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Departamento

de Engenharia Electrotécnica

SSiisstteemmaass TTéérrmmiiccooss ddee EEnneerrggiiaa SSoollaarr Trabalho de Projecto apresentado para a obtenção do grau de Mestre

em Automação e Comunicações em Sistemas de Energia

Autor

Manuel Cerveira

Orientador

Doutor Victor Daniel Neto dos Santos

Professor Adjunto ISEC

Coimbra, Dezembro 2012

Sistemas Térmicos de Energia Solar AGRADECIMENTOS

Manuel Cerveira i

AGRADECIMENTOS

Gostaria de agradecer a todos aqueles que me apoiaram e contribuíram para a conclusão deste Mestrado, e em particular:

• Ao professor Victor Daniel Neto Santos pela orientação, acompanhamento, incentivo e permanente disponibilidade demonstrada durante este projecto;

• Aos diversos professores das unidades da componente curricular do Mestrado em Automação e Comunicações em Sistemas de Energia (MACSE) pelo apoio dado durante as aulas;

• Aos meus colegas de Mestrado que através do companheirismo e entreajuda tornaram mais fácil a conclusão deste ciclo de estudos;

• À direcção do Instituto Superior de Engenharia de Coimbra (ISEC) pelas condições oferecidas e pelo apoio concedido necessários à conclusão deste trabalho;

• Aos colegas de trabalho, em especial, ao Paulo Santos, que me acompanhou na construção de uma bancada didáctica com aproveitamento solar para aquecimento de águas sanitárias por circulação forçada, que os nossos alunos do Curso Profissional de Manutenção Industrial de Electromecânica levaram a efeito durante o ano lectivo 2011-2012;

• Aos amigos Nuno Lucas, Pedro Pardelinha e muito em especial ao Mário Almeida, pela disponibilidade e apoio na execução e concretização do trabalho aqui apresentado;

• Aos muitos colegas e amigos, que me foram sempre estimulando no sentido de prosseguir e assim avançar até conseguir chegar ao fim desta etapa;

• À minha família, em particular à minha neta Ana João, pela compreensão e à minha esposa, pelo estímulo e natural apoio demonstrado ao longo da realização deste trabalho.

O meu muito obrigado a todos.

Sistemas Térmicos de Energia Solar RESUMO

Manuel Cerveira iii

RESUMO

As crises petrolíferas verificadas na década de 70 do século XX e na primeira década deste século motivaram a procura de soluções alternativas para ultrapassar os seus efeitos. Com esse objectivo, os governos de diversos países têm aplicado políticas de incentivo e apoio na procura de soluções que permitam reduzir a sua dependência dos combustíveis fósseis.

Sendo o sol uma fonte de energia de fácil obtenção, não poluente e inesgotável, a energia solar, apresenta-se como a grande aposta de independência energética do futuro. Estas condições foram o principal detonador que estimulou o interesse pela realização deste trabalho em que é estudado o aproveitamento da energia solar para aquecimento de água sanitária (AQS), apoio ao aquecimento ambiente (AAA) e aquecimento de água para piscinas (AAP).

No trabalho aqui apresentado, para além de ser realçada a importância da opção pelo aproveitamento da energia solar térmica, são apresentadas soluções de aplicação prática exemplificativas de alguns dos tipos de instalações mais comuns, para cujo dimensionamento foi utilizado o programa SolTerm.

Com o objectivo de melhorar o aproveitamento energético das instalações solares, propõe-se a interligação de sistemas de aquecimento de AQS com sistemas de AAA em moradias unifamiliares e em edifícios de utilização colectiva, e ainda com sistemas de AAP. Tendo sido desenvolvido para o efeito um Controlador Electrónico Diferencial (CED) o qual é apresentado neste trabalho como parte integrante do projecto.

Porque a opção solar em Portugal é demais evidente, deve-se estimular toda a população e em particular os mais jovens a participar. Porque o informar e estimular, geralmente não cai em saco roto, foi conseguido que os alunos do curso de Manutenção Industrial de Electromecânica da Escola Secundária de Anadia, na sua Prova de Aptidão Profissional construíssem uma Bancada Didáctica Móvel em que foi realizada uma instalação de aproveitamento solar térmico de AQS em circulação forçada.

Palavras-chave: Energia Solar; Água Quente Sanitária; Controlador Electrónico Diferencial; Manutenção; Aproveitamento Solar Térmico.

Sistemas Térmicos de Energia Solar ABSTRACT

Manuel Cerveira v

ABSTRACT

The oil crises in the 70s of the twentieth century and in the first decade of this century motivated the search for alternative solutions to overcome its effects. To this end, governments of many countries have implemented policies to encourage and support the exploration of new solutions in order to reduce their dependence on fossil fuels.

As the sun is a source of energy readily available, non-polluting and inexhaustible, solar, presents itself as the main focus of the future of energy independence. These conditions were the main trigger that stimulated interest in this work, it is studied the use of solar energy for heating domestic hot water (DHW), space heating support and water heating for pools.

In the work presented here, besides being highlighted the importance of the solar thermal energy solutions selection are presented for illustrative practical application of some of the most common types of facilities, whose design was performed using SolTerm software.

With the aim of improving the utilization of solar energy, it has been proposed to interconnect heating systems with hot water systems in houses and buildings for collective use, and also with systems for water heating in pools, having been developed for such an Electronic Differential controller which is presented in this paper as part of the project.

Because the solar option in Portugal is too obvious, it should stimulate the entire population and in particular the younger ones to participate. Because inform and stimulate, not usually falls on deaf ears, that was accomplished students of Industrial Maintenance Electro-mechanics of High School of Anadia in its Aptitude Test Professional Teaching build a bench that was held in a facility harnessing solar DHW heat forced circulation.

Keywords: Solar Energy; Domestic Hot Water; Electronic Differential Controller; Solar System Maintenance.

Sistemas Térmicos de Energia Solar ÍNDICE

Manuel Cerveira vii

ÍNDICE

AGRADECIMENTOS............................................................................................................................. i RESUMO ............................................................................................................................................... iii ABSTRACT.............................................................................................................................................v ÍNDICE ................................................................................................................................................. vii ÍNDICE DE FIGURAS.......................................................................................................................... xi ÍNDICE DE QUADROS...................................................................................................................... xiii ABREVIATURAS.................................................................................................................................xv SIMBOLOGIA.................................................................................................................................... xvii 1 INTRODUÇÃO.............................................................................................................................. 1

1.1 História dos Sistemas Solares Térmicos ................................................................................ 2 1.1.1 Crise Petrolífera nas Décadas de 70 e 80 do Século XX ................................................................. 4

1.2 Aproveitamento Térmico da Energia Solar em Portugal ....................................................... 4 1.2.1 O Sol Fonte de Energia.................................................................................................................... 4

1.3 Objectivos e Metodologia...................................................................................................... 7 1.3.1 Objectivos........................................................................................................................................ 7 1.3.2 Metodologia..................................................................................................................................... 7

1.4 Estrutura da Dissertação ........................................................................................................ 8 2 PRINCIPAIS COMPONENTES DOS SISTEMAS SOLARES.................................................. 11

2.1 Colectores Solares................................................................................................................ 11 2.1.1 Colectores Planos Simples Vitrificados......................................................................................... 12

2.1.1.1 ABSORSOR............................................................................................................................ 12 2.1.1.2 CAIXA EXTERIOR ................................................................................................................... 13 2.1.1.3 COBERTURA.......................................................................................................................... 14 2.1.1.4 ISOLAMENTO........................................................................................................................ 14

2.1.2 Colectores Planos Selectivos ......................................................................................................... 15 2.1.3 Colectores Planos Sem Vidro de Cobertura .................................................................................. 16 2.1.4 Colectores Parabólicos Concentradores Compostos - CPC........................................................... 17 2.1.5 Colectores de Tubos de Vácuo ...................................................................................................... 17

2.2 Análise de Eficiência de um Colector Solar ........................................................................ 19 2.2.1 Curva Característica de um Colector Solar.................................................................................... 19 2.2.2 Balanço Energético dos Colectores Solares................................................................................... 20

2.3 Depósitos acumuladores ...................................................................................................... 23 2.3.1 Depósito acumulador com bomba de calor.................................................................................... 25 2.3.2 Selecção de Depósitos Acumuladores ........................................................................................... 26

2.4 Controlador Electrónico Diferencial ou Central de Comando............................................. 28 2.4.1 O Controlador Electrónico Diferencial MANCER........................................................................ 28 2.4.2 Sistema Hidráulico com bomba de circulação............................................................................... 30

2.5 Resumo ................................................................................................................................ 30 3 APLICAÇÕES E DIMENSIONAMENTO DE SISTEMAS SOLARES .................................... 31

3.1.1 Sistema Solar Térmico em Termossifão ........................................................................................ 32 3.1.1.1 Tipo Monobloco – Conjunto com acumulador acima do colector....................................... 32 3.1.1.2 Tipo Termosolar – Acumulador separado e acima dos colectores ...................................... 33

3.1.2 Sistema Solar Térmico em Circulação Forçada............................................................................. 34 3.2 DIMENSIONAMENTO DE SISTEMAS SOLARES TÉRMICOS ................................... 36 3.3 Sistema Solar Térmico para Moradia Unifamiliar............................................................... 36 3.4 Sistema Solar Térmico para Instituição Particular de Solidariedade Social ........................ 42

3.4.1 Perfil de consumo de AQS ............................................................................................................ 43 3.4.2 Implementação prática com dois acumuladores e sistema de apoio .............................................. 44

Estágio no Departamento SAX I 4 da PT Comunicações ÍNDICE

viii

3.4.3 Implementação prática com um único acumulador........................................................................47 3.5 Sistema de AQS Aquecimento da Água em Piscinas e Climatização.................................. 48 3.6 Soluções Mistas de AQS e Aquecimento de Água de Piscinas ........................................... 52 3.7 Resumo................................................................................................................................. 53

4 IMPLEMENTAÇÃO DE SISTEMAS SOLARES TÉRMICOS ................................................. 55 4.1 Instalação e Manutenção de Colectores Solares Térmicos .................................................. 55

4.1.1 Orientação e Inclinação dos Colectores .........................................................................................55 4.1.2 Estrutura de Suporte dos Colectores Solares e Demais Equipamento ...........................................55 4.1.3 Ramal de Entrada e Saída do Colector Solar .................................................................................56

4.2 Instalação dos Depósitos de Armazenamento da Água ....................................................... 57 4.2.1 Prevenção e Controlo de Legionella nos Sistemas de Água – (IPQ) .............................................57

4.3 Bancada Didáctica Móvel .................................................................................................... 60 4.3.1 Realização de ensaios prévios........................................................................................................62

4.3.1.1 Características do Controlador Solar SOLAREG II BASIC.......................................................64 4.4 Sistema Electrónico de Comando Diferencial e de Informação........................................... 64

4.4.1 Controlador Electrónico Diferencial MANCER ............................................................................65 4.4.1.1 Elementos integrados na placa principal .............................................................................66 4.4.1.2 Elementos integrados na placa de interface ........................................................................66 4.4.1.3 Tomadas integradas nas placas de interfaces ......................................................................66

4.4.2 Layout das placas do Controlador MANCER................................................................................67 4.4.2.1 Placa Principal ......................................................................................................................67 4.4.2.2 Placa de Interface.................................................................................................................67

4.4.3 Circuito de Acondicionamento de Sinal ........................................................................................68 4.4.4 Módulo RTC – Relógio desenvolvido a partir do PCF8583 da Philips .........................................68

4.4.4.1 Características do PCF8583 ..................................................................................................69 4.4.5 Esquema do RTC ...........................................................................................................................69 4.4.6 Descrição do modo operacional do controlador.............................................................................71 4.4.7 Sensores de utilização no comando diferencial..............................................................................72 4.4.8 Cálculos efectuados para calibração das sondas Pt1000................................................................72

4.5 Principais Acessórios de Utilização nas Instalações Solar Térmicas................................... 74 4.5.1 Bomba de circulação......................................................................................................................74 4.5.2 Vaso de Expansão ..........................................................................................................................74 4.5.3 Fluido Térmico Solar .....................................................................................................................75 4.5.4 Permutador de Calor ......................................................................................................................75 4.5.5 Válvula Reguladora de Pressão......................................................................................................75 4.5.6 Válvula Misturadora Termostática.................................................................................................76 4.5.7 Válvula de Passagem .....................................................................................................................76 4.5.8 Válvula de Segurança ....................................................................................................................76 4.5.9 Válvula de Três Vias......................................................................................................................77 4.5.10 Válvula de Retenção .................................................................................................................77 4.5.11 Purgador de Ar Automático ......................................................................................................77

4.6 Ensaios e Manutenção dos Sistemas Solares Térmicos ....................................................... 77 4.6.1 Requisitos Necessários para a Conservação e Manutenção do Sistema.........................................79

4.7 Resumo................................................................................................................................. 79 5 NORMAS E LEGISLAÇÃO........................................................................................................ 80

5.1 Normas Aplicadas a Sistemas Térmicos de Energia Solar - Portugal.................................. 80 5.2 Legislação Aplicada aos Sistemas Térmicos de Energia Solar em Portugal........................ 80

5.2.1 Legislação Conexa .........................................................................................................................81 5.3 Eficiência Energética ........................................................................................................... 81

5.3.1 Programa Solar Térmico 2010 .......................................................................................................84 5.4 Certificação e Credenciação de Técnicos e Instalações ....................................................... 84

5.4.1 Certificação de Produtos ................................................................................................................84

Sistemas Térmicos de Energia Solar ÍNDICE

Manuel Cerveira ix

5.4.2 Certificação Energética.................................................................................................................. 85 5.4.3 Medidas de Melhoria ..................................................................................................................... 86 5.4.4 Certificação na Europa .................................................................................................................. 87 5.4.5 Certificação e formação dos técnicos e instaladores...................................................................... 88

5.5 Resumo ................................................................................................................................ 89 6 CONCLUSÕES............................................................................................................................ 90 7 REFERÊNCIAS ........................................................................................................................... 93 ANEXO I .............................................................................................................................................. 97 ANEXO II ............................................................................................................................................. 98 ANEXO III.1......................................................................................................................................... 99 ANEXO III.2....................................................................................................................................... 100 ANEXO IV.......................................................................................................................................... 101 ANEXO V........................................................................................................................................... 102 ANEXO VI.......................................................................................................................................... 103

Sistemas Térmicos de Energia Solar ÍNDICE DE FIGURAS

Manuel Cerveira xi

ÍNDICE DE FIGURAS

Figura 1.1 – Esquema da irradiação da energia solar na terra. [KALOGIROU] .................................... 5 Figura 1.2 – Radiação a) e Insolação b) global anual em Portugal. ........................................................ 5 Figura 1.3 – Evolução da área de colectores solares instalados em Portugal [APISOLAR]. ................. 6 Figura 2.1 – Elementos constituintes de um colector solar. [KALOGIROU]....................................... 12 Figura 2.2 – Colector horizontal. .......................................................................................................... 15 Figura 2.3 – Colector vertical................................................................................................................ 15 Figura 2.4 – Colectores planos selectivos. ............................................................................................ 16 Figura 2.5 – Colectores sem vidro de cobertura.................................................................................... 16 Figura 2.6 – Colectores CPC e esquema de funcionamento. ................................................................ 17 Figura 2.7 – Colectores de tubos de vácuo............................................................................................ 18 Figura 2.8 – Eficiência dos diferentes tipos de colectores solares. [AGUAQS] ................................... 19 Figura 2.9 – Temperatura de funcionamento dos diferentes tipos de colectores solares. [ADENE] .... 20 Figura 2.10 – Balanço energético do absorsor. (Adaptado de [RORIZ]).............................................. 21 Figura 2.11 – Termoacumuladores de armazenamento de AQS........................................................... 23 Figura 2.12 – Depósitos acumuladores de grande capacidade. ............................................................. 25 Figura 2.13 – Depósito acumulador com bomba de calor..................................................................... 25 Figura 2.14 – Exemplos de centrais de comando Vulcano. [VULCANO] ........................................... 28 Figura 2.15 – Controlador diferencial MANCER. ................................................................................ 29 Figura 2.16 – Sistemas hidráulicos com bomba de circulação.............................................................. 30 Figura 3.1 – Sistema solar térmico do tipo monobloco......................................................................... 32 Figura 3.2 – Moradias com sistemas em termossifão do tipo monobloco. ........................................... 33 Figura 3.3 – Sistema solar térmico em termossifão do tipo termosolar. [KALOGIROU].................... 33 Figura 3.4 – Moradias com sistemas em termossifão do tipo termosolar. ............................................ 34 Figura 3.5 – Sistema solar térmico em circulação forçada (indirecto). [KALOGIROU] ..................... 34 Figura 3.6 – Moradia com sistemas em circulação forçada. ................................................................. 35 Figura 3.7 – Selecção do concelho no SolTerm 5.1. ............................................................................. 37 Figura 3.8 – Definição do perfil de consumo diário de AQS da moradia unifamiliar. ......................... 39 Figura 3.9 – Desempenho do sistema solar térmico: Moradia. ............................................................. 40 Figura 3.10 – Definição das características do acumulador solar de AQS (Zantia S20 – 200). ........... 41 Figura 3.11 – Sistema solar térmico simulado: Moradia....................................................................... 41 Figura 3.12 – Sistema solar térmico da ADCRA. ................................................................................. 43 Figura 3.13 – Definição do perfil de AQS do lar para a) dias de semana e b) fim-de-semana. ............ 44 Figura 3.14 – Esquema da instalação do sistema solar térmico da ADCRA. ....................................... 44 Figura 3.15 – Acumuladores de AQS da Relopa Ref. WW2000LEM [RELOPA]............................... 46 Figura 3.16 – Sistema solar térmico simulado: IPSS. ........................................................................... 47 Figura 3.17 – Instalação solar mista – AQS+AAA+AAP. [VULCANO]............................................. 49 Figura 3.18 – Instalação solar térmica mista desenvolvida para o controlador MANCER................... 51 Figura 3.19 – Sistema misto de alto desempenho e elevado rendimento [ZANTIA]. .......................... 52 Figura 4.1 – System granitic com recirculação. [HSC]......................................................................... 59 Figura 4.2 – Bancada didáctica desenvolvida. ...................................................................................... 60 Figura 4.3 – Apresentação pública da bancada didáctica desenvolvida................................................ 63 Figura 4.4 – Controlador solar SOLAREG II. ...................................................................................... 64 Figura 4.5 – Arquitectura do microcontrolador PIC16F887. ................................................................ 65 Figura 4.6 – Diagrama de blocos do controlador MANCER. ............................................................... 66 Figura 4.7 – Layout da placa principal.................................................................................................. 67

ÍNDICE DE FIGURAS Sistemas Térmicos de Energia Solar

xii

Figura 4.8 – Layout da placa de interface. ............................................................................................ 68 Figura 4.9 – Esquema do Conversor Pt1000 Analógico........................................................................ 68 Figura 4.10 – Relógio/calendário com RAM de 240 x 8-bit. ................................................................ 69

Sistemas Térmicos de Energia Solar ÍNDICE DE QUADROS

Manuel Cerveira xiii

ÍNDICE DE QUADROS

Quadro 2.1 – Tipo de colectores solares em função da aplicação......................................................... 20 Quadro 3.1 – Análise comparativa dos sistemas solares (termossifão vs circulação forçada).............. 35 Quadro 3.2 – Caracterização do sistema solar térmico para moradia unifamiliar................................. 37 Quadro 3.3 – Características do colector solar Zantia ZHS 200. [ZANTIA]........................................ 40 Quadro 3.4 – Estimativa de desempenho do sistema solar térmico: Moradia....................................... 42 Quadro 3.5 – Perfil de consumo de AQS na IPSS. ............................................................................... 43 Quadro 3.6 – Características do colector solar Solargus ESP1. ............................................................ 45 Quadro 3.7 – Características dos depósitos acumuladores de AQS. [RELOPA].................................. 46 Quadro 3.8 – Características do depósito acumulador de AQS. ........................................................... 47 Quadro 3.9 – Estimativa de desempenho do sistema solar térmico: IPSS. ........................................... 48 Quadro 4.1 – Comportamento da Legionella em função da temperatura.............................................. 59 Quadro 4.2 – Variação da resistência e da tensão analógica em função da temperatura. ..................... 73 Quadro 5.1 – Mercado solar térmico na EU + Suíça............................................................................. 82 Quadro 0.1 – Características do colector plano KBB K423 VH4L. ................................................... 105 Quadro 0.2 – Características do Acumulador WBO. .......................................................................... 105 Quadro 0.3 – Características do Acumulador WBO - continuação..................................................... 106

Sistemas Térmicos de Energia Solar ABREVIATURAS

Manuel Cerveira xv

ABREVIATURAS

AAA – Apoio de Aquecimento Ambiente

AAP – Aquecimento de Água da Piscina

ADCRA – Associação Desportiva Cultural e Recreativa de Antes

ADENE – Agência para a Energia

ALU – Arithmetic and Logic Unit

AQS – Água Quente Sanitária

AQSpP – Água Quente Solar para Portugal

ASTIG – Active Solar Thermal Industrial

CE – Comunidade Europeia

CED – Controlador Electrónico Diferencial

CEN – Comissão Europeia de Normalização

CENELEC – Comissão Europeia de Normalização Electrotécnica

CERTIF – Associação para a Certificação de Produtos

CFLR – Compact Linear Fresnel Reflector

CNQ – Catálogo Nacional de Qualificações

DGEG – Direcção Geral de Energia e Geologia

DGGE – Direcção Geral de Geologia e Energia

DIN – Deutschs Institut fur Norming

E4 – Eficiência Energética e Energias Endógenas

ENE 2020 – Estratégia Nacional para a Energia 2020

EPDM – Ethylene Propylene Diene Monomer

EU – European Union

ICSP – In Circuit Serial Programming

INETI – Instituto Nacional de Engenharia, Tecnologia e Inovação

SIMBOLOGIA Sistemas Térmicos de Energia Solar

xvi

IPQ – Instituto Português da Qualidade

IPSS – Instituição Particular de Solidariedade Social

ISEC – Instituto Superior de Engenharia de Coimbra

ISO – International Organization for Standardization

ISSO – International Students and Scholars Office

LECS – Laboratório de Ensaio de Colectores Solares

LNEC – Laboratório Nacional de Engenharia Civil

LNEG – Laboratório Nacional de Energia e Geologia

LNETI – Laboratório Nacional de Engenharia e Tecnologia Industrial

MACSE – Mestrado em Automação e Comunicações em Sistemas de Energia

MANCER – Controlador electrónico desenvolvido por MANuel CERveira

PANAC – Programa Nacional para as Alterações Climáticas

PAP – Prova de Aptidão Profissional

PEN – Plano Energético Nacional

PNAEE – Plano Nacional de Acção para a Eficiência Energética

QAI – Qualidade do Ar Interior

RCCTE – Regulamento das Características de Comportamento Térmico dos Edifícios

RS232 – Recommended Standard 232

RSECE – Regulamento dos Sistemas Energéticos de Climatização em Edifícios

RTC – Real Time Clock

SCE – Sistema Nacional de Certificação Energética e da Qualidade do Ar Interior

SEGS – Solar Energy Generating Systems

SPES – Sociedade Portuguesa de Energia Solar

TTL – Transistor–Transistor Logic

UV – Ultra Violeta

Sistemas Térmicos de Energia Solar SIMBOLOGIA

Manuel Cerveira xvii

SIMBOLOGIA

α Coeficiente de absorção (absorvidade)

Ap Área útil de pavimento

∆T Aumento de temperatura necessária para preparar as AQS

a1 Coeficiente linear de perdas térmicas

a2 Coeficiente quadrático de perdas térmicas

MAQS Consumo médio diário de referência de AQS

Esolar Contribuição do sistema de colectores solares térmicos para aquecimento de AQS

Eren Contribuição de outras formas de energia renováveis ou de recuperação de calor para a preparação de AQS

η Eficiência do colector

ηo Eficiência óptica do colector (factor de conversão)

ηa Eficiência de conversão dos sistemas convencionais de preparação de AQS

Qa Energia útil despendida com sistemas convencionais de preparação de AQS

ηk Factor de perda de calor

Eg Irradiância Me (W/m2) – Retirado de tabela de radiometria

Nac Necessidades anuais de energia útil para a preparação de AQS

nd Número anual de dias de consumo de AQS

ρ Reflectividade

Ta Temperatura ambiente

SIMBOLOGIA Sistemas Térmicos de Energia Solar

xviii

Tm Temperatura média de trabalho do fluido no absorsor

τ Transmissividade

ε Emissividade

Cp Calor específico a pressão constante

m& Caudal mássico

h Coeficiente de concepção

β Coeficiente de expansão

U Coeficiente global de transmissão de calor

К Condutividade térmica

CBm Constante de Boltzmann

I Intensidade de Radiação

P Potência eléctrica

p Pressão

R Resistência eléctrica

ρ Resistividade eléctrica [Ω.mm2/m]

t Tempo

U Tensão eléctrica

CAPÍTULO 1

Manuel Cerveira 1

1 INTRODUÇÃO

A crise energética actual tem suscitado preocupações em todo o mundo quanto à possibilidade de esgotamento futuro das reservas energéticas, designadamente do petróleo e do gás natural, sendo também preocupante, o seu elevadíssimo custo que não pára de aumentar.

Tem-se apontado até que, a situação daqui a poucas décadas, tanto pelo aumento desenfreado do custo daqueles combustíveis como pela sua escassez, poderá originar uma crise sem precedentes de todo o sector industrial mundial se não forem encontradas soluções alternativas que possam alterar esta situação.

A solução nuclear, que parecia apresentar-se como uma alternativa credível, tem-se revelado demasiado perigosa nas suas consequências, mesmo em países altamente desenvolvidos tecnologicamente, onde são aplicadas as normas mais rigorosas de construção, manutenção e de segurança das suas centrais nucleares de produção de energia. Em situações de catástrofe natural, ficou já demonstrado que podem ser provocados danos com consequências devastadoras, que além de afectarem os países onde estão instaladas essas centrais, poderão originar danos a outras populações próximas ou mesmo afastadas dessas regiões.

As acções devastadoras provocadas pelos acidentes verificados nas centrais nucleares de produção de energia em países altamente desenvolvidos, como aconteceram em 1979, nos Estados Unidos; em 1981, 1997, 1999 e 2004 no Japão; em Chernobyl 1986 Ucrânia; em 1993 na Rússia; em 2008 em França e mais recentemente por consequência de um Tsunami em 2011 no Japão; fizeram com que a opção pelas Energias Renováveis surgisse como a aposta mais acertada em diversos países, no qual se inclui Portugal.

O final do século XX caracterizou-se pelo aumento acentuado da produção industrial de bens e equipamentos a que passaram a ter acesso grandes camadas da população em virtude dos processos políticos de democratização verificados nessa época. Por outro lado, a melhoria económica das populações, permitiu que nas suas habitações passassem a ter melhores condições de conforto, dada a possibilidade de aquisição e utilização de equipamentos de climatização ambiental. Além disso, as populações passaram a ter mais interesse pela sua mobilidade tendo passado a utilizar em grande escala, não só o comboio, mas também o avião, o barco e outros veículos motorizados de utilização colectiva, ou optaram mesmo pela compra e utilização do automóvel particular para as suas deslocações.

Todos estes factores originaram um brutal aumento do consumo de energia que implicou grande utilização de combustíveis de origem fóssil, como o carvão e outros derivados da floresta, e ainda, numa escala sem precedentes, os derivados de petróleo.

Com o elevado consumo de energia, foi necessário recorrer à exploração de jazidas de petróleo que não estavam previstas. Tal situação, fez com que aumentassem os custos de exploração dos combustíveis fósseis, que provocou uma subida desenfreada dos preços de venda aos países não produtores, que, tal como em Portugal teve como resultado desde então, elevadas dificuldades financeiras.

Sistemas Térmicos de Energia Solar

2

Com o objectivo de minorar as consequências do impacto negativo provocado pela subida do preço da energia, vários países e nomeadamente Portugal, têm procurado soluções alternativas e a utilização das energias renováveis tem mostrado ser a mais favorável para reduzir a dependência dos combustíveis fósseis. Há pois assim que, procurar novas fontes de energia e o sol que é uma fonte inesgotável, apresenta-se como a melhor e a mais económica.

Embora a energia fornecida pelo sol possa ser aproveita de várias outras formas, no trabalho aqui apresentado, é salientada a importância da sua utilização no aproveitamento a baixas temperaturas que se aplica em sistemas: de aquecimento de água sanitária (AQS), de apoio ao aquecimento de ambiente (AAA) e no aquecimento da água de piscinas (AAP).

Para o aquecimento de água sanitária e climatização, são utilizados maioritariamente colectores solares térmicos com superfície colectora de cor preta ou bastante escura ou colectores com tubos de vácuo. No caso da aplicação para aquecimento da água de piscinas, são utilizados colectores cuja superfície colectora é geralmente de ligas plásticas, sem necessidade de existência de caixa exterior, que no caso das piscinas cobertas, garantem boas condições de utilização em grande parte do ano, e, no caso das piscinas descobertas, prolonga o seu normal funcionamento e período de utilização, durante uns meses.

1.1 História dos Sistemas Solares Térmicos

Desde muito cedo que o homem se apercebeu de que a vida e a energia fluem do sol. Remontam mesmo a alguns séculos a.C. princípios de construção de habitações viradas a sul, com fachadas mais altas de modo a que os raios de sol pudessem penetrar pelos pórticos durante o inverno, e do lado virado a norte fachadas mais baixas para que durante o verão se obtenha sombra e sejam evitados, o vento e o frio. Nestas circunstâncias, é feito o aproveitamento solar térmico passivo, cujos ganhos dependem, das condições de construção e orientação do edifício. Além disso, é ainda possível neste tipo de aplicações, fazer um melhor aproveitamento, se for feito o controlo da quantidade de calor recebida e for realizada de forma adequada a distribuição desse calor.

Com um bom controlo da radiação solar, são obtidas temperaturas de trabalho muito mais elevadas do que as necessárias ao conforto térmico. Deste modo, é realizado o aproveitamento solar térmico activo, que pode ser aplicado para obtenção de calor a altas temperaturas através das centrais solares para produção de vapor que é utilizado em processos industriais ou em maior escala, na produção de energia eléctrica.

Ao longo dos tempos, foram efectuadas muitas experiências de aproveitamento solar térmico onde não se considerou oportuna a sua aplicação, porém noutras houve, que pelos resultados alcançados se considerou haver condições de aplicação com rendimentos satisfatórios e até muito bons comparativamente a outras formas de energia utilizadas, tendo daí resultado a sua aplicação em grande escala.

CAPÍTULO 1

Manuel Cerveira 3

As primeiras instalações solares para aplicação doméstica remontam à primeira metade do século XX, e que, de acordo com as revistas científicas da época, terá sido no ano de 1930 em que este tipo de aproveitamento energético começou a suscitar interesse em algumas universidades do Estados Unidos da América do Norte, movidas pela preocupação de poderem garantir uma solução de obtenção de água quente sanitária de utilização doméstica nas zonas mais isoladas das grandes cidades, para as quais se tornava cada vez mais difícil e de custo elevado, fazer o abastecimento dos combustíveis convencionais.

Foram então encetadas investigações que se centraram fundamentalmente em locais de maior prolongamento de incidência e mais elevados níveis de intensidade da radiação solar, tendo culminado com os testes efectuados pela Universidade do Arizona em 1950, que resultaram nos ensaios levados a efeito através da realização de uma instalação com colectores de aproveitamento solar térmico a baixa temperatura para o aquecimento de água, para cujo armazenamento e controlo térmico, foram instalados sistemas em diversos edifícios do seu campus universitário.

Além disso, no ano de 1966, na cidade de Roma, com o objectivo de encontrar formas alternativas às energias ditas convencionais, foi realizado um Congresso que tomou a designação “ Novas Fontes de Energia”, tendo o aproveitamento da energia solar sido considerada de grande importância, não só para aplicação no sector doméstico, como também no comércio e indústria, em alternativa à utilização dos combustíveis fósseis.

Têm sido várias as experiências utilizadas para captação solar associadas à radiação das quais se podem destacar as seguintes centrais solares térmicas:

Do tipo “torre solar de sal liquefeito” – que utilizam o ciclo de Stirling

o “Solar Two” – Operou entre 1995 e 1999 em Barstow – Califórnia 1;

o “Solar Três” – Na Andaluzia – Espanha;

De Concentradores Parabólicos Cilíndricos (“tipo trough”) – que utilizam o ciclo de Rankinne designados SEGS (Solar Energy Generating Systems)2;

o Reflectores Fresnel - Compact Linear Fresnel Refletor (CFLR) - Tavira3;

o Existe uma na Alemanha – Julich – 2008 em funcionamento.

1 eficiência η=32% 2 Construídos entre 1986 e 1990 no deserto do Mojave – Califórnia. Estas centrais necessitam de área de implantação com cerca de 50% mais do que as de torre solar, os custos de construção são da ordem de 25% dos de torre solar e a sua eficiência η=15% 3 Apresenta-se como uma solução mais económica, necessita de uma área inferior para colocação dos espelhos do que as anteriores, sendo o custo de construção, por kWh e produzido, cerca de 10 vezes menor que duma torre solar e a área ocupada cerca de 6 vezes menor do que a necessária para o funcionamento duma torre solar com a mesma potência instalada.”


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1.1.1 Crise Petrolífera nas Décadas de 70 e 80 do Século XX

Com o desenvolvimento industrial iniciado na primeira metade do século XX, que se prolongou nas décadas de 50 e 60 tornou-se necessário proceder a um aumento da procura e exploração de grandes jazidas de petróleo em todo o mundo, de modo a satisfazer as necessidades de combustíveis então necessárias.

Porém, com o aumento do custo do petróleo, verificado na sua comercialização, particularmente a partir do final da primeira metade da década de 70, que veio mesmo a originar a chamada “crise petrolífera dos anos 70”, deu-se início a uma preocupante necessidade de se implementarem medidas tendentes a serem encontradas novas soluções energéticas que pudessem reduzir substancialmente a dependência daquele combustível.

Assim, no final da década de 70 princípio de 80, através do Plano Energético Nacional (PEN) pensou-se que com o maior incremento na expansão da utilização do gás natural, teria sido encontrada a solução que garantiria o fim da crise, tendo mesmo sido propalado que em Portugal, estaríamos garantidos em termos energéticos até 2030.

Para o efeito e baseado nos estudos então realizados, foi implementado o projecto e instalação da rede nacional de gás natural através da grande conduta em toda a faixa litoral de Portugal Continental com ligação a sul através de pipe line ao Magreb de onde seria abastecida. Foi também previsto o seu abastecimento a partir de um sistema de acumulação em depósitos na zona de Sines onde o abastecimento é feito por barcos metaneiros. A rede de gás natural, numa terceira opção, pode ainda através de uma conduta que atravessando toda a zona centro do país, se encontra ligada através de Espanha à rede europeia de gás natural, garantindo também desse modo o abastecimento.

As políticas energéticas escolhidas comprometeram o desenvolvimento da utilização de soluções de aproveitamento solar principalmente para AQS, que à data já se tinha começado a fazer sentir, bem como o desenvolvimento de alguma indústria nacional de material e equipamento a ela ligados que embora na época incipiente, já começava a dar alguns passos importantes.

1.2 Aproveitamento Térmico da Energia Solar em Portugal

1.2.1 O Sol Fonte de Energia

A maior fonte de energia disponível na Terra provém do Sol. A energia irradiada pelo Sol, para a atmosfera terrestre é praticamente constante. Esta energia irradiada ou intensidade de radiação é descrita como a constante solar relativa a uma área de 1 m². Esta constante está sujeita a pequenas alterações, provocadas pela variação da actividade solar e com a excentricidade da órbita da Terra. Estas variações, que se detectam para a gama dos raios Ultra Violeta (UV) são menores que 5 %, e não são significativas para as aplicações de tecnologia solar. O valor médio da constante solar é E0 = 1.367 W/m².

CAPÍTULO 1

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Na figura 1.1 está representado um esquema ilustrativo da irradiação da energia solar na terra, dos valores das dimensões do sol e da terra, e, da distância entre eles.

Figura 1.1 – Esquema da irradiação da energia solar na terra. [KALOGIROU]

Se tivermos em atenção, as condições de elevada insolação existentes durante grande parte do ano em Portugal, verificamos que é muito importante desenvolver e promover cada vez mais a sua utilização. Portugal dispõe de muitas horas de sol, cerca de 2600 horas em média por ano, como se pode observar na figura 1.2 e que o torna um dos países da Europa com melhores características para o aproveitamento da energia solar, com níveis de potencial muito superior à média. Por isso, é necessário criar condições que permitam aumentar a instalação de sistemas de aproveitamento solar térmico e fomentar a produção de colectores solares, pela indústria portuguesa.

a) b)

Figura 1.2 – Radiação a) e Insolação b) global anual em Portugal.


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Na elaboração de projectos e concepção dos colectores solares, é importante que estes apresentem as melhores condições de garantia de uma boa captação da radiação solar. Assim, no caso dos colectores mais comuns utilizados nos sistemas de AQS e de circulação de fluido térmico para climatização ambiental, tanto a superfície do elemento transparente como a placa de captação de energia solar, deverão ter dimensões adequadas e serem constituídas por materiais que garantam condições de captação capazes de permitir rendimentos elevados na transmissão do calor a aproveitar para o aquecimento da água de utilização doméstica ou no aproveitamento para climatização.

O aproveitamento térmico da energia solar numa escala de grande dimensão, poderá reduzir significativamente a dependência energética externa. Porém, até ao presente, tal ainda não se conseguiu, isto porque as acções levadas a efeito até ao momento, não foram capazes de criar um interesse mobilizador de todos, sejam os investidores, os industriais ou outros e a população em geral.

Embora insuficiente, alguma coisa foi feita, tendo sido dados passos significativos em algumas áreas como se pode aferir pela implementação de alguns programas dos quais se destacam:

Em 2001 através do Programa E4 – Eficiência Energética e Energias Endógenas em que se propunha melhorar a eficiência energética e o aproveitamento das energias renováveis em Portugal entre as quais a promoção da utilização de colectores solares para aquecimento de águas pelo programa Água Quente Solar para Portugal (AQSpP).

O objectivo deste programa era atingir 1 milhão de metros quadrados de colectores solares instalados e operacionais até 2010, que não se verificou. A figura 1.3 apresenta a evolução da área de colectores solares instalados.

Figura 1.3 – Evolução da área de colectores solares instalados em Portugal [APISOLAR].

CAPÍTULO 1

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1.3 Objectivos e Metodologia

1.3.1 Objectivos

Apresentando Portugal excelentes condições para o aproveitamento da energia solar térmica, o presente trabalho tem como principal objectivo, mostrar que esta forma de energia se apresenta neste país como a melhor opção para fazer face à elevada dependência energética externa.

Os benefícios para o ambiente e a comodidade que proporciona aos utilizadores tornam a opção pela energia solar térmica uma atitude inteligente e socialmente responsável, sobretudo pela protecção do meio ambiente que decorre da menor utilização de combustíveis fósseis.

Assim, para estimular uma maior participação de todos numa estratégia energética que consubstancie a mudança de paradigma, foi construída uma bancada didáctica móvel de aproveitamento térmico de energia solar, realizada em ambiente escolar, por alunos do ensino secundário sob orientação do autor deste trabalho.

Com recurso ao SolTerm 5.1 foi realizado o dimensionamento de um sistema solar térmico de utilização individual para aplicação em moradias unifamiliares e outro de utilização colectiva para aplicação numa instituição particular de solidariedade social (IPSS).

Por último, foi desenvolvido um controlador electrónico diferencial destinado a instalações de maior complexidade que contemplam o aproveitamento da energia solar para aquecimento de água sanitária, da água de piscina e de apoio ao aquecimento ambiente.

1.3.2 Metodologia

No início deste trabalho, foi apresentado um resumo da importância do aproveitamento da energia solar para ultrapassar as consequências das crises energéticas que se têm verificado ao longo das últimas décadas.

Em seguida, foi apresentado como principal objectivo, dar ênfase à necessidade de se encontrar uma estratégia energética tendente à redução do consumo dos combustíveis fósseis, através da promoção da utilização da energia solar como forma alternativa capaz de permitir fazer face à escassez cada vez maior de reservas daqueles combustíveis e às consequências nefastas para o ambiente derivadas do seu consumo, tendo sido a opção de utilização da energia solar em Portugal como a mais viável e a melhor solução.

Com o objectivo de estimular os mais jovens à participação na redução da dependência de Portugal relativamente aos combustíveis fósseis e na preservação do meio ambiente, foi dada informação sobre o tema e alertada a importância dessa participação aos alunos do 12º ano, tendo daí resultado, a construção de uma bancada didáctica por eles realizada, no âmbito da sua Prova de Aptidão Profissional (PAP).


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Com o objectivo de incentivar a utilização das instalações de aproveitamento solar e de forma a melhorar a sua qualidade, foram ao longo do trabalho, apresentadas figuras com esquemas de princípio, fotografias de instalações, componentes e equipamentos mais comuns.

Neste trabalho é também apresentado o projecto de uma instalação do tipo colectivo com instalação solar de AQS, AAA, e AAP na qual é aplicado o Controlador Electrónico Diferencial MANCER que se desenvolveu. A partir de documentos dos fabricantes e representantes de equipamento solar térmico, foram apresentadas algumas das características dos materiais seus constituintes, do modo de execução das instalações, das condições de ensaio, e das acções de manutenção e de garantia de assistência técnica.

Neste trabalho, são também indicadas algumas normas e legislação que desde 1985 têm vindo a ser implementadas e aplicadas em Portugal.

Foram também indicadas, algumas referências bibliográficas, sites para consulta em que se apresentam instalações, componentes e equipamentos relativos aos tipos de instalações mais comuns de aproveitamento térmico da energia solar.

1.4 Estrutura da Dissertação

O presente trabalho foi desenvolvido no Instituto Superior de Engenharia de Coimbra (ISEC) com vista à obtenção do grau de Mestre em Automação e Comunicações em Sistemas de Energia, na área de especialização de Sistemas Industriais tendo sido elaborado sob a orientação do professor Doutor Victor Daniel Neto dos Santos.

No início do capítulo 1 começa-se por realçar a importância do sol como fonte de energia disponível, evidenciando algumas das suas principais características.

Além disso, é feita uma abordagem ao sol como recurso inesgotável, que em Portugal, um dos países da Europa em que apresenta maior nível de incidência solar. Assim sendo, é apontada a importância da utilização da energia solar como aposta, não só pelas excelentes condições de incidência, mas também como meio de reduzir a dependência energética externa e assim poder contribuir para ultrapassar os efeitos negativos na economia, que essa dependência em geral provoca.

De seguida é apresentada uma perspectiva histórica do desenvolvimento de alguns projectos e passos importantes nas aplicações dos sistemas solares térmicos ao longo dos séculos, destacando-se alguns, que poderão ser considerados marcos importantes tanto pelos resultados concretos de utilização e aproveitamento energético, como no desenvolvimento de políticas e legislação implementadas, cujo objectivo tem em vista a promoção cada vez maior da sua aplicação também em Portugal.

CAPÍTULO 1

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No capítulo 2, Principais Componentes dos Sistemas Solares Térmicos, começa-se por evidenciar a importância da energia solar em confronto com outros tipos de energia e são apresentados os principais componentes dos sistemas solares térmicos, particularizando aqueles que fazem parte das instalações abordadas ao longo do presente trabalho.

No capítulo 3, Aplicações e Dimensionamento de Sistemas Solares, é feita uma abordagem às aplicações de energia solar térmica com particular incidência nos sistemas solares térmicos mais comuns, tanto no que se refere ao aquecimento de água sanitária, como da água para piscinas ou no apoio ao aquecimento ambiental e ainda noutros tipos de aplicações menos comuns em Portugal. Além disso, são apresentados estudos de aplicação em habitação unifamiliar e de utilização colectiva, onde é feito o dimensionamento através da aplicação do programa SolTerm, a partir do qual se apresentaram relatórios.

No capítulo 4, Implementação de Sistemas Solares Térmicos é apresentada uma solução tecnológica baseada em sistemas térmicos de energia solar conforme os esquemas das instalações apresentadas. De entre os aspectos analisados refira-se a instalação e manutenção dos colectores solares, dos depósitos de armazenamento de água, das redes de entrada de água fria e saída de água quente e respectivos componentes, tendo sido dada particular relevância à prevenção e controlo de legionellas nos sistemas de água quente.

Para efeitos de apoio à leccionação de temas relacionados com energias renováveis em diversas disciplinas do ensino secundário foi implementada uma bancada didáctica móvel. A referida bancada serviu de suporte aos ensaios de aplicação do controlador electrónico diferencial desenvolvido. Este controlador realiza medições de temperatura do fluido térmico circulante, através de sensores adequadamente distribuídos pela instalação e de circuitos de condicionamento de sinal. Estas informações são tratadas pelo microcontrolador que através de interfaces de ligação comandam os diversos actuadores existentes na instalação (bombas electro-circuladoras e electro-válvulas).

No capítulo 5, Normas e Legislação são apresentadas algumas das normas e legislação nacional e internacional mais importantes, que oferecem a garantia de poderem ser alcançados os melhores resultados na procura das soluções a utilizar em cada uma das instalações de aproveitamento da energia solar, qualquer que seja a situação a considerar em Portugal e em toda a União Europeia.

Por último, no capítulo 6, Conclusões são apresentadas as conclusões do trabalho efectuado durante o projecto. De entre elas refira-se a importância do aproveitamento da energia solar em Portugal sob as mais diversas formas, tendo em consideração que se trata de uma fonte energética alternativa gratuita e inesgotável capaz de permitir a substituição parcial ou total, do consumo de combustíveis fósseis em muitas aplicações. Nestas circunstâncias, além de permitir a redução da dependência energética do exterior, evita-se a saída de divisas na aquisição de combustíveis. Não sendo necessário um consumo tão elevado de combustíveis, eliminam-se ou reduzem-se em parte os efeitos nefastos da poluição do meio ambiente resultante dos produtos derivados da sua queima.

CAPÍTULO 2

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2 PRINCIPAIS COMPONENTES DOS SISTEMAS SOLARES

A energia solar revela-se uma das formas de energia renováveis mais importantes que existe, uma vez que quase todas as outras formas de energia de que são exemplo a energia dos oceanos, biomassa, eólica e combustíveis fósseis, são formas indirectas da energia solar. A energia solar pode ser transformada em dois principais tipos: energia solar térmica e energia solar eléctrica. A energia solar térmica a tratar neste trabalho, tem como principais aplicações, o aquecimento de águas quentes sanitárias em edifícios de utilização colectiva e residencial, bem como o aquecimento ambiente e da água de piscinas, entre outros. Para o efeito são utilizados colectores solares. A este subgrupo pertence também a energia solar passiva, que consiste na aplicação de modelos de construção de edifícios, capazes de por si só realizar o aquecimento do próprio edifício.

A energia solar é de longe a fonte alternativa de energia mais atraente para o futuro, pois, além das suas características não poluentes, a quantidade de energia disponível para conversão é equivalente a várias vezes o actual consumo mundial.

2.1 Colectores Solares

São os componentes centrais das instalações de aproveitamento de energia solar térmica. Têm como função captar e converter a luz solar (radiação de onda curta) em calor e transferir a energia obtida com o mínimo de perdas para o resto do sistema, geralmente através de água, óleo ou outro fluido consoante a temperatura de funcionamento do sistema. Baseiam o seu funcionamento em dois fenómenos naturais:

• A absorção de calor pelas superfícies escuras;

• O movimento de subida dos fluidos líquidos em circuitos com variações de temperatura.

Os colectores solares deverão apresentar as seguintes características:

• Possuir uma superfície de absorção que permita um elevado nível de captação da energia radiante incidente para os baixos comprimentos de onda, da ordem de 0,3 a 3,0 µm;

• Apresentar reduzido índice de perdas, através da utilização de um bom isolamento térmico;

• Possuir baixo nível de emissividade para a radiação solar nos comprimentos de onda mais comuns que se situam entre 3,0 e 30 µm.


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2.1.1 Colectores Planos Simples Vitrificados

Dos diversos tipos de colectores solares térmicos utilizados, destaca-se o colector solar plano, que apresenta excelentes características de aplicação principalmente para AQS e climatização ambiental, donde resultam significativos ganhos que permitem a redução de utilização das fontes energéticas convencionais.

Podem ser utilizados unitariamente ou sob a forma de baterias de dois a cinco colectores solidariamente ligados através de juntas de união, que de forma agrupada através da ligação por canalizações permitem obter grandes extensões de colectores, obtendo-se assim o aquecimento de grandes quantidades de água para utilização simultânea.

Um colector solar plano é essencialmente constituído pelos seguintes elementos, como se pode observar na figura 2.1 seguinte:

• Placa absorsora ou absorsor;

• Caixa exterior;

• Cobertura;

• Isolamento.

Figura 2.1 – Elementos constituintes de um colector solar. [KALOGIROU]

A maioria dos colectores solares de aproveitamento térmico utilizados, apresenta dimensões aproximadas de 2000x1000x100 mm. Porém, são fabricados colectores solares com dimensões muito diversificadas, dos quais se salientam ainda os modelos em que as suas dimensões se aproximam de 1000x1000x100 mm e de 2000x1500x100 mm, cuja aplicação se faz numa escala bastante inferior aos anteriormente referidos.

2.1.1.1 ABSORSOR

O absorsor é um elemento em cuja superfície é absorvida a radiação solar que é transmitida, sob a forma de calor, a um fluido que geralmente é constituído por uma mistura de água e glicol. Para que sejam obtidas condições de elevado rendimento, a placa do absorsor, deverá

apresentar elevados níveis de absorvidade e baixos níveis de emissividade (ε).

CAPÍTULO 2

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Assim, em alguns colectores a placa do absorsor é fabricada em chapa de cobre, pintada de negro baço especial com elevado coeficiente de absorção (α), noutros; designados colectores solares selectivos, a superfície do absorsor apresenta um revestimento com tratamento especial chamado selectivo, que garanta condições de absorvidade distintas; sendo elevada para os baixos comprimentos de onda e baixa para os altos comprimentos de onda, o que permite reduzir muito a irradiação na faixa dos infravermelhos. Nestas circunstâncias, conseguem-se obter índices de perdas mais reduzidos, o que torna ainda mais eficiente a transferência de calor ao fluido solar e consequentemente um maior rendimento neste tipo de colectores. Neste tipo de colectores, conseguem-se níveis de aproveitamento na absorção que ultrapassam os 95 % e rendimentos bastante elevados.

Dependendo do tipo de fabricação da placa do absorsor, o fluido térmico de transferência de calor (água + glicol), poderá circular directamente no interior da placa absorsora, através de uma serpentina (pouco vulgar) ou no caso mais comum, através de uma grade geralmente em cobre, que é constituída por tubos longitudinais ligados entre si por 2 tubos adutores transversais, a qual é ligada à chapa da placa absorsora por encaixe mecânico reforçado com soldadura especial.

Em ambos os tipos de solução (serpentina ou grade) está prevista a entrada do fluido frio na parte inferior e a saída de fluido quente na parte superior.

2.1.1.2 CAIXA EXTERIOR

A caixa exterior do colector apresenta em geral estrutura de alumínio anodizado ou aço inoxidável com tapa junta4 na parte superior que pode ser também em alumínio anodizado ou aço inoxidável e fixada por encaixe, por rebites ou por parafusos cadmiados. A parte de trás ou fundo da caixa é geralmente em chapa de aço galvanizada ou zincada. Em alguns colectores a caixa é totalmente fabricada em fibra de vidro.

A caixa deverá ter uma profundidade que assegure um afastamento adequado entre a placa do absorsor e o vidro claro de transparência e resistência elevadas, que geralmente possui uma espessura próxima de 4 mm (entre 3,5 a 5 mm).

Entre a placa do absorsor e o fundo da caixa exterior do colector, existe uma camada de isolamento em lã de rocha, poliuretano ou outro de elevada densidade com espessura aproximada de 50 a 60 mm, que garante a redução das perdas de calor irradiadas para o exterior.

4 Tapa junta – Elemento metálico em chapa de alumínio ou aço inoxidável, que é interposto entre o perfil de borracha de isolamento Ethylene Propylene Diene Monomer (EPDM) de encaixe do vidro da cobertura do colector solar, à sua caixa exterior também em alumínio.


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O isolamento aplicado deverá apresentar características que permitam suportar temperaturas até 150 °C e manter essas características, durante o tempo de vida útil do equipamento, não inferior a 20 anos.

No encaixe entre o vidro e a estrutura exterior de alumínio anodizada, poderão ser usadas várias soluções, nomeadamente; parafusos, rebites ou outras. Porém, uma que se apresenta muito interessante é o sistema de encaixe com borracha de elevada resistência aos agentes atmosféricos e elevado nível de Ethylene Propylene Diene Monomer (EPDM), que assegura a estanquicidade do colector.

2.1.1.3 COBERTURA

- Em vidro temperado de baixo teor de óxido de ferro, com espessuras que variam de 3,5 mm a 5 mm e com elevado coeficiente de transmissão (transmissividade - τ).

- Perfil de borracha vedante com junta de dilatação, que deverá possuir elevadas características de EPDM permitindo resistir à acção da radiação ultravioleta e das alterações bruscas das condições atmosféricas.

2.1.1.4 ISOLAMENTO

- Em corticite, lã de rocha, lã de vidro ou poliuretano expandido de alta densidade.

- Revestimento por película reflectora entre o isolamento e a placa absorsora.

As melhores condições de rendimento neste tipo de colector serão garantidas se forem verificadas as seguintes condições, relativamente à fabricação:

- Seja utilizada placa de vidro transparente, com espessura e características que permitam excelente passagem de radiação solar, que devido ao efeito de estufa, reduz as perdas térmicas e, por outro lado, permita filtrar os tipos de radiações não desejadas, nomeadamente radiações ultravioletas ou outras, que sejam nocivas aos materiais envolvidos.

- Seja utilizada uma placa absorsora que permita boas condições de captação e de transmissão do calor. Para tal, será utilizada uma placa de cobre ou outro material de elevado coeficiente de condutibilidade térmica, na qual é realizado o tratamento da superfície para se obter o melhor nível de absorção possível da radiação solar incidente. Este tratamento poderá ser feito por pintura a preto baço ou mate, ou ainda, quando se pretenderem atingir níveis de rendimento mais elevados utilizar-se tratamento selectivo da placa por processo electro-químico ou por pulverização.

- Seja executada a grade de circulação do fluido térmico em tubos de cobre, cujas dimensões estejam em consonância com as dimensões e ondulação da placa absorsora, de tal modo que a área de transmissão de calor seja adequada à quantidade de fluido térmico circulante.

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- Sejam executadas todas as ligações entre os tubos de cobre que compõem a grade por acção de soldas fortes com prata, através de soldadura oxiacetilénica ou outro tipo de soldadura de alta temperatura.

- Seja utilizado perfil de borracha de elevadas características de EPDM, onde assentará a placa de vidro. Esta deverá garantir condições de amortecimento para suportar os efeitos das dilatações ou contracções devidos às variações da temperatura e possuir características que permitam garantir boas condições de resistência à radiação solar, calor e outras acções dos agentes atmosféricos.

- Ter o material do isolamento térmico utilizado, características que permitam um nível reduzido de perdas de calor no fluido térmico. Para tal, poderão ser utilizados, a corticite, a lã de vidro, a lã de rocha, poliuretano ou outros tipos de isolamento com boas características no que se refere ao coeficiente de condutibilidade térmica, ao coeficiente de absorção de humidade e de resistência mecânica. Deve também assegurar condições adequadas de segurança contra incêndios e apresentar um baixo coeficiente de perdas por degradação das suas características.

Figura 2.2 – Colector horizontal.

Figura 2.3 – Colector vertical.

2.1.2 Colectores Planos Selectivos

Os colectores planos selectivos, representados na figura 2.4, diferem dos colectores solares sem cobertura ou colectores planos simples, fundamentalmente pelo vidro solar extra claro de cristal do tipo prismático temperado anti-reflexo e pelo conjunto absorsor constituído por uma placa de cobre tipo lâmina e tubos também de cobre com tratamento superficial selectivo pelo revestimento de óxido de titânio, resultando dai maior rendimento.

Esta solução apresenta benefícios para o ambiente e proporciona maior rendimento, o que torna a opção pela energia solar mais atractiva para os utilizadores.

A superfície selectiva absorsora em óxido de titânio reduz a irradiação na faixa dos infravermelhos, permite capturar maior nível de calor da irradiação solar e fazer a sua transformação de forma mais eficiente.


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Figura 2.4 – Colectores planos selectivos.

2.1.3 Colectores Planos Sem Vidro de Cobertura

Nos casos das aplicações de aquecimento da água de utilização directa em piscinas cobertas ou descobertas e outras aplicações em que as temperaturas não ultrapassam 26° C, ou ainda, para aplicação em sistemas de aquecimento ambiente por chão radiante, onde a temperatura da água ou mistura (água e glicol), poderá ultrapassar pouco mais de 30° C, a solução de utilização dos colectores sem vidro de cobertura, apresenta geralmente custos mais reduzidos de aquisição, maior facilidade de instalação e mais reduzida manutenção, que qualquer dos outros tipos de colectores solares.

Os colectores sem vidro de cobertura, representados na figura 2.5, são colectores solares que não possuem vidro, captando a radiação solar directamente no absorsor, que pode ser em material metálico ou constituído por bandas de polipropileno tecno-polímero, propileno, policarbonato ou polivinil e borracha.

Os primeiros, com os quais se podem obter temperaturas ligeiramente superiores aos segundos, poderão utilizar-se tanto para o aquecimento de água de piscinas cobertas ou descobertas, como associados à utilização de bombas de calor para AQS, ou aquecimento ambiente, particularmente por chão radiante. Os segundos são geralmente colocados em forma de esteira, que se ligam entre si por acoplamento através de uniões nos tubos de maior diâmetro que se situam nas partes inferior e superior, cujos conjuntos têm um máximo de sete colectores e que trabalham geralmente a baixa temperatura. São principalmente utilizados para aquecimento de água em piscinas descobertas.

Figura 2.5 – Colectores sem vidro de cobertura.

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A utilização destes colectores permite a circulação directa da água da piscina. Apresentam custos de aquisição e instalação mais baratos. Embora o tempo de retorno do investimento seja muito idêntico aos colectores com cobertura, apresentam menor eficiência sendo pois necessária uma maior área de captação. Alguns destes colectores podem ser enrolados, pelo que são facilmente arrumáveis.

2.1.4 Colectores Parabólicos Concentradores Compostos - CPC

São colectores geralmente do tipo tubular, cujos tubos onde circula o fluido térmico solar, são envolvidos por espelhos reflectores de forma concêntrica, que lhes garante um elevado rendimento no aproveitamento da radiação solar independente do seu grau de incidência. Geralmente o espelho é protegido por um revestimento que resiste às influências do meio ambiente.

Estes colectores, representados na figura 2.6, são apropriados para o aquecimento de águas sanitárias e/ou apoio do aquecimento ambiente. Apresentam elevado rendimento especialmente na época fria ou em condições climatéricas pouco favoráveis.

Figura 2.6 – Colectores CPC e esquema de funcionamento.

2.1.5 Colectores de Tubos de Vácuo

São colectores constituídos por uma série de conjuntos de dois tubos em vidro, com vácuo no seu interior, com um revestimento selectivo de alta eficiência. A parte central desses tubos é inteiramente feita em cobre.

Os conjuntos de dois tubos são obtidos de borosilicato que é produzido a partir de areia cujo quartzo terá de possuir baixo teor de ferro, de óxidos de boro; de alumínio; de potássio e de sódio e a parte central interna dos tubos será revestida por uma película absorvedora selectiva. Todos os tubos se encontram ligados a um tubo adutor (colector) geralmente em cobre disposto na parte superior, formando assim o conjunto um sistema de distribuição térmica.


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Existem colectores em tubos de vácuo com diversos formatos (arquitecturas), apresentando-se a mais comercializada com a denominação “heat pipe” ou tubo de calor. Com este formato, cada tubo do colector que contém no seu interior a placa absorsora e o fluido de transferência térmica (água destilada, mistura com glicol ou álcool), é selado em vácuo, sendo de seguida também selados os seus extremos.

Pelas condições de revestimento selectivo em todo o perímetro (360 º) dos tubos, obtém-se elevada eficiência e consegue obter-se uma captação de energia solar térmica mesmo em dias nublados no mês de Outubro e mesmo no inverno, através da radiação difusa em qualquer orientação. No verão apresentam menor eficiência que os colectores de superfície plana.

O vácuo existente entre os dois tubos fundidos garante um grande isolamento térmico, permitindo assim captar mesmo com temperaturas muito baixas, tornando a produção de água quente mais constante ao longo de todo o ano. Os colectores de tubos de vácuo são particularmente ajustáveis em sistemas de climatização de baixa temperatura, tais como os de pavimento de chão radiante, ou mesmo os de alta temperatura.

Figura 2.7 – Colectores de tubos de vácuo.

Em geral os colectores solares de tubos de vácuo apresentam-se agrupados de modo a formar conjuntos com 12, 16, ou 20 tubos, cujas superfícies específicas de absorção se encontram próximas de 2 m2, 2,5 m2 e 3 m2, respectivamente. A figura 2.7 apresenta um painel colector com 16 tubos de vácuo, cujos constituintes poderão ser observados em corte.

CAPÍTULO 2

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2.2 Análise de Eficiência de um Colector Solar

2.2.1 Curva Característica de um Colector Solar

A eficiência de um colector solar é definida como o quociente da energia térmica utilizável pela energia solar recebida. Além das perdas térmicas existem também sempre, perdas ópticas. O factor de conversão ou a eficiência óptica h0 indica a percentagem dos raios solares que penetram na tampa transparente do colector de transmissão e a percentagem que é absor-vida, obtida pelo produto da taxa de transmissão da tampa pela taxa de absorção do absorsor.

Segundo [RORIZ] a curva característica de funcionamento do colector é função da radiação solar, da temperatura ambiente e da temperatura do fluido no colector, da seguinte forma:

af T T T −=* (2.1)

em que:

• Tf = temperatura média do fluido (ºC);

• Ta = temperatura ambiente (ºC);

• I = radiação solar (W/m2).

Quando T* é nulo, a temperatura média do fluído é igual à temperatura ambiente, temos o rendimento óptico. Quando a temperatura de saída é igual à temperatura de entrada, ou o caudal for nulo, o rendimento é nulo e o colector atinge a temperatura de estagnação (temperatura máxima que o colector pode atingir), como se pode observar na figura 2.8.

A perda de calor é indicada pelo factor de perda térmica ou valor k. Quanto maior for a diferença de temperatura, mais calor é perdido. Acima de uma diferença de temperatura específica, a quantidade de perda de calor é igual ao rendimento energético do colector, de forma que nenhuma energia é fornecida ao sistema de circulação solar. Um colector com um bom desempenho terá um factor de conversão elevado e um baixo valor de k.

Figura 2.8 – Eficiência dos diferentes tipos de colectores solares. [AGUAQS]


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O rendimento do colector diminui à medida que a temperatura média do fluido sobe. Como regra geral deve escolher-se o colector de acordo com a temperatura de utilização pretendida, para que o seu rendimento seja usualmente acima dos 40 %, conforme os dados fornecidos no quadro 2.1 e na figura 2.9.

Quadro 2.1 – Tipo de colectores solares em função da aplicação.

Tipo de instalação Temperatura de utilização Tipo de colector

Piscina / Estufa <30 ºC Não vidrado

Águas Sanitárias e Pré-aquecimento Industrial

<60 ºC Vidrados (selectivos e não selectivos)

Pré-aquecimento Industrial > 60 ºC Tubos de vácuo

Figura 2.9 – Temperatura de funcionamento dos diferentes tipos de colectores solares. [ADENE]

2.2.2 Balanço Energético dos Colectores Solares

A quantidade de calor captada (útil) num colector solar atravessado por um caudal mássico de

água m& é dada por [RORIZ]

( )inoutpU T TC m Q −⋅⋅= & (2.2)

onde Cp representa o calor específico do fluido térmico cujo valor é igual a 1,0 kJ/kg K para água.

No caso da superfície da captação ser plana a energia absorvida (devida à radiação solar directa) é proporcional à radiação directamente incidente, considerando que a absorvidade da superfície é constante. Um colector solar recebe também radiação solar difusa, sendo a intensidade de radiação solar difusa recebida pela superfície do colector dependente da sua inclinação. [RORIZ]

Um colector solar pode ainda receber energia radiante resultante da radiação solar reflectida por superfícies vizinhas, bem como a radiação proveniente de objectos próximos. Esta radiação dependerá da temperatura a que se encontram os corpos vizinhos bem como (da emissividade) da sua superfície.

CAPÍTULO 2

Manuel Cerveira 21

A maioria dos colectores existentes no mercado para aplicação de aproveitamento térmico de energia solar, apresenta uma placa de absorção não completamente plana permitindo dessa forma aumentar a quantidade de energia solar absorvida pelo colector. Na grande maioria dos colectores planos utilizados, a placa absorsora apresenta ondulação onde normalmente se encaixam os tubos da grade de circulação do fluido. Se for desprezada a influência da forma, teremos para o balanço energético de um colector solar plano a seguinte fórmula:

AECRI Q Q Q Q Q +++= (2.3)

ou

( ) AECRI Q Q Q Q Q ++=− (2.4)

Nas equações anteriores IQ refere-se à energia incidente, AQ representa a energia absorvida

pelo colector, RQ refere-se à parte da energia incidente que é reflectida, CQ corresponde à

energia de perdas por condução-convecção e finalmente EQ o valor da energia emitida. A

figura seguinte apresenta o balanço energético do absorsor compreendendo as componentes anteriormente descritas.

Figura 2.10 – Balanço energético do absorsor. (Adaptado de [RORIZ])

Em [RORIZ] refere que RI Q Q − corresponde à energia radiante absorvida pela superfície

absorsora do colector; sendo que o valor EC Q Q + correspondente à perda de energia pela

superfície total do colector devida a fenómenos de radiação própria e convecção pelo que A Q

será a energia transmitida ao fluido térmico, logo absorvida pelo sistema solar térmico.

Num colector solar plano, o balanço energético deve ser realizado considerando como sistema o absorsor. Assim sendo, a troca de energia por condução-convecção é dada por:

( )apCC T TA UQ −⋅⋅= (2.5)

e a energia emitida expressa por:

( )44apE T TAQ −⋅⋅⋅= σε (2.6)

QA QE

QI QR

QC


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Nas equações anteriores σ é a constante de Stefan-Boltzmann cujo valor é KmW 28 /1067,5 ⋅ ,

ε representa a emissividade do absorsor, UC representa o coeficiente de transmissão de calor, Ap a área do absorsor e T a temperatura média do absorsor a qual é dada pela equação (2.7)

( ) 2inout T TT −≈ (2.7)

A energia radiante captada pelo absorsor, que recebe uma irradiação I, é dada por

noRI IAQQ ,η⋅⋅=− (2.8)

onde ηo,n é o rendimento óptico para o caso em que a radiação é normal à superfície do absorsor e A é a área de abertura do colector.

Por outro lado a energia absorvida é dada por

( ) dtdTC T TC m Q tpinoutpA ⋅+−⋅⋅= & (2.9)

dtdTC Q Q tpUA ⋅+= (2.10)

em que Ctp representa a capacidade calorífica do colector. Considerando a temperatura média do colector igual à temperatura média do absorsor, virá para o rendimento:

( )IAQ Q

Q U

I

U ⋅==η (2.11)

Para o caso em que o colector se encontra à temperatura ambiente, QI - QR = QA (sem perdas convectivas e radiativas para o ambiente) tem-se que o rendimento do colector é igual ao rendimento óptico.

Para concluir a exposição teórica falta mencionar que a radiação solar directa faz um ângulo com a normal à superfície absorsora que pode variar entre 0º e 90º sendo pois necessário incluir um coeficiente de correcção ao ângulo de incidência.

K no

o

,

,

η

η θ= (2.12)

Este factor exprime a razão entre o rendimento óptico para um dado ângulo de incidência e o

rendimento óptico para um ângulo de incidência nulo logo perpendicular à superfície

absorsora. Segundo [RORIZ] valor de K é aproximadamente unitário para ângulos de

incidência menores do que 30º diminuindo de acordo com um polinómio de 2º grau para zero

à medida que o ângulo de incidência tende para 90º.

CAPÍTULO 2

Manuel Cerveira 23

2.3 Depósitos acumuladores

São os componentes que se destinam ao armazenamento da água quente de consumo cuja temperatura foi elevada por acção da energia solar incidente nos colectores ou pela energia fornecida por acção de um sistema de apoio nos períodos em que a incidência de radiação solar, não foi suficiente para a elevar ao valor requerido para utilização.

A garantia das condições de permanência na temperatura da água quente de consumo resulta das propriedades da sua massa e da capacidade calorífica cujo valor é de 4,186 kJ/kg ºC, que representa uma capacidade volumétrica de 4,186 kJ/ºC m3.

Os depósitos acumuladores apresentam geralmente uma capacidade de armazenamento variável entre os 100 e os 5.000 litros. A figura 2.11 apresenta os acumuladores de armazena-mento de AQS mais comuns de diferentes gamas e fabricantes.

Podem ser instalados de forma unitária, mas muitas vezes são agrupados de modo a garantir uma grande quantidade de água armazenada, que permite a utilização de maior quantidade de água quente, simultaneamente.

Baseando-se nas condições de transmissão do calor captado pelos colectores para aquecer a água nos sistemas solares térmicos, os depósitos acumuladores são classificados em:

• Depósitos sem permutador;

• Depósitos com um permutador;

• Depósitos com dois ou mais permutadores.

Figura 2.11 – Termoacumuladores de armazenamento de AQS.

No caso dos depósitos sem permutador, o aquecimento da água obtém-se pela circulação directa da água entre colector e acumulador (sistema pouco utilizado em Portugal).


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Na grande maioria das situações, o aquecimento da água é obtido pela troca de calor que lhe é transmitida pelo fluido térmico aquecido no colector ou colectores solares o qual circula através do permutador existente no interior da cuba do depósito acumulador, ou na bainha exterior que em alguns casos existe a envolver a cuba do depósito acumulador de AQS.

Nos depósitos de média ou grande capacidade, a cuba de armazenamento da água é em geral de aço esmaltado, vitrificado ou com outro tipo de tratamento interior. Nos depósitos acumuladores de pequena capacidade, (horizontais ou verticais), a cuba de armazenamento de AQS, além dos materiais atrás referidos poderá ser de polietileno ou em cobre tratado.

Quando é pretendida a satisfação de armazenamento de água na totalidade das necessidades de água quente de consumo durante todo o ano, isso implica que seja utilizada capacidade de armazenamento sobredimensionada relativamente à época de verão.

De modo a garantir 100 % de água quente a temperaturas próximas dos 60 ºC, além do aquecimento obtido por acção da energia solar, quando tal não é suficiente, terá de se utilizar um sistema de apoio para compensação. No apoio ao sistema solar de AQS, poderão ser utilizados diversos processos que permitem garantir uma utilização plena de água quente à temperatura desejada.

Com esse objectivo, em muitos casos é utilizada uma ou mais resistências comandas por termostato e colocadas em funcionamento pela central de controlo através de comando electrónico diferencial na relação entre a temperatura do fluido térmico à saída dos colectores solares e a temperatura de água para consumo armazenada na parte inferior do depósito acumulador.

Noutras situações, principalmente quando já é utilizada caldeira para aquecimento central do ambiente, opta-se pela aplicação de depósitos acumuladores de AQS com permutador interno ou bainha envolvente da cuba e o apoio é feito através da caldeira que aquece o fluido (água mais glicol), que circulando em circuito fechado faz a transferência do calor à água que se encontra armazenada no depósito acumulador de AQS. Esta é a solução que se apresenta geralmente mais rentável. Noutras situações, é utilizado apoio através da recuperação de calor por lareira ou outra fonte de calor externa.

O tipo de soluções que acaba de ser apresentado implica geralmente a utilização de um segundo permutador, já que o primeiro é utilizado para o aproveitamento do calor transferido pela circulação do fluido térmico solar. Esta solução implica que seja utilizado um depósito acumulador com dois permutadores internos, ou no caso de apenas ter um permutador interno, existir um permutador de apoio externo. Assim, o fluido directamente aquecido pela caldeira ou outra fonte de aquecimento irá então passar através de um permutador de aquecimento externo ao depósito acumulador. Na maioria deste tipo de aplicação é geralmente utilizado um permutador de placas, com dois circuitos independentes em que num deles circula o fluido térmico e no outro circuito circula a água vinda de um acumulador de apoio ao aquecimento ambiente ou da água vinda de uma piscina.

CAPÍTULO 2

Manuel Cerveira 25

Além das soluções atrás enumeradas, poderá ser integrado na saída de água quente solar um módulo de adaptação a um esquentador ou caldeira para que quando a água à saída do acumulador for inferior à temperatura desejada, passe no circuito de aquecimento de água do esquentador ou caldeira antes de ser utilizada para consumo.

Os depósitos de grande capacidade ilustrados na figura 2.12, deverão possuir boca de visita de homem para limpeza e reparação, em cuja tampa, estão geralmente alojadas as resistências do sistema de apoio para aquecimento da água, quando as condições de aproveitamento do calor pela energia solar ou outro sistema de apoio não seja mais favorável.

Figura 2.12 – Depósitos acumuladores de grande capacidade.

2.3.1 Depósito acumulador com bomba de calor

Os depósitos com bomba de calor, como o representado na figura 2.13, apresentam condições que permitem reduzir o perigo de congelamento do termofluido devido ao abaixamento das temperaturas durante o período de inverno. Permitem também resolver a questão de combate anti legionellas. [HSC]

Figura 2.13 – Depósito acumulador com bomba de calor.


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2.3.2 Selecção de Depósitos Acumuladores

O volume óptimo de acumulação depende do tipo de colectores, do local e das características do consumo. De uma forma geral o volume de armazenamento é idêntico ao consumo diário, sendo que valores superiores não originam maiores economias.

Se o volume acumulado é menor conseguem-se temperaturas de acumulação mais elevadas mas com um menor rendimento. O sistema de armazenamento deve garantir prioritariamente o uso da energia solar face à energia convencional. Sempre que possível, deve-se separar o depósito acoplado ao sistema solar do depósito ligado ao sistema de apoio. O isolamento a utilizar entre cuba e forra exterior nos depósitos acumuladores de média e grande capacidade deverá possuir como espessura mínima 80 mm e dependerá do material utilizado.

Qualquer que seja a solução de aproveitamento de energia (solar ou outra), para obtenção de água quente de consumo, é sempre necessário utilizar depósitos acumuladores para o seu armazenamento que terão de apresentar as seguintes partes:

• Forra exterior envolvente: geralmente fabricados em chapa de aço comum tratada, de aplicação nos acumuladores que se prevê venham a ser instalados no interior dos edifícios, ou em aço inoxidável, alumínio anodizado ou outro tipo de material, que possua boas características de resistência à acção dos agentes atmosféricos.

O material do forra exterior ou revestimento envolvente deverá possuir também características estruturais de robustez suficiente para que nela sejam fixados os diversos elementos, onde serão instalados os acessórios de ligação às diversas tubagens das redes de água fria e quente de consumo, às redes de circuitos de retorno quando existam; e, ainda às redes de circulação do fluido frio e quente. Além disso, deverão ainda garantir que possam ser fixados e instalados os acessórios de ligação aos diversos componentes das instalações.

• Isolamento: geralmente é utilizada espuma de poliuretano de elevada densidade, lã de rocha ou fibra de vidro, podendo no entanto ser utilizados outros materiais, os quais são aplicados entre a forra ou revestimento exterior e a cuba do depósito acumulador de água.

Os materiais utilizados, deverão possuir características e espessura suficiente para que sejam obtidas boas condições de isolamento térmico que deverá ser mantido ao longo do tempo de vida útil dos depósitos, que tal como as instalações onde estão inseridos na maior partes das aplicações, deverá apresentar uma durabilidade com bom desempenho superior a 20 anos garantindo reduzidas perdas na temperatura da água.

• Cilindro ou Cuba: fabricado na sua maioria em aço inoxidável, é tratado no seu interior por vitrificação ou outro tipo de tratamento, que lhe conferem melhores condições de sanidade para as diversas aplicações em que geralmente são utilizados.

CAPÍTULO 2

Manuel Cerveira 27

A chapa de que é fabricado cuja espessura está relacionada com o diâmetro e os níveis de pressão para os quais está previsto o depósito acumulador (baixa ou alta pressão), deverá ser suficiente para garantir as melhores condições de aplicação em segurança, prevendo-se sempre a aplicação de sistema de segurança de acordo com o estabelecido na regulamentação, através de válvulas de pressão e/ou de temperatura adequadas às respectivas aplicações.

Para proteger a cuba de elevados níveis de oxidação, é geralmente aplicado um ânodo de magnésio no seu interior.

É na cuba que são fixados a grande maioria dos componentes das instalações, tais como; de comando (torneiras e válvulas de passagem), de controlo (sondas e termostatos), de protecção e segurança (ânodo de magnésio na cuba, filtros, válvulas reguladoras de pressão, válvulas de segurança e purgadores), e ainda os vários equipamentos de medição (termómetros, pressostatos, caudalímetros), de compensação de volume (vasos de expansão) e de circulação (bombas electro-circuladoras).

Principais especificações dos depósitos acumuladores:

• Capacidade em litros;

• Temperatura máxima admissível (em ºC ou ºK);

• Pressão máxima admissível (em bar ou kg/cm2);

• Disposição horizontal, vertical ou ambas (vertical apresenta melhores condições de estratificação da água);

• Número de permutadores interiores (geralmente em serpentina);

• Tipo de sistema de apoio;

• Medidas dos acessórios de ligações às redes de água quente e fria;

• Medidas das ligações dos acessórios das ligações das redes de fluido térmico;

• Dimensões:

o Peso aproximado em kg;

o Altura em mm;

o Diâmetro exterior em mm.


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2.4 Controlador Electrónico Diferencial ou Central de Comando

O controlador ou central electrónica de comando, permite comandar o arranque da bomba do circuito primário de fluido térmico solar, quando existe um diferencial de temperatura de 3 º a 7 ºC (conforme opção a programar) entre a temperatura na parte superior dos colectores e a água na parte inferior do depósito acumulador, sendo dada indicação de paragem da bomba quando esse diferencial for igual ou inferior a 2 ºC.

Além disso, deverá ser possível efectuar a paragem das bombas a qualquer momento, contemplando um fácil manuseamento e a garantia de segurança de todos os aparelhos de comando da instalação.

O controlador electrónico diferencial (ver figura 2.14) é utilizado nos sistemas de circulação forçada, para através do diferencial de temperatura entre colector ou colectores solares e depósito acumulador, ligar ou desligar a bomba de circulação do fluido solar que irá transmitir o calor para aquecer a água armazenada no depósito acumulador cuja temperatura se deverá manter próxima de 60 ºC, para que seja também mantida uma temperatura de consumo de aproximadamente 45 ºC.

O controlador pode ser programado para assegurar uma contínua transferência de energia térmica dos colectores solares para o acumulador de água, através do comando electrónico que fará com que a bomba de circulação de fluido não funcione quando a temperatura do fluido à saída do colector for igual ou inferior à temperatura da água na zona inferior do permutador de troca de calor ou do depósito acumulador de água.

Figura 2.14 – Exemplos de centrais de comando Vulcano. [VULCANO]

2.4.1 O Controlador Electrónico Diferencial MANCER

O controlador diferencial de comando MANCER que foi desenvolvido no âmbito do presente projecto do mestrado MACSE, apresenta características que permitem a sua aplicação tanto nas pequenas instalações de moradias habitacionais onde o número de informações, sensores e elementos de comando é reduzido, como na aplicação em instalações de utilização colectiva, onde é maior o número de entradas e saídas disponíveis.

CAPÍTULO 2

Manuel Cerveira 29

Assim, o protótipo apresentado neste trabalho poderá ser utilizado em qualquer das situações de instalação solar referidas.

No desenvolvimento deste equipamento foram tidas em atenção condições funcionais de aplicação e qualidade de modo a obter-se um produto de baixo custo, o que poderá evoluir para aplicações mais complicadas que este não contempla, desde que tal se justifique.

Na utilização do controlador aqui exposto poderão ser utilizados sensores Pt1000, Pt100 ou ainda NTC.

Neste trabalho optou-se pela simulação com sensores Pt1000, que aplicados em diversos pontos da instalação solar, permitem obter informações do tipo físico por controlo de temperatura, que após a sua transformação em sinais eléctricos, accionam dispositivos de comando que irão fazer activar bombas de circulação de fluido térmico ou válvulas de três vias existentes em alguns pontos da rede de tubagens entre os colectores solares e os depósitos acumuladores de AQS, de AAA ou AAP.

As imagens do controlador diferencial MANCER estão apresentadas na figura 2.15, em que é utilizado um microcontrolador 16F887 com 40 pinos de ligação (35 IN/OUT), cujas características permitem satisfazer às condições previstas para aplicação neste projecto.

Para apresentação final do controlador MANCER optou-se por uma caixa em PVC rígido de cor preta, cuja forma e dimensões permitem fazer a instalação dos diversos componentes em boas condições, permitindo também a colocação de terminais de ligação para os vários componentes e equipamentos externos ao controlador, como sejam sondas, electroválvulas bombas circuladoras, termómetros, caudalímetros, medidores de consumo e outros equipamento de medição, comando, controlo e protecção.

Medidas exteriores aproximadas da caixa do controlador MANCER: 280 x 207 x 107 mm.

Figura 2.15 – Controlador diferencial MANCER.


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2.4.2 Sistema Hidráulico com bomba de circulação

Este sistema sofreu uma melhoria significativa nos últimos anos, pela forma como passou a ser apresentado para instalação sob a forma de conjunto agrupado dos vários componentes que o constituem. Incorpora geralmente: termómetro, pressostato, válvulas anti-retorno, caudalímetro, dispositivo de enchimento e drenagem, válvula de segurança, com bomba circuladora incorporada e purgador de ar, adequado para sistemas solares.

Este sistema hidráulico em forma de kit (ver os exemplos presentes na figura 2.16), oferece condições de aplicação e de utilização com elevado nível de segurança. A ligação da bomba circuladora na entrada e na saída faz-se com duas válvulas de esfera, de forma a que a bomba circuladora possa ser controlada ou retirada, sem que seja necessário esvaziar todo o circuito.

Geralmente dispõe de dois termómetros para controlo das temperaturas de entrada e de saída.

Figura 2.16 – Sistemas hidráulicos com bomba de circulação.

2.5 Resumo

Ao longo deste capítulo, para além dos componentes aqui apresentados, outros poderiam ter sido considerados com características semelhantes. Refira-se no entanto, que foi intenção do autor deste trabalho, fazer apenas alusão a um conjunto de componentes que pudesse de algum modo ilustrar de forma clara o que é mais comum na maioria das aplicações na Europa e em muitos países a nível mundial. Porém, algumas das referências apresentadas, são essencialmente dirigidas para soluções de aplicação em países que apresentam condições climatéricas que são próximas das que se verificam ao longo do ano em Portugal.

Além disso importa ainda salientar, que o controlador diferencial MANCER que se apresenta neste trabalho, foi estudado com base num projecto para aplicação em sistemas solares térmicos de média dimensão, mas que apresenta condições de fácil adaptação para aplicação em sistemas com dimensões tanto de nível inferior como de nível superior ao do projecto para o qual foi desenvolvido.

CAPÍTULO 3

Manuel Cerveira 31

3 APLICAÇÕES E DIMENSIONAMENTO DE SISTEMAS SOLARES

Embora o aproveitamento térmico da energia solar pudesse ser estudado para outros tipos de aplicações, neste trabalho é abordado unicamente o aproveitamento da energia solar para obtenção de AQS, aquecimento ambiental e de água para piscinas.

A utilização de colectores solares térmicos de alta temperatura para aquecer o gerador dos sistemas frigoríficos de absorção que produzem a água refrigerada para o arrefecimento dos edifícios é reduzida, sendo a maioria dos colectores solares fabricados para aquecimento de água a temperaturas inferiores a 80 ºC.

A “produção” de calor a partir da energia solar irá ter, durante os próximos anos, um forte incremento tanto devido à tendência que se prevê de aumento do custo dos combustíveis fósseis, como pela legislação e regulamentação que parecem apontar no sentido do apoio a este sector de actividade tornando-se assim num factor determinante para a maior penetração dos sistemas solares activos.

As soluções integradas de climatização e de AQS, começam já a ser propostas interessantes de utilização como opções que se prevê aumentem progressivamente durante os próximos anos em todo o mundo, prenúncio do interesse pelo sector do aproveitamento da energia solar térmica, que poderá contribuir decisivamente para aumentar a I&D, a formação e desenvolvimento técnico, a quantidade e qualidade dos fabricantes, a comercialização e outras entidades envolvidas, com o consequente aumento do nível de empregabilidade, dada a necessidade de criação de empresas ligadas a este e a sectores afins, que deverá e se espera venha a verificar-se.

Os sistemas térmicos de aquecimento de AQS, baseiam o seu funcionamento no aquecimento da água obtido pela transferência do calor concentrado por efeito de estufa nos colectores solares, onde a radiação solar com um determinado comprimento de onda, incide sobre a cobertura de vidro, que compõe geralmente a parte superior dos colectores solares.

O aproveitamento de energia solar para AQS, é geralmente realizado por dois processos: em termossifão; e em circulação forçada.

Em qualquer dos dois processos se poderá fazer o aquecimento da água em circuito aberto e em circuito fechado.

Os sistemas em termossifão, são caracterizados pela circulação natural de fluidos (líquidos ou gases) que se verifica em geral dos níveis inferiores para os níveis superiores por estes se tornarem mais leves do que no nível inferior.

A circulação de fluido manter-se-á, enquanto houver diferencial de temperatura do fluido entre o nível superior do acumulador e inferior do colector, deixando de se verificar quando deixar de haver qualquer diferencial de temperatura. O diferencial de temperatura do fluido de


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circulação é obtido pela acção do calor resultante da incidência de radiação solar no colector, ou seja; na zona do nível inferior do sistema solar.

Os sistemas de circulação forçada, caracterizam-se por ser necessária existência de uma bomba circuladora destinada a provocar a circulação do fluido. Nestes sistemas, com o objectivo de garantir o maior aproveitamento do calor devido à incidência da radiação solar, existirá também um controlador electrónico e sensores, que permitirão manter a bomba circuladora em funcionamento mediante regulação apropriada ao melhor rendimento do sistema solar de aproveitamento de energia.

3.1.1 Sistema Solar Térmico em Termossifão

Como já foi referido anteriormente a radiação solar ao atingir a superfície do colector aumenta a sua temperatura. Essa temperatura é transferida para o fluido solar que por sua vez, sob a forma de calor, a transfere para a água armazenada no depósito acumulador, originando assim o aquecimento dessa água armazenada.

Neste tipo de sistema, o fluido térmico aquecido no colector, circula no interior do depósito por acção da diferença de densidade verificada no fluido que é provocado pela diferença de temperatura entre colector e o interior do depósito acumulador de água.

3.1.1.1 Tipo Monobloco – Conjunto com acumulador acima do colector

Sistema compacto de circuito fechado baseado no funcionamento por termossifão, representado na figura 3.1, em que por acção do calor os fluidos se tornam mais leves subindo do local mais baixo - o colector para o local mais elevado - o depósito acumulador.

O fluido geralmente utilizado, anticongelante e anticorrosivo, é constituído por uma mistura de água com glicol que circulará em circuito fechado (circuito primário) sem qualquer contacto com a água de consumo do depósito, entre o colector ou colectores solares e o permutador do depósito acumulador. Este fluido apresenta um nível de mistura que é função da capacidade do circuito fechado e também da localização da instalação, que está por sua vez relacionado com o valor mínimo da temperatura no inverno previsto nessa zona.

Figura 3.1 – Sistema solar térmico do tipo monobloco.

CAPÍTULO 3

Manuel Cerveira 33

Com uma boa utilização do sistema solar térmico de AQS, poderá obter-se uma poupança energética dependente das condições climatéricas particulares, que poderá atingir rendimentos médios superiores a 70 % em grande parte do ano. Há no entanto necessidade de existir apoio auxiliar geralmente eléctrico, podendo também ser a gás ou outro que se utilizará durante os dias sem sol, ou de pouca radiação solar para se garantir AQS de forma contínua. O modelo a instalar terá de ser adaptado à quantidade de AQS necessária em função do número de utilizadores. Importante seria que o maior nível de utilização de AQS em Portugal se efectuasse durante o dia entre as 10h30m e as 15h00m, visto que nessas horas geralmente há máxima irradiação solar.

Figura 3.2 – Moradias com sistemas em termossifão do tipo monobloco.

3.1.1.2 Tipo Termosolar – Acumulador separado e acima dos colectores

É um modelo muito menos usado que o sistema tipo monobloco. Só é possível, quando existem condições de instalação do depósito acumulador separado (geralmente na vertical) acima do nível dos colectores solares, sendo particularmente vantajosa a possibilidade de ser colocado o acumulador no interior da moradia, de acordo com o esquema da figura 3.3. Neste caso, o acumulador não fica sujeito ao impacto dos agentes atmosféricos, e, além disso, quando instalado na vertical permite maior estratificação da água no depósito, o que possibilita a utilização de água quente durante mais tempo e em maior quantidade do que no caso dos depósitos instalados na posição horizontal.

Figura 3.3 – Sistema solar térmico em termossifão do tipo termosolar. [KALOGIROU]


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Nas figuras seguintes apresentam-se sistemas tipo termossifão em moradias

Figura 3.4 – Moradias com sistemas em termossifão do tipo termosolar.

3.1.2 Sistema Solar Térmico em Circulação Forçada

Neste tipo de sistema solar, representado na figura 3.5, o fluido térmico que é aquecido no colector, vai circular no interior do depósito acumulador de AQS, por acção de uma bomba circuladora cuja ordem de funcionamento ou paragem é dada por um controlador electrónico de comando diferencial sempre que é detectado um diferencial de temperatura entre os senso-res instalados na saída de fluido quente da parte superior dos colectores e na zona inferior do depósito acumulador de AQS. Assim, sempre que pelos valores detectados nos sensores seja verificado o diferencial de temperatura previamente programado, será dada ordem de ligação da bomba que fará circular o fluido pelo permutador existente no interior do acumulador, sendo aí transferido o calor para aquecer a água. Enquanto os valores de temperatura medidos pelas sondas se mantiverem e originarem um diferencial superior ao estabelecido pela programação, a bomba circuladora mantém-se em funcionamento, sendo dada ordem para a desligar quando tal deixar de se verificar. Esta condição será mantida enquanto não houver diferencial de temperatura que permita dar ordem de ligação da bomba.

Figura 3.5 – Sistema solar térmico em circulação forçada (indirecto). [KALOGIROU]

CAPÍTULO 3

Manuel Cerveira 35

A figura 3.6 apresenta os colectores solares implantados no telhado de uma moradia unifamiliar referentes à instalação de um sistema solar térmico em circulação forçada cujo depósito de AQS se encontra no interior da habitação.

Figura 3.6 – Moradia com sistemas em circulação forçada.

Através do quadro 3.1 é feita a análise comparativa das vantagens e desvantagens relativas à utilização das instalações solares em termossifão e em circulação forçada.

Quadro 3.1 – Análise comparativa dos sistemas solares (termossifão vs circulação forçada).

Sistema em termosifão Sistema em circulação forçada

Vantagens

Unidade monobloco geralmente com colector e acumulador num só sistema, podendo eventualmente, ter colector e acumulador separado. - Sistema simples auto-regulado pelo sol. - Praticamente isento de manutenção devido à qualidade dos materiais utilizados e à ausência de partes móveis.

- Os colectores e o acumulador ficam fisicamente separados. Este sistema recorre a uma electrobomba accionada por um controlador electrónico que força o fluido a percorrer o circuito solar. - Fácil instalação/integração dos colectores geralmente no telhado. - Menores perdas térmicas do sistema uma vez que o acumulador ficará situado no interior da habitação, na posição vertical.

Desvantagens

- A instalação poderá ser dificultada se não existirem pontos de ancoragem em planos inclinados que possam suportar o maior peso do conjunto. - Maiores perdas térmicas da instalação devido à colocação do acumulador geralmente na posição horizontal e sujeito à intempérie.

- Necessário instalar uma rede de tubagem em cobre de forma a ligar os colectores e o acumulador. - Consumo eléctrico da bomba e do controlador que, no entanto, são compensados pelo maior rendimento do sistema.


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3.2 DIMENSIONAMENTO DE SISTEMAS SOLARES TÉRMICOS

No que se refere ao dimensionamento das instalações de aproveitamento de energia solar para AQS, com a publicação dos Decreto-lei nº. 78/2006 (SCE); Decreto-lei nº. 79/2006 (RSECE) e o Decreto-lei 80/2006, a partir do qual deu entrada em vigor o novo RCCTE foi legislada a obrigatoriedade de serem realizadas infra-estruturas para a instalação de sistemas térmicos de aproveitamento de energia solar, tanto para as novas construções de habitação, como para as que sofram significativas alterações, e, ainda, nas construções que pelas actividades que desempenham ou venham a desempenhar tal deva ser considerado no respectivo projecto.

Assim, para garantir o cumprimento da lei e uniformizar as montagens e outras intervenções nas instalações de aproveitamento térmico da energia solar foi desenvolvido pelo INETI o programa de software SolTerm. Este software efectua o dimensionamento de sistemas de energia solar térmico, conforme se exemplifica neste trabalho, permitindo à Agência para a Energia ADENE obter uma maior eficácia no controlo e acompanhamento dos projectos realizados.

3.3 Sistema Solar Térmico para Moradia Unifamiliar

No âmbito do trabalho realizado em [ASantos], o autor define um conjunto de passos a seguir no dimensionamento de sistemas solares térmicos de AQS a instalar num edifício mas que podem ser extrapolados para o caso específico de uma moradia unifamiliar. O procedimento apresentado compreende os seguintes passos:

• Seleccionar o tipo de solução a aplicar, a qual deve ser escolhida em função da configuração da moradia, zonas técnicas disponíveis e do nível de conforto pretendido;

• Quantificar, de acordo com a regulamentação ou indicações existentes, os consumos de AQS, sendo que, no caso de um edifício de habitação costuma ser associado ao número de utilizadores, considerando-se um dado valor de consumo por utilizador;

• Tendo em conta as necessidades de consumo de AQS, bem como as limitações de espaço e estruturais da moradia, definir o volume e modelos do depósito a aplicar, em zona técnica no interior da habitação;

• Definir o tipo de equipamento de apoio a aplicar.

A especificação da localização é o factor essencial no projecto, tendo em conta que as condições climatéricas típicas da zona associadas, impõem limitações no que concerne ao rendimento dos colectores. Refira-se também a possibilidade de existência no concelho onde se pretenda instalar o sistema solar térmico de regulamentação própria para o efeito.

CAPÍTULO 3

Manuel Cerveira 37

As características da cobertura onde serão instalados os colectores, nomeadamente: espaço disponível para instalação de colectores, a sua orientação e inclinação; e a existência de obstáculos que façam sombras sobre os colectores também têm de ser previamente conhecidos e analisados.

O quadro 3.2 resume as principais características do sistema solar térmico que se pretende dimensionar, neste primeiro caso numa moradia unifamiliar.

Quadro 3.2 – Caracterização do sistema solar térmico para moradia unifamiliar.

Clima – concelho Mealhada

Obstruções ---

Perfil de consumo RCCTE (4 ocupantes)

Sistema Térmico Circulação forçada

Colectores ~4 m2 de colector

Depósito 200 l

Tubagens 20 m

Sistema de apoio (gás natural): 88 %

Permutador de serpentina: 55 %

Temperatura de consumo: 60 ºC

Temperatura média da água da rede: 15 ºC

Da análise dos valores da irradiação solar diária horizontal e da temperatura ambiente para uma localização no concelho da Mealhada, representado na figura 3.7, obtêm-se as seguintes conclusões. O valor máximo da irradiação solar diária horizontal é igual a 6,7 kWh/m² e ocorre no mês de Julho, para este valor contribuem a componente difusa, de valor igual a 2,5 kWh/m², e a componente directa cujo valor igual a 4,2 kWh/m². Em oposição o valor mínimo da irradiação solar diária horizontal é igual a 1,7 kWh/m² e ocorre no mês de Dezembro com contribuições similares das componentes difusa e directa.

Figura 3.7 – Selecção do concelho no SolTerm 5.1.


38

No que diz respeito à temperatura ambiente o valor de maior relevância será o valor mínimo da temperatura ambiente mínima o qual é igual a 5,4 ºC (em valor médio) e ocorre no mês de Dezembro. Tendo em conta a sua importância na definição da percentagem de mistura de água e glicol como líquido solar de transferência de calor pesquisou-se o valor da temperatura mínima registada. Em Coimbra a uma distância inferior a 10 km da Mealhada e com condições climatéricas similares verificou-se que, no período 1971-2000, as maiores e menores temperaturas registadas foram respectivamente de 41,6 °C e -4,9 °C. No entanto, há registos de -7.8 °C em 1941 e 42,5 °C em 1943.

O RCCTE descreve em detalhe o método de cálculo das necessidades de energia para preparação da água quente sanitária (Nac), o qual se encontra descrito no ponto 1 do anexo VI do referido regulamento, em função dos valores das seguintes grandezas:

A energia útil despendida com sistemas convencionais de preparação de AQS (Qa);

A eficiência de conversão dos sistemas convencionais de preparação de AQS (ηa);

A contribuição de sistemas de colectores solares para o aquecimento de AQS (Esolar);

A contribuição de outras formas de energia renováveis ou de recuperação de calor para a produção de AQS (Eren);

A área útil de pavimento (Ap).

( )

[ ]anokWhnTM

QdAQS

a / 3600000

4187 ×∆××= (4.1)

em que:

• MAQS – Consumo médio diário de referência de AQS [l];

• ∆T – Aumento de temperatura necessária para preparar as AQS [ºC];

• nd – Número anual de dias de consumo de AQS (365 dias, em edifícios de utilização permanente).

No que concerne ao consumo médio diário de referência o RCCTE especifica que o seu valor para edifícios residenciais é dado pela seguinte expressão:

ocupantesnlM AQS º][40 ×= (4.2)

CAPÍTULO 3

Manuel Cerveira 39

Baseado na informação presente no anexo VI do RCCTE (ponto 2.2), considera-se que a água fria é fornecida da rede a uma temperatura média anual de 15 ºC e que esta deve ser aquecida até 60 ºC para consumo. Em ambos os cenários considerou-se que o consumo de AQS era equitativamente dividido pelo período da manhã e da noite. Para efeitos de análise do sistema proposto (4 ocupantes), utilizou-se o perfil de AQS representado na figura 3.8 o qual foi introduzido no SolTerm. O perfil de consumo seleccionado pressupõe a utilização de 40 litros por dia por ocupante o que perfaz (160 litros) assim distribuído: 80 litros das 6 às 9 horas e 80 litros das 17 às 22 horas.

Figura 3.8 – Definição do perfil de consumo diário de AQS da moradia unifamiliar.

O ponto 4 do anexo VI do RCCTE refere que o valor Esolar deve ser calculado utilizando o programa SolTerm. É também indicado que a contribuição dos sistemas solares só pode ser contabilizada, se os sistemas ou equipamentos utilizados forem certificados de acordo com as normas e legislação em vigor e instalados por instaladores certificados pela Direcção Geral de Geologia e Energia (DGGE).

Dos resultados com a simulação efectuada no software SolTerm 5.1 a moradia unifamiliar em análise consumirá 3056 kWh, por ano, em sistemas convencionais de preparação de AQS de acordo com o perfil de consumo apresentado anteriormente. Este valor é igual ao obtido pela expressão presente no RCCTE. Refira-se a título de curiosidade que apesar da carga ser igual ao longo do ano o seu valor é diferente ao longo dos meses do ano em função do número de dias de cada um.


40

Figura 3.9 – Desempenho do sistema solar térmico: Moradia.

Com o intuito de baixar o consumo de energia dedicado ao aquecimento de AQS a partir de fontes convencionais utilizou-se o sistema solar térmico constituído por dois colectores Zantia ZHS 200, cujas características se encontram descritas no quadro 3.3, e um acumulador também Zantia de 200 litros de capacidade [ZANTIA]. Com a implementação deste sistema será possível produzir, por ano, 2084 kWh, resultando numa fracção solar média anual de 68,2 % e num valor de produtividade de 543 kWh/[m2 colector].

Quadro 3.3 – Características do colector solar Zantia ZHS 200. [ZANTIA]

Características GOLD 200

Área Total (m2): 2,02

Área do Absorsor (m2) 1,84

Área do Abertura (m2): 1,92

Altura x Largura x Profundidade (mm): 1730 x 1170 x 73

Rendimento Instantâneo (no) 0,759

Coeficiente de Perdas a (W/m2.k): 3,480

Coeficiente de Perdas a (W/m2.k2): 0,0161

Capacidade de Fluído (lts) 1,4

Absorção (%): 95

Emissão (%): 5

Ligações compressão ø22

Vidro: temperado 3,2 mm

Transmitância do vidro (%): 95

Isolamento Térmico 40 mm (lã mineral)

Máx. Temperatura de Estagnação (ºC): 234

Máx. Pressão de Serviço (bar): 10

Peso (kg): 35

CAPÍTULO 3

Manuel Cerveira 41

Dado o reduzido número de utilizadores (4) e o perfil de consumo considerado, baseado no anexo VI do RCCTE, seleccionou-se para a instalação em análise um termoacumulador de uma serpentina da marca Zantia e modelo S20-200 o qual possui uma capacidade de 200 litros. O SolTerm indica uma eficácia típica de 55 % para o permutador de calor (serpentina) do depósito em causa, sabendo-se que o depósito vai ficar instalado no interior da habitação, que é do tipo vertical, feito de aço inoxidável DUPLEX 2205 e conhecendo-se ainda as suas dimensões, utilizaram-se as funcionalidades do editor de tanques do SolTerm para definir o acumulador solar em análise (ver Figura 3.10).

Figura 3.10 – Definição das características do acumulador solar de AQS (Zantia S20 – 200).

Outros elementos a considerar nas simulações referem-se às tubagens no circuito primário, ao líquido solar utilizado e ao caudal e velocidade do líquido nas tubagens.

Figura 3.11 – Sistema solar térmico simulado: Moradia.


42

Quadro 3.4 – Estimativa de desempenho do sistema solar térmico: Moradia.

Estimativa de Desempenho através do Programa SolTerm v5.1

Estimativa das necessidades energéticas totais

Energia total necessária kWh/ano 3056

Estimativa de desempenho do sistema solar proposto

Nº de colectores 2

Modelo ZHS-200

Área total de captação solar m2 3,84

ESolar efectivo kWh/ano 2084

Fracção solar % 68,2

Produtividade kWh / (m2 colector) 543

Estimativa das necessidades energéticas de apoio


3.4 Sistema Solar Térmico para Instituição Particular de Solidariedade Social

Conforme referido anteriormente as crises energéticas têm contribuído para que alguns governos se tenham empenhado em promover incentivos que permitam baixar os níveis de consumo dos combustíveis fósseis e assim reduzir a dependência energética de outros países.

Assim, tal como em muitas outras instituições em Portugal, com o objectivo de reduzir os consumos de energia e aproveitando os apoios que o governo colocou à disposição (ver secção 5.3), a Associação Desportiva Cultural e Recreativa de Antes (ADCRA) no concelho de Mealhada, promoveu a realização de uma instalação de aproveitamento de energia solar térmica para aquecimento de AQS destinadas aos seus utentes e pessoal de serviço.

Para concretização da referida instalação, foi tido em atenção o número de utilizadores que ronda as 200 pessoas entre utentes e pessoal de serviço, tendo sido realizada pelo grupo SOLARGUS a instalação solar de AQS, apresentada na figura 3.12, a qual é composta por:

• 42 colectores solares e respectivas estruturas de suporte;

• 2 depósitos acumuladores de AQS com 2000 litros cada;

• Sistema de controlo e comando electrónico diferencial;

• Grupos de bombas de circulação;

• Rede de circulação de fluido térmico (tubagens, acessórios e outros componentes;

• Redes de água fria e quente (tubagens, e outros acessórios e componentes).

CAPÍTULO 3

Manuel Cerveira 43

Figura 3.12 – Sistema solar térmico da ADCRA.

Na instalação do sistema solar térmico da ADCRA nos dias em que não houver sol ou o aproveitamento da energia solar for insuficiente para garantir condições satisfatórias de temperatura da água de consumo, existe a possibilidade de fazer o apoio ao aquecimento da água por resistências eléctricas que são comandadas por controlo electrónico.

Como atrás já foi referido, o número total de utilizadores da instituição incluindo utentes e pessoal ao seu serviço ronda as 200 pessoas e todos consomem água quente. Porém, são os utentes diurnos e nocturnos os principais consumidores de AQS, já que é a cuidar deles que se apresentam os maiores níveis de consumo diário conforme se pode observar no quadro 3.5.

Saliente-se por isso, o facto de nos valores apresentados não estar indicado o consumo originado pelo pessoal de serviço cujos consumos são bastantes inferiores aos dos utentes. No entanto, todos os consumos foram considerados para efeito do cálculo da instalação realizada, tanto relativamente ao número de colectores para captação da energia solar como à capacidade dos depósitos destinados ao armazenamento de AQS utilizados na instalação.

3.4.1 Perfil de consumo de AQS

No dimensionamento do estudo realizado foram analisadas duas soluções em que o perfil de consumo considerado se baseia na população de utentes da instituição durante os dias de semana e fim-de-semana, de acordo com o quadro 3.5.

Quadro 3.5 – Perfil de consumo de AQS na IPSS.

Dias da semana Fim-de-semana Período Nº de

utentes Consumo por utente

Consumo total

Nº de utentes

Consumo por utente

Consumo total

07h às 09h 50 25 1250 40 25 1000

09h às 12h 120 2 240 80 2 160

12h às 14h 120 5 600 80 5 400

14h às 18h 120 3 360 80 3 240

18h às 21h 120 5 600 80 5 400

21h às 07h 50 3 150 40 3 120

Valor do consumo médio por dia 3200 2320


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Os dados presentes no quadro representam os consumos de AQS que resultam da utilização da instalação conforme elementos fornecidos pela direcção da instituição ADCRA. Refira-se a existência de utentes só diurnos e utentes diurnos e nocturnos com consumos diferenciados.

a) b)

Figura 3.13 – Definição do perfil de AQS do lar para a) dias de semana e b) fim-de-semana.

3.4.2 Implementação prática com dois acumuladores e sistema de apoio

O aquecimento de AQS é garantido a partir de fontes convencionais, por caldeira a gás ou biomassa, tendo sido instalado um sistema solar térmico que garante condições de redução na factura energética dos combustíveis utilizados. Este sistema solar é constituído por 42 colectores Solargus modelo ESP1 com as características presentes no quadro seguinte e de acordo com o esquema da instalação do sistema solar térmico representado na figura 3.14.

Figura 3.14 – Esquema da instalação do sistema solar térmico da ADCRA.

CAPÍTULO 3

Manuel Cerveira 45

No quadro seguinte são apresentadas as características do colector solar Solargus ESP1 que foram aplicados na instalação do sistema solar da IPSS em análise.

Quadro 3.6 – Características do colector solar Solargus ESP1.

Designação - Colector Solar Modelo ESP1

Área Total (m2): 2,306

Área do Absorsor (m2) 1,991

Altura x Largura x Profundidade (mm): 2098 x 1099 x 99

Rendimento Instantâneo (η0 em %) 81,1

Coeficiente de Perdas a (W/m2.k): 3,480

Coeficiente de Perdas a (W/m2.k2): 0,0161

Capacidade de Fluído (lts) 1,47

Ligações compressão ø22

Cobertura em Vidro solar temperado espessura 4 mm

Isolamento Térmico 50 mm (lã de rocha)

Densidade do isolamento 40 kg/m2

Máx. Pressão de Serviço (bar): 8

Peso (kg): 42,3

Absorsor de superfície altamente selectiva Alumínio

Para acumulação de AQS, foram instalados dois depósitos acumuladores de 2000 litros de capacidade, cada um, obtendo-se assim o total de 4000 litros de acumulação simultânea. Ambos os acumuladores possuem permutador interior elíptico de elevada superfície de permuta. Os permutadores têm a forma de serpentina e tal como a cuba do depósito acumulador são em aço de alta qualidade com tratamento interno de resina sintética. O acumulador possui protecção anódica e o interior é vitrificado conforme DIN 4753 parte 3.

Na câmara entre a cuba do acumulador e a envolvente exterior do depósito existe isolamento em espuma de poliuretano de alta densidade rígida de 50 mm ou flexível de 100 mm. A superfície de permuta da serpentina está dimensionada para obter o máximo rendimento térmico entre o circuito solar e a acumulação.

O depósito acumulador dispõe de aberturas para a aplicação de sondas de temperatura e ligação roscada para resistência eléctrica caso seja necessário apoio eléctrico. Possui boca de inspecção, a pressão máxima de serviço no circuito primário de fluido térmico e no secundário de AQS são ambas de 6 bar e a temperatura máxima de serviço (AQS) é de 70 ºC.

É dada total garantia da instalação por um período de 6 anos conforme definido pelo RSECE. Além disso, foi indicado pelo fabricante, que terá de possuir protecção catódica electrónica.

No quadro 3.7 e na figura 3.15 são apresentadas as características dos depósitos acumuladores de AQS da marca Relopa que foram aplicados na referida instalação.


46

Quadro 3.7 – Características dos depósitos acumuladores de AQS. [RELOPA]

Características do Acumulador AQS WW2000LEM

Capacidade do depósito acumulador (l): 2054 litros (cada)

Raio interior (mm): 550

Diâmetro exterior (mm) 1300

Isolamento PU (mm): 100

Potência (KW) 112

Altura do depósito acumulador (mm): 2470

Caudal necessário (m3/h) 4,8

Perda de carga (mbar) 832

Boca de inspecção 220

Permutador: Interior

Área do permutador (m2) 4,3

Fluido quente 1”1/2 (colectores)

Ânodo 1”1/2

Termómetro/sonda 1/2”

Resistência eléctrica 1”1/2

Entrada de água fria 1”1/2

Retorno água quente solar 1”1/4

Termostato 1/2“

Ida de água quente solar 1”1/4

Recirculação 1”

Figura 3.15 – Acumuladores de AQS da Relopa Ref. WW2000LEM [RELOPA].

CAPÍTULO 3

Manuel Cerveira 47

3.4.3 Implementação prática com um único acumulador

Outra solução possível para baixar o consumo de energia associado ao aquecimento de AQS a partir de fontes convencionais, passa pela utilização de um sistema solar térmico constituído por 32 colectores Zantia ZHS 200, iguais aos utilizados na moradia unifamiliar, e um acumulador de 3000 litros de capacidade cujas características estão descritas no quadro 3.8.

Refira-se que esta solução, com menor número de colectores e com um depósito acumulador de menor capacidade (3000 litros) em relação á solução implementada (2 x 2000 litros) é adequada ao consumo máximo diário de AQS na instituição, que ocorre nos dias de semana.

Esta solução foi simulada no software SolTerm para verificar que com um menor número de colectores se pode cumprir o estipulado na legislação existente, nomeadamente no RCCTE e RSECE com o mínimo de desperdício.

Quadro 3.8 – Características do depósito acumulador de AQS.

Características

Capacidade do depósito acumulador (l): 3000 l (litros)

Raio interior (cm): 180

Espessura do isolamento (cm): 15,0

Área da base do círculo (dm2): 1017,36

Altura do depósito acumulador (m): 2,95

Área exterior: (m2): 31,18

Perdas térmicas (W/K): 16,9

Eficácia (%): 55 %

Permutador: interior

Dos resultados obtidos por simulação do sistema solar térmico no lar de idosos em análise conclui-se que, por ano em sistemas convencionais na preparação da AQS de acordo com o perfil de consumo diferenciado apresentado para os dias de semana e para o fim de semana, este consumirá 39730 kWh.

Figura 3.16 – Sistema solar térmico simulado: IPSS.


48

Com a implementação deste sistema, será possível produzir por ano 39730 kWh, resultando numa fracção solar média anual de 70,5 % e num valor de produtividade de 647 kWh/[m2 colector].

Quadro 3.9 – Estimativa de desempenho do sistema solar térmico: IPSS.

Estimativa de Desempenho através do Programa SolTerm v5.1

Estimativa das necessidades energéticas totais


Estimativa de desempenho do sistema solar proposto

Nº de colectores 32

Modelo ZHS-200

Área total de captação solar m2 61,44

ESolar efectivo kWh/ano 39730

Fracção solar % 70,5

Produtividade kWh / (m2 colector) 647

Estimativa das necessidades energéticas de apoio


Esta solução apresentada, prevê a existência de um acumulador de apoio de 500 litros colocado na saída de AQS para consumo, para garantir que nos períodos em que a radiação solar é inexistentes ou insuficiente se possa obter água à temperatura de utilização desejada através de fontes de tipo convencional (caldeira a gás ou biomassa).

3.5 Sistema de AQS Aquecimento da Água em Piscinas e Climatização

Na elaboração dos projectos de sistemas solares de aquecimento de AQS, é muitas vezes feita a interligação de apoio ao aquecimento da água, através de caldeiras que são destinadas ao sistema de aquecimento ambiente, indo o fluido térmico de aquecimento passar através de um permutador aquecendo assim a água de consumo. Por outro lado, essa interligação pode ser feita de tal modo que seja o sistema solar a fazer o apoio ao aquecimento ambiente. Para isso, é realizada a incorporação de um depósito acumulador com um único permutador. Esta opção é geralmente utilizada nos casos de aquecimento por chão radiante, porquanto nestes casos se utilizam temperaturas baixas para o aquecimento ambiente, o que não acontece noutros tipos de solução.

Poderá ainda ser feito o maior aproveitamento energético, quando às soluções anteriores se junta a interligação do aquecimento solar de AQS ao da água em piscinas, que também poderá ser aquecida pela caldeira. O conjunto das soluções referidas é apresentado através dos respectivos esquemas de princípio.

CAPÍTULO 3

Manuel Cerveira 49

Salienta-se também, que o controlador diferencial desenvolvido e apresentado neste trabalho, possui condições de funcionamento adequadas a este tipo de aplicações.

Como exemplos do tipo de soluções que acabam de ser referidas, poderão observar-se as figuras 3.17 e 3.18.

Figura 3.17 – Instalação solar mista – AQS+AAA+AAP. [VULCANO]

CAPÍTULO 3

Manuel Cerveira 51

Figura 3.18 – Instalação solar térmica mista desenvolvida para o controlador MANCER.


52

3.6 Soluções Mistas de AQS e Aquecimento de Água de Piscinas

Além das soluções apresentadas em que são utilizados materiais já bastante testados e quase considerados de aplicação tradicional, cada vez mais são apresentadas novas soluções com condições de melhor desempenho e rendimento mais elevado dos sistemas, que, no entanto, geralmente representam investimentos relativamente mais caros, como é o caso da solução da figura 3.19 a seguir apresentada.

Figura 3.19 – Sistema misto de alto desempenho e elevado rendimento [ZANTIA].

No âmbito das instalações que se revestem de maior capacidade, continua a optar-se por soluções que embora mais caras, são capazes de garantir níveis de fiabilidade e rendimento elevado, pelo que na maioria das instalações complexas, em que geralmente são utilizados materiais caros, cada vez mais se fazem opções que continuam a contribuir para a sua aplicação.

Ora, para que se tenha a noção exacta das condições de exigência que se aplicam, tanto ao nível do projecto como durante a instalação neste tipo de utilizações observem-se os equipamentos que se apresentam na figura 3.19.

Neste tipo de instalações os equipamentos utilizados apresentam desempenhos de excelente qualidade sendo por isso possível obter níveis de eficiência bastante elevados, no entanto os custos que representa a sua aplicação condiciona em certa medida a opção pela sua utilização.

CAPÍTULO 3

Manuel Cerveira 53

3.7 Resumo

Ao longo deste capítulo foram apresentadas e estudadas soluções de aproveitamento de energia solar térmica destinadas aos tipos de aplicações mais comuns tanto em sistemas de termossifão como de circulação forçada, para pequenas instalações em habitações de tipo unifamiliar.

Foi também feito o estudo do projecto de uma instalação solar térmica de circulação forçada para aplicação em moradia unifamiliar e um estudo de projecto de uma instalação destinada a utilização colectiva numa IPSS, no qual foi utilizado o programa “SolTerm” que a legislação em Portugal exige para aprovação das respectivas instalações conforme definido na respectiva regulamentação em vigor através do RSECE pelo Decreto Lei nº 79/2006 de 4 de Abril e do RCCTE pelo Decreto Lei nº 80/2006 de 4 de Abril.

Além do estudo referido no parágrafo anterior, é apresentado também neste trabalho o esquema de princípio relativo à instalação solar de AQS que foi realizada na IPSS cuja solução apresentada mereceu a atenção do autor deste trabalho que por deferência da entidade instaladora fez questão de fazer a inclusão do seu esquema, conforme figura 3.14.

Por considerar que na evolução das aplicações de aproveitamento de energia solar térmica se encontram cada vez mais, soluções que apresentam alguma complexidade, mas que resultam em maior e melhor aproveitamento para os utilizadores, foram apresentadas instalações do tipo misto da Vulcano e Zantia conforme figuras 3.17 e 3.19.

Com o objectivo de permitir adaptar o controlador electrónico MANCER, desenvolvido neste trabalho, foi elaborado um projecto de aproveitamento solar misto de AQS+AAA +AAP, cuja aplicação permite a utilização de 5 entradas em que se utilizam sensores de temperatura e 8 saídas que se destinam ao comando e controlo de outras tantas electroválvulas e bombas de circulação.

CAPÍTULO 4

Manuel Cerveira 55

4 IMPLEMENTAÇÃO DE SISTEMAS SOLARES TÉRMICOS

A realização das instalações dos sistemas solares térmicos, além do cumprimento das normas e legislação em vigor, deverá comportar os procedimentos mais adequadas à obtenção dos melhores resultados, tanto no que concerne ao aproveitamento e rentabilização da instalação, como ao tempo de vida útil possível das respectivas instalações.

4.1 Instalação e Manutenção de Colectores Solares Térmicos

Para cada um dos componentes a aplicar na realização das instalações, deverão ser utilizados procedimentos que cumpram a orientação dos fabricantes de modo a serem garantidas as melhores condições de funcionamento e utilização. Por outro lado, deverão ser acauteladas preventivamente, todas as condições que permitam sem dificuldades no futuro, possíveis intervenções de manutenção e assistência técnica.

4.1.1 Orientação e Inclinação dos Colectores

A orientação ideal dos colectores solares, é o sul geográfico (5º a oeste do sul magnético), porém, por razões estéticas ou outras que o justifiquem, aceitam-se desvios até 20º para Este ou Oeste.

No que se refere à inclinação, a inclinação óptima dos colectores térmicos para consumos máximos durante todo ano, situa-se entre 35 e 55º, devendo os valores ser ajustados em função da localização e observadas as condições particulares de cada instalação. Para Portugal Continental, se for pretendido um consumo máximo durante todo o ano, deverão na zona norte ser instalados os colectores, com a inclinação próxima de 37º, na zona centro 34º e na zona sul 32º. Aceitam-se desvios de ± 15º, quando são requeridos consumos máximos em épocas específicas, que geralmente coincidem com a maior concentração de utilizadores das instalações solares.” [ADENE]: Guia Para Instaladores de Colectores Solares

4.1.2 Estrutura de Suporte dos Colectores Solares e Demais Equipamento

A estrutura de suporte dos colectores solares, deverá possuir características de resistência mecânica suficientes para suportar os colectores e todos os outros componentes da instalação e garantir boas condições de estabilidade tanto no período de montagem como durante o tempo de vida de funcionamento previsto para a instalação.

Os materiais a utilizar na estrutura de suporte, deverão possuir características de resistência à corrosão e a quaisquer outras acções que possam ser provocadas tanto pelos agentes atmosféricos, ventos e acção sísmica, ou ainda de outros tipos de acção, durante a utilização da instalação.


56

No caso de sistemas tipo monobloco, deverá ter-se em consideração, a carga adicional da massa de água correspondente ao volume do depósito.

Na instalação, deverão ser garantidas condições de perfeita impermeabilização dos furos feitos em lajes e em telhas. Além disso, a estrutura de suporte não pode impedir o escoamento correcto da água da chuva.

Os parafusos, porcas e anilhas a utilizar devem ser em aço inoxidável, ou cuja superfície devidamente tratada, resista à corrosão. A estrutura de suporte deverá ser fixada a sapatas de betão, nos casos em que a superfície de instalação seja a terra.” [ADENE]: Guia Para Instaladores de Colectores Solares

Tanto na fase de preparação das montagens como durante a fase de instalação dos colectores solares, deverão ser sempre tomadas todas as precauções no sentido de serem evitadas infiltrações de humidade, quer estas ocorram ou não durante os trabalhos de instalação. Após a conclusão das montagens e entrada em serviço do sistema solar e durante o período de garantia (6 anos de acordo com a legislação em vigor que deverá figurar no contrato conforme legislação).

Se forem detectadas infiltrações de humidade durante as montagens motivadas por fracturas estruturais ou por outra qualquer razão deverá ser imediatamente ser feita a sua total reparação que é da responsabilidade da entidade instaladora, tal como o são outros danos que venham a resultar de má instalação.

4.1.3 Ramal de Entrada e Saída do Colector Solar

Na realização dos ramais de entrada e saída nos colectores deverão ser aplicadas tubagens bem dimensionadas quanto aos respectivos diâmetros; e, utilizados tanto nas tubagens como nas suas ligações, materiais cujas características apresentem boas garantias de qualidade durante todo o tempo previsto para a sua utilização. Além disso devem suportar temperaturas superiores a 90 ºC, já que no caso do líquido de transferência de calor, também designado fluído térmico ou termo fluido de circulação que geralmente é composto de água mais glicol, poderão ocorrer temperaturas que ultrapassam os 120 ºC.

As tubagens e respectivas uniões de ligação, deverão ser protegidas por isolamento em todo o seu percurso, de modo a que seja garantida a redução das perdas a que o fluido térmico pode estar sujeito pelas variações de temperatura. As tubagens deverão ser instaladas com troços cujos traçados não apresentem grandes irregularidades de modo a reduzir a presença de bolhas de ar que provocam perdas na velocidade de circulação do fluido, o que reduz o rendimento do sistema. Por outro lado, os troços das canalizações deverão apresentar uma inclinação no sentido da subida para que qualquer bolha de ar que ocorra se desloque para o ponto mais alto de cada troço da tubagem, onde deverão ser instalados purgadores de ar automáticos através dos quais serão eliminadas essas bolhas de ar.

CAPÍTULO 4

Manuel Cerveira 57

Todas as tubagens deverão ser protegidas das infiltrações de água proveniente das chuvas, devendo ser instaladas e protegidas adequadamente para evitar que delas possa surgir qualquer tipo de infiltração que venha a causar danos no edifício ou mesmo na própria instalação.

Toda a tubagem usada nas instalações deverá ser certificada e estar em conformidade com as normas em vigor.

Após a instalação das tubagens é feita uma verificação pormenorizada e cuidada da existência ou não de fugas. No caso de existirem fugas, estas deverão ser eliminadas completamente.

Concluída a verificação e reparadas as fugas, é aplicado em todas as tubagens de água quente isolamento com espessura e características que devidamente fixado permita garantir um baixo nível de perdas na temperatura da água.

De modo a permitir que as temperaturas da água fria ou da água de retorno nas instalações em que existe, não baixem ainda mais pelo contacto com os agentes atmosféricos, deverá ser aplicado isolamento nas respectivas tubagens, o qual poderá possuir espessura e características diferentes do que se aplica nas tubagens de água quente.

4.2 Instalação dos Depósitos de Armazenamento da Água

A instalação dos depósitos de armazenamento de água deverá ser executada de modo a possuir características de resistência mecânica suficientes para suportar e garantir boas condições de estabilidade aos depósitos e a todos os outros componentes da instalação, tanto no período de montagem como durante o tempo de vida de funcionamento e utilização previstos.

A instalação dos depósitos acumuladores, será sempre realizada em função das suas características, quer sejam de aplicação em termossifão ou circulação forçada.

Terão sempre de ser acauteladas as estruturas de suporte que tenham em atenção a carga que será exercida quando cheios de água e ainda a que vier a resultar das acções externas a que poderão estar submetidos durante a sua utilização.

4.2.1 Prevenção e Controlo de Legionella nos Sistemas de Água – (IPQ)

Os sistemas de água quente com acumulador e circuito de retorno são instalações com maior probabilidade de proliferação e dispersão de Legionella. Assim sendo, com o objectivo de serem garantidas condições que evitem o desenvolvimento e proliferação das legionellas, deverão ser tomadas algumas medidas de prevenção conforme segue:


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• Garantir as melhores condições possíveis de estanquicidade na circulação da água de consumo, ou seja; através da perfeita ligação entre os equipamentos (depósitos de acumulação e de expansão), componentes (válvulas, torneiras, chuveiros, etc.), acessórios (uniões, curvas, joelhos, tampões, etc.), bem como toda a tubagem utilizada nas redes de entrada de água fria, de água quente de consumo e de recirculação;

• Ter condições que permitam fazer a descarga total das redes de águas de consumo através de válvulas que deverão existir na parte inferior dos acumuladores e vasos de expansão e que nos ramais de tubagens deverão existir em pontos inferiores desses ramais quer sejam verticais ou horizontais, devendo estes últimos possuir inclinação adequada à realização total da descarga;

• Possuir condições que permitam fazer facilmente a inspecção, limpeza e desinfecção da instalação, bem como possibilitar a recolha de amostras para ensaio;

• Aplicar nas instalações das redes de águas equipamentos, componentes, acessórios e tubagens, que resistam aos trabalhos de desinfecção e permitam garantir boas condições de salubridade humana na utilização da água de consumo;

• Instalar os depósitos de acumulação da água de consumo em zonas ventiladas cujas aberturas possuam sistema com rede de protecção anti-insectos e que permitam manter a temperatura da rede de água fria a uma temperatura que não exceda os 20 ºC;

• Na rede de água fria deverá existir sistema de retenção com utilização de válvulas anti-retorno de acordo com a Norma EN1717;

• Evitar que a água quente tenha temperaturas entre os 20 e 50 ºC, devendo fazer com que a água se encontre no depósito de acumulação de AQS a temperaturas próximas dos 60ºC;

• Nas tubagens da rede de água quente de consumo e de recirculação, além das boas condições de estanquicidade, com o objectivo de permitir manter condições de equilíbrio e estabilidade na temperatura da toda a rede, deverá ser aplicado isolamento com material adequado e espessura suficiente;

• A fim de garantir condições de impedir o aparecimento, desenvolvimento e a propagação de legionellas o controlador desenvolvido neste trabalho apresenta condições de controlo e comando que fará com que seja possível actuar de modo a elevar o valor da temperatura da água de consumo aos 70 ºC eliminando a possibilidade de em algum caso que tal se verifique possam ser totalmente eliminadas instantaneamente.

CAPÍTULO 4

Manuel Cerveira 59

Figura 4.1 – System granitic com recirculação. [HSC]

A selecção dos pontos de obtenção de amostras deve ser criteriosa e o mais representativo da qualidade da água existente nos sistemas e nos equipamentos, tendo em conta as condições propícias para o desenvolvimento da Legionella. Permitindo dessa forma obter uma indicação global do estado de contaminação, e optar-se por pontos fixos e variáveis, de acordo com o seguinte:

• Na rede de água fria, deve recolher-se à entrada da rede, nos depósitos e zonas de extremidade de rede representativos (chuveiros e torneiras);

• Na rede de água quente, devem recolher-se amostras na válvula de descarga de fundo do depósito de água quente ou do termoacumulador, saída do depósito ou num ponto o mais próximo possível deste, saída do permutador de placas e rede de retorno de água.

O comportamento da Legionella Pneumophila, em função da temperatura do ambiente em que está mergulhada, é perfeitamente conhecido, podendo ser resumido no quadro 4.1. [RORIZ]

Quadro 4.1 – Comportamento da Legionella em função da temperatura.

Temperatura (ºC) Estado

< 20 As bactérias vivem em estado vegetativo

20 ≤ T < 35 As bactérias começam a reproduzir-se

35 ≤ T < 48 Gama de temperatura óptima para o desenvolvimento da bactéria

50 90% das bactérias morrem ao fim de 2 horas

60 90% das bactérias morrem ao fim de 2 minutos

70 As bactérias morrem instantaneamente


60

4.3 Bancada Didáctica Móvel

No âmbito da realização da PAP - Prova de Aptidão Profissional prevista para a conclusão do 12º Ano do Curso Profissional de Manutenção Industrial de Electromecânica - Nível IV na Escola Secundária de Anadia, os alunos de que foi professor o autor deste trabalho no ano lectivo 2011-2012, propuseram-se realizar uma instalação de aproveitamento térmico de energia solar para aquecimento de água, que construíram sob a forma de bancada móvel conforme se pode observar nas imagens a) e b) da figura 4.2.

a) b)

Figura 4.2 – Bancada didáctica desenvolvida.

A bancada assim construída possui características que permitem servir de apoio ao tratamento e leccionação do tema das energias renováveis dado em diversas disciplinas e cursos.

A bancada didáctica consta de uma instalação solar térmica em circulação forçada montada na num edifício conforme se pode observar na figura 4.2, sendo constituída pelos seguintes elementos:

• Piso inferior, construído em chapa de aço de construção reforçada que assenta num conjunto de quatro rodas que permitem a mobilidade de toda a instalação (bancada didáctica) e no qual está instalado o depósito acumulador de AQS. A chapa do piso tem forma rectangular e apresenta uma área aproximada de 3,65 m2.

• 3 paredes: uma traseira com 2570 x 2460 mm e duas laterais com 2460 x 1470 mm cada construídas em chapa acrílica ondulada transparente que se encontra fixada na estrutura metálica constituída por pilares em tubo de aço devidamente fixados à chapa do piso por soldadura a electrogéneo.

Nos elementos que constituem a estrutura metálica das paredes, encontram-se fixados o quadro eléctrico, o controlador diferencial, elementos da instalação eléctrica, tubagens e alguns componentes da instalação solar.

CAPÍTULO 4

Manuel Cerveira 61

• Telhado construído em estrutura metálica em tubo de aço com 80 x80 mm, fixados por soldadura, no qual aplicada uma base estandardizada em perfil de alumínio anodizado (conforme kit do sistema solar), na qual se instalou o colector solar.

Salienta-se o facto de não ser sido possível dar maior inclinação ao telhado como seria desejável para maior rendimento do sistema, pois desse modo dificilmente seria possível deslocar a bancada para o exterior através do portão do pavilhão do espaço oficinal da escola.

A preparação, construção e montagem da bancada didáctica decorreu de acordo com os seguintes passos e procedimentos.

• Estudo prévio de definição de todos os elementos constituintes;

• Ante-projecto da instalação solar e bancada a construir;

• Projecto da estrutura da bancada e da instalação solar;

• Selecção de todos os materiais a utilizar na construção da bancada;

• Corte, soldadura e demais operações de construção da estrutura da bancada;

• Selecção dos materiais destinados à montagem da instalação solar térmica;

• Montagem do colector na cobertura e depósito acumulador no piso da bancada;

• Corte, preparação e montagem das tubagens, e respectivos isolamentos;

• Montagem do kit hidráulico, vasos de expansão, válvulas, torneiras e demais acessórios necessários à instalação solar;

• Montagem da instalação eléctrica, alimentação, quadro com controlador electrónico de comando diferencial, circuito de iluminação e de tomadas para usos gerais;

• Para apoio ao aquecimento da água nos períodos em que a energia solar não for suficiente, foi instalada uma resistência que poderá ser comandada pelo controlador diferencial e por termostato de imersão na água de consumo do depósito acumulador.

Nota: Como o kit previa a resistência para apoio, a mesma foi instalada. Porém, como o depósito acumulador possui 2 permutadores no seu interior, opção essa tomada por se ter considerado importante e oportuna, foi previsto utilizar o que se encontra na parte superior para ligação de apoio a sistema de caldeira ou esquentador. Assim, sempre que se pretender tomar conhecimento do que é consumido pela utilização da resistência ou o que se aproveita da energia solar, pode fazer-se, desligando a resistência através de corte manualmente actuando no quadro eléctrico.


62

4.3.1 Realização de ensaios prévios

• Foi feito o enchimento de água do depósito acumulador, da rede de tubagens e dos restantes componentes circuito secundário a partir da rede geral de água fria, tendo sido retirado todo o ar do circuito por acção de purgador manual existente na parte superior do circuito (depósito acumulador) e no kit hidráulico.

• Procedeu-se de igual modo em relação ao circuito primário, tendo-se também retirado todo o ar existente na rede de tubagem e colector através do purgador existente na parte superior do colector solar.

• Procedeu-se à descida da pressão através da abertura das válvulas de segurança e das torneiras destinadas à descarga do sistema, de modo a baixar os níveis de pressão.

• Nos casos de algumas fugas detectadas, tanto durante como após o enchimento (carga do sistema), as mesmas foram eliminadas através do reaperto dos respectivos acessórios de ligação até que se conseguiu manter estabilizada a carga de todo o sistema observada pela indicação do valor da pressão constante observada nos manómetros que previamente foram instalados em cada um dos circuitos.

• Para se ter a garantia de que deixaram de existir fugas na instalação todo o sistema ficou carregado a uma pressão de 4 kg/cm2 ou bar durante um período de 24 horas.

• Após a realização dos ensaios hidráulicos, foi retirada a água do acumulador e tubagens de todo o sistema. Além disso, foram feitas as ligações eléctricas referentes ao controlador electrónico diferencial, sensores Pt1000 no colector solar (na parte superior) e no depósito acumulador de AQS (na parte inferior).

• Após a conclusão de todas as ligações eléctricas, foram feitos os ajustamentos de todos os parâmetros com o objectivo de garantir o perfeito funcionamento da instalação.

Em seguida foi feita a deslocação da bancada para o exterior para permitir que se concretizasse a fase de ensaios com entrada em funcionamento efectivo do sistema com aproveitamento de energia solar. Antes porém, foi feito de novo o carregamento de todo o sistema, no caso do circuito primário agora já com fluido térmico solar (água + glicol) que se deixou à pressão de 1 kg/m2 ou 1 Bar, cujo carregamento se efectuou a partir de um reservatório com o auxílio de uma bomba de enchimento. O carregamento do circuito secundário (água de consumo), cujo enchimento voltou a ser feito a partir da rede geral de água fria, ficou à pressão de 2,5 kg/m2 ou 2,5 Bar pelo controlo de válvula reguladora de pressão com manómetro estrategicamente instalada na entrada de água fria no depósito acumulador da água quente para consumo.

Em ambos os circuitos foi retirado todo o ar existente através dos respectivos purgadores.

CAPÍTULO 4

Manuel Cerveira 63

Por fim procedeu-se à apresentação da PAP – Prova de Aptidão Profissional (Bancada Didáctica) durante a qual além dos elementos que constituíam o júri, dos alunos que participaram na sua construção e os seus professores orientadores, estiveram presentes outros alunos e professores, incluindo coordenadores de departamento e de área disciplinar, estiveram também, elementos da direcção da Escola conforme se pode observar nas imagens a) e b) da figura 4.3.

a) b)

Figura 4.3 – Apresentação pública da bancada didáctica desenvolvida.

Na bancada didáctica foi usada uma instalação solar em circulação forçada típica geralmente destinada a uma família de quatro pessoas composta por:

• Sistema solar térmico de circulação forçada 200 litros;

• Colector plano K423 VH4L (para 2 até 4 pessoas) - Área do colector 2,51 m2;

• Acumulador WBO 212 DUO;

• Kit hidráulico;

• Vaso de expansão solar;

• Vaso de expansão AQS;

• Conjunto de ligação para vaso de expansão;

• Líquido solar;

• Controlador solar;

• Estrutura para telhado inclinado;

• Válvula misturadora termostática 3/4´´.


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4.3.1.1 Características do Controlador Solar SOLAREG II BASIC

• Operação intuitiva assistida por menus, com símbolos gráficos e quatro teclas de comando;

• Regulação da diferença de temperatura através de valores reguláveis digitalmente;

• Regulação da rotação ou controlo de comando da bomba do circuito solar;

• Contador de horas de funcionamento integrado para carga de acumulador;

• Amplas funções de vigilância do sistema com indicação de anomalias e avarias através de símbolos;

• Memorização de todos os valores regulados, mesmo no caso de falha aleatória de corrente de longa duração;

• Amplo espaço para cablagens.

Figura 4.4 – Controlador solar SOLAREG II.

4.4 Sistema Electrónico de Comando Diferencial e de Informação

O sistema electrónico de comando diferencial é utilizado somente em instalações solares térmicas do tipo circulação forçada, e resulta da necessidade de fazer com o calor obtido pelo fluido aquecido nas baterias de colectores circule através das tubagens de interligação entre os colectores e o depósito ou depósitos de armazenamento da água de consumo.

O comando diferencial analisa a diferença de temperaturas entre o ponto mais quente nos colectores e o ponto mais frio do sistema solar térmico no depósito acumulador fazendo accionar ou parar a bomba de circulação. As informações das grandezas físicas detectadas e medidas pelas sondas devidamente dispostas em vários pontos da instalação são tratadas através de sistema electrónico. De acordo com os resultados desse tratamento, serão dadas ordens a vários componentes e/ou equipamentos para entrarem em funcionamento; e, assim serão accionadas válvulas, bombas circuladoras ou doseadores. Além disso, através de display, serão apresentadas as diversas informações respeitantes aos resultados das leituras efectuadas; e, indicados os diversos componentes ou equipamentos que deverão entrar em funcionamento.

CAPÍTULO 4

Manuel Cerveira 65

4.4.1 Controlador Electrónico Diferencial MANCER

Para o sistema de comando electrónico diferencial destinado a instalações solares de utilização colectiva de AQS, AAA e AAP, foi desenvolvido um controlador diferencial de comando no qual foi utilizado como elemento fundamental, o microcontrolador PIC16F887 de 40 pinos da Microchip, de baixo custo e cujas funcionalidades disponíveis se prevêem adequadas à solução que se pretende implementar. As informações técnicas relativas ao microcontrolador e as ferramentas de software que facilitaram o desenvolvimento do referido controlador encontram-se disponíveis na internet no sítio da Microchip.

O microcontrolador PIC16F887 utilizado para o desenvolvimento do controlador MANCER apresenta uma arquitectura HARVARD conforme se mostra na figura 4.5.

Figura 4.5 – Arquitectura do microcontrolador PIC16F887.

Tal como os microcontroladores das gamas baixa e média da Microchip, o Microcontrolador PIC 16F887 possui os seguintes blocos: (Fonte: Livro Microcontroladores)

• Unidade lógica e aritmética Arithmetic and Logic Unit (ALU);

• Unidade de controlo;

• Portos I/O (portos de entrada e saída de dados);

• Temporizadores (timers);

• Blocos de transmissão em modo série;

• Oscilador;

• Circuitos analógicos;

• Memória de programa;

• Memória de dados.

CPU

Memória

de

Dados

Memória

de

Programa

BUS de endereços

BUS de dados (m) BUS de dados (n)

BUS de endereços


66

DIAGRAMA DE BLOCOS

PC

P P

MICROCONTROLADOR 16F887 - DA MICROCHIP

RTC TECLAS

Fonte

Alimentação

230 V ~

Bloco 5 entradas

analógicas

Sensores Pt1000

Bloco saídas

digitais Transístores NPN

Bloco 4 entradas digitais PNP Contadores

RS232

TTL PIC Kit 3

DISPLAY

Figura 4.6 – Diagrama de blocos do controlador MANCER.

4.4.1.1 Elementos integrados na placa principal

• Microcontrolador 16F887;

• RTC – Relógio Tempo Real (watch real time);

• Display - LCD 16x2;

• Teclado – quatro teclas de operação.

4.4.1.2 Elementos integrados na placa de interface

• Fonte de Alimentação monofásica -230 V/AC, 50 Hz;

• Bloco de 5 entradas analógicas onde se ligam os sensores de temperatura Pt 1000;

• Bloco de 8 de saídas digitais de lógica negativa por transístores, onde se ligam os interfaces das válvulas e bombas circuladoras.

4.4.1.3 Tomadas integradas nas placas de interfaces

• Tomada para ligação de ficha RS232 – TTL

• Tomada para ligação da interface de programação In Circuit Serial Programming (ICSP);

• Tomada de 4 entradas digitais de lógica positiva, onde poderão ser ligados contadores de consumo de AQS, consumo de energia eléctrica, consumo de gás, indicação de temperaturas, etc.

CAPÍTULO 4

Manuel Cerveira 67

4.4.2 Layout das placas do Controlador MANCER

Para instalação e montagem dos componentes do circuito electrónico do controlador MANCER foi desenvolvido o layout de implementação de componentes, constituído por três placas de circuito impresso.

4.4.2.1 Placa Principal

Conforme já referido anteriormente, através da figura 4.7 podem ser observados os diversos elementos que nela se encontram implementados, conforme segue:

Em a) frontal da placa principal, existe na parte superior o display através do qual se podem ler todas as informações que sejam disponibilizadas tanto a partir do microcontrolador, como de qualquer outro elemento de comunicação e na parte inferior encontram-se as 4 teclas do teclado que se destina a operar no controlador.

a) b)

Figura 4.7 – Layout da placa principal.

a) Frontal da placa principal, b) Traseira da placa principal

4.4.2.2 Placa de Interface

A placa de interface representada na figura 4.8 destina-se a permitir estabelecer a interligação entre a placa principal e os vários elementos que através da rede de comunicação fornecem informações de entrada (input) de contagem e de controlo, informações de saída (output) de ligação e de comando; e ainda, interligar a interfaces de comunicação através das tomadas RS232 TTL e ICSP.


68

Figura 4.8 – Layout da placa de interface.

4.4.3 Circuito de Acondicionamento de Sinal

Este circuito é baseado em amplificadores operacionais LM358 da Texas Instruments conforme esquema representado na figura 4.9, que se destinam a converter os sinais resultantes da temperatura da água no contacto em cada instante nos 5 sensores Pt1000 distribuídos em vários pontos da instalação solar e que entram no microcontrolador 16F887, nos 8 sinais analógicos que saem do microcontrolador e servem para controlar os vários actuadores (bombas e electroválvulas) da referida instalação de solar.

Figura 4.9 – Esquema do Conversor Pt1000 Analógico.

4.4.4 Módulo RTC – Relógio desenvolvido a partir do PCF8583 da Philips

O PCF8583 é um circuito relógio/calendário baseado numa memória RAM CMOS estática de 2048 bit organizados em 256 palavras de 8 bits. Os endereços e os dados são transferidos em série através de 2 linhas de modo bidireccional de acordo com o protocolo I2C. Após a escrita ou leitura de um byte é incrementado automaticamente um registo existente para o efeito com o tamanho de uma palavra (16 bits). O pin A0 é usado para programar o endereço do hardware permitindo a ligação de dois dispositivos ao barramento sem qualquer outro equipamento adicional.

CAPÍTULO 4

Manuel Cerveira 69

O circuito oscilador desenvolvido internamente a 32.768 kHz e os primeiros oito bytes da RAM são utilizados para funções de relógio/calendário e contadores. Os 8 bytes seguintes podem ser programados como registos de alarme ou utilizados como espaços livres de RAM. Os restantes 240 bytes são localizações disponíveis de memória RAM.

4.4.4.1 Características do PCF8583

• Comunicação I2C-bus com gama de tensão de alimentação: 2,5 V a 6 V

• Relógio a operar (0 e +70 °C) com tensão de alimentação: 1 V a 6 V;

• 240 x 8-bit baixa voltagem RAM;

• Retenção de dados por bateria: 1 V a 6 V;

• Corrente de funcionamento (à f = 0 Hz): máx 50 µA;

• Funcionamento do relógio com 4 anos de calendário;

• Formato horário: 24 ou 12 horas;

• Frequências de trabalho: 32.768 kHz (cristal);

• Entrada - saída em série bidireccional (I2C); pelo endereço zero (0)

• Comunicação automática permanente.

4.4.5 Esquema do RTC

Figura 4.10 – Relógio/calendário com RAM de 240 x 8-bit.

Controlador solar multi-funções por diferencial de temperatura para instalações solares de AQS, AAA e AAP.


70

Figura 4.16 – Display LCD e teclas de operação do controlador.

Sistema de monitorização com indicação de temperaturas, modo de funcionamento, estado de válvulas, de bombas circuladores e alarme de segurança.

• Modo de actuação para dissipação de calor por aerotermo em caso excesso de temperatura nos colectores, devido à estagnação da instalação por férias ou outra causa que origine pouca utilização;

• Anti-gelo electrónico – solução a considerar através da aplicação de um permutador de placas a incorporar entre o circuito de aquecimento da água da piscina pela caldeira e o circuito de fluido térmico dos colectores;

• Possibilidade de trabalhar com velocidade variável na bomba BC1 do circuito do fluido térmico solar em função de ∆T (diferença de temperatura do fluido térmico na parte superior dos colectores e a água na parte inferior do depósito de AQS);

• Ajuste do diferencial de temperatura;

• Selecção da temperatura máxima na acumulação e nos colectores;

• Montagem, geralmente na parede (ver foto em 4.17);

• Possibilidade de eliminação de legionellas, por utilização de relógio Real Time Clock (RTC), baseado no PCF8583, de controlo em tempo real do sistema anti-legionella, com actuação cíclica geralmente semanal, conforme hora determinada para o efeito.

CAPÍTULO 4

Manuel Cerveira 71

4.4.6 Descrição do modo operacional do controlador

Sistema On/Off de ligação á rede de alimentação sendo estabelecida a ligação;

Tecla - Visualizar Menu / Avançar

• De cada vez que se pressiona a tecla visualiza-se cada um dos menus de funcionamento do sistema, nomeadamente; hora e data, temperatura, data de tratamento de legionellas, contadores e outros existentes na memória do controlador.

Tecla - Retroceder/ Sair

• De cada vez que se pressiona a tecla faz-se retroceder para o parâmetro imediatamente anterior até ao menu inicial.

Tecla – Incrementar/Aumentar

• Estando seleccionado qualquer parâmetro de um menu, sempre que for

pressionada a tecla incrementa-se ou aumenta-se o valor no parâmetro seleccionado que estiver a ser exibido no display do controlador.

Tecla – Decrementar/Reduzir

• Estando seleccionado qualquer parâmetro de um menu, sempre que for

pressionada a tecla decrementa-se ou reduz-se o valor no parâmetro seleccionado que estiver a ser exibido no display do controlador.

Figura 4.17 – Controlador de comando diferencial - MANCER.


72

4.4.7 Sensores de utilização no comando diferencial

No comando diferencial dos sistemas solares térmicos, aplicam-se na maioria das instalações sondas do tipo NTC, Pt100 e Pt1000.

Para aplicação no projecto apresentado neste trabalho, foi desenvolvido o controlador de comando diferencial de temperatura MANCER e utilizadas como sensores de temperatura sondas de alta sensibilidade tipo Pt1000 para aplicação na saída do fluido quente nos colectores solares e entrada de água fria no depósito acumulador de água quente solar.

As sondas Pt1000 utilizadas neste trabalho (sonda Pt1000 refª 32/11) apresentam uma gama de funcionamento situada no intervalo Tmin= -10 ºC; Tmáx = + 180 ºC.

4.4.8 Cálculos efectuados para calibração das sondas Pt1000

Na calibração do funcionamento do sistema solar de AQS comandado pelo controlador MANCER o cálculo do valor da resistência da sonda Pt1000 baseou-se na fórmula (4.2) que nos permite determinar o valor da resistência em função da temperatura;

( )TRRT ⋅+⋅≈ α10 (4.1)

Em que:

RT - Valor da resistência da sonda Pt1000 para a temperatura a que se encontra submetida;

R0 - Valor da resistência da sonda Pt1000 para a temperatura de 0 ºC;

α - Valor do coeficiente de dilatação do material da sonda Pt1000 (liga metálica);

T - Temperatura a que é submetida a sonda Pt1000.

No entanto, a AN 687 da Microchip refere que se para uma dada aplicação for necessária uma maior precisão, ou um maior intervalo de temperaturas nas medidas pode-se utilizar a fórmula seguinte conhecida por equação Callendar-Van Dusen

( )( )320 10001 TTCTBTARRT ⋅−⋅+⋅+⋅+⋅= (4.2)

As constantes A, B, C presentes na fórmula derivaram de um conjunto de medidas de resistência efectuadas a diferentes temperaturas e tomam os valores indicados em 4.3. No intervalo de 0 ºC a 850 ºC a característica da sonda é descrita por um polinómio de 2ª ordem visto que para temperaturas positivas o valor de C é nulo.

2-7-

-1-3

C 10 5.775- B

C 10 3.9083 A

°×=

°×= (4.3)

CAPÍTULO 4

Manuel Cerveira 73

A figura seguinte apresenta a variação do valor da resistência da sonda PT1000 em função da temperatura à qual a mesma se encontrava usando a fórmula descrita na equação anterior. Na figura é também apresentado um conjunto de valores experimentais relativos ao valor da resistência medida aos terminais da sonda para temperaturas no intervalo de -20 ºC a 160 ºC.

-50 0 50 100 150 200800

900

1000

1100

1200

1300

1400

1500

1600

1700

1800Variação da resistência da sonda PT1000

Temperatura (ºC)

Resis

tência

(O

hm

)

Teórico

Experimental

Figura 4.18 – Variação da resistência em função da temperatura - sonda Pt1000 refª 32/11.

De seguida procedeu-se à instalação da sonda Pt1000 numa das entradas apropriadas do controlador MANCER, às quais estão ligadas aos circuitos de condicionamento de sinal existentes (um para cada sonda), tendo-se registado os valores da resistência da sonda Pt1000, da tensão na entrada analógica do microcontrolador e do valor de temperatura representado no display em função do valor da temperatura à qual se encontra a sonda, tendo os mesmos sido representados no quadro 4.2.

Quadro 4.2 – Variação da resistência e da tensão analógica em função da temperatura.

Temperatura ºC

Resistência teórico (Ω)

Resistência medido (Ω)

Tensão In PIC (mV)

Temperatura LCD ºC

-20 921,6 922 282 -19,5

0 1000,0 1000 503 -0,5

20 1077,9 1078 740 20,0

40 1155,4 1155 972 40,0

60 1232,4 1232 1209 60,0

80 1309,0 1309 1439 80,0

100 1385,1 1385 1670 99,5

120 1460,7 1461 1898 119,5

140 1535,8 1536 2128 139,0

160 1610,5 1611 2362 159,0

Testes realizados entre -20 ºC e 160 ºC com intervalos de 20 ºC.


74

4.5 Principais Acessórios de Utilização nas Instalações Solar Térmicas

4.5.1 Bomba de circulação

É o elemento da instalação de aproveitamento solar destinado a fazer circular o fluido que é aquecido no colector cujo calor recebido vai transferir à água armazenada no depósito acumulador.

A bomba de circulação é constituída por um motor eléctrico de alta rotação, geralmente com duas ou três velocidades e pelo corpo de bomba onde circula o fluido.

As características do material que deve ter o corpo da bomba na zona de circulação do fluido estão relacionadas com o local onde se pretende fazer a sua instalação, ou seja, se é feita no circuito de fluido frio ou no de fluido quente.

Para poder garantir boas condições de funcionamento, deve ser conhecida a altura manométrica que é necessário vencer para elevar o fluido desde a parte inferior do circuito no depósito acumulador até à parte superior dos colectores.

Na sua instalação, deverá ter-se em atenção o modo de posicionamento em relação à tubagem, tendo em atenção uma seta geralmente existente, que indica o sentido de fluxo do líquido de circulação, e outra, relativa à indicação do sentido de rotação do motor.

A entrada em funcionamento ou paragem da bomba, é efectuada electronicamente por acção do controlador diferencial de comando, que está associado às sondas de temperatura adequadamente instaladas na saída dos colectores e na zona inferior do acumulador de AQS. Além do comando de entrada em funcionamento e paragem, o controlador poderá também ainda fazer a regulação e variação da velocidade da bomba de circulação e consequentemente do fluido térmico de transferência de calor.

4.5.2 Vaso de Expansão

É um reservatório do tipo fechado na maior parte das aplicações, cuja capacidade deve estar em conformidade com a instalação e que se destina a compensar o aumento de volume do fluido térmico solar, quando aplicado no circuito solar (circuito primário da instalação) ou no volume da água do depósito acumulador quando aplicado no circuito de AQS e que é provocado pelo aumento da temperatura.

A sua utilização no caso do circuito primário, permite evitar uma possível fuga de fluido, quando as condições de temperatura e pressão atingem valores capazes de provocar a abertura da válvula de segurança destinada à protecção da instalação.

No caso do circuito secundário de AQS, o vaso de expansão permite a compensação do aumento de volume resultante do aumento de temperatura e pressão, provocados pelo aquecimento da água; e, desse modo, evitar que sejam afectados: o depósito acumulador, as tubagens e reduzir as aberturas das respectivas válvulas de segurança.

CAPÍTULO 4

Manuel Cerveira 75

O vaso de expansão possui duas câmaras de armazenamento separadas por uma membrana. Numa das câmaras existe ar sob pressão que pode ser regulada, na outra existe o fluido térmico, ou água, consoante o tipo de aplicação, cujo volume aumenta com o aumento da temperatura e que se mantém no vaso de expansão devido à compressão do ar existente na outra câmara por acção do deslocamento da membrana.

Para garantir boas condições de funcionamento o vaso de expansão deverá ser instalado de tal modo a que a câmara destinada ao ar fique na parte superior.

O vaso de expansão deve ser instalado na rede de circulação de fluido ou água, directamente sem qualquer válvula ou torneira de passagem até ao depósito acumulador. Nos casos de utilização de vaso de expansão aberto o fluido circula à pressão atmosférica.

4.5.3 Fluido Térmico Solar

É uma mistura líquida de água com glicol numa proporção adequada que a deve tornar anti-congelante nas temperaturas mais baixas verificadas no local da instalação. Além disso, o fluido da mistura deverá também possuir características anti-corrosivas e inócuas para a saúde, tanto no contacto com a pele como dos alimentos, prevenindo assim alguma eventualidade de rotura que origine a sua mistura com a água dos acumuladores de AQS.

4.5.4 Permutador de Calor

Poderá existir no interior ou na envolvente ao acumulador de AQS, podendo também ser externo ao acumulador. Quando aplicado no interior, é geralmente em tubo com a forma de serpentina, podendo também apresentar a forma de grade com tubos ligados entre si.

A envolvente ao acumulador é realizada em chapa e tem forma concêntrica à cuba do acumulador.

Quando é exterior ao depósito acumulador, usa-se geralmente o permutador de placas que comporta dois circuitos. Num deles, circula o fluido de transferência de calor, no outro a água que se utiliza sob a forma de AQS, de apoio ao aquecimento ambiental ou para aquecimento de água em piscina.

4.5.5 Válvula Reguladora de Pressão

Aplicada no ramal da rede de entrada de água fria no depósito acumulador de AQS, tem como objectivo, garantir que não seja ultrapassado o valor da pressão pretendido, devendo a sua regulação ser assegurada por um técnico certificado conforme Decreto-Lei nº 95/92, de 23 de maio.


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4.5.6 Válvula Misturadora Termostática

Estas válvulas são geralmente aplicadas na saída do acumulador de AQS. Permitem a regulação da temperatura pretendida para a água de consumo, através da mistura da água quente da saída do depósito acumulador com a água fria da rede.

Apresentam também uma função preventiva relativamente a possíveis queimaduras ou possíveis danos nas instalações sanitárias por excesso de temperatura, sendo geralmente calibradas para temperaturas entre os 37,5 e 50 ºC.

4.5.7 Válvula de Passagem

“Tem aplicação em diversas partes da instalação solar; seja no circuito de circulação do fluido de transferência de calor ou nos diversos circuitos de águas quentes ou frias.

Permite abrir totalmente para passagem do fluido ou da água e também fazer a regulação do seu caudal de circulação, num determinado sentido ou fechar totalmente.

Podem ser usadas para separar circuitos quando se pretende fazer trabalhos de manutenção ou de substituição de componentes da instalação.” Conforme recomendações obtidas em [ADENE]

4.5.8 Válvula de Segurança

Destina-se principalmente a proteger os colectores solares e depósitos acumuladores, podendo, no entanto, proteger outros componentes da zona da instalação onde se encontra localizada.

Deve ter características que permitam fazê-la actuar, sempre que as condições de pressão e temperatura a que ficam sujeitos os equipamentos ou a instalação na zona onde se localiza, ultrapasse os valores recomendados de utilização normal.

A sua qualidade não pode deixar qualquer dúvida quanto à sua eficácia.

Por outro lado, a necessária garantia do seu funcionamento efectivo sempre que necessário, recomenda uma vigilância constante do seu estado, tanto durante qualquer acção de manutenção por parte dos técnicos, como durante o período de funcionamento da instalação por parte de quem opera a sua utilização.

A sua aplicação em diversos pontos da instalação é obrigatória por lei. (Conforme legislação e recomendações da ADENE)

CAPÍTULO 4

Manuel Cerveira 77

4.5.9 Válvula de Três Vias

São válvulas que permitem a circulação de fluido ou água de consumo por circuitos alternativos geralmente em sistemas complexos, que se utilizam para AQS, apoio ao aquecimento ambiente ou no aquecimento da água em piscinas e que permitem situações de bypass na interligação a caldeiras, permutadores ou outros, sendo na maioria das utilizações comandadas automaticamente, conforme se verifica no projecto da instalação apresentada neste trabalho.

4.5.10 Válvula de Retenção

É um tipo de válvula, que apenas permite a circulação do fluido solar ou água, num único sentido, o qual geralmente se encontra sinalizado por uma seta no corpo da válvula.

4.5.11 Purgador de Ar Automático

Tem como função eliminar a presença de ar nas tubagens, quer do circuito de circulação do fluido quer nas tubagens dos circuitos de água.

Para que se verifiquem as melhores condições de funcionamento do purgador de ar, para expulsar o ar para o exterior, a sua instalação é efectuada nos pontos mais altos de cada equipamento ou circuito a purgar, ou ainda na extremidade da tubagem, que deverá apresentar alguma inclinação sempre a subir no seu percurso, nos troços horizontais.

Não é aconselhável a instalação dos purgadores em locais onde haja o risco da formação de gelo. (conforme recomendação da ADENE)

4.6 Ensaios e Manutenção dos Sistemas Solares Térmicos

Além da observação das condições de garantia a que devem obedecer todos os elementos de uma instalação, estes terão de ser instalados em conformidade com o cumprimento das normas em vigor e de todas as recomendações de projecto, antes da entrada em funcionamento de qualquer instalação solar térmica, deverá ser feita uma verificação cuidada dos diversos componentes que a mesma comporta, quer seja no que se refere a colectores solares, depósitos acumuladores, canalizações, assim como todos os componentes e acessórios necessários à concretização da instalação.

Por outro lado, é necessário realizar todos os ensaios que permitam verificar a eficácia dos diversos componentes em particular e da instalação no seu conjunto, os quais terão de cumprir a legislação e as normas em vigor para este tipo de instalações, respeitando as recomendações da ADENE, que são apresentadas no Guia para Instaladores de Colectores Solares.


78

Acções de manutenção preventiva a um sistema solar térmico:

• Limpeza dos colectores;

• Verificação do circulador;

• Afinação do caudal e pressão do circuito solar;

• Verificação do vaso de expansão;

• Ajuste de pré-carga (se necessário);

• Verificação da concentração de fluido anti congelante;

• Verificação do PH do fluido anti congelante;

• Verificação do estado da estrutura;

• Verificação dos elementos de segurança dos colectores e grupo de circulação;

• Verificação das sondas de temperatura da instalação e do colector;

• Verificação visual do depósito instalado (AQS);

• Verificação do ânodo de magnésio do depósito (AQS);

• Verificação da válvula de segurança (AQS);

• Verificação e regulação da válvula misturadora termostática (AQS);

• Renovação, se necessário, do líquido solar no circuito ou reposição da pressão no circuito fechado;

• Purgar colectores e grupo de circulação;

• Verificação do bom funcionamento de relógios, termóstatos e programadores;

• Mão-de-obra necessária à substituição de peças.

• Fornecimento de juntas, se for necessário devido às operações de manutenção.

• Inspecção visual da instalação solar. [] Fonte: paineissolares.gov.pt

CAPÍTULO 4

Manuel Cerveira 79

4.6.1 Requisitos Necessários para a Conservação e Manutenção do Sistema

O fluido térmico é uma mistura de água e glicol em percentagem adequada a cada lugar onde é feita a instalação solar, de modo a que não congele no tempo mais frio, que em Portugal na zona de Bragança ou nas Penhas Douradas, poderá corresponder a uma temperatura próxima de - 20 ºC.

Dever-se-á fazer a verificação anual do pH do fluido térmico que, caso se encontre abaixo de 7, deverá ser imediatamente substituído. A substituição de fluido deverá ocorrer pelo menos de 5 em 5 anos, para garantir uma perfeita protecção do equipamento e manutenção do seu desempenho.

A água na natureza não se encontra no estado puro ou simplesmente H2O, apresenta-se sim sob a forma de solução aquosa com sais minerais, metais, gases e poluentes dissolvidos ou em suspensão, que em algumas situações pelos elevados níveis de concentração de alguns dos seus componentes, poderão comprometer as características de bom funcionamento da instalação durante o tempo de vida útil previsto, que não deverá inferior a 20 anos.

Para que seja possível corrigir a acção dos malefícios que poderão ocorrer, são realizados ensaios que permitem conhecer os níveis de concentração dos diversos componentes e assim utilizar o método de correcção considerado adequado para cada caso em concreto.

4.7 Resumo

Neste capítulo, deu-se ênfase aos procedimentos de preparação e montagem dos componentes nas instalações solares que deverão seguir as orientações dos fabricantes e as recomendações da ADENE, para que garantam as melhores condições de segurança e se obtenham níveis de aproveitamento solar elevados os quais deverão ser mantidos ao longo de toda a vida útil da instalação, a qual não deverá ser inferior a 20 anos.

Foram também apresentados, o modo de proceder no tratamento contra a legionella, a bancada didáctica construída por alunos e o controlador electrónico diferencial desenvolvido pelo autor deste trabalho.


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5 NORMAS E LEGISLAÇÃO

5.1 Normas Aplicadas a Sistemas Térmicos de Energia Solar - Portugal

Relativamente aos colectores solares são aplicadas as seguintes normas:

• Normas Portuguesas;

o NP1802 e NP1803 de 1985 destinadas ao ensaio e determinação do rendimento instantâneo;

• Normas Europeias;

o Norma de Requisito de Produto: EN 12975-1:2006;

o Norma de Ensaio de Produto: EN 12975-2:2006;

• Relativamente aos sistemas solares tipo “kit” (sistemas compactos em termossifão):

o Norma de Requisito de Produto: EN 12976-1:2006;

o Norma de Ensaio de Produto: EN 12976-2:2006.

5.2 Legislação Aplicada aos Sistemas Térmicos de Energia Solar em Portugal

No âmbito da melhoria dos padrões de conforto ambiental em edifícios em Portugal avançou-se nos anos 90 do século XX com regulamentação que permitiu melhorar bastante a qualidade da construção e climatização nos edifícios construídos.

• RCCTE – 1º Regulamento das Características de Comportamento Técnico dos Edifícios (Decreto Lei nº. 40/90 de 6 de Fevereiro)5

• RSECE – 1º Regulamento dos Sistemas Energéticos de Climatização em Edifícios (Decreto Lei nº.118/98, de 7 de Maio)6

Em seguida a partir do ano 2000, além da legislação nacional, foram introduzidas directivas comunitárias e legislação europeia nomeadamente a Directiva 2002/91 CE, aprovada pelo Parlamento Europeu em 16 Dez. 2002.

5 Na óptica de exigências construtivas do comportamento passivo dos edifícios no aproveitamento de energias renováveis. 6 Na óptica de maiores diversificação e eficiência energéticas na utilização dos sistemas de climatização.

CAPÍTULO 5

Manuel Cerveira 81

5.2.1 Legislação Conexa

No âmbito do Sistema Nacional de Certificação de Edifícios – SCE, foram publicados:

• Dec. Lei 78/2006 - SCE (Sistema de Certificação de Edifícios);

• Dec. Lei 79/2006 – 2º RSECE (Regulamento dos Sistemas Energéticos de Climatização em Edifícios);

• Dec. Lei 80/2006 – 2º RCCTE (Regulamento das Características de Comportamento Técnico dos Edifícios).

O RCCTE impõe a obrigatoriedade de instalação de colectores solares para aquecimento de águas sanitárias nas novas construções, ampliações ou grandes reabilitações de edifícios que utilizem AQS, o que ocorre em habitações e em diversos tipos de edifícios de serviços

A obrigatoriedade de instalação de colectores solares para produção de água quente sanitária, permite a abertura de um amplo mercado para o desenvolvimento da energia solar renovável, contribuindo assim para a diminuição da dependência energética do exterior.

Espera-se também desta forma que surja a criação de grande número de postos de trabalho qualificado nesta área industrial e de serviços. Por outro lado a redução do preço dos sistemas solares que resultará do desenvolvimento do mercado, será com certeza um maior incentivo para a opção pela energia solar térmica por um maior número de utilizadores.

A partir de 2009 foi introduzida a Directiva_2009/28/CE.

5.3 Eficiência Energética

A eficiência energética é um tema cada vez mais actual, que se baseia em usar menos energia para cumprir um determinado objectivo, mantendo o conforto e a produtividade dos respectivos processos. Construir edifícios, veículos e empresas mais eficientes em termos energéticos contribui para resolver os problemas de poluição, de aquecimento global, da segurança de abastecimento e do esgotamento dos combustíveis fósseis.

Embora Portugal seja um dos países Europeus com maior disponibilidade do recurso solar, tem sido um dos países europeus que menos colectores instalou durante vários anos, conforme se pode constatar através da tabela que se apresenta e que em 2007 apenas tinha instalado cerca de 24.000 m2 de colectores solares térmicos.

Este “fenómeno” deve-se em grande parte a má reputação ganha pelos sistemas solares nos anos oitenta. No início dos anos 80 houve um arranque da implementação de sistemas solares em Portugal, mas que rapidamente acabou por se esvanecer, isto devido a diversos factores entre os quais a má qualidade de uma grande parte dos equipamentos solares instalados.


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Nem todos os equipamentos eram de qualidade baixa, no entanto a falta de controlo da qualidade dos produtos comercializados levou a descredibilização da energia solar em Portugal.

Quadro 5.1 – Mercado solar térmico na EU + Suíça.

PAÍS 2004

(adicional) [m²]

2005 (adicional)

[m²]

2006 (existente)

[m²]

2007 (adicional)

[m²]

Áustria 182590 233470 2611620 350000

Bélgica 1470 2023 10411 45000

Bulgária 1800 2000 25100 2500

Suíça 31160 39130 443540 65000

Chipre 30000 50000 560200 70000

Rép. Checa 12250 15550 106730 30000

Alemanha 750000 950000 8054000 1500000

Dinamarca 20000 21250 362280 32000

Estónia 250 250 1120 400

Espanha 90000 106800 702160 325000

Finlândia 1630 2380 16490 4500

França 52000 121500 615600 275000

Grécia 215000 220500 3287200 300000

Hungria 1500 1000 6250 1200

Irlanda 2000 3500 15790 10000

Itália 97730 127050 855230 285000

Lituânia 500 500 2750 1000

Luxemburgo 1700 1900 15900 2900

Letónia 500 1000 3850 1800

Malta 4210 4000 23860 5500

Holanda 26300 20240 318440 1800

Polónia 28900 27700 167520 52000

Portugal 10000 16000 180950 24000

Roménia 400 400 69100 500

Suécia 20050 22620 236920 34000

Eslovénia 1800 4800 109300 10000

Eslováquia 5500 7500 72750 12000

Reino Unido 25000 28000 250920 70000

Uma das principais conclusões do Grupo Temático - Solar Térmico do FORUM das Energias Renováveis em Portugal, decorrido no ano de 2001, foi identificar como uma das principais barreiras ao desenvolvimento dos sistemas solares térmicos em Portugal é a “Má reputação/Fraca qualidade” dos sistemas.

CAPÍTULO 5

Manuel Cerveira 83

Tendo em conta esta barreira importante estabeleceu-se em Portugal uma série de normativas e procedimentos com vista a certificação deste tipo de Produtos, isto após vários anos de esforços nesta área que se iniciaram no fim dos anos 80, com a discussão do documento pré-normativo aprNP 2/88, “Colectores Solares: Métodos de ensaio e qualificação”. Após uma primeira campanha de ensaios, realizada no início dos anos noventa, não foi possível estabelecer um entendimento com os diversos intervenientes no sector do solar térmico, no sentido da compreensão das regras e procedimentos necessárias ao processo de certificação. Nos anos seguintes houve uma grande quebra na implementação dos sistemas solares térmicos, deixando de ser possível a implementação da Certificação do Produto.

A Directiva n.º 2006/32/CE, do Parlamento Europeu e do Conselho, de 5 de Abril, relativa à eficiência na utilização final de energia e aos serviços energéticos, estabeleceu a obrigação de os Estados-Membros publicarem um plano de acção para a eficiência energética, estabelecendo de, pelo menos, 1 % de poupança de energia por ano até 2016.

Com o objectivo de alterar a situação verificada na tabela anterior apresentada, que colocou Portugal numa posição que não tem qualquer justificação pelo elevado nível de radiação solar incidente em quase todo o país durante grande parte do ano comparativamente a outros países que com muito menor níveis de incidência solar já possuíam nesse ano áreas de instalação de colectores solares muito superiores, e, dadas as consequências do aumento verificado no custo dos combustíveis fósseis, levou a que o Governo de então tivesse encarado a necessidade de serem tomadas medidas que permitissem levar por diante as directivas já estabelecidas na legislação de então.

Nesse sentido Portugal aprovou, em Maio de 2008, o Plano Nacional de Acção para a Eficiência Energética (PNAEE), documento que engloba um conjunto alargado de programas e medidas consideradas fundamentais para que se possa alcançar e suplantar os objectivos fixados no âmbito da referida Directiva. O PNAEE prevê na área residencial e de serviços três grandes programas de eficiência energética através de:

• Programa Renove Casa e Escritório, no qual são definidas várias medidas relacionadas com eficiência energética na iluminação, electrodomésticos, electrónica de consumo e reabilitação de espaços.

• Sistema de Eficiência Energética nos Edifícios, que agrupa as medidas que resultam do processo de certificação energética nos edifícios, num programa que inclui diversas medidas de eficiência energética nos edifícios, nomeadamente isolamentos, melhoria de vãos envidraçados e sistemas energéticos.

• Programa Renováveis na Hora, que é orientado para o aumento da penetração de energias endógenas nos sectores residencial e serviços.


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O papel relevante do segmento residencial e de serviços no PNAEE resulta do facto de, em Portugal, como nos restantes estados membros, os edifícios representarem quase 40 % do consumo total de energia, sendo reconhecido pela União Europeia que há um potencial significativo de redução desse consumo. No sentido de aproveitar esse potencial foi publicada a Directiva 2002/91/CE do Parlamento Europeu e do Conselho, de 16 de Dezembro de 2002, relativa ao desempenho energético dos edifícios. Em Portugal uma das consequências dessa publicação foi a revisão da regulamentação do sector e a criação do Sistema Nacional de Certificação Energética e da Qualidade do Ar Interior (SCE), que entrou em vigor a 1 de Julho de 2007, com o objectivo de promover a eficiência energética nos edifícios e protecção do ambiente. O PNAEE integrou assim, e de forma natural, essa nova legislação, através do Programa Eficiência Energética nos Edifícios, traçando metas concretas para 2015 também neste âmbito específico. PARQUE EXPO”. [ADENE]

5.3.1 Programa Solar Térmico 2010

A Estratégia Nacional para a Energia 2020 (ENE 2020) estabelecida na Resolução do Conselho de Ministros n.º 29/2010, de 15 de Abril entre outros objectivos estabelecia no seu ponto 6 “Desenvolver, durante o 1.º semestre de 2010, no âmbito da aplicação do quadro de referência estratégico nacional e dos outros instrumentos de apoio ao desenvolvimento económico, linhas de apoio para o investimento no domínio das energias renováveis e da promoção da eficiência energética, designadamente no apoio ao solar térmico, visando também o incremento das exportações nesses domínios”.

O mesmo documento define uma aposta nas energias renováveis nomeadamente na energia solar. Para além das metas para os sistemas solares eléctricos existe uma indicação objectiva com vista à promoção do segmento solar térmico. “Será definido um novo modelo de promoção para prosseguir a aposta no solar térmico, aproveitando o potencial solar do País e o baixo custo associado às tecnologias disponíveis, de modo a cumprir os objectivos do PNAEE e do PNAC.”

5.4 Certificação e Credenciação de Técnicos e Instalações

5.4.1 Certificação de Produtos

A tarefa de outorgar a marca de produto certificado cabe actualmente ao CERTIF – Associação para a Certificação de Produtos (entidade acreditada pelo Sistema Nacional de Qualidade).

Para efectuar os ensaios em Portugal apenas o Laboratório de Ensaio de Colectores Solares (LECS) do INETI está acreditado actualmente para tal, prevendo-se, no médio prazo, o surgimento de outras entidades capacitadas para a realização destes ensaios.

CAPÍTULO 5

Manuel Cerveira 85

O sistema de certificação, implementado pela CERTIF adopta o Sistema n.º 5 (ISSO ou CNQ n.º 5), que compreende ensaios de concessão e inspecção da produção, visando a certificação tanto de colectores solares térmicos como dos sistemas em termossifão (tipo “kit”).

5.4.2 Certificação Energética

“Com a entrada em vigor do SCE – Sistema de Certificação de Edifícios (Decreto-lei nº 78- 2006), lançou-se o desafio de garantir a eficiência energética no sector da construção. De forma a avaliar o cumprimento desse objectivo, a base de dados do SCE será essencial, uma vez que será possível, à medida que o parque de edifícios é certificado, avaliar a evolução da eficiência energética dos edifícios em termos médios, esta informação será extremamente útil na implementação e ajuste de políticas neste sector.

Os processos de certificação são assegurados por técnicos devidamente acreditados para o efeito, os peritos qualificados, tendo por base os dois diplomas em vigor aplicados à construção: O Regulamento das Características do Comportamento Térmico dos Edifícios (RCCTE) e o Regulamento dos Sistemas Energéticos de Climatização em Edifícios (RSECE). O certificado energético atribui uma etiqueta de desempenho energético aos edifícios (habitação e serviços), permitindo classificá-los numa escala que varia de A+ (elevada eficiência) a G (baixa eficiência), que assegura uma fácil interpretação por parte do consumidor. Para além disso, são identificadas potenciais medidas de melhoria de desempenho energético e de qualidade do ar interior (QAI), para garantir uma maior economia de energia e consequente redução de emissões de CO2.

A classificação energética dos edifícios no âmbito do RCCTE é calculada pelo quociente entre as necessidades anuais estimadas de energia primária, para climatização e águas quentes sanitárias e o valor limite estabelecido para cada região. Para se obter a classificação máxima (A+) o edifício ou fracção deverá apresentar menos de ¼ das necessidades energéticas de um edifício de referência (B-). Nesse sentido estes devem:

• Adoptar soluções construtivas que garantam um baixo coeficiente de transmissão térmico;

• Recorrer a sistemas solares passivos;

• Adoptar envidraçados e sombreamentos que permitam minimizar os ganhos térmicos no verão e maximizá-los no Inverno;

• Garantir valores mínimos de renovação de ar com recurso à recuperação de calor;

• Prever o aproveitamento de energias renováveis nomeadamente colectores solares térmicos, Um dos factores determinantes para alcançar uma elevada classificação energética numa habitação é a existência de colectores solares térmicos;

• Recorrer a sistemas de climatização eficientes.


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Estes equipamentos permitem reduzir até 70 % o consumo médio anual de energia final para produção de AQS. No caso da habitação, a legislação prevê a contabilização das necessidades de energia para preparação das águas quentes sanitárias, com um objectivo específico de favorecimento da penetração dos sistemas de colectores solares ou outras alternativas renováveis.

A obrigatoriedade da instalação de colectores solares para a produção de água quente sanitária abre um amplo mercado para o desenvolvimento da energia solar, que em anos anterior tinha sido pouco explorada, apesar de Portugal ser dos países da Europa com mais horas de sol por ano.

No caso dos edifícios de serviços, no âmbito do RSECE, é obrigatória a certificação periódica de todos os edifícios com mais de 1000 m2. Todos estes edifícios terão que afixar o certificado em local bem visível na entrada do edifício. Os certificados energéticos são baseados na classe energética, que é obtida através do cálculo do consumo global de energia do edifício sob condições nominais. Nos edifícios de serviços, além da consideração dos aspectos anteriormente indicados para os edifícios residenciais, a eficiência dos sistemas de iluminação e climatização são determinantes para atingir elevadas classes de eficiência energética. Nestes casos, terão que ser efectuadas, periodicamente, auditorias energéticas e à Qualidade do Ar Interior. Quando o consumo de energia estiver acima do limite máximo fixado pelo RSECE, é necessário elaborar um plano de racionalização energética.” [ADENE]

5.4.3 Medidas de Melhoria

“Os certificados dos edifícios residenciais e de serviços incluem uma lista de potenciais medidas de melhoria do desempenho energético baseadas no consumo efectivo, medidas essas devidamente estudadas pelo perito para o caso específico em análise. No caso do parque edificado espera-se que a mais-valia inerente a uma certificação energética seja a implementação dessas medidas de melhoria de forma voluntária pelo proprietário, uma vez que a classe energética é actualmente um critério relevante na determinação do valor dos edifícios.

De acordo com a informação extraída da base de dados do Sistema Nacional de Certificação (SCE) em média as propostas de medidas de melhoria incidem sobre sistemas de produção de água quente sanitária (32 %), isolamento da envolvente (20 %), sistemas de energia solar (18 %), sistemas de aquecimento ambiente (12 %), vãos envidraçados (10 %) e outros (8 %).

Esta realidade contraria as orientações da entidade gestora para que o estudo das medidas de melhoria pelos peritos considere uma determinada hierarquia, segundo a qual se deverá começar privilegiando a correcção de patologias construtivas, a redução das necessidades de energia útil por intervenção na envolvente e utilização de energias renováveis e, por fim, sobre a eficiência dos sistemas.

Desta forma, tenta-se incentivar os proprietários a adoptar soluções que promovam, primeiro, uma redução daquilo que são as necessidades de energia para manter os espaços confortáveis

CAPÍTULO 5

Manuel Cerveira 87

e em condições de salubridade, e, só depois, uma utilização eficiente da energia necessária para aquecer, arrefecer os espaços e para produzir águas quentes sanitárias. Existem, pois, aspectos que estão a ser melhorados no sistema para reorientar a abordagem dos peritos nesta matéria. Desde logo, o reforço da mensagem junto dos técnicos para seguirem a hierarquia estabelecida.

Por outro lado e numa abordagem mais de fundo, está também a ser trabalhada a revisão da legislação para que esses aspectos tenham mais influência na classificação energética atribuída ao imóvel, criando assim um incentivo natural à optimização dessa componente do edifício.

Outro factor relevante será a disponibilização de incentivos que privilegiem as soluções que reduzam as necessidades de energia fóssil.

Neste âmbito, a implementação de medidas de melhoria tem sido facilitada pelos programas desenvolvidos no âmbito do PNAEE, nomeadamente o programa “Renováveis na hora”, a “Medida Solar Térmico 2009” e a troca de lâmpadas associada ao phase-out progressivo da iluminação incandescente clássica. O programa “Renováveis na hora” dinamiza e promove a microprodução de energia eléctrica utilizando fontes renováveis de energia, por outro lado a “Medida Solar Térmico 2009” terá um impacto significativo, uma vez que permite melhorar a eficiência energética da produção de água quente que corresponde em geral a grande parte das necessidades de energia das habitações.

Mais recente, o incentivo, em sede de IRS, ao investimento em soluções de isolamento de paredes e substituição de janelas, é outro instrumento de política que, já em 2010, irá certamente dar um impulso significativo à adopção destas medidas, quando propostas pelos peritos nos certificados.” [ADENE]

5.4.4 Certificação na Europa

Existiam nos diversos países europeus diferentes sistemas de certificação dos sistemas solares térmicos, que recorriam a normas ISO, DIN ou normas estabelecidas pelos próprios laboratórios. Desde a publicação das Normas Europeias para os produtos solares térmicos, foi possível estabelecer uma base europeia para o desenvolvimento de um esquema específico de uma Marca Europeia para os sistemas solares térmicos: a Solar Keymark. [11]

A Keymark (marca Europeia CEN/CENELEC) já estabelece as regras genéricas de certificação dos produtos em geral. A Solar Keymark tenta estabelecer as regras específicas para os sistemas solares (regras específicas dos produtos solares).

A Solar Keymark é promovida pela ESTIF www.estif.org, organização que surgiu da fusão da ASTIG e da ESIF) através de um projecto iniciado no ano 2000, composto no essencial pelo estabelecimento de uma rede de laboratórios acreditados para a realização dos ensaios segundo as Normas Europeias (o INETI faz parte do projecto), o estabelecimento do esquema específico de certificação Solar Keymark e a disseminação da Marca Solar Keymark.


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A introdução na Europa de um sistema de certificação dos sistemas solares térmicos permitirá que qualquer equipamento ensaiado num dos laboratórios acreditados possa ser válido nos vários países europeus que o reconheça, assim como permitir a comparação dos diferentes produtos com maior facilidade.

Irá também produzir uma padronização dos produtos comercializados e aumentar a sua qualidade, aumentado assim a confiança no consumidor.

Este sistema de certificação pretende ser o único vigente e cobrirá toda a Europa. A maior parte dos países caminha no sentido da adopção da Solar Keymark, exceptuando poucos que se mantêm nos seus esquemas de certificação nacionais.

No sistema português já existem aproximações a este esquema de forma a facilitar aos fabricantes nacionais aderir a este esquema europeu.

A certificação dos sistemas de energia solar permite dar uma maior credibilidade e garantia de qualidade aos sistemas solares, uma vez que os produtos certificados são produtos que foram sujeitos a ensaios e obtiveram aprovação e o seu processo produtivo está sujeito a um sistema de qualidade, inspeccionado pela entidade certificadora.

A implementação de um sistema de certificação europeu através da Solar Keymark permitirá uma clarificação e aumento da credibilidade de todos os equipamentos e entidades envolvidas, podendo ser possível comparar os produtos com uma mesma base independente de características e escolher, com qualidade, o mais adequado para a aplicação pretendida.

Não deixa de ser importante salientar que todos estes esforços só serão coroados de êxito se toda esta informação chegar aos consumidores. É preciso começar desde já a divulgação das certificações, para que o consumidor exija na compra a comprovação de qualidade atestada por estes esquemas de certificação. A União Europeia necessita mesmo de conseguir estabelecer em todo o espaço comunitário estas normas e batalhar pelo seu cumprimento. Em Portugal terá de ser conseguido um percurso idêntico para que seja obtida a credibilidade que não foi possível nas décadas de 70 e 80 do século XX e dessa forma se consiga a confiança que permita fazer o real aproveitamento do potencial solar existente.

5.4.5 Certificação e formação dos técnicos e instaladores

No que se refere à formação dos técnicos e instaladores, deverão os respectivos programas de formação ser feitos por cada um dos Estados-Membros da União Europeia ou pelos organismos administrativos por estes nomeados.

O organismo de acreditação deve assegurar que o programa de formação oferecido pelo organismo de formação tem continuidade e cobertura regional ou nacional.

O organismo de formação deve dispor de instalações técnicas adequadas para assegurar a formação prática, incluindo algum equipamento de laboratório ou instalações correspondentes para assegurar a formação prática. O organismo de formação deve também assegurar, para

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Manuel Cerveira 89

além da formação de base, cursos de aperfeiçoamento mais curtos sobre questões específicas, como as novas tecnologias, a fim de permitir a formação contínua nas suas instalações. O organismo de formação pode ser o fabricante do equipamento ou sistema, um instituto ou uma associação.

A formação para fins de certificação ou qualificação do instalador deve incluir uma parte teórica e uma parte prática. No final da formação, o instalador deve possuir as competências necessárias para instalar os equipamentos e sistemas que correspondam às necessidades de desempenho e fiabilidade do cliente, incorporar técnicas de qualidade e cumprir todos os códigos e normas aplicáveis, incluindo em matéria de rotulagem energética e ecológica.

Além disso, deverão ser tomadas em consideração todas as demais determinações constantes da directiva 2009/28/CE do parlamento europeu e do conselho de 23 de Abril de 2009 relativa à promoção da utilização de energia proveniente de fontes renováveis que altera e subsequentemente revoga as Directivas 2001/77/CE e 2003/30/CE, que se apliquem às instalações dos sistemas solares térmicos.

5.5 Resumo

Neste capítulo, foram referidas algumas das normas nacionais e europeias mais importantes relacionadas com a aplicação dos sistemas de aproveitamento térmico de energia solar e indicados programas que ao longo das últimas décadas foram lançados por governos de alguns países para incentivar à utilização deste tipo de energia alternativa.

Das normas apresentadas, algumas referem-se a equipamentos, materiais e instalações, outras porém, tem como objectivo, criar condições para garantir a maior qualificação dos projectistas, instaladores e outros intervenientes na realização das referidas instalações de modo a que as mesmas possam entrar em funcionamento, certificadas.


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6 CONCLUSÕES

O advento da revolução industrial, cujo início se aponta ao século XVIII, alterou o modo de ocupação das pessoas que à data se centrava em actividades agrícolas e de manufactura, tendo estas passado a laborar em actividades industriais o que permitiu a promoção de melhores condições de vida das pessoas resultantes da subida da remuneração do trabalho. Na primeira metade do século XIX, período no qual as maiores preocupações se centraram no maior aproveitamento das tecnologias anteriormente desenvolvidas, as pessoas foram descoradas, tendo mesmo chegado ao ponto de se passar a exigir que produzissem ao ritmo a que foram colocadas as máquinas o que provocou grandes convulsões sociais.

A partir da segunda metade do século XIX, surgiram novas mudanças que se prolongaram até à primeira metade do século XX, tendo permitido, desenvolver meios de transporte mais rápidos de carácter quase individual como o automóvel e do avião para distâncias mais longas. Foram igualmente desenvolvidas as comunicações à distância por telefone, a radiodifusão e a televisão, tendo este período sido designado por 2ª revolução industrial.

A partir da segunda metade do século XX com o elevado desenvolvimento da electrónica avançou-se, ao nível das telecomunicações, da automação e da robótica, tendo sido conseguido alcançar níveis muito elevados de produção que obrigou a ter de se recorrer em grande escala à utilização dos combustíveis fósseis para permitir manter as produções cada vez maiores e mais diversificadas de produtos que além dos atrás citados, outros utensílios e equipamentos a que as pessoas passaram a utilizar no conforto em casa e nos locais de trabalho ou simplesmente em tempos de lazer.

Assim, a partir da primeira metade da década de oitenta do século XX, mais propriamente a partir de 1973, sentiu-se a necessidade de fazer a exploração de reservas de combustíveis fósseis existentes em diversos países que até então não eram exploradas. Por outro lado, os países produtores de petróleo fomentaram o aumento dos preços de venda o que conduziu à procura de soluções alternativas para se poderem manter os níveis de conforto e facilidade de deslocação, sem ficar na total dependência dos combustíveis fósseis.

Assim, procurar na fonte inesgotável cujo recurso é o sol o aproveitamento da sua energia, passou a constituir uma prioridade, tendo-se mesmo tornado de importância capital para fazer face às dificuldades que alguns países entre os quais Portugal, por não possuírem reservas de combustíveis fósseis e por isso, passaram a ter que despender de grandes quantidades de divisas para os poderem adquirir devido aos elevados preços a que aqueles passaram a ser comercializados.

Sendo Portugal, um dos países da Europa com maior nível de incidência solar ao longo de grande parte do ano, tudo levaria a supor, que o aproveitamento da energia solar, tivesse tido um incremento elevado como se pensou e que foram ensaiados por protagonistas como Manuel Collares Pereira, João Farinha Mendes e outros que através do Laboratório Nacional de Engenharia Civil (LNEC), Laboratório Nacional de Engenharia e Tecnologia Industrial (LNETI) e Sociedade Portuguesa de Energia Solar (SPES), nos finais dos anos setenta do

CAPÍTULO 6

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século XX e mesmo durante grande parte dos anos oitenta, participarem em experiências e se movimentaram para alterar o paradigma do país.

Algumas empresas e instituições também participaram, nessa primeira onda que morreu na praia, por um lado devido à má qualidade de alguns dos equipamentos então fabricados e instalados que não permitiram resultados satisfatórios para os potenciais utilizadores; por outro, pelas opções que foram tomadas pelo governo de então que apontou como estratégia a opção pelo gás natural.

Poderá mesmo pensar-se agora, que se perderam pelo menos cerca duas décadas, e, que por acção de uma crise petrolífera que começou a fazer-se sentir no princípio da primeira década deste século XXI, se tenha novamente despertado, e, que com alguns dos mesmos protagonistas de há três décadas, embora em novos organismos que só mudaram de nome, como sejam os casos do INETI e LNEG, se tenha que tentar através do aproveitamento dos cacos, e, por imposição obrigatória da lei ou por vinculação às normas da European Union (EU), de tomar consciência da mudança e que Portugal possa fazer do sol o seu maior aliado na solução da superação de grande parte das necessidades energéticas através da sua melhor utilização e aproveitamento.

Através deste trabalho, são apresentadas soluções que de algum modo procuram contribuir para estimular o aumento da utilização do sol para o aproveitamento energético, concretamente na forma de aproveitamento térmico para aquecimento de águas de consumo, aquecimento ambiente e de água em piscinas.

Por aquilo que este trabalho poderá significar de estímulo para os mais novos que se julga ser da maior importância, ficou já patente, através da instalação solar térmica apresentada na figura 4.2 sob a forma de bancada didáctica que foi construída pelos alunos na Escola Secundária de Anadia e se encontra à disposição dos alunos, professores e restante comunidade escolar.

Por outro lado, com o controlador electrónico MANCER desenvolvido durante a realização deste trabalho, procura-se de algum modo estimular os técnicos, especialistas, estudantes do ensino superior de engenharia e engenheiros, a poderem dar azo à sua imaginação, criatividade e interesse pela produção, de tal modo que possam desenvolver produtos deste ou de outro tipo capazes de competir com o que existe no mercado ou quem sabe, em muitos casos serem precursores de novos produtos com grande importância e aplicação prática.

Ao longo deste trabalho foram também apresentados alguns projectos de instalações que demonstram haver boas condições para que seja cada vez maior a utilização do aproveitamento térmico de energia solar em Portugal, não só pelo que significa de ganhos ao nível económico nas mais diversas aplicações, mas também pelas significativas melhorias ao nível das condições ambientais em contraponto com outras formas de aplicação com o mesmo objectivo em que se terá de recorrer à utilização de combustíveis fósseis, cujos custos são elevados, causam dependência externa na aquisição e na sua utilização provocam danos nocivos para o ambiente.


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Dadas as difíceis condições de satisfação energética que desde os finais do século passado e início deste século e milénio, que se têm feito sentir em muitos países e particularmente em Portugal, país de origem e onde reside o autor deste trabalho, fez com desde há já alguns anos a esta parte, o tenha levado a considerar que a melhor alternativa ao nível do aproveitamento energético em Portugal seria apostar no melhor e cada vez maior aproveitamento das condições solares de que desfruta em grande parte do ano. Assim e por entender que com a abordagem deste tema tão actual, poderia até resultar em mais um pequeno contributo para que mais alguns participem nesta mudança de rumo tão importante para toda a humanidade em que tantos já se encontram envolvidos e que alguns como atrás já foi referido há muitos anos já consideraram e iniciaram, fez que fosse por diante o trabalho que aqui se apresenta.

Sistemas Térmicos de Energia Solar REFERÊNCIAS

Manuel Cerveira 93

7 REFERÊNCIAS

LIVRO DE ORIENTAÇÃO FUNDAMENTAL

[KALOGIROU] “Solar energy engineering: processes and systems” Soteris Kalogirou, Elsevier, 2009.

[RORIZ] “Energia Solar em Edifícios“ Autores: Luis Roriz, João Resendo, Fernado Lourenço e Kathrin Calhau. Editor: Edições Orion

“Energia Solar” Introdução às Aplicações da Energia Solar. Autor: J.C.McVEIGH

“ O Aquecedor Solar de Água”Autores: Thierry Cabriol, Albert Pelissou e Daniel Roux. Editor: Edições Cetop. Colecção Novas Energias

“ Calor Solar en su Casa” Autor: R.W. Adams. Editor: Paraninfo.

“Guia para Instaladores de Colectores Solares”

“Programa Solar Térmico 2010” Editor: ADENE - Agência para a Energia.

Colecção: Agua Quente Solar para Portugal

NORMAS E LEGISLAÇÃO

[1] Estratégia Nacional para a Energia 2020 (ENE 2020) estabelecida na Resolução do Conselho de Ministros n.º 29/2010, de 15 de Abril.

[2] Directiva 2009/28/CE do Parlamento Europeu e do Conselho, relativa à promoção da utilização de energia proveniente de fontes renováveis, de 23 de Abril de 2009, Jornal Oficial das Comunidades Europeias, 5.6.2009.

[3] Plano Nacional de Acção para a Eficiência Energética (2008-2015), estabelecido na Resolução do Conselho de Ministros nº. 80/2008 de 20 de Maio.

[4] Directiva 2006/32/CE do Parlamento Europeu e do Conselho, relativa à eficiência na utilização final de energia e aos serviços energéticos, de 5 de Abril de 2006, Jornal Oficial das Comunidades Europeias, 27.4.2006.

[5] RCCTE – Regulamento das Características do Comportamento Térmico dos Edifícios, Decreto de Lei nº 80/2006, de 4 de Abril.

[6] RSECE – Regulamento dos Sistemas Energéticos e de Climatização dos Edifícios, Decreto de Lei nº 79/2006, de 4 de Abril.

[7] Sistema Nacional de Certificação Energética e da Qualidade do Ar Interior nos Edifícios, Decreto de Lei nº 78/2006, de 4 de Abril.

[8] Directiva 2002/91/CE do Parlamento Europeu e do Conselho, relativa ao desempenho energético dos edifícios, de 16 de Dezembro de 2002, Jornal Oficial das Comunidades Europeias, 4.1.2003.

[9] RSECE – Regulamento dos Sistemas Energéticos de Climatização em Edifícios, Decreto-lei nº. 118/98, de 7 de Maio.

[10] RCCTE – Regulamento das Características de Comportamento Técnico dos Edifícios, Decreto-lei nº. 40/90 de 6 de Fevereiro.


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DISSERTAÇÕES

[11] “Avaliação de Sistemas Solares Térmicos de Produção de Água Quente Sanitária em Edifícios de Habitação Multifamiliar”, Alexandre Daniel de Sousa Santos, Dissertação de Mestrado em Engenharia Mecânica, IST/UTL – Maio 2012.

[12] “Sistemas Solares Térmicos – Simulação de perfis de consumo e cálculo do comportamento térmico a longo prazo”, Nuno Filipe dos Santos Mexa, Mestrado em Engenharia de Energia e do Ambiente, UL/FC – 2011.

[13] “Integração de painéis solares térmicos soluções de pós-construção”, Ana Sofia Guerra Madeira, Mestrado em Engenharia do Ambiente, UNL / FCT – 2010.

[14] “Projecto de uma Bomba de Calor com aproveitamento de Energia Solar”, Ricardo Ferreira, Mestrado Integrado em Engenharia Mecânica, FEUP - Julho2010.

[15] “Sistemas de Aproveitamento de Energia Solar Térmica SOLution”, João Gaspar Moura Martins, Mestrado Integrado em Engenharia Industrial e Gestão, FEUP – 2009-01-30.

SITES E INFORMAÇÕES DA INTERNET

[ADENE] Agência para a Energia – www.adene.pt/

[AGUAQS] AguaQuenteSolar.pt – www.aguaquentesolar.pt

[APISOLAR] Associação Portuguesa dos Industriais da Energia Solar – www.apisolar.pt/

[CERTIF] Associação para a Certificação – www.certif.pt

[DGEG] Direcção Geral de Energia e Geologia – www.dgeg.pt

[HSC] Legionnaires’ disease, The control of legionella bacteria in water system, Health Safety Commission: Disponível em http://www.hse.gov.uk/pubns/books/l8.htm

[LNEG] Laboratório Nacional de Energia e Geologia – http://www.lneg.pt/

[RELOPA] RELOPA - Electrodomésticos, Térmica e Ventilação, SA – http://www.relopa.pt/pt

[SOLTERM] Análise de desempenho de sistemas solares – http://www.lneg.pt/iedt/projectos/370/

[SPES] Sociedade Portuguesa de Energia Solar – www.spes.pt/

[SOLARGUS] Grupo SOLARGUS – www.solargus.pt/

[VULCANO] VULCANO Soluções de Água Quente – www.vulcano.pt/

[ZANTIA] ZANTIA - Climatização, S.A. – www.zantia.com/

Sistemas Térmicos de Energia Solar REFERÊNCIAS

Manuel Cerveira 95

LINKS - DATASHEET

Microcontrolador PIC16F887

http://www.microchip.com/downloads/en/DeviceDoc/41291G.pdf

Condicionador de Sinal – AMPOP LM358

http://www.datasheetcatalog.org/datasheet/stmicroelectronics/2163.pdf

Clock - PCF 8583

http://www.datasheetcatalog.org/datasheet/philips/PCF8583_5.pdf

Conversor ULN 2803

http://www.datasheetcatalog.org/datasheets/105/366825_DS.pdf

Sonda Pt1000

http://www.rossatogroup.com/prodotti/details/386/94/centraline/sonde/sonde-pt-1000.html

INFORMAÇÕES UTEIS

Energia 2020 – Objectivo a 10 anos

Energia Solar – Aplicações Térmicas – Manuel Collares Pereira, disponível em

http://www.gazetadefisica.spf.pt/magazine/article/475/pdf

Energia Solar - António Varela - SESUL-UNL

Ponto da situação e caminhos para 2020 - João Farinha Mendes - LNEGANEXOS

Relatório de aplicação de Software SolTerm

Projecto – Esquema de Princípio de instalação solar de AQS + apoio aquecimento ambiente e aquecimento de água de piscina.

Sistemas Térmicos de Energia Solar ANEXOS

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ANEXO I

O Sol em Portugal Continental


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ANEXO II

Microcontrolador PIC16F887


Manuel Cerveira 99

ANEXO III.1

Condicionador de Sinal AMPOP - LM358


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ANEXO III.2


Manuel Cerveira 101

ANEXO IV

Conversor ULN 2803


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ANEXO V

RTC - Real Time Clock PCF 8583


Manuel Cerveira 103

ANEXO VI

Sensor de Temperatura – Sonda Pt1000

Caratteristiche tecniche sonda

Temperaturadifunzionamento -40°C ÷ +180°C

Sensore Termoresistenza PT 1000

Valore di resistenza a 0°C 1kΩ

Coefficiente α 0.00385 oK-1

Tensionediisolamento 500 Vac per 1 secondo

Cavo Silicone

Lunghezza cavo 2 m

Lunghezza sensore 28 mm

Diametrosensore 5,5 mm


Manuel Cerveira 105

Quadro 0.1 – Características do colector plano KBB K423 VH4L.

Descrição Tipo de construção Colector plano Área total do colector 2,51 m2 Área da placa absorvedora 2,327 m2 Área de abertura 2,30 m2 Caixa Alumínio, prensado por extrusão, anodizado Área de Aplicação Circulação forçada e termossifão Dimensões Comprimento x largura x altura 2168 x 1158 x 95 mm Peso 38,5 kg Cobertura 3,2 mm vidro de segurança, de elevada

transparência, resistente ao granizo Ligações Tubo de cobre Ø 22 mm Isolamento térmico na face posterior 50 mm lã mineral 70 kg/m3 + fibra de vidro Isolamento térmico na face lateral 30 mm lã mineral Placa absorvedora Material Superfície integral de alumínio sobre cobre Cobertura Bluetec Grau de eficiência 77,5 % Rendimento óptico η0 0,775 a1(w/m2.k) 3,33 a2 (w/m2.k) 0,0152 Capacidade das condutas de calor 1,30 litros Pressão admissível de funcionamento 10 bar Temperatura de estagnação (DIN 4753-3) 217 ºC Modo de montagem Vertical ou horizontal Caudal aconselhável por colector 120 l/h

Características do Acumulador WBO

Quadro 0.2 – Características do Acumulador WBO.

Designação – Acumulador WBO Unidades 212 DUO

Permutadores/serpentinas Inferior Superior

Capacidade litros 193 -

Desempenho NL n. DIN 4708 NL 4 0,8

Caudal constante água quente 45º/90º l/h (kW) 650 (26,5) 436/17,6

Caudal constante água quente 60º/90º l/h (kW) 387/22,6 260/15,2

Potência máxima área de aquecimento kW 27 18

Área do permutador térmico m2 0,8 0,5

Temperatura máxima admissível da água ºC 95 -

Pressão máxima admissível da água bar 10 -

Temp máx admissível do aquecimento (ºC) 130 160 -

Pressão máxima admissível do aquecimento bar 16 -

Isolamento mm 55-PUR -

Capacidade do permutador térmico litros 5,3 3,5

Consumo de água de aquecimento M3/h 2 1,2

Perda de pressão do permutador térmico mbar 75 54

Perdas energéticas - 1,6 -


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Quadro 0.3 – Características do Acumulador WBO - continuação.

Designação – Acumulador WBO Unidades 212 DUO

Diâmetro com isolamento (D) mm 520 -

Diâmetro do depósito (d) mm 420 -

Altura para entrada de água fria (E) mm 120 -

Altura para entrada de água quente (F) mm 1452 -

Altura de recirculação (G) mm 517 -

Altura (H) mm 1582 -

Cota de inclinação (W) mm 1670 -

Altura de ligação de aquecimento – ida (K) mm 1237 -

Altura de ligação de aquecimento – retorno (L) mm 887 -

Altura ida solar (M) mm 632 -

Altura retorno solar (N) mm 120 -

Altura flange (O-) mm 317 -

Altura entrada resistência eléctrica (R) mm 812 -

Altura de entrada da sonda 1 (X1) mm 372 -

Altura de entrada da sonda 2 (X2) mm 1572 -

CONEXÕES

Ligação de água quente /fria R 3/4 -

Sistema de circulação R 3/4 -

Alimentação/retorno Rp - 1

Sistema solar/retorno Rp 1 -

Ligação da resistência eléctrica Rp 11/2 -

Flange NW 100 -

Manga do sensor Rp 1/2 1/2

Manga do termómetro Rp 1/2 1/2

Ânodo Rp 1 1

Peso (vazio) kg 92 -

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