperatura,
para evitar o possível surgimento da legionella – bactéria que
causa pneumonia, pois ela se prolifera em ambientes úmidos,
escuros e com temperatura entre 35 e 40 °C.
COMPONENTES DE UM SISTEMA SOLAR TÉRMICO
ESTRATIFICAÇÃO EM UM BOILER:
Fenômeno que se observa na água aquecida no interior do
reservatório térmico. O volume de água a uma temperatura
menor sempre tende a fica abaixo de outro volume de água a
temperatura maior, como consequência formam-se diferentes
camadas com variações de temperatura a partir da camada
superior até a camada inferior desse volume armazenado,
conhecidas por faixas de estratificação.
COMPONENTES DE UM SISTEMA SOLAR TÉRMICO
Os reservatórios podem ser fabricados para instalação na
posição horizontal ou vertical.
Para melhorar a estratificação recomenda-se a instalação de
reservatórios verticais.
Quando o projeto arquitetônico não comporta tal configuração,
adota-se a posição horizontal (mais usado no Brasil).
COMPONENTES DE UM SISTEMA SOLAR TÉRMICO
Como podemos observar nas imagens (Termografia), sem
estratificação seria impossível retirar o volume de água quente
para o banho. Ao invés disso, acabaríamos com um volume
maior de água morna.
COMPONENTES DE UM SISTEMA SOLAR TÉRMICO
Comparativo de Preços para uma piscina com 25 m x 3,50 m x 2,0 m
COMPONENTES DE UM SISTEMA SOLAR TÉRMICO
PESQUISA E APRESENTAÇÃO (10 min):
- Sistema de Circulação por Termossifão;
- Sistema de Circulação Forçada;
- Temperatura de Estagnação (Problemas e Soluções).
COMPONENTES DE UM SISTEMA SOLAR TÉRMICO
ACESSÓRIOS DE UM SAS
COMPONENTES DE UM SISTEMA SOLAR TÉRMICO
ACESSÓRIOS (CAIXA REDUTORA DE PRESSÃO):
Visa diminuir a pressão da água que vem da rua antes dela
entrar no sistema de aquecimento solar. Sem ela, a pressão
da água da rede pode estourar as conexões do reservatório
térmico causando vazamentos. O volume da caixa redutora
deve ser de, no mínimo, 10 litros.
COMPONENTES DE UM SISTEMA SOLAR TÉRMICO
ACESSÓRIOS (TUBULAÇÕES):
As tubulações fazem a conexão entre os componentes, como
a ligação entre o reservatório e o coletor, entre o
fornecimento de água fria e o SAS e, ainda, a conexão de
água quente do sistema até o ponto de utilização.
Essas são diferentes entre si, pois cada uma tem um
propósito. Por exemplo, a tubulação da saída do coletor tem
que suportar a alta temperatura e pressão da água.
COMPONENTES DE UM SISTEMA SOLAR TÉRMICO
ACESSÓRIOS (ISOLAMENTO TÉRMICO):
Toda a tubulação do circuito primário por onde circule água
quente deve ser termicamente isolada. No caso do circuito
secundário, o isolamento será feito apenas se o cobre for
utilizado, porque para os outros materiais (CPVC e EPDM) o
isolamento só é necessário quando o comprimento do tubo for
muito grande.
Os materiais mais utilizados para o isolamento térmico são:
- O polietileno expandido;
- Lã de Vidro;
- Lã de Rocha.
COMPONENTES DE UM SISTEMA SOLAR TÉRMICO
ACESSÓRIOS (ISOLAMENTO TÉRMICO):
Para casos em que a tubulação fica exposta na parte externa
do telhado, é importante também o uso de um segundo
material que protege o isolamento, garantindo sua qualidade e
vida útil.
Para essa proteção podem ser usadas a folha de alumínio
corrugado e a fita aluminizada, que protegem o isolamento
dos raios UV, da chuva e dos ventos.
COMPONENTES DE UM SISTEMA SOLAR TÉRMICO
ACESSÓRIOS (DISPOSITIVOS ANTICONGELAMENTO):
Em algumas localidades, a temperatura pode ser muito baixa
em determinadas épocas do ano. Assim, a água dentro do
sistema pode congelar danificando o sistema.
A água, ao congelar, se expande. No coletor, a expansão da
água estoura os tubos.
Para evitar que isso ocorra se utiliza a válvula
anticongelamento (VAC).
A água que está no coletor é
retirada em pequenas
quantidades e substituída
pela água quente do RT antes
que ocorra o congelamento.
COMPONENTES DE UM SISTEMA SOLAR TÉRMICO
ACESSÓRIOS (DISPOSITIVOS ANTICONGELAMENTO):
Tipos:
Expansão e
Contração
de um Gás
Liberando
água 6 °C
Termostato
Liberando
água do
coletor a 6 °C
COMPONENTES DE UM SISTEMA SOLAR TÉRMICO
ACESSÓRIOS (RESPIRO, SUSPIRO OU ELIMINADOR DE AR):
O respiro é um dispositivo que deve ser instalado na parte
superior do reservatório térmico.
Ele tem a função de aliviar a pressão interna do reservatório
térmico, que possui água quente em seu interior.
Ele também pode ser instalado em pontos críticos do sistema,
(pontos onde a temperatura elevada causa aumento da
pressão, como na saída de água quente para o consumo).
COMPONENTES DE UM SISTEMA SOLAR TÉRMICO
ACESSÓRIOS (MISTURADORES):
No chuveiro deve chegar uma tubulação de água quente vinda
do aquecedor solar e outra de água fria. Então se faz
necessário ter um dispositivo que misture essas águas, para
que o usuário possa escolher a temperatura mais confortável.
Misturador do tipo Y
COMPONENTES DE UM SISTEMA SOLAR TÉRMICO
ACESSÓRIOS (CONTROLES):
Sistemas de controle são essenciais para otimizar o
funcionamento dos SAS, permitindo melhor aproveitamento da
radiação solar e da redução das perdas térmicas do sistema.
O sistema mais simples utilizado em um SAS com circulação
forçada, é o de monitoramento da temperatura diferencial
entre os coletores solares e o reservatório térmico.
COMPONENTES DE UM SISTEMA SOLAR TÉRMICO
Os principais tipos de sistemas de controle que podem ser
utilizados são os seguintes:
- Alerta de mau funcionamento;
- Aquecimento seco (quando o tanque está sem água);
- Configuração e controle de temperatura e aquecimento;
- Controle remoto de temperatura (permite ajustar a
temperatura ideal para diferentes pontos de consumo);
- Desligamento automático em caso de super aquecimento;
COMPONENTES DE UM SISTEMA SOLAR TÉRMICO
ACESSÓRIOS (BOMBAS):
As bombas são usadas em sistemas de circulação forçada,
onde a água ou fluído térmico precisa circular com velocidade
e fluxos específicos de forma a garantir o funcionamento e
eficiência do sistema de aquecimento.
O tamanho das bombas depende do tamanho do sistema e da
distância/altura entre os coletores e o reservatório térmico.
COMPONENTES DE UM SISTEMA SOLAR TÉRMICO
ACESSÓRIOS (VÁLVULAS TERMOSTÁTICAS):
As válvulas misturadoras, ou termostáticas, tem a função de
controlar, ou limitar, a temperatura da rede de distribuição de
água quente, adicionando água fria, caso a rede esteja com
temperaturas mais elevadas que a pré-estabelecida.
A sua temperatura de acionamento pode ser regulada, sendo
que as mais comuns trabalham entre 49 e 71 °C
COMPONENTES DE UM SISTEMA SOLAR TÉRMICO
ACESSÓRIOS (VASOS DE EXPANSÃO):
Os vasos de expansão são itens de segurança
imprescindíveis para os sistemas de aquecimento indiretos,
pois absorvem parte das variações de pressões da rede
geradas por expansão térmica (variação de temperatura).
Nesses vasos existe uma câmara onde o ar é preso dentro de
um diafragma, que se expande ou contrai de acordo com a
pressão no sistema.
SISTEMA SOLAR TÉRMICO
CLASSIFICAÇÃO DE SISTEMAS DE AQUECIMENTO SOLAR
CLASSIFICAÇÃO DE SISTEMAS DE AQUECIMENTO SOLAR
Classificação quanto ao porte
A definição do porte de uma instalação de aquecimento solar estáintrinsecamente associada ao volume diário de água a ser aquecidae às características da edificação onde o sistema será instalado.
SISTEMA SOLAR TÉRMICO
CLASSIFICAÇÃO DE SISTEMAS DE AQUECIMENTO SOLAR
Classificação quanto ao escoamento da água no circuito primário
No circuito primário, a água pode escoar em circulação natural (outermossifão) ou em circulação forçada (por bombeamento).
A definição do porte de uma instalação de aquecimento solar estáintrinsecamente associada ao volume diário de água a ser aquecidae às características da edificação onde o sistema será instalado.
SISTEMA SOLAR TÉRMICO
CIRCULAÇÃO NATURAL OU TERMOSSIFÃO
SISTEMA SOLAR TÉRMICO
CLASSIFICAÇÃO DE SISTEMAS DE AQUECIMENTO SOLAR
a) Instalação solar em circulação natural ou termossifão
O escoamento da água é devido exclusivamente à redução dedensidade que ocorre em função do aumento da temperatura daágua nos coletores solares .
Quando os raios solares atingem os coletores a temperatura da águacomeça a aumentar e, consequentemente, sua densidade diminui.Dessa forma, a água é empurrada pela coluna de água fria,retornando à parte superior do reservatório térmico.
SISTEMA SOLAR TÉRMICO
CLASSIFICAÇÃO DE SISTEMAS DE AQUECIMENTO SOLAR
Critérios recomendados para o SAS em circulação natural
Hs: Altura do suspiro deve ultrapassar pelomenos 30 cm o topo da caixa de água fria;Hrr: A caixa de água fria deve ser instaladapelo menos 15 cm acima do reservatóriotérmico;Hcr: O reservatório deve ficar de 20 cm a 4macima do topo do coletor solar;Dcr: corresponde à distância horizontal entreo centro do boiler e o topo do coletor.
SISTEMA SOLAR TÉRMICO
Exemplo:
Calcule a altura mínima da cumeeira de uma obra residencial quereceberá um SAS com reservatório de 200 litros e diâmetro externode 60 cm, com a instalação de um coletor solar de 2m² do tipohorizontal com inclinação de 30o:Considere a altura da caixa de água fria de 500 litros igual a 715 mm.
SISTEMA SOLAR TÉRMICO
Exemplo:
Como buscamos a altura mínima da cumeeira, também escolhemosa altura mínima recomendada entre os componentes do SAS.
SISTEMA SOLAR TÉRMICO
Exemplo:
Para o cálculo de H1, será preciso recordar alguns conceitos datrigonometria. Vejamos a definição de sen(β).
Como o sen(30o) = 0,667, o valor de H1 será obtido pelo produto doseno e do comprimento do coletor (1m). O valor obtido é de0,667m, ou seja, 66,7 cm.
SISTEMA SOLAR TÉRMICO
Exemplo:
Portanto, a altura total (Htotal) da base do coletor ao topo da caixa deágua fria será de:Htotal = 66,7 cm + 20 cm + 60 cm + 15 cm + 71,5 cm = 233,2 cm.Ou seja, 2,33 metros.
SISTEMA SOLAR TÉRMICO
CIRCULAÇÃO FORÇADA OU BOMBEADA
SISTEMA SOLAR TÉRMICO
CLASSIFICAÇÃO DE SISTEMAS DE AQUECIMENTO SOLAR
b) Instalação solar em circulação forçada ou bombeada
A circulação do fluido de trabalho através do circuito primário deinstalação é promovida pela ação de uma bomba hidráulica.
O uso da bomba é recomendado para instalações de médio e grandeporte, e para casos nos quais não seja possível atender aosparâmetros exigidos para a circulação por termossifão.
SISTEMA SOLAR TÉRMICO
CLASSIFICAÇÃO DE SISTEMAS DE AQUECIMENTO SOLAR
Classificação quanto ao aquecimento da água a ser utilizada
a) Circuitos Diretos
Nesse tipo de instalação, a água que circula pelos coletores é amesma que será utilizada nos pontos de consumo da edificação.
SISTEMA SOLAR TÉRMICO
b) Circuitos indiretos
O fluido que circula pelos coletores não é o mesmo utilizado nospontos de consumo da edificação. É adotado em locais onde a Tamb
pode trazer riscos de congelamento aos coletores, em processosindustriais ou em outras aplicações em que o fluido que seráconsumido não pode se misturar ao que circula pelos coletores.
SISTEMA SOLAR TÉRMICO
ASSOCIAÇÃO DE COLETORES
SISTEMA SOLAR TÉRMICO
A associação de coletores em série e paralelo obedece ao mesmoprincípio das associações clássicas de resistências elétricas.
a) Associação em série:
A água passa pelo primeiro coletor e sua temperatura é elevada deT1 para T2, dirigindo-se com igual vazão para o segundo coletor,sendo aquecida de T2 até T3.A cada novo coletor acrescentado, a variação de temperatura , quecorresponde ao ganho de energia, vai se tornando menor.
SISTEMA SOLAR TÉRMICO
a) Associação em Paralelo:
A água entra no primeiro coletor à temperatura T1 e sua vazão édividida entre os dois coletores (saindo com temperatura T2).A cada novo coletor acrescentado, menor será a vazão que passa emcada coletor, mas a diferença de temperatura entre as respectivasentradas e saídas é sempre a mesma.
SISTEMA SOLAR TÉRMICO
Se desejarmos aumentar vazões e temperaturas simultaneamente,precisaremos compor uma “Associação Híbrida”, definindo-se umavazão constante em cada coletor.
Assim, mais coletores instalados em série garantem aumento datemperatura da água à saída e mais coletores associados emparalelo permitem aumentar a vazão total de água aquecida.Na prática, normalmente precisamos de ambas as soluções e,portanto, em grandes obras, utilizam-se as associações mistas ouhíbridas.
SISTEMA SOLAR TÉRMICO
conforme apresentado no exemplo a seguir
A figura mostra o desenho esquemático de um SAS com duas bateriasde coletores, sendo cada bateria constituída por quatro coletores.