instalaÇÃo de sistemas solares tÉrmicos

MANUAL DEINSTALAÇÃO DE SISTEMAS SOLARES TÉRMICOSLuís Miguel Rodrigues de Carvalho, Joaquim Carlos Lopes Barbosa,

Tiago Manuel Machado Teixeira e Vítor Manuel Lourenço Calado

A eficiência energética dos edifícios é, hoje, um imperativo na nova construção, bem como no setor da reabilitação urbana.

Um bom desempenho energético só é possível alcançar com o contributo das energias renováveis e, em particular, com a

integração dos Sistemas Solares Térmicos.

O ganho e o contributo energético destes sistemas dependem, entre outros fatores, da seleção da tecnologia a aplicar,

mas essencialmente, de um correto dimensionamento, da execução da instalação e da manutenção preventiva. Estes

fatores são determinantes para o bom funcionamento e para a durabilidade dos sistemas, e resultam fundamentalmente

da competência técnica dos profissionais que os executam. A qualificação destes profissionais é um fator diferenciador na

competitividade das empresas e é também o reflexo do mercado, do estado da arte, do setor das energias renováveis. A

aposta na formação e no desenvolvimento das competências dos profissionais é um elemento chave para o sucesso da

implementação dos planos estratégicos nacionais de ação, no âmbito da eficiência energética e das energias renováveis.

Estes planos definem metas e objetivos bastante ambiciosos para o nosso país.

É neste contexto, e conscientes da relevância deste tema, que aceitamos o convite para escrever este livro. Considera-

mos que, publicar o nosso conhecimento e a nossa experiência nesta área, seria um excelente contributo para a qualifica-

ção dos profissionais e, consequentemente, para o desenvolvimento do setor. Adicionalmente, julgamos tratar-se de uma

ferramenta útil de apoio académico, para os professores e alunos, da área das energias renováveis.

Neste livro, abordamos, de uma forma abrangente, toda a temática associada à instalação dos Sistemas Solares Tér-

micos, evidenciando sempre as boas práticas. São expostos temas relevantes, tais como: conceitos e grandezas físicas,

dimensionamento dos sistemas, tecnologias, tipologias de sistemas, esquemas hidráulicos, o planeamento e a preparação

dos trabalhos, segurança do trabalho e manutenção preventiva.

Coordenador da Formação, Documentação e Suporte Técnico da Vulcano

Ismael Leite

PREFÁCIO

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1. introdução

1.1 Portugal e a energia solar térmica

1.2 Enquadramento legal

2. conceitos de física

2.1 Introdução

2.2 Grandezas

2.3 Mecânica

2.4 Hidráulica

2.5 Termodinâmica

2.6 Eletricidade

3. conceitos solares

3.1 Radiação

3.2 Movimento Terra-Sol

3.3 Curvas de penalização

3.4 Determinação de sombras

4. tipos de sistemas solares térmicos

4.1 Sistema termossifão

4.2 Opções de instalação

4.3 Sistema de circulação forçada

4.3.1 Sistemas diretos e indiretos

4.3.2 Acumuladores

4.3.3 Circulação invertida

4.3.4 Estratificação

4.3.5 Grupo hidráulico (estação solar)

4.3.6 Vaso de expansão

4.3.7 Controladores

4.3.7.1 Controladores para uma aplicação

4.3.7.2 Controladores para várias aplicações

4.3.8 Ligações hidráulicas

4.3.8.1 Ligação em série

4.3.8.2 Ligação em paralelo de canais

4.3.8.3 Ligação em paralelo

4.3.8.4 Exemplos de ligações hidráulicas

5. fixação dos coletores

5.1 Circulação natural - termossifão

5.2 Circulação forçada

6. esquemas hidráulicos de princípio

7. arranque da instalação

8. manutenção do sistema solar

9. introdução à tecnologia dos sistemas

solares térmicos

10. princípios básicos para o aproveitamento

da energia solar

11. conversão térmica da energia solar

11.1 Constante solar

11.2 Corpo negro

11.3 Superfície seletiva

11.4 Coeficientes de absortância (α) e emitância (ε)

11.5 Corpo transparente e corpo opaco

11.6 Efeito de estufa

12. coletores solares

12.1 Tipos de coletores solares térmicos

12.2 Elementos constituintes de um coletor plano

12.2.1 Cobertura transparente

12.2.2 Superfície absorsora

12.2.3 Isolamento posterior

12.2.4 Caixa

12.3 Estudo energético

12.3.1 Parâmetros de performance

12.3.2 Potência instantânea

12.3.3 Caudal recomendado

12.4 Considerações hidráulicas

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ÍNDICE

12.4.1 Ligações em série

12.4.2 Ligações em paralelo

12.4.3 Ligações em paralelo de canais

12.4.4 Ligações mistas

12.4.4.1 Série-paralelo

12.4.4.2 Paralelo de canais/paralelo

12.4.5 Considerações sobre as ligações

12.5 Perda de carga no campo de coletores

13. armazenamento de calor e apoio

13.1 Estratificação

13.2 Redes de distribuição de águas para consumo

13.3 Dimensionamento e critérios

13.3.1 Perfis de consumo

13.3.2 Temperaturas de utilização

13.3.3 Área de coletores instalada

13.3.4 Dimensionamento segundo R.C.C.T. E

13.4 Isolamento térmico

14. circuitos solares

14.1 Tubagens e materiais

14.1.1 Dimensionamento

14.1.2 Capacidade interna das tubagens

14.1.3 Isolamento térmico

14.1.4 Misturas anti-congelantes

14.2 Bombas circuladoras

14.2.1 Grupos hidráulicos

14.3 Permutadores de calor

14.4 Dispositivos de segurança

14.4.1 Vasos de expansão

15. segurança no trabalho

15.1 Utilização de produtos químicos

15.2 Extintores

15.3 Acidentes de trabalho

15.4 Legislação aplicável

15.5 Áreas de grande risco

15.6 Equipamentos de proteção individual - EPI

15.7 Trabalhos em altura

15.8 Utilização de escadas - Medidas de prevenção

15.9 Andaimes

16. conceito de projeto solar térmico

16.1 Definição de projeto

16.2 Levantamento da informação

16.3 Estrutura da memória descritiva

de um projeto solar térmico

16.4 Considerações acerca do projeto

16.5 Estimativa de produção anual de energia

16.6 Componentes de um sistema - Características técnicas

16.7 Viabilidade económica

16.8 Considerações finais

16.9 Garantias

17. interpretação de desenhos técnicos

18. planeamento e preparação do trabalho

19. bibliografia

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O conceito de dilatação dos líquidos é muito importante, já que está sempre presente em circuitos térmicos, com

líquidos aquecidos, como os que abordaremos neste âmbito.

Denomina-se por caloria a quantidade de calor necessária para elevar de um grau centígrado a temperatura de um

grama de água. A quantidade de calor absorvida por um corpo ao passar de uma temperatura inicial ti a uma tempera-

tura final tf é dada pela expressão:

Q = m × Cp × (Δt )

Q – Quantidade de calor necessária (cal)

m – massa do corpo a aquecer (g)

Cp – Calor específico do corpo (cal/g°C)

Δt – Diferença entre a temperatura final (tf ) e a temperatura inicial (ti) (°C ou K)

Sempre que um corpo altera o seu estado físico entre sólido, líquido e gasoso, dizemos que houve uma mudança

de estado.

Durante qualquer mudança de estado há uma absorção de calor sem variação de temperatura, tendo a pressão

atmosférica uma influência sobre as temperaturas de mudança de fase. Por exemplo, à pressão de uma atmosfera, um

grama de gelo necessita de 80 calorias para passar do estado sólido para o estado líquido e esse grama de água necessita

de 539 calorias para passar do estado líquido para o estado de vapor.

Fig. 3 Mudanças de estado da água à pressão de uma atmosfera

• Calor latente: Grandeza física que determina a quantidade de calor que uma unidade de massa de determinada subs-

tância deve receber para mudar de estado físico.

• Calor específico: Grandeza física que define a energia necessária para elevar 1° C a temperatura de determinada subs-

tância sem haver mudança de fase.

• Calor sensível: Grandeza física que determina a quantidade de calor que uma unidade de massa de determinada subs-

tância é capaz de receber ou ceder sem mudar o seu estado físico.

Propagação de calor A energia pode-se transmitir de três formas distintas:

• Condução: Tem de existir um contacto físico entre dois corpos sólidos a diferentes temperaturas. O corpo com menor

temperatura vai absorver a temperatura do corpo com temperatura mais elevada até se atingir um equilíbrio térmico.

15Manual de Instalação de Sistemas Solares Térmicos

Fig. 4 Condução de calor

• Convecção: Processo de transporte de massa caracterizado pelo movimento de um fluido devido à sua diferença de

densidade, especialmente por meio de calor.

Fig. 5 Convecção de calor

• Radiação térmica: É a radiação eletromagnética emitida por um corpo em equilíbrio térmico causada pela variação

de temperatura do mesmo. É um mecanismo de transmissão de energia entre dois corpos a temperaturas diferentes,

como por exemplo o Sol e a Terra. No processo de radiação há transferência de energia sem ser necessária a presença

de um meio material, pois as ondas eletromagnéticas propagam-se no vazio.

Fig. 6 Radiação de calor


3.2. Movimento Terra–SolA Terra roda em torno de um eixo imagi-

nário que liga o Polo Norte ao Polo Sul,

chamado de eixo polar, descrevendo uma

órbita elíptica em torno do Sol. Este eixo

é quase perpendicular ao plano da elíp-

tica formando um ângulo com a normal

ao plano da órbita de 23° 27’. Ao fim de

24 horas dá uma volta completa sobre si

mesmo, o que dá origem à sucessão dos

dias e das noites.

A trajetória do movimento da Terra em torno do Sol é aproximadamente circular, existindo uma altura do ano

em que a Terra está mais próxima do Sol. Esse dia é o 4 de janeiro.

Durante os equinócios da primavera e do outono a duração dos dias é igual à das noites uma vez que a declina-

ção solar é nula. É nesses dias que podemos dizer que o Sol nasce a Este e põe-se a Oeste.

Fig. 10 Trajetória terrestre

Durante o solstício de verão a declinação solar é de +23° 27’ e o período diurno é maior que o período noturno, sendo

o solstício de inverno o oposto, ou seja, a declinação solar é de -23° 27’ e o período diurno é menor que o período noturno.

Fig. 11 Declinação solar

Podemos então chamar declinação ao ângulo formado entre a direção da radiação e o plano do equador.

Fig. 9 Movimento Terra–Sol


3.3. Curvas de penalizaçãoAs curvas de penalização são ferramentas gráficas utilizadas em aplicações solares para detetar as penalizações energéticas

que os coletores solares irão ter quando se interfere com a inclinação dos mesmos. Estas curvas de penalização têm origem

no parâmetro da energia dividida pela energia para a inclinação ótima de acordo com um determinado período considera-

do (verão/inverno/anual).

Os coletores devem ser instalados de tal forma a que ao longo do período anual de utilização se aproveite a máxima

radiação solar. No caso de Portugal, de uma forma geral, devem-se orientar a Sul geográfico1, não coincidente com o Sul

magnético definido pela bússola. O Norte geográfico está cerca de 5° para a direita do Norte magnético em Portugal con-

tinental e 11° nos Açores.

As curvas de penalização devem ser usadas de forma adequada ao período de utilização.

Quando se efetua a instalação de um coletor solar é importante saber quais as opções existentes para a sua colocação,

no que se refere à inclinação e orientação.

O compromisso entre o impacto visual da instalação e o aproveitamento máximo da radiação solar é algo importante

de avaliar em cada situação.

É claro que o ideal será sempre obter as duas situações, mas muitas vezes vemo-nos confrontados com constrangimen-

tos que nos obrigam a optar por uma das duas situações em detrimento da outra.

Em qualquer situação, as soluções terão de ser explicadas ao utente de modo a ser ele a optar por uma delas.

De uma forma sucinta, desvios até 25° relativamente ao azimute Sul não afetarão gravemente o rendimento e a energia

térmica fornecida pelo equipamento.

Se o desvio for para Leste, o período diário de captação adiantar-se-á uma hora por cada 15° de desvio relativamente a

um equipamento orientado a Sul geográfico. Se o desvio for para Oeste, esse período de captação irá retardar-se na mesma

proporção que para Leste mas com um ligeiro acréscimo de rendimento, uma vez que irá funcionar mais tempo durante as

horas em que a temperatura do ambiente é mais elevada.

A tabela 5 dá uma orientação sobre as inclinações que normalmente se devem dar aos coletores solares, de acordo com

a época do ano e tipo de utilização:

Utilização Ângulo

Todo o ano (AQS) Latitude do local – 5°

Inverno (AQS e aquecimento) Latitude do local + 15°

Verão (Piscinas/hotelaria de temporada) Latitude do local – 15°

Tabela 5 Ângulo de Inclinações do coletor solar

Fig. 12 Curvas de penalização (Solstícios)

1 Podemos determinar o Sul geográfico através da direção de uma sombra projetada por uma vara às 12 horas solares.


Para outras latitudes, por exemplo 37°, deve-se mudar a escala da inclinação e somar 3°. Se a latitude for de 45°, então

será necessário subtrair 5°.

4. TIPOS DE SISTEMAS SOLARES TÉRMICOS

Para o aquecimento de água, no que diz respeito à captação de energia proveniente da radiação solar, existem dois sistemas

possíveis:

• Circulação Natural (termossifão);

• Circulação Forçada.

A opção de escolha entre estes dois tipos de sistemas solares térmicos dependerá da carga energética que se pretenda

cobrir, do tipo de hidráulica e das condicionantes do local destinado à instalação.

4.1. Sistema termossifão O sistema de circulação natural, denominado de termossifão,

é aplicado a instalações de dimensões mais reduzidas e na

produção de águas quentes sanitárias, pois é um sistema limi-

tativo em termos de produtividade solar, de capacidade de ar-

mazenamento de energia e de área de captação. De qualquer

forma, é um sistema com uma maior facilidade de instalação e

não depende de meios mecânicos (para a circulação de fluido)

ou controlos eletrónicos para o seu perfeito funcionamento.

Quando a radiação solar incide no coletor, verifica-se um

aumento da temperatura do fluido solar que percorre a tuba-

gem do circuito primário. Este, com o aumento da temperatura,

diminui a densidade, favorecendo o seu movimento, ou seja, a

circulação faz-se por convecção natural. Já que a densidade do

fluido diminui devido ao seu aquecimento, então este ascen-

derá do coletor para o depósito e o fluido mais frio descenderá para o coletor (ver figura 21). Este processo é contínuo desde

que exista uma diferença de temperatura entre o acumulador e o coletor, suficiente para criar movimento no fluido térmico.

Quando o fluido solar sobe e atinge o permutador do acumulador, transmite energia na forma de calor, aquecendo

a água que se encontra no interior do mesmo. Quanto maior for a radiação solar disponível, maior será o caudal de fluido

térmico e, se não houver radiação ou a temperatura no coletor não for superior à do depósito, não haverá circulação e, con-

sequentemente, não será aquecida a água do acumulador, havendo necessidade de prever um sistema de apoio. Na figura

21 está representado o princípio de funcionamento do sistema solar tipo termossifão.

Como já foi referido anteriormente, um sistema solar térmico, independentemente do tipo de instalação, deverá ter

obrigatoriamente um acumulador, para aprovisionar toda a energia da radiação solar que atinge o coletor a cada momento.

Seguidamente estão representadas duas ilustrações do acumulador do sistema termossifão.

Fig. 22 Ligações hidráulicas ao acumulador

Fig. 21 Circuito hidráulico termossifão


Fig. 23 Constituição do acumulador

Para se aproveitar ao máximo a eficiência do sistema, tal como representa-

do na figura 24, é importante garantir que as ligações do fluido solar no circuito

primário estejam cruzadas, ou seja, que o retorno do acumulador seja ligado

na parte inferior do coletor de um dos lados e a ida ao acumulador que saia do

coletor na parte superior do lado oposto.

Das quatro ligações disponíveis (para flexibilizar a instalação, dependendo

da sua geometria) aquelas que não forem utilizadas têm de ser tamponadas, de

modo a garantir a estanquidade do sistema.

4.2. Opções de instalação Mediante as características das diversas instalações, é necessário escolher e

adaptar as soluções existentes. É possível instalar este tipo de sistemas termos-

sifão em telhados inclinados e em telhados de cobertura plana. É necessário

que um instalador, antes de iniciar os seus trabalhos, aprofundado no capítulo

V, dê prioridade máxima ao planeamento e estudo da instalação, pois os acessó-

rios de montagem divergem dependendo do tipo de telhado. Representamos

seguidamente alguns exemplos dos dois tipos de instalação:

Fig. 25 Superfície plana, acumulador de 150 ou 200 L Fig. 26 Superfície plana, acumulador de 300 L

Fig. 24 Ligações do coletor ao acumulador


• Acumuladores de inércia (sem permutador interno);

• Acumuladores de dupla camisa;

• Acumuladores combi.

Nos sistemas de acumulação deve-se procurar as seguintes características:

• Elevada capacidade calorífica;

• Reduzidas perdas térmicas;

• Temperatura de utilização adaptada à necessidade energética;

• Rápida resposta ao consumo;

• Fácil integração no edifício;

• Elevada fiabilidade;

• Fácil manutenção.

Os acumuladores de maior volume são indicados para situações de maior consumo (grandes habitações, escolas, peque-

nas indústrias, edifícios públicos, balneários, instalações hoteleiras, etc.), com necessidade de abastecimento simultâneo de

água quente em vários pontos de consumo.

Os acumuladores de pequena e média dimensão são mais indicados para apartamentos e vivendas de média dimensão,

permitindo conforto e economia, fornecendo simultaneamente e de forma imediata água quente em vários pontos de consumo.

Nas soluções solares térmicas, a captação de energia solar nem sempre é igual ou superior ao consumo, devido às variações

existentes de disponibilidade de radiação solar. Logo não é possível fornecer em todas as situações energia suficiente para a

globalidade das necessidades, existindo sempre a necessidade de agregar à instalação uma fonte térmica de apoio. Este siste-

ma de apoio térmico poderá estar interligado com o depósito de duas formas distintas:

• No caso do depósito de uma serpentina, o caudal disponível é limitado, uma vez que a água pré-aquecida será enviada do

acumulador para o equipamento de apoio de águas quentes sanitárias instantâneas. Esta fonte térmica tem como função

incrementar a temperatura da água de consumo, caso o sistema solar não o consiga.

Fig. 33 Exemplo de sistema solar num depósito de uma serpentina com caldeira de águas diretas


• No caso de um depósito de dupla serpentina, o conforto térmico é superior, devido a uma maior disponibilidade de

água quente, uma vez que o equipamento de apoio aquece diretamente o acumulador, que atua quando a energia

fornecida pelo sistema solar não é suficiente para as necessidades de consumo. Nesta solução, as trocas energéticas

são todas efetuadas no interior do acumulador. Por esta razão, deverá instalar-se um relógio que impeça o funciona-

mento do aparelho de apoio, durante as horas de maior radiação solar.

Fig. 34 Exemplo de sistema solar num depósito de duas serpentinas e caldeira de acumulação

4.3.3. Circulação invertidaDurante o período noturno, em que se regista uma diminuição

de temperatura ambiente, o sentido da circulação do líquido solar

pode inverter-se, ou seja, a temperatura do coletor será inferior à

do depósito. Para evitar este fenómeno, é importante garantir a

instalação de uma válvula de retenção na ida do fluido solar quen-

te ao depósito. Estas válvulas já estão integradas na maioria dos

grupos hidráulicos.

4.3.4. EstratificaçãoEstratificação é o fenómeno de separação em camadas ou estra-

tos de qualquer formação natural ou artificial que se encontrava

em forma homogénea. No caso dos acumuladores, temos toda a

vantagem em conseguir aproveitar a estratificação para separar,

no interior de um acumulador, a água quente da água fria. Fig. 35 Exemplo de uma instalação com circulação invertida


5. FIXAÇÃO DOS COLETORES

5.1. Circulação natural – termossifãoNuma instalação de termossifão existem conjuntos de fixação para telhado inclinado ou para superfície plana.

A ilustração representada é para uma instalação de dois coletores.

Conjunto de instalação de base para sistema de 150/200 lConjunto de instalação de ampliação para sistema

de 300 l

Pos. N.º Designação Pos. N.º Designação

1 2x Fita do acumulador 1 1x Fita do acumulador

2 2x Perfil do acumulador 2 1x Perfil do acumulador

3 4x Tensor de coletor simples 4 2x Perfil TP/CT

4 2x Perfil TP/CT 5 1x Perfil do coletor

5 2x Perfil do coletor 7 2x Tensor de coletor duplo

6 2x Proteção contra deslizamento 6 2x Proteção contra deslizamento

8 10x Lingueta 8 5x Lingueta

10 2x Conetor de encaixe TSS 9 2x Conetor de encaixe

12 2x Parafuso M8 x 50 11 2x Ângulo de posição

2x Anilha 12 1x Parafuso sextaxado M8 X 50

4x Porca M8 1x Anilha

12x Parafuso de cabeça lenticular M8 x 20 2x Porca M8

6x Parafuso de cabeça lenticular M8 X 20

Fig. 50 Exemplo de uma estrutura e seus elementos de um termossifão para telhados planos

Para superfície plana existe outro tipo de estrutura onde os coletores ficarão fixos.


Fig. 51 Exemplo de uma estrutura de um termossifão para superfícies planas

5.2. Circulação forçadaNa circulação forçada em telhado inclinado, a estrutura é diferente do sistema termossifão, pois não sendo necessário fixar

o acumulador, tem apenas os perfis de encaixe para os coletores (fig. 52).

Item N.º Designação Item N.º Designação

1 2x Perfil 1 2x Perfil

3 4x Tensores de coletor unilaterais 2 2x Tensores de coletor bilaterais

7 2x Proteção contra deslizamento 7 2x Proteção contra deslizamento

8 4x Parafuso M8 6 2x Ligador de encaixe com pernos roscados

8 4x Parafuso M8

Ligação ao telhado com telhas, por coletor

4 4x Gancho para telhado, regulável

5 4x Porca móvel

Fig. 52 Exemplo de uma estrutura para sistemas forçados e seus elementos, para telhados inclinados


Fig. 58 Esquema solar com depósito de uma serpentina e apoio de caldeira mural por acumulação

Fig. 59 Esquema solar com duas aplicações: A.Q.S. e apoio ao aquecimento central por baixa temperatura


Fig. 60 Esquema solar com duas aplicações: A.Q.S. e apoio à piscina

Fig. 61 Esquema solar com três aplicações: A.Q.S, apoio ao aquecimento central e apoio à piscina

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