Dimensionamento básico - aquecimento solar.pdf

UNIVERSIDADE FEDERAL DE ITAJUBÁ MESTRADO EM ENGENHARIA DE ENERGIA DISCIPLINA: TECNOLOGIAS EM ENERGIAS RENOVÁVEIS I PROFESSOR: DR. ARNALDO MARTÍN MARTÍNEZ REYES

Névio Melcar Undécimus de Faria

Yáscara Fabrina Fernandes da Costa e Silva

Dimensionamento de coletor solar e respectivo reservatório para aplicações de aquecimento de

água 1 Introdução;

2 Dimensionamento;

– Localização e clima do local;

– Volume de consumo de água quente;

– Cálculo do volume do sistema de armazenamento;

– Cálculo da energia útil e perdas;

– Área do coletor;

– Número de coletores.

3 Conclusão.

Referências

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Universidade Federal de Itajubá

1 INTRODUÇÃO

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Um SAS é composto por: coletores solares,

reservatório térmico, aquecimento auxiliar,

acessórios e suas interligações hidráulicas.

Figura 1 - Instalação de SAS em apartamentos.

Fonte: Agência RENOVA, 2014.

1 INTRODUÇÃO

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Norma Brasileira NBR 15569: estabelece os requisitos para o SAS, considerando aspectos de concepção, dimensionamento, arranjo hidráulico, instalação e manutenção, onde o fluido de transporte é a água. A documentação do projeto do SAS é complexa. O dimensionamento do sistema, por meio da determinação da área coletora e do volume de armazenamento são só partes desse conjunto.

2 DIMENSIONAMENTO

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O dimensionamento das instalações solares para aquecimento de água consiste em: determinar a área coletora e o volume do sistema de armazenamento necessário para atender à demanda de energia útil de um determinado perfil de consumo.

Figura 2 – Subsistemas (de modo geral) de um SAS e princípio de funcionamento.

Fonte: ABRAVA, 2014.

2 DIMENSIONAMENTO

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Fatores: condições climáticas e locais, da demanda de água quente, da radiação solar disponível, além da instalação e configuração do sistema. Os passos utilizados neste trabalho para dimensionar o SAS seguem a Metodologia de Cálculo 2, apresentada no anexo B da NBR 15569.

2 DIMENSIONAMENTO 2.1 Localização e clima do local

Localização

• Estado do Rio Grande do Norte;

• Cidade de Mossoró;

• Latitude Sul de 5,1875’;

• Longitude Oeste de 37,344167’;

• 18m acima do mar.

Figura 3 – Mapa (Microrregião de Mossoró).

Fonte: IDEMA, 2008.

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Figura 4 - Mapa pluviométrico do RN.

Fonte: EMPARN, 2008.

Clima

• Tropical semiárido;

• Temperaturas elevadas (média anual 28ºC);

• Ventos secos e constantes;

• Maiores índices pluviométricos entre fevereiro e maio;

• Menores índices pluviométricos de junho a janeiro.



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Irradiação solar diária mensal para a cidade de Mossoró/RN

Figura 5 – Tabela com valores de irradiação solar diária mensal para a cidade de Mossoró/RN.

Fonte: CRESESB, 2014.



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Irradiação solar diária mensal para a cidade de Mossoró/RN

Figura 6 – Gráfico comparativo entre a irradiação solar no plano inclinado considerando-se a latitude local.

Fonte: CRESESB, 2014.



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O coletor será instalado no telhado de uma residência unifamiliar típica da região, cujo telhado inclina-se em aproximadamente 15º, e este será considerado o ângulo de inclinação 𝛽 do coletor.

De acordo com a Norma, o valor mínimo a ser adotado para 𝛽ó𝑡𝑖𝑚𝑜 equivale ao valor do módulo da latitude + 10º. No entanto, esta recomendação não se aplica à baixíssimas latitudes, como é o caso. A Figura 1 mostra que, para a região, a maior média anual foi obtida para uma inclinação de 4º, portanto será considerada uma inclinação ótima 𝛽ó𝑡𝑖𝑚𝑜 de 5º, ou seja, praticamente igual à latitude local.


2 DIMENSIONAMENTO 2.2 Volume de consumo de água quente

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V = Q𝑝𝑢 × T𝑝𝑢 × 𝑓𝑟𝑒𝑞𝑢ê𝑛𝑐𝑖𝑎 𝑑𝑒 𝑢𝑠𝑜

Onde: V - volume de água quente consumida diariamente (𝑚3); Q𝑝𝑢- vazão da peça utilizada (𝑚3/𝑠);

T𝑝𝑢- tempo médio de uso diário da peça utilizada (s);

𝑓𝑟𝑒𝑞𝑢ê𝑛𝑐𝑖𝑎 𝑑𝑒 𝑢𝑠𝑜 – número de usos diários da peça utilizada.



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Figura 7 – Consumo de pontos de utilização de água quente.

Fonte: NBR 15569, 2008.


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Padrão familiar: 4 pessoas - 2 duchas de banho V=720L; - 3 lavatórios V=93,6L; - 1 pia de cozinha V=115,2L; - 1 lava-louças V=20L/ciclo.


Fonte: JV Dias Construtora.

𝑉𝑐𝑜𝑛𝑠𝑢𝑚𝑜 𝑑𝑒 á𝑔𝑢𝑎 𝑞𝑢𝑒𝑛𝑡𝑒 𝑡𝑜𝑡𝑎𝑙= 948,8𝐿 𝑜𝑢 0,948𝑚3 (𝑑𝑖á𝑟𝑖𝑜)

Figura 8 – Planta baixa da residência estudada.

2 DIMENSIONAMENTO 2.3 Volume do sistema de armazenamento

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𝑉𝑎𝑟𝑚𝑎𝑧𝑒𝑛𝑎𝑚𝑒𝑛𝑡𝑜 = 𝑉𝑐𝑜𝑛𝑠𝑢𝑚𝑜 𝑑𝑒 á𝑔𝑢𝑎 𝑞𝑢𝑒𝑛𝑡𝑒 𝑡𝑜𝑡𝑎𝑙 ×(𝑇𝑐𝑜𝑛𝑠𝑢𝑚𝑜 − 𝑇𝑎𝑚𝑏𝑖𝑒𝑛𝑡𝑒)

(𝑇𝑎𝑟𝑚𝑎𝑧𝑒𝑛𝑎𝑚𝑒𝑛𝑡𝑜−𝑇𝑎𝑚𝑏𝑖𝑒𝑛𝑡𝑒)

Onde: 𝑉𝑐𝑜𝑛𝑠𝑢𝑚𝑜 𝑑𝑒 á𝑔𝑢𝑎 𝑞𝑢𝑒𝑛𝑡𝑒 𝑡𝑜𝑡𝑎𝑙 - volume de consumo diário em (𝑚3);

𝑇𝑐𝑜𝑛𝑠𝑢𝑚𝑜 - temperatura de consumo (ºC); 𝑇𝑎𝑟𝑚𝑎𝑧𝑒𝑛𝑎𝑚𝑒𝑛𝑡𝑜 - temperatura de armazenamento da água (ºC); 𝑇𝑎𝑚𝑏𝑖𝑒𝑛𝑡𝑒 - temperatura ambiente média anual do local de instalação.


2 DIMENSIONAMENTO 2.3 Volume do sistema de armazenamento

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𝑉𝑎𝑟𝑚𝑎𝑧𝑒𝑛𝑎𝑚𝑒𝑛𝑡𝑜 = 0,948 ×(45 − 28)

(50 − 28)= 0,7332 𝑚3

• Temperatura de armazenamento: 50ºC; • Temperatura de consumo: 45ºC; • Temperatura ambiente média: 28ºC. Conforme a norma, o volume de armazenamento deve ser maior ou igual a 75% do volume de consumo. Neste trabalho, essa condição foi estabelecida, já que 0,7332 > 0,711 (75% de 0,948 𝑚3).


Figura 9 – Reservatório 800L.

Fonte: Empresa Solar e Sol, 2014.

2 DIMENSIONAMENTO 2.4 Cálculo da energia útil e perdas

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𝐸ú𝑡𝑖𝑙 =V𝑎𝑟𝑚𝑎𝑧𝑒𝑛𝑎𝑚𝑒𝑛𝑡𝑜 × 𝜌 × 𝐶𝑝 × (𝑇𝑎𝑟𝑚𝑎𝑧𝑒𝑛𝑎𝑚𝑒𝑛𝑡𝑜 − 𝑇𝑎𝑚𝑏𝑖𝑒𝑛𝑡𝑒)

3600

𝐸𝑝𝑒𝑟𝑑𝑎𝑠 = 0,15 × 𝐸ú𝑡𝑖𝑙

Onde: 𝜌 − massa específica da água (1000 kg/m³); 𝐶𝑝 − calor específico da água (4,18kJ/kg.K).

𝐸ú𝑡𝑖𝑙 =0,7332 × 1000 × 4,18 × (50 − 28)

3600= 18,72 𝑘𝑊ℎ 𝑑𝑖𝑎

𝐸𝑝𝑒𝑟𝑑𝑎𝑠 = 0,15 × 18,72 = 2,81 𝑘𝑊ℎ/𝑑𝑖𝑎


2 DIMENSIONAMENTO 2.5 Área coletora

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𝐴𝑐𝑜𝑙𝑒𝑡𝑜𝑟 =(Eú𝑡𝑖𝑙+E𝑝𝑒𝑟𝑑𝑎𝑠) × 𝐹𝐶𝑖𝑛𝑠𝑡𝑎𝑙 × 4,091

𝑃𝑀𝐷𝐸𝐸 × 𝐼𝑔

Onde: 𝐹𝐶𝑖𝑛𝑠𝑡𝑎𝑙– fator de correção para inclinação e orientação do coletor solar; 𝑃𝑀𝐷𝐸𝐸– produção média diária de energia específica do coletor solar (kWh/ 𝑚2); 𝐼𝑔– valor da irradiação global média anual para o local da instalação

(kWh/ 𝑚2. 𝑑𝑖𝑎).



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𝐹𝐶𝑖𝑛𝑠𝑡𝑎𝑙 =1

1 − [1,2 × 10−4 × (𝛽 −𝛽ó𝑡𝑖𝑚𝑜)2 + 3,5 × 10−5 × 𝛾2]

𝑃𝑀𝐷𝐸𝐸 = 4,901 × 𝐹𝑟𝜏𝛼 − 0,0249 × 𝐹𝑟𝑈𝐿 Onde: 𝛾 - ângulo de orientação dos coletores solares em relação ao norte

geográfico (valor adotado = 15º);

𝐹𝑟𝜏𝛼– coeficiente de ganho do coletor solar (adimensional);

𝐹𝑟𝑈𝐿- coeficiente de perdas do coletor solar (adimensional).



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Os valores de 𝐹𝑟𝜏𝛼 e 𝐹𝑟𝑈𝐿 são específicos de cada modelo de coletor.

Neste trabalho, escolheu-se fazer a comparação entre dois modelos, um de classe A e outro de classe B, apresentados a seguir:

• Fabricante: AQUATHERM. Modelo Aqua Prime 2.0. 𝐹𝑟𝜏𝛼= 0,830 e

𝐹𝑟𝑈𝐿= 7,110. Classe A.

• Fabricante: AQUATHERM. Modelo Aquasol 2.0. 𝐹𝑟𝜏𝛼= 0,696 e 𝐹𝑟𝑈𝐿=

6,183. Classe B.



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Desta forma, foram obtidos os seguintes valores:

𝐹𝐶𝑖𝑛𝑠𝑡𝑎𝑙 =1

1 − [1,2 × 10−4 × (15 − 5 )2 + 3,5 × 10−5 × 152]

𝐹𝐶𝑖𝑛𝑠𝑡𝑎𝑙 = 1,01

𝑃𝑀𝐷𝐸𝐸 𝑚𝑜𝑑𝑒𝑙𝑜 𝐴 = 4,901 × 0,830 − 0,0249 × 7,110 = 3,200 𝑘𝑊ℎ/𝑚2 𝑃𝑀𝐷𝐸𝐸 𝑚𝑜𝑑𝑒𝑙𝑜 𝐵 = 4,901 × 0,696 − 0,0249 × 6,183 = 2,656 𝑘𝑊ℎ/𝑚2

𝐴𝑐𝑜𝑙𝑒𝑡𝑜𝑟−𝐴 =(18,72 + 2,81) × 1,01 × 4,091

3,200 × 5,50= 6,05𝑚2

𝐴𝑐𝑜𝑙𝑒𝑡𝑜𝑟−𝐵 =(18,72 + 2,81) × 1,01 × 4,091

2,656 × 5,50= 7,296 𝑚2


2 DIMENSIONAMENTO 2.6 Número de coletores

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A área do coletor classe A é 2,01𝑚2; A área do coletor classe B é 2,0𝑚2; Ou seja, para os valores calculados, teríam-se as seguintes opções: 3 coletores do tipo A ou 4 coletores do tipo B.

Como escolher?!


3 CONCLUSÃO

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O reservatório escolhido para o SAS deverá ser capaz de armazenar uma quantidade mínima de 0,7332 𝑚3 de água. Recomenda-se optar pelo

modelo de coletor solar classe A apresentado, já que seriam demandados apenas 3 unidades destes para suprir o volume de água quente, enquanto que, se utilizado o modelo de classe B, seriam necessárias 4 unidades. No entanto, é importante observar a questão de

custo/benefício.

REFERÊNCIAS

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ABNT - ASSOCIAÇÃO BRASILEIRA DE NORMAS TÉCNICAS. Norma Brasileira NBR 15569 - Sistema de Aquecimento Solar de Água em Circuito Direto. Rio de Janeiro, 2008. CRESESB - CENTRO DE REFERÊNCIA PARA ENERGIA SOLAR E EÓLICA SÉRGIO DE SALVO BRITO.Potencial Energético Solar – Sundata. Disponível em: <http://www.cresesb.cepel.br/sundata/index.php>. Acesso em: 04 de agosto de 2014. INSTITUTO NACIONAL DE METROLOGIA, QUALIDADE E TECNOLOGIA – INMETRO.Tabelas de consumo/eficiência energética. Coletores Solares Térmicos – aplicação banho.Disponível em: <http://www.inmetro.gov.br/consumidor/pbe/ColetoresSolares-banho.pdf>. Acesso em: 04 de agosto de 2014.

http://www.cresesb.cepel.br/sundata/index.php











http://www.inmetro.gov.br/consumidor/pbe/ColetoresSolares-banho.pdf













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