INSTITUTO FEDERAL DE EDUC., CIÊNCIA E TECNOLOGIA DA BAHIACAMPUS LAURO DE FREITAS
CURSO: TÉCNICO EM SISTEMAS DE ENERGIA RENOVÁVELDISCIPLINA: PROJETO E INSTALAÇÃO DE SISTEMA SOLAR TÉRMICO
Dimensionamento de Sistemas de Aquecimento Solar de Água
Prof. Dr. Fagner Barbosa Ferraz
PROJETO E INSTALAÇÃO DE SISTEMA SOLAR TÉRMICO
DIMENSIONAMENTO DE SAS
- O objetivo do dimensionamento é determinar qual é o
volume do sistema de armazenamento e a área
coletora necessários para atender à demanda de energia
útil de um determinado perfil de consumo.
Como dimensionar um sistema para
aquecimento de água usando coletor solar ?
DETERMINAR O VOLUME DE ÁGUA QUENTE
DIMENSIONAMENTO DE SAS
DETERMINAR O VOLUME DE ÁGUA QUENTE
ESTÁ ASSOCIADO À:
• Pontos de consumo de água quente;
• Número de usuários;
• Frequência de utilização;
• Nível de conforto desejado.
Nível de conforto
- Vazão típica de um chuveiro elétrico = 3 a 6 litros por minuto
- Vazão de uma ducha = varia, podendo chegar a vazões > 30 litros
- Vazão recomendada para atingir um bom nível de conforto = 7 a
10 litros/ minuto
- tempo de banho = 8 a 10 minutos
Consumo médio por ponto de consumo (NBR 15.569)
Consumo médio de água quente por peça para referência
Peça Consumo diário
Ducha 70 a 90 litros / pessoa
Lavatório 5 a 7 litros / pessoa
Bidê 5 a 7 litros / pessoa
Cozinha 20 a 30 litros / pessoa
Lavanderia 8 a 15 litros / kg de roupa seca
Banheira 30 a 50% do volume da banheira
*
* – valor considerando 1 banho/dia/pessoa
Valores médios de referência
EXEMPLO DE RESIDÊNCIA EM SÃO PAULO
Residência com:
- 5 moradores
Peça Consumo por peça Consumo
total
Ducha 10 min – 80l x5 400
Lavatório 7l x 5 35
Cozinha 20l x 5 100
Hidromassagem 0,5 x 150l 75
Consumo total diário 610 litros
Cálculo do consumo diário de água quente
Escolhe-se um RT padrão de mercado que seja de volume
igual ao do consumo diário estimado de água quente
(Tolerância de 25%)
No exemplo =
Tabela 1
600 litros
EXEMPLO DE RESIDÊNCIA EM SÃO PAULO
DETERMINAR ÁREA E NÚMERO DE COLETORES
DIMENSIONAMENTO DE SAS
Cálculo da Área e Número de coletores
Aspectos a considerar:
• Eficiência do coletor
• Temperatura do local
• Radiação solar disponível (kWh/m2/dia)
• Volume de água quente necessário
O cálculo é feito em função da tecnologia e dos materiais empregados na
fabricação de cada modelo e da região que será instalado.
Normalmente a quantidade de coletores é proporcional ao volume de
água e segue a relação de 1 m2 de área coletora para cada 100 l.
Pode haver variação de acordo com a localização.
Cálculo da Área e Número de coletores
Localidade Área de Coletor (m2) para cada 100 litros
São Paulo 1,75 – 1,85
Campinas 1,20 – 1,30
Ubatuba 1,65 – 1,75
Bauru 1,10 – 1,20
Campos do Jordão 2,00 – 2,10
Ribeirão Preto 1,00 – 1,10
Presidente Prudente 1,10 – 1,20
Relação volume / área do coletores para algumas cidades
Obs: relação desenvolvida para uma eficiência média de coletor, vidros lisos
Opção 1- Tabela fornecida por fabricante
Tabela 2
EXEMPLO DE RESIDÊNCIA EM SÃO PAULO (CONTINUAÇÃO)
O número de coletores deverá ser selecionado de acordo com
o volume do reservatório e o padrão do mercado de coletores.
No nosso exemplo, em São Paulo, consideramos um coletor
de 1,6 m2 (comercial). Assim sendo, de acordo com a Tabela
2, necessitaremos de :
=
1,75 m2 - 100 l
X - 600 l
7 coletores10,5 m2 de coletores
Cálculo da Área e Número de coletores
EXEMPLO DE RESIDÊNCIA EM SÃO PAULO (CONTINUAÇÃO)
Cálculo via equação de balanço de energia:
Opção 2
tcmARSI =
Onde:
RSI – Radiação horária média mensal – kWh/m2
C= 4180 joules/kgoC – calor específico da água
m – massa de água (kg) ou litros
eficiência do coletor
A – área do coletor
- diferença entre a temperatura de entrada e saída do coletor o C
t
= 1000 kg/m3
Cálculo da área e número de coletores
Exercício 1
Em uma casa com 5 moradores, calcule a quantidade de água diária
aquecida e capacidade do boiler. Deve-se utilizar as peças da tabela
abaixo, com ducha de vazão 9 l/min, banheira com uso eventual e
cozinha com utilização racional:
Exercício 2
Dados:
Radiação solar – 5,6 kWh/m2
Área do painel – 2 módulos de 1,6 m2
Latitude: 23,5 0C
Eficiência térmica – 50%
Tfi – entrada do coletor – 15 graus C
Tfs – saída do coletor – 45 0C
Cp – calor específico – 4186 joules/kg.oC
Densidade da água = 1000kg/m3
Calcule : Quantidade de água diária aquecida e capacidade do boiler
COMO INSTALAR O COLETOR SOLAR?
DIMENSIONAMENTO DE SAS
São Paulo
3,0
3,2
3,4
3,6
3,8
4,0
4,2
4,4
4,6
4,8
5,0
1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12
Mês
kW
h/m
2.d
ia
Irradiação
Inclinação (b)
23,3
33,3
Pior mês = menor radiação
Inclinação: Latitude + 100 = (23,30 + 100)
Maximiza energia coletada no inverno
Face Norte – Verdadeiro ou geográfico
Os coletores solares devem ser direcionados para o Norte
geográfico. Com o uso de bússola, para localização, é necessário
fazer um ajuste em graus para encontrar a posição correta.
COMO ACHAR?
Face Norte – Verdadeiro ou geográfico
A declinação magnética de um local é a medida do ângulo
formado entre a direção do norte magnético (apontado pela
agulha da bússola), e a direção do norte geográfico. Adota-se a
seguinte convenção:
- declinação positiva: significa que o norte magnético se
encontra a leste do norte verdadeiro (no sentido horário).
- declinação negativa significa que o norte magnético está a
oeste do norte verdadeiro (no sentido anti-horário).
Face Norte – Verdadeiro ou geográfico
Observe na tabela abaixo a declinação magnética em graus para
as principais cidades brasileiras.
Face Norte – Verdadeiro ou geográfico
Como base na observação da orientação e inclinação de um
telhado é bem provável que o mesmo não esteja orientado
exatamente para o norte geográfico.
A tabela abaixo, apresenta fatores para compensação de
área para coletores lisos em função do desvio da
orientação do mesmo.
Face Norte – Verdadeiro ou geográfico (EXEMPLO)
Ao avaliarmos o projeto de localização da cobertura definimos a água do
telhado em destaque na figura abaixo.
Esta parte do telhado entretanto, apresenta um desvio em relação ao
Norte magnético de 20 graus oeste.
Como o norte magnético está a aproximadamente 20 graus a oeste do
norte geográfico para São Paulo, teremos um desvio total de 40 graus .
A inclinação do telhado é de 19 graus.
Compensação da área devido ao desvio.
Área total X Fator de compensação =
10,5 m2 X 1,18 = 12,4 m2
Considerando o coletor de 1,6 m2 –
recomenda-se a instalação de 8 coletores.
DIMENSIONAMENTO DE SAS
Existem diversos programas para dimensionamento de
sistemas de aquecimento solar de água. Cada programa tem
sua particularidade, priorizando certos aspectos e aplicações.
O dimensionamento adequado dos componentes de um
sistema de energia solar é uma tarefa complexa uma vez que
inclui componentes previsíveis (características de
desempenho do coletor solar e outros componentes) e não
previsíveis (dados meteorológicos).
DIMENSIONAMENTO DE SAS
- O dimensionamento pode ser realizado através de
simulações complexas dos sistemas envolvidos utilizando
ferramentas computacionais como, por exemplo, TRNSYS,
Polysun ou T*Sol, que podem ser utilizadas para estudos
de otimização de sistemas.
- Ou através de ferramentas que fornecem resultados de
pré-dimensionamento e de viabilidade de projetos de
sistemas solares, como por exemplo: Transol, F-Chart,
SAM e outras ferramentas disponíveis na web, como por
exemplo, Dimensol e RETScreen, etc.
DIMENSIONAMENTO DE SAS
- O método da Carta-F (F-chart) é uma análise
extremamente útil para o projeto de sistemas de
aquecimento solar, especialmente para determinar a área
de coletores.
- Como resultado final dos cálculos, obtém-se o valor da
fração da carga de aquecimento anual fornecida com
energia solar.
- O valor da fração anual recomendada fica em torno de 50
a 70%. Desta forma, a fração restante ficará a cargo da
fonte auxiliar de energia.
USANDO O PROGRAMA DIMENSOL
DIMENSOL
- Dimensol é uma ferramenta desenvolvida para o
dimensionamento de SAS, permitindo ao usuário avaliar as
economias proporcionadas e realizar análises de
investimento do sistema dimensionado.
- O usuário poderá avaliar a radiação incidente nos
coletores solares, realizar projeções de consumo conforme
locais de utilização de água quente e obter a fração solar
da instalação com base no método da Carta-F.
Cadastrar no site PROCEL e baixar o aplicativo:
Fazer o Cadastro, incluindo a cidade e Estado para os
dados geográficos e de radiação
Valores do Banco de Dados
Cálculos (Radiação):
Refletância local: Grau de refletância médio dos materiais que
estão nas vizinhanças dos coletores. Seu valor pode ser
aproximado a partir dos dados da tabela "Dados de refletância"
que é mostrada a seguir:
Cálculos (Radiação):
Orientação do Coletor: Ângulo entre a projeção da reta normal à
superfície do coletor no plano horizontal e a linha no plano
horizontal que define a direção norte-sul, medido a partir do
sul. Ele é positivo a oeste e negativo a leste desta linha. Seus
valores devem estar compreendidos entre -180º e 180º.
Cálculos (Radiação):
Inclinação do Coletor: Ângulo entre o plano inclinado que
contém a superfície do coletor e o plano horizontal. (Latitude
local).
Cálculos (Radiação):
Inclinação: Latitude + 100
Maximiza energia coletada no inverno
Na Tabela vemos alguns exemplos:
Cálculos (Radiação):
Cálculos (Radiação):
OBS: Kt Méd - Índice de claridade média mensal. É a razão entre a
radiação global diária média mensal e a radiação extraterrestre;
Cálculo do volume total de água quente consumido na
instalação que deve ser suprido pelo SAS diariamente.
Dimensionamento:
Valores sugeridos: exibe uma janela, mostrada na Figura abaixo,
com valores padronizados de consumo de água.
Dimensionamento:
Dados do Exercício (Cálculo manual):
Dimensionamento:
OBS: Nº de coletores sugerido para os padrões utilizados em BH
(1 m² de área coletora para cada 100 l de água do reservatório .
Carta F
São Paulo é 1,75
m² p/ 100 l
Onde:
FrUt - Fator de Perdas;
FRT -Rendimento Ótico.
1,75 x 2 m² =
10,5 m²
5 coletores
Li: Demanda energética mensal para aquecimento do volume
de água da instalação;
Ht: Radiação global incidente no plano inclinado média mensal
(calculada pelo modelo de radiação);
f: Fração solar mensal. É a razão entre a energia suprida pelo
sistema de aquecimento solar (Qsolar) e a demanda mensal de
energia da instalação (Li);
fLtotal: Energia total suprida anualmente pelo sistema de
aquecimento solar;
fLtotal sombra: Energia total suprida anualmente pelo sistema
de aquecimento solar, considerando o efeito do sombreamento.
Dados de Saída
Carta F
Potência total sugerida: Valor de potência considerando a menor
potência total necessária para aquecer um terço do volume do
reservatório até a temperatura de set-up em uma hora.
Auxiliar Elétrico: