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Agosto de 2019
ESTUDO DE UM SISTEMA DE CONDICIONAMENTO DE AR SOLAR
FOTOVOLTAICO COM ARMAZENAMENTO DE ENERGIA TÉRMICA E
SELEÇÃO DE SEUS COMPONENTES
Breno Miquelino Amorim
Projeto de Graduação apresentado ao Curso de
Engenharia Mecânica da Escola Politécnica,
Universidade Federal do Rio de Janeiro, como
parte dos requisitos necessários à obtenção do
título de Engenheiro.
Orientador(es): David Alves Castelo Branco
Rodrigo Milani
Rio de Janeiro
AGOSTO DE 2019
ESTUDO DE UM SISTEMA DE CONDICIONAMENTO DE AR SOLAR
FOTOVOLTAICO COM ARMAZENAMENTO DE ENERGIA TÉRMICA E
SELEÇÃO DE SEUS COMPONENTES
Breno Miquelino Amorim
PROJETO DE GRADUAÇÃO SUBMETIDO AO CORPO DOCENTE DO CURSO DE
ENGENHARIA MECÂNICA DA ESCOLA POLITÉCNICA DA UNIVERSIDADE
FEDERAL DO RIO DE JANEIRO COMO PARTE DOS REQUISITOS
NECESSÁRIOS PARA A OBTENÇÃO DO GRAU DE ENGENHEIRO MECÂNICO.
Examinado por:
Prof. David Alves Castelo Branco, D.Sc
Prof. Pedro Rua Rodriguez Rochedo, D.Sc
Rodrigo Milani, M.Sc
RIO DE JANEIRO, RJ - BRASIL
3
Amorim, Breno Miquelino
Estudo de um sistema de condicionamento de ar solar
fotovoltaico com armazenamento de energia térmica e seleção
de seus componentes / Breno Miquelino Amorim. – Rio de
Janeiro: UFRJ / Escola Politécnica, 2019.
VIII, 120 p.: il.; 29,7 cm.
Orientadores: David Alves Castelo Branco
Rodrigo Milani
Projeto de Graduação – UFRJ / Escola Politécnica / Curso
de Engenharia Mecânica, 2019.
Referências Bibliográficas: p. 109-114.
1. Condicionamento de ar. 2. Energia solar fotovoltaica. 3.
Armazenamento de energia térmica. I. Alves Castelo Branco,
David, et al. II. Universidade Federal do Rio de Janeiro, Escola
Politécnica, Curso de Engenharia Mecânica. III. Estudo de um
sistema de condicionamento de ar solar fotovoltaico com
armazenamento de energia térmica e seleção de seus
componentes.
4
Agradecimentos
Aos meus pais, Rosane e Helio, pelo amor e conhecimento fundamentais à minha
formação humana e acadêmica. Ao meu irmão Igor, pelo apoio incondicional e
companheirismo com o qual conto desde sempre, até nas horas mais dificeis.
À minha família e aos meus amigos, com os quais pude compartilhar momentos
importantes, tanto de alegria quanto de tristeza, e foram essenciais para tornar a minha
caminhada mais prazerosa e significativa.
Aos meus orientadores, David e Rodrigo, por terem me apresentado e confiado
este projeto, pela orientação, paciência e conhecimento compartilhados comigo no
desenvolvimento deste trabalho.
5
Resumo do Projeto de Graduação apresentado à Escola Politécnica / UFRJ como parte
dos requisitos necessários para a obtenção do grau de Engenheiro Mecânico.
Estudo de um sistema de condicionamento de ar solar fotovoltaico com armazenamento
de energia térmica e seleção de seus componentes
Breno Miquelino Amorim
Agosto de 2019
Orientadores: David Alves Castelo Branco
Rodrigo Milani
Curso: Engenharia Mecânica
Este trabalho dimensionou um sistema de condicionamento de ar solar fotovoltaico com
armazenamento de energia térmica.. Para elaborar tal sistema, este projeto é divido em
duas partes: A primeira é um estudo sobre as principais tecnologias que compoem o
sistema geral, ou seja, sistemas de ar condicionado solares, sistemas solares fotovoltaicos,
e sistemas de armazenamento de energia. A segunda parte consite, primeiro, no cálculo
da carga térmica para o ambiente a ser climatizado proposto, um futuro laboratório do
PPE – COPPE/UFRJ, realizado através do software EnergyPlus, tendo como base um
arquivo meteorológico contendo informações climáticas e de irradiação solar para a
localidade de 1973 até 2018. Seguidamente, é feita a seleção dos componentes que
integram o sistema de condicionamento de ar solar proposto. Para isso, o sistema geral é
dividido em sistemas menores especificados pelas suas funções, e seus componentes são
selecionados através de metodologias próprias, as quais são apresentadas nas seções de
cada subsistema. Ao final, foi feito um modelo no programa Excel para simular a
performance do sistema, o qual verificou a capacidade do sistema de climatizar o
ambiente proposto com uso exclusivo de irradiação solar, validando as metodologias de
seleção empregadas.
Palavras-chave: Condicionamento de Ar, Energia Solar Fotovoltaica, Armazenamento de
Energia Térmica.
6
Abstract of Undergraduate Project presented to Poli/UFRJ as a partial fulfilment of the
requirements for the degree of Mechanical Engineer.
The study of a solar photovoltaic air conditioning system with thermal
energy storage and the selection of its components
Breno Miquelino Amorim
August of 2019
Advisor: David Alves Castelo Branco
Rodrigo Milani
Course: Mechanical Engineering
This work developed a solar photovoltaic air conditioner combined with thermal energy
storage. In order to design it, this paper is divided in two parts: the first part is a study of
the main technologies that compose the overall system, i.e., solar powered air conditioners,
solar photovoltaic systems, and energy storage. The second part begins with the thermal
load calculation for the environment to be air conditioned, a forthcoming PPE –
COPPE/UFRJ laboratory, performed by the software EnergyPlus. For this computation, it
is employed a file containing weather and solar radiation data for the location from 1973 to
2018. Next, the components which integrate the proposed solar air conditioner system are
selected. For this purpose, the overall system is subdivided in smaller systems determined
by their functions, and their respective components are selected through specific
methodologies presented in the sections of each subsystem. In the end, the software Excel
is used to create a computational model to simulate the air conditioner performance. The
simulation verified the system capacity for air conditioning the environment solely by solar
energy, validating the selection methodologies employed.
Keywords: Air Conditioning, Solar Photovoltaic Energy, Thermal Energy Storage.
7
Sumário 1. Introdução ......................................................................................................................................... 9
1.1 Motivações .................................................................................................................................. 9
1.2 Objetivos ................................................................................................................................... 11
2. Sistemas de Condicionamento Solares .......................................................................................... 13
2.1 Sistemas de refrigeração ........................................................................................................... 13
2.1.1 Ciclo de refrigeração ideal .............................................................................................. 13
2.1.2 Ciclo de refrigeração real ................................................................................................ 14
2.1.3 Primeira lei da termodinâmica e coeficiente de performance ......................................... 15
2.2 Aparelhos de ar condicionado solares ....................................................................................... 17
2.2.1 Sistema de ar condicionado solar térmico ...................................................................... 17
2.2.2 Sistema de ar condicionado fotovoltaico ........................................................................ 21
2.2.3 Curvas de cargas típicas .................................................................................................. 22
3. Sistemas Fotovoltaicos e Armazenamento .................................................................................... 25
3.1 Radiação Solar .......................................................................................................................... 25
3.1.1 Tipos de radiação solar ................................................................................................... 25
3.1.2 Geometria Sol – Terra .................................................................................................... 26
3.1.3 Softwares de fornecimento e tratamento de dados ......................................................... 28
3.1.4 Localização e disponibilidade de irradiação solar .......................................................... 29
3.2 Sistema Fotovoltaico ................................................................................................................. 31
3.2.1 Efeito Fotovoltaico ......................................................................................................... 31
3.2.2 Células Fotovoltaicas ...................................................................................................... 32
3.2.3 Sistemas Fotovoltaicos ................................................................................................... 33
3.2.4. Módulos fotovoltaicos .................................................................................................... 35
3.2.5. Principais fatores que alteram as características dos módulos........................................ 37
3.2.6. Associação de módulos fotovoltaicos ............................................................................. 38
3.2.7. Inversores ........................................................................................................................ 40
3.3 Armazenamento de Energia ...................................................................................................... 41
3.3.1 Benefícios do Armazenamento de Energia ..................................................................... 41
3.3.2 Métodos de Armazenamento de Energia ........................................................................ 41
3.3.3. Armazenamento em energia mecânica ........................................................................... 41
3.3.4 Armazenamento em energia química ............................................................................. 44
3.3.5 Armazenamento em energia térmica .............................................................................. 45
4. Sistemas Propostos.......................................................................................................................... 51
4.1 Sistema de ar condicionado solar fotovoltaico.......................................................................... 51
4.2 Sistema fotovoltaico .................................................................................................................. 52
8
5. Dimensionamento do Sistema de Condicionamento de Ambiente ............................................. 54
5.1 Carga Térmica ........................................................................................................................... 54
5.1.1 Cálculo da Carga Térmica .............................................................................................. 54
5.1.2 Resultados da Carga Térmica ......................................................................................... 62
5.2 Sistema de Armazenamento Térmico ....................................................................................... 63
5.2.1 Meio armazenador .......................................................................................................... 63
5.2.2 Tanque de Armazenamento ............................................................................................ 68
5.3 Sistema de Resfriamento do Ar ................................................................................................ 73
5.3.1 Resfriador de Ar ............................................................................................................. 73
5.3.2 Verificação do Líquido Refrigerante .............................................................................. 81
5.3.3 Bomba de Circulação ...................................................................................................... 83
5.3.4 Resumo dos Investimentos ............................................................................................. 84
5.4 Sistema de Refrigeração............................................................................................................ 85
5.4.1 Unidade Condensadora ................................................................................................... 86
5.4.2 Evaporador – Trocador de calor submerso ..................................................................... 89
5.4.3 Válvula de expansão ....................................................................................................... 93
5.4.4 Resumo dos Investimentos ............................................................................................. 95
5.5 Sistema Fotovoltaico ................................................................................................................. 96
5.5.1 Painel Fotovoltaico ......................................................................................................... 96
5.5.2 Inversor ........................................................................................................................... 98
5.5.3 Resumo dos investimentos ........................................................................................... 100
6. Simulação e Resultados ................................................................................................................ 101
6.1 Simulação de Desempenho ..................................................................................................... 101
6.2 Resultados da Simulação ........................................................................................................ 102
6.3 Resumo dos Investimentos e Análise Econômica ................................................................... 106
7. Conclusão ...................................................................................................................................... 109
Referência Bibliográfica .................................................................................................................... 110
Anexos – Catálogos Técnicos ............................................................................................................ 116
Tanque armazenador ....................................................................................................................... 116
Resfriador de Ar ............................................................................................................................. 117
Bomba de Circulação ...................................................................................................................... 122
Unidade Condensadora ................................................................................................................... 123
Válvula de Expansão ...................................................................................................................... 127
Módulo Fotovoltaico ...................................................................................................................... 129
Inversor ........................................................................................................................................... 130
9
1. Introdução
1.1 Motivações As fontes alternativas de energia sustentável já são uma realidade prática no mundo
atual. Em 2017, a capacidade instalada de fontes renováveis foi de 2.179.448 MW [1],
correspondendo a cerca de 3,6% do consumo de energia primária no mundo [2]. Os avanços
tecnológicos na área permitiram não só a implementação de projetos em larga escala, e
progressivamente vem permitindo a introdução do uso de tais fontes em aplicações de médio e
pequeno porte, em estabelecimentos comerciais e residenciais, o que pode ocasionar aos poucos
a substituição de fontes não renováveis ou de grande impacto ambiental por outras renováveis
e de menor impacto. A figura 1.1 ilustra o avanço na utilização de fontes renováveis na última
década.
Figura 1.1: Participação em porcentagem do consumo mundial de energia por fonte
Fonte: [2].
O uso de combustíveis fósseis, associado ao avanço da urbanização, é um dos
responsáveis pela emissão dos gases de efeito estufa na atmosfera, que causam as chamadas
mudanças climáticas globais. Como consequência deste fenômeno, verifica-se um aumento na
ocorrência e no valor das temperaturas extremas da atmosfera terrestre [3]. Segundo uma
recente pesquisa da International Energy Agency (IEA), o emprego de aparelhos de ar
condicionado e de ventiladores elétricos vem crescendo nas últimas décadas, tendência que
pode ser observada na figura 1.2 abaixo, e contabiliza cerca de 6% de toda a energia elétrica
consumida em edificações no mundo, equivalendo a aproximadamente 10% de toda a
eletricidade consumida ao redor do globo [4].
10
Figura 1.2: Consumo de energia global para climatização em edificações
Fonte: [4].
Portanto, conclui-se a importância do desenvolvimento de sistemas de condicionamento
de ar abastecidos por fontesrenováveis, de modo a suprir a necessidade mundial de climatização
de ambientes sem contribuir para o agravamento das mudanças climáticas.
Para tanto, se faz necessário um estudo da localidade em que será instalado o sistema,
com o intuito de identificar uma fonte alternativa capaz de suprir a demanda de energia
requerida pela climatização. O Brasil tem enorme potencial para explorar energia solar, como
mostra a figura 1.3 abaixo, tendo inclusive, em qualquer região, uma irradiação solar global
horizontal média no ano (1500 – 2500 kWh/m²) superior aos países europeus como Alemanha
(900 – 1250 kWh/m²), França (900 – 1650 kWh/²) e Espanha (1200 – 1850 kWh/²), onde
projetos que visam à exploração desse tipo de energia são largamente disseminados, com grande
incentivo do governo [5].
Figura 1.3 – Irradiação solar global horizontal média no mundo
Fonte: [6].
Esse potencial, porém, não é aproveitado pelo país. A tabela 1.1 mostra a potência
instalada em projetos em operação no Brasil a partir de diversas fontes energéticas, assim como
o percentual respectivo em relação à potência instalada total.
11
Pode-se observar que a geração de potência elétrica de origem solar fotovoltaica tem
uma representação reduzida no âmbito nacional, de apenas 0,78% da potência instalada total,
permanecendo baixa inclusive em comparação com outras fontes alternativas, como a eólica
com 7,73% e a biomassa com 8,83%.
Fontes utilizadas no Brasil - Fase: Operação
Origem Quantidade de Plantas Potência Outorgada (kW) Potência Fiscalizada (kW) %
Fóssil 2.453 27.441.625 25.969.033 16,12
Biomassa 566 14.923.870 14.856.033 8,77
Nuclear 2 1.990.000 1.990.000 1,17
Hídrica 1.352 108.543.875 105.895.071 63,78
Eólica 615 15.106.789 15.079.493 8,88
Solar fotovoltaica 2.545 2.175.428 2.172.428 1,28
Undi-elétrica 1 50 50 0,00
Total 7.534 170.181.637 165.962.108 100
Tabela 1.1 – Potência produzida por fontes energéticas no Brasil
Fonte: [7].
1.2 Objetivos Tendo em vista os argumentos trazidos anteriormente, o projeto aqui abordado será o
desenvolvimento de um sistema de ar condicionado solar fotovoltaico com armazenamento de
energia térmica. Será explorado o uso de uma fonte alternativa renovável de baixo impacto
ambiental e abundante no Brasil, aplicada a uma atividade cotidiana gradativamente mais
relevante no mundo.
Este projeto é continuação do trabalho realizado em um laboratório do Programa de
Planejamento Energético (PPE) da COPPE/UFRJ, de autoria de Rodrigo Milani e Tássio
Simioni, com o título: Sistema de Armazenamento Térmico para Condicionamento de Ambiente
através de Fontes Renováveis [8]. O trabalho consistiu na apresentação do sistema de ar
condicionado fotovoltaico com armazenador de energia térmica e teve como objetivo principal
o selecionamento do material armazenador através das metodologias desenvolvidas.
Com a finalidade de desenvolver um sistema de ar condicionado semelhante ao descrito
no parágrafo anterior, o projeto aqui realizado empregará o conceito do aparelho de ar
condicionado e a metodologia utilizada no armazenador térmico que são apresentados e
elaborados no trabalho.
O sistema de ar condicionado será dimensionado para a implementação em um futuro
laboratório do PPE, em estágio atual de construção, de modo que se possa testar posteriormente,
na prática, este projeto.
A organização e conteúdo dos próximos capítulos estão dispostos da seguinte maneira:
• O capítulo 2 faz um breve estudo da teoria termodinâmica dos ciclos de
refrigeração, de modo a introduzir posteriormente os diferentes tipos de
sistemas de ar condicionado solares.
• O capítulo 3 reserva-se aos conceitos do sistema fotovoltaico e do sistema
12
armazenador de energia. Para isso, abrange um estudo sobre a radiação solar e
sua disponibilidade na superfície terrestre, seguido por uma apresentação dos
principais componentes constituintes do sistema, introduzindo também as
diferentes configurações de conexão dos sistemas fotovoltaicos. Ainda neste
capítulo, são apresentadas as tecnologias de armazenamento de energia,
prevalecendo o foco no método de armazenamento de energia térmica, o qual
tem a aplicação proposta neste projeto. Por último, é então apresentado o
sistema de ar condicionado proposto a ser projetado.
• Após o estudo dos assuntos e conceitos indicados acima, o capítulo 4 apresenta
o sistema de condicionamento de ar solar fotovoltaico com armazenamento de
energia térmica proposto.
• O capítulo 5 diz respeito à seleção dos componentes do sistema proposto, a
começar pelo cálculo da carga térmica do laboratório. Este é seguido pelo
dimensionamento do sistema de armazenamento térmico, e posteriormente pela
seleção dos equipamentos constituintes do sistema de ar condicionado, como o
resfriador de ar, os trocadores de calor, as unidades condensadoras etc. Por fim,
são determinados os painéis fotovoltaicos e os inversores, que compõem o
sistema fotovoltaico.
• O capítulo 6 visa simular o desempenho do sistema projetado para um ano
típico de funcionamento e apresenta os resultados obtidos e suas análises.
• Finalmente, o capítulo 7 apresenta a conclusão do trabalho como um todo e
indica possíveis futuros estudos relacionados a este projeto.
13
2. Sistemas de Condicionamento Solares Este capítulo tem como objetivo apresentar os sistemas de ar condicionado solares.
Primeiro, porém, será estudada a teoria e os conceitos termodinâmicos referentes aos ciclos de
refrigeração, e base da modelagem e cálculos a serem realizados neste projeto, durante o
dimensionamento do sistema proposto.
2.1 Sistemas de refrigeração
2.1.1 Ciclo de refrigeração ideal
O ciclo de refrigeração por compressão de vapor é baseado no princípio de transferência
de calor, 𝑄, de uma fonte de temperatura mais baixa, 𝑇𝐶, para uma fonte de temperatura mais
alta, 𝑇𝐻, através da adição de trabalho, 𝑊, ao sistema [9]. Um esquema desse princípio é
ilustrado na figura 2.1 abaixo:
Figura 2.1 – Princípio dos ciclos de refrigeração
Fonte: [10].
O ciclo ideal de refrigeração possui 4 estágios básicos. Na figura 2.2 estão ilustrados
esquematicamente, à esquerda, os estágios e os principais equipamentos do ciclo. O mesmo
processo é representado, à direita, sob a perspectiva das transformações termodinâmicos
sofridas pelo refrigerante durante o ciclo, com o auxílio da Curva de Saturação para a
substância, representado em um diagrama T-S (temperatura por entropia). A curva identifica e
delimita os diferentes estados em que o refrigerante pode se encontrar durante o ciclo. Os pontos
da curva representam o estado de substância saturada. Ao lado esquerdo do ponto mais alto da
curva, conhecido como o ponto crítico, é compreendida a região de líquido comprimido. À
mesma maneira, a região à direita do ponto crítico representa a região de vapor superaquecido.
A área contida abaixo da curva representa a região de mistura bifásica líquido-vapor [9].
Tendo isso em vista, podemos representar o ciclo de refrigeração ideal através dos
seguintes processos no diagrama T-S: No ponto 1, o refrigerante entra no compressor como
vapor saturado e tem sua pressão elevada até alcançar o ponto 2, isentropicamente. A seguir,
entra como vapor superaquecido no condensador, onde irá trocar calor de forma isobárica até
condensar, entre os pontos 2-3. Entrará em 3 como líquido saturado onde sofrerá uma expansão
isentálpica até o ponto 4, resultante do seu escoamento através de uma válvula de expansão.
14
Por fim, trocará de calor isobaricamente até alcançar o ponto 1 como vapor saturado, no
evaporador, fechando o ciclo.
Figura 2.2 – Esquema e diagrama T-S do ciclo ideal de refrigeração por compressão de vapor
Fonte: [9].
Há alguns comentários adicionais importantes a serem feitos a respeito do ciclo e do
diagrama T-S. O ciclo alternativo representado pelos pontos 1’-2’-3-4’-1’ é o ciclo de
refrigeração de Carnot, o mais eficiente para um processo ocorrendo entre duas determinadas
temperaturas 𝑇𝐶 e 𝑇𝐻. Porém, tal ciclo é impraticável devido a questões técnicas relacionadas
aos equipamentos, como a impossibilidade de se comprimir mistura líquido-vapor através de
um compressor, necessário na etapa 1’-2’ (durante o processo de compressão são formadas
gotículas do líquido que se rompem devido ao aumento de pressão e danificam as paredes do
equipamento [9]).
No ponto 3, o refrigerante sai do condensador como líquido saturado, sendo assim o
processo de expansão ocorrerá sobre uma mistura bifásica constituída, principalmente, por
líquido, e consequentemente pouco trabalho poderia ser gerado nesta etapa. Por isso, em vez de
uma turbina se utilizam válvulas ou tubos de pequeno diâmetro para levar o fluido do estado de
alta pressão para o de baixa pressão [9].
2.1.2 Ciclo de refrigeração real
O ciclo de refrigeração real se distancia do ciclo ideal por diversas maneiras. As
principais razões são queda de pressão associada ao escoamento do fluido, transferência de
calor com a vizinhança e irreversibilidades nos processos de expansão e compressão. A figura
2.10 mostra uma provável configuração para o ciclo real.
Figura 2.3 – Esquema e diagrama T-S do ciclo real de refrigeração por compressão de vapor
Fonte: [9].
15
Os efeitos desses desvios são os seguintes [9]: o refrigerante no ponto 1 estará no estado
de vapor superaquecido, e ao longo da compressão de 1 para 2, haverá irreversibilidades e
transferência de calor entre o refrigerante e a sua vizinhança1, o que faz com que a entropia do
refrigerante aumente. A pressão do líquido deixando o condensador no ponto 4 será menor que
a pressão do vapor que entrou no ponto 3, e a temperatura do líquido no ponto 4 é menor que a
de saturação, e pode decair ainda mais no fluxo de 4-5; Há uma queda de pressão durante o
fluxo 6-7 e no processo de 7-8, e o refrigerante poderá sair do evaporador em 8 superaquecido;
Finalmente, no fluxo de 8-1 haverá aumento de temperatura por trocas térmicas com a
vizinhança, o que resultará em perda de eficiência do ciclo, já que mais trabalho terá que ser
feito pelo compressor, uma vez que o refrigerante entrará em 1 com um volume específico
maior do que no ponto 8.
Para os cálculos termodinâmicos referentes aos ciclos reais é considerado que o
refrigerante percorre um ciclo ideal e, então, há a introdução de eficiências, normalmente
designadas pela letra grega 𝜂, para cada equipamento do ciclo, ou seja, para os trocadores de
calor, válvula e compressor, com a finalidade de adicionar as perdas e as divergências
explicitadas acima ao ciclo idealizado e corrigir os resultados obtidos para mais próximos do
ciclo real simulado [9].
2.1.3 Primeira lei da termodinâmica e coeficiente de performance
Antes de avançar para o próximo tópico, é necessária a apresentação de alguns conceitos
relevantes nos cálculos termodinâmicos e energéticos a serem feitos posteriormente. A primeira
lei da termodinâmica aplicada a volumes de controle é a principal ferramenta utilizada nos
cálculos realizados sobre os processos do ciclo, permitindo a obtenção dos valores do calor
transferido e do trabalho realizado nas diferentes etapas do ciclo. A primeira lei para um volume
de controle pode ser apresentada a partir da equação 2.1 [9]:
𝑑𝐸𝐶.𝑉.
𝑑𝑡= ��𝐶.𝑉. − ��𝐶.𝑉. + ∑ 𝑚𝑖 (ℎ +
𝑉𝑖
2
2+ 𝑔𝑧𝑖) − ∑ 𝑚𝑒 (ℎ +
𝑉𝑒
2
2+ 𝑔𝑧𝑒) (2.1)
Em que,
𝑑𝐸𝐶.𝑉.
𝑑𝑡 = Variação de energia dentro do volume de controle [J/s];
��𝐶.𝑉. = Taxa de calor trocado com o volume de controle [J/s];
��𝐶.𝑉. = Potência realizada através do volume de controle [J/s];
��𝑖/𝑒 = Vazão mássica de entrada/saída no volume de controle [kg/s];
ℎ = Entalpia específicade entrada/saída no volume de controle [J/kg]
𝑉𝑖/𝑒 = Velocidade de entrada/saída da massa no volume de controle [m/s]
𝑔 = Aceleração da gravidade
𝑧𝑖/𝑒 = Altura da seção de entrada/saída do volume de controle [m]
1 Vizinhança aqui refere-se a qualquer material ou substância em contato térmico com o
refrigerante tornando possível troca de calor entre eles.
16
A equação 2.1, entretanto, pode ser simplificada ao assumir-se certas hipóteses
aplicáveis em situações de uso recorrente nas engenharias. Neste caso, usaremos as
simplificações mais convenientes e utilizadas nas aplicações da primeira lei nos ciclos de
refrigeração [9].
Primeiro, na grande maioria dos processos relacionados ao ciclo de refrigeração, a
diferença entre a energia cinética e potencial gravitacional antes e depois do volume de controle
são negligenciáveis se comparados aos ganhos e perdas de entalpia podendo-se, assim, remover
os termos da energia cinética e potencial gravitacional da equação 2.1. Além disso, também
em grande parte das aplicações voltadas à engenharia, a hipótese de processo em regime
permanente é utilizada. Para que ela seja atendida, são necessárias, segundo [9], as seguintes
condições:
1. O volume de controle não se move em relação ao sistema de coordenadas
referencial
2. O estado da massa de fluido em cada ponto no volume de controle não deve
variar com o tempo
3. O fluxo de massa também deve ser invariável com o tempo através do volume
de controle
Satisfeito o regime permanente, podem ser feitas as seguintes reduções: o lado esquerdo
da equação 2.1 torna-se zero, devido à invariância no tempo. Como o fluxo de massa deve ser
constante através o volume de controle, o fluxo de massa que entra deverá ser igual ao que sai
através da superfície de controle, e assim podemos dividir todos os termos da equação pelo
termo de fluxo de massa, obtendo propriedades por massa, ou seja, específicas, representadas
por letra minúsculas [9]. Rearranjando os termos temos a equação 2.2:
𝑞 − 𝑤 = 𝛥ℎ (2.2)
Sendo:
𝑞 = Calor específico trocado com o volume de controle [J/kg];
𝑤 = Trabalho realizado através do volume de controle [J/kg];
𝛥ℎ = Diferença da entalpia específica de saída e entrada do volume de controle [J/kg];
Por último, é apresentado o coeficiente de performance (COP, em inglês), que mede o
desempenho do ciclo de refrigeração. Quanto maior o COP, mais eficiente o ciclo é, ou seja,
precisa consumir menos energia para retirar uma determinada quantidade de calor da fonte fria.
O COP é definido na equação 2.3 [9]:
𝐶𝑂𝑃 = 𝑞𝐿
𝑤𝑐 (2.3)
Onde:
𝑞𝐿 = Calor específico retirado da fonte fria [J/kg];
𝑤𝑐 = Trabalho específico realizado pelo compressor do ciclo [J/kg]
17
2.2 Aparelhos de ar condicionado solares Neste tópico serão apresentados os principais sistemas condicionadores de ar solares
usados em aplicações de escala semelhante à proposta nos objetivos do tópico anterior.
No caso do presente estudo, relativo a climatizações de pequeno a médio porte, ou seja,
sistemas com capacidade de refrigeração entre 15 a 250W [11], há dois tipos de equipamentos
de ar condicionado movidos à energia solar, classificados de acordo com o seu funcionamento:
o elétrico, que se utiliza da conversão da radiação solar em eletricidade, e o térmico, que
aproveita a radiação solar para produzir calor [12].
2.2.1 Sistema de ar condicionado solar térmico
Os aparelhos de ar condicionado solar térmico podem ser subdivididos em duas
categorias, os sistemas termomecânicos e os sistemas com transformação de calor. [13]
Os sistemas termomecânicos operam transformando o calor gerado pelos coletores
solares em trabalho mecânico, através de uma máquina térmica, que gera eletricidade e aciona
o compressor de vapor de um ar-condicionado convencional. As principais aplicações desse
tipo de sistema se dão através dos ciclos de compressão de vapor de Rankine, steam jet e ciclo
de Vuilleumler [12].
Os sistemas térmicos com transformação de calor operam pelo princípio básico
demonstrado na figura 2.4, em que calor é provido por uma fonte quente (coletores solares),
que aciona o processo de retirada de calor de uma fonte fria (ambiente a ser climatizado), e
ambas descartam calor em uma fonte de temperatura intermediária (ambiente externo).
Figura 2.4 – Esquema básico do funcionamento de sistemas térmicos com transformação de
calor
Fonte: [14].
Há três tipos de ar-condicionado solar térmico que são classificados de acordo com o
processo físico-químico característico de cada um em sistema de absorção, adsorção ou
dessecantes [15]
Os sistemas de refrigeração por absorção são os sistemas térmicos mais usados no
mundo [15]. Neste sistema, a compressão térmica do refrigerante é alcançada pela utilização de
uma solução líquida de refrigerante e absorvente e uma fonte quente. A compressão mecânica
18
do ciclo é realizada por uma bomba, sem que o refrigerante tenha que ser levado até a região
superaquecida, reduzindo o consumo de energia em relação ao ciclo tradicional que opera com
um compressor [9]. No caso dos sistemas solares, a fonte quente é água aquecida a elevadas
temperaturas através de irradiação solar captada em coletores solares. Para temperaturas acima
de 0ºC, como é no caso da climatização de ambientes, a solução líquida mais usada é uma
mistura de água e brometo de lítio (LiBr). [16]
O sistema de absorção solar pode ser dividido em dois conjuntos, o de produção de
calor, com os principais componentes sendo o coletor solar, o reservatório térmico (back-up) e
as tubulações hidráulicas, e o de geração de frio, representado pelo "chiller" de absorção, a torre
de resfriamento e o sistema de frio no interior da área a ser climatizada. O back-up é necessário
para armazenar calor e fornecê-lo quando a disponibilidade de radiação solar for pouca ou
interrompida, permitindo que a refrigeração continue sem interrupção. A figura 2.5 mostra um
esquema do sistema como um todo:
Figura 2.5 – Esquema do ar-condicionado solar por absorção
Fonte: [17].
Os ciclos refrigeradores por absorção são baseados no fato do ponto de ebulição da
mistura refrigerante-absorvente ser maior que o correspondente para o refrigerante puro. As
figuras 2.6 e 2.7 apresentam o esquema simplificado do chiller de absorção e o ciclo
refrigerante:
Figura 2.6 – Esquema do chiller de absorção
19
Fonte: [16].
Figura 2.7 – Ciclo de refrigeração por absorção
Fonte: [17].
A climatização do ambiente, para o caso do sistema de absorção com o par água
(refrigerante) e brometo de lítio (absorvente) 2é obtida através da troca térmica entre o ar a ser
condicionado e água gelada. As etapas desses ciclos são resumidas a seguir [15]: O refrigerante
evapora no evaporador extraindo calor do ambiente a ser resfriado Ele prossegue, então, para o
absorvedor, onde é absorvido pelo absorvente. Como o calor latente de condensação e o calor
de mistura precisam ser extraídos para um meio, o absorvedor é normalmente resfriado por
água proveniente de uma torre de resfriamento. A solução é bombeada para os componentes
conectados à fonte de calor (gerador), onde é aquecida acima de seu ponto de ebulição, fazendo
vapor de refrigerante seja liberado a alta pressão. A solução concentrada retorna ao absorvedor.
Ao final, o refrigerante condensa no condensador, resfriado por água vinda da torre de
resfriamento, que descarta calor para o ambiente externo. A pressão e a temperatura do
refrigerante condensado são reduzidas à medida que ele flui para o evaporador através de uma
válvula de expansão, encerrando o ciclo.
O sistema de adsorção funciona pelo mesmo princípio, mas em vez de uma solução
líquida usa-se um material sólido que adsorve, em um primeiro compartimento, o refrigerante
na fase gasosa, atraindo as moléculas do vapor sobre a superfície por força química ou física,
não mudando de forma no processo [15]. Calor, em um segundo compartimento, é então
adicionado ao material resultando na liberação do vapor de refrigerante a pressões mais
elevadas. O restante do ciclo é análogo ao de absorção. Um esquema do chiller pode ser visto
abaixo:
2 Para sistemas de absorção que se utilizam do par água-amônia, é a água que desempenha função de absorvente
e a amônia é o refrigerante [15].
20
Figura 2.8 – Esquema do chiller de adsorção
Fonte: [16].
Diferentemente do ciclo fechado dos sistemas de absorção e adsorção, nos quais a
climatização se dá através da troca de calor com um refrigerante que ocorre em um trocador de
calor,, no sistema dessecante o ar condicionado é resfriado em contato direto com o refrigerante
(água), caracterizando-o como um ciclo aberto.
Resumidamente [15], em referência à Figura 2.9 abaixo, o sistema funciona
desumidificando o ar retirado do ambiente externo através de um processo de adsorção na roda
de 1 para 2. O ar sai aquecido devido ao processo de adsorção e por isso passa por uma roda de
troca de calor em que é pré-resfriado pelo contra fluxo de ar retirado do ambiente interno, de 2
para 3. Por último, o ar passa por um umidificador para que alcance o valor desejado de umidade
além de ser resfriado mais uma vez, antes de ser entregue ao ambiente interno, de 3 para 4. No
contra fluxo, o ar retirado do ambiente interno é resfriado quase ao ponto de saturação, de 7
para 8, e aquece removendo calor do ar de entrega de 8 para 9. Em seguida, recebe calor
proveniente da radiação solar capturada nos coletores, de 9 para 10, que aquecerá o material
adsorvente, de 10 para 11, liberando vapor de água no ar que será descartado no ambiente
externo, de 11 para 12. O Aquecimento de 4 para 5 só é usado no caso de aquecimento e não
refrigeração do ar interno.
Os sistemas dessecantes são menos usados e de aplicação mais específica, sendo
utilizados em locais em que se há uma demanda maior por ventilação e desumidificação do ar
[13].
21
Figura 2.9 – Esquema e ilustração do sistema de climatização dessecante
Fonte: [13].
2.2.2 Sistema de ar condicionado fotovoltaico
Os sistemas elétricos são aqueles que funcionam convertendo diretamente energia solar
em elétrica através de painéis fotovoltaicos. Existem diversas tecnologias desenvolvidas que
utilizam esse princípio, como sistemas Peltier fotovoltaicos e sistemas de resfriamento
evaporativo, porém, os sistemas de compressão de vapor são os mais utilizados atualmente [15].
Sendo assim, o presente projeto abordará este último sistema, que é composto de um ar-
condicionado convencional de compressão de vapor, constituído basicamente por dois
trocadores de calor (evaporador e condensador), uma válvula de expansão e um compressor,
que neste caso está integrado e é alimentado pelos painéis fotovoltaicos. A figura 2.10 abaixo
ilustra esse esquema básico:
22
Figura 2.10 – Esquema ar-condicionado solar fotovoltaico de compressão de vapor
Fonte: [13].
2.2.3 Curvas de cargas típicas
Ainda, se faz necessária uma análise acerca do uso do ar-condicionado solar
fotovoltaico. Como visto anteriormente, o uso de sistemas solares é interessante pois o período
de disponibilidade de energia pela fonte, a princípio, coincide com um momento em que se é
esperada uma demanda maior por tais aparelhos: dias ensolarados que, por consequência,
costumam apresentar temperaturas mais elevadas. Porém, se faz extremamente relevante
compreender o intervalo de demanda por climatização em relação ao intervalo de
disponibilidade de energia solar, quando para o desenvolvimento de aparelhos que visem não
só um atendimento específico e eventual, atuando assim em conjunto com aplicações
convencionais, mas principalmente para implantação de sistemas que procuram substituir os
convencionais em prol do emprego da fonte solar como a principal. Neste último tipo de
configuração, é indispensável que se projete meios de armazenamento de energia que evitem a
interrupção do ar-condicionado devido a condições climáticas adversas, ou mesmo a utilização
do aparelho em horários em que não haja disponibilidade de luz solar.
A figura 2.11 apresenta uma curva de insolação diária para as regiões sudeste e centro-
oeste do Brasil, retirada de [18], que reuniu dados de 26 cidades brasileiras durante cinco anos,
fornecidos pelo Instituto Nacional de Meteorologia (INMET). Como este projeto consiste no
desenvolvimento de um ar-condicionado que ficará situado na cidade do Rio de Janeiro, foi
aqui utilizado o gráfico de insolação para a região sudeste, que ainda contém diferenciação para
as estações climáticas do ano.
23
Figura 2.11 – Curva de insolação para o sudeste e centro-oeste do Brasil
Fonte: [18].
Na figura 2.12, é apresentada curva de carga típica para residências brasileiras, com o
pico se iniciando às 17h, coincidindo com o término do horário comercial e com o retorno da
maioria das pessoas para as suas residências. Ainda de maior interesse é a figura 2.13, simulação
da curva de carga para aparelhos de ar condicionado residenciais, através da utilização do
programa SINPHA disponibilizado no site do PROCEL [19], baseada em pesquisas com
diversas residências de todas as regiões do Brasil durante um período de cinco anos.
Comparando as figuras 2.12 e 2.13com a figura 2.11, tem-se a noção da importância do
armazenamento de energia de modo a se utilizar essa fonte energética para climatização, que
apesar de abundante encontra-se defasada em relação ao período de maior demanda. Enquanto
o intervalo de maior solicitação dos aparelhos de ar condicionado ocorre entre as 18h e as 7h,
uma maior disponibilidade de energia sola se encontra justamente fora desse período, entre 10h
e 17h.
Figura 2.12 – Curva de carga típica do setor residencial
Fonte: [20].
24
Figura 2.13 – Curva de carga para ar-condicionado região sudeste do Brasil
Fonte: Elaborado a partir de [19].
A figura 2.14 mostra uma situação mais favorável ao uso direto da energia solar, pois o
horário do setor comercial coincide com o intervalo de maior disponibilidade solar. Porém, é
de extrema importância para esses estabelecimentos a não interrupção do condicionamento de
ar, tendo em vista a característica do setor de prestar serviços. Logo a climatização e a
renovação do ar se demonstram fundamentais para a qualidade de funcionamento deles, que
costumam receber diversas pessoas durante o horário comercial. Portanto, se faz necessário um
sistema de armazenamento de energia que garanta a continuidade do funcionamento do ar-
condicionado mesmo em condições climáticas adversas, que poderiam prejudicar a
disponibilidade de luz solar.
Figura 2.14 – Curva de carga típica do setor comercial
Fonte: [20].
25
3. Sistemas Fotovoltaicos e Armazenamento Este capítulo busca, primeiro, apresentar de maneira geral os conceitos, teorias e
aplicações fundamentais dos diferentes tipos de sistemas fotovoltaicos e métodos de
armazenamento de energia e, posteriormente, focar no método de armazenamento e
fotovoltaico específicos do sistema de condicionamento de ar proposto.
3.1 Irradiação Solar Como apresentado no tópico 2.2.2, a irradiação solar é a fonte de energia dos sistemas
fotovoltaicos e, portanto, é necessário o entendimento de conceitos básicos relacionados a essa
fonte. A seguir um breve estudo da radiação solar com tópicos relevantes aos sistemas
fotovoltaicos.
3.1.1 Tipos de irradiação solar
A energia solar chega à Terra sob a forma de radiação eletromagnética e é a principal
fonte energética do planeta, sendo essencial para manutenção da vida e da biosfera terrestre
[21]. A potência incidente, por unidade de área é definida como irradiação solar (em W/m² no
S.I.). Dados da WMO (World Meteorological Organization) indicam um valor médio de
irradiação solar que chega à superfície da atmosfera terrestre de 1367 W/m² (conhecida como
Constante Solar) [22].
A irradiação solar é uma das referências mais importantes em projetos fotovoltaicos,
pois é a partir dela que se determinará a carga que será convertida em eletricidade, e ela pode
ser diferenciada a partir dos seguintes tipos:
• Constante Solar:
É a medida da potência solar por unidade de área incidente na camada mais
superficial da atmosfera terrestre. A medição é feita perpendicular aos raios incidentes,
sendo assim, representa o máximo de irradiação que chega à Terra, livre das dispersões
e absorções pelas moléculas da atmosfera e sem a influência dos ângulos derivados da
geometria entre o Sol e a Terra. O valor dessa irradiação varia durante o ano por causa
da variação de distância entre o Sol e a Terra devido ao movimento de translação, porém
como indicado acima, possui valor médio de 1367 W/m² [22].
• Irradiação Normal Direta:
É a irradiação medida na superfície da Terra, a partir de uma superfície
perpendicular aos raios incidentes, ou seja, é a Constante Solar considerando as perdas
para a atmosfera.
• Irradiação Horizontal Difusa:
É a irradiação medida a partir de um elemento horizontal na superfície da Terra,
e representa a irradiação da luz dispersada pela atmosfera e refletida pela superfície
terrestre.
• Irradiação Horizontal Global:
É a soma da Irradiação Horizontal Difusa com a componente perpendicular da
Irradiação Normal Direta à superfície terrestre, representando a irradiação total que
26
chega a uma superfície horizontal na Terra. Ela pode ser captada por um plano inclinado
de modo a obter-se um melhor aproveitamento da irradiação solar.
Figura 3.1– Tipos de radiação solar
Fonte: [23].
Portanto, é essencial que se saiba a irradiação horizontal global incidente no local de
qualquer projeto fotovoltaico, pois ela que determinará a carga que o sistema poderá entregar.
3.1.2 Geometria Sol – Terra
Outro parâmetro importante na determinação da disponibilidade de irradiação solar de
uma certa localidade é a geometria entre o Sol e a Terra. A incidência de irradiação varia ao
longo do ano em função dos movimentos de translação e rotação que a Terra realiza, o primeiro
em torno do Sol e de trajetória elíptica, e o segundo em torno do seu próprio eixo.
Ainda, o plano normal ao eixo da Terra forma uma inclinação com o plano da elipse da
translação, denominado de Declinação Solar (δ) e a qual provoca variações na duração dos dias
ao longo do ano. A declinação pode ser calculada a partir da equação 3.1 [19]:
𝑠𝑒𝑛(𝛿) = −𝑠𝑒𝑛(23,45)𝑐𝑜𝑠[(360
365,25)(𝑛 + 10)] (3.1)
Em que 𝑛 representa o dia juliano, ou seja, contado a partir do primeiro dia de janeiro e
progredindo de 1 até 365.
O Sol e a Terra ainda formam entre si outros ângulos. Entendendo alguns desses
diferentes ângulos é possível calcular o melhor posicionamento dos painéis de acordo com a
movimentação diária do Sol, tornando-se possível projetar uma posição e angulação que
permitam o máximo de aproveitamento na hora de pico solar. A seguir, os principais ângulos
[24]:
• Ângulo Zenital (𝜽𝒁):
É o ângulo formado entre os raios de sol e a vertical local (Zênite).
27
• Altura ou Elevação Solar (𝜶):
A altura solar é o ângulo compreendido entre os raios do sol e a projeção deles
no plano horizontal.
• Ângulo Azimutal do Sol (𝛄𝑺):
É o angulo entre a projeção dos raios solares no plano horizontal e a direção
Norte-Sul (horizonte do observador, ver figura 3.3 abaixo). O deslocamento angular é
tomado a partir do Norte (0º) geográfico, sendo, por convenção, positivo quando a
projeção se encontrar à direita do Sul (a Leste) e negativo quando se encontrar à
esquerda (a Oeste), fazendo com que o ângulo varie entre -180º e 180º.
• Ângulo Azimutal da Superfície (𝛄):
Análogo ao anterior, porém a projeção tomada não é a dos raios solares, mas sim
do vetor normal a uma superfície de captação 3(ver figura 3.3 abaixo). O ângulo é
tomado entre essa projeção e a direção Norte-Sul (horizonte do observador). Obedece
às mesmas convenções do anterior.
• Inclinação da Superfície de Captação (𝛃):
É o ângulo entre o plano da superfície e o plano horizontal
• Ângulo de Incidência (𝛉):
É ângulo formado entre os raios solares e a normal à superfície de captação.
• Ângulo Horário do Sol ou Hora Angular (𝝎):
É o ângulo formado pelo movimento na direção Leste-Oeste do meridiano do
sol em relação ao meridiano local. Sendo negativo pela manhã e positivo pela noite, e
cada hora solar (H𝑆) sendo igual ao deslocamento de 15°.
ω = 15º(H𝑆 − 12) (3.2)
Figura 3.2 – Ângulos entre a posição do Sol e o plano de horizonte do observador
3 Superfície de Captação refere-se ao elemento que receberá a irradiação solar para aplicações em energia
renovável, como por exemplo, módulos fotovoltaicos e concentradores solares [24].
28
Fonte: [24].
Figura 3.3 - Ângulos entre uma superfície qualquer e a posição do Sol
Fonte: [24].
A partir dos ângulos zenital (𝜃𝑍) e incidência (θ) é possível calcular a componente direta
da irradiação que incide normalmente a um plano horizontal ou a qualquer superfície inclinada,
desde que conhecida a componente direta da irradiância incidente na superfície terrestre [24].
Os ângulos podem ser calculados respectivamente pelas equações 3.3 e 3.4:
𝑐𝑜𝑠(𝜃𝑍) = 𝑐𝑜𝑠(𝛿) ∗ 𝑐𝑜𝑠(𝜔) ∗ 𝑐𝑜𝑠(𝜙) + 𝑠𝑒𝑛(𝛿) ∗ 𝑠𝑒𝑛(𝜙) (3.3)
𝑐𝑜𝑠(𝜃) = 𝑐𝑜𝑠(β) ∗ 𝑐𝑜𝑠(𝛿) ∗ 𝑐𝑜𝑠(𝜙) ∗ 𝑐𝑜𝑠(𝜔) + 𝑠𝑒𝑛(𝛿) ∗ 𝑠𝑒𝑛(𝜙) ∗ 𝑐𝑜𝑠(β)
+ 𝑠𝑒𝑛(β) ∗ 𝑠𝑒𝑛(γ) ∗ 𝑐𝑜𝑠(𝛿) ∗ 𝑠𝑒𝑛(𝜔) + 𝑠𝑒𝑛(β) ∗ 𝑠𝑒𝑛(𝜙) ∗ 𝑐𝑜𝑠(γ) ∗ 𝑐𝑜𝑠(𝛿) ∗ 𝑐𝑜𝑠(𝜔) (3.4)
− 𝑠𝑒𝑛(β) ∗ 𝑠𝑒𝑛(𝛿) ∗ 𝑐𝑜𝑠(γ) ∗ 𝑐𝑜𝑠(𝜙)
3.1.3 Softwares de fornecimento e tratamento de dados
É prática comum a utilização de softwares no cálculo da disponibilidade de irradiação
incidente em determinada localidade. Há diversos desses programas computacionais acessíveis
na internet, os quais se utilizam de bancos de dados meteorológicos de concepção própria ou
encontrados em vasta quantidade também na rede. Essa diversidade de informação e meios de
tratamento de dados torna confiável o cálculo da estimativa de carga através de tais ferramentas,
permitindo a geração de perfis típicos mensais, diários ou até horários de irradiação para certo
local durante um ano, com margens de erro seguras para uso em projetos de engenharia.
A seguir, alguns desses softwares disponíveis gratuitamente para acesso ou download
na internet:
• SAM (System Advisor Model):
Desenvolvido pelo Laboratório Nacional de Energia Renovável dos Estados
Unidos (National Renewable Energy Laboratory – NREL) com recursos do
29
Departamento de Energia do país (U.S. Department of Energy), conta com diversas
ferramentas para cálculo e simulações para diferentes tipos de projetos em energia
renovável. Tem acesso ao banco de dados próprio do NREL, mas também aceita dados
de bancos externos se formatados de acordo com as especificações do programa [25].
• Meteonorm:
Desenvolvido pela empresa Meteotest, é uma fonte de dados de energia solar
amplamente usada e aceita na indústria, com mais de 30 anos no mercado. Possui uma
versão gratuita de demonstração de período ilimitado que permite consultar e salvar
dados de forma restrita [26].
• Sundata:
Desenvolvido pelo CRESESB (Centro de Referência para as Energias Solar e
Eólica Sérgio de S. Brito), é uma ferramenta para o cálculo da irradiação solar diária
média mensal em qualquer localidade do território brasileiro. Utiliza dados do
CENSOLAR, 1993 (Valores Medios de Irradiacion Solar Sobre Suelo Horizontal do
Centro de Estudos de la Energia Solar) contendo valores de irradiação solar diária
média mensal no plano horizontal para cerca de 350 pontos no Brasil e em países
limítrofes, e do Atlas Brasileiro de Energia Solar – 2ª Edição, produzido a partir de um
total de 17 anos de imagens de satélite e com informações de mais de 72.000 pontos em
todo o território brasileiro [27].
• Radiasol2:
Desenvolvido pelo LABSOL – UFRGS (Laboratório de Energia Solar da Escola
de Engenharia da Universidade Federal do Rio Grande do Sul), utiliza dados do Atlas
Brasileiro de Energia Solar e do programa SWERA (Solar and Wind Energy Resource
Assessment), parceria internacional para fornecer dados em energia renovável para
localidades ao redor do mundo, concluído em 2011 [28].
• POWER Project:
Desenvolvido pela NASA (National Aeronautics and Space Administration), é
um banco de dados em forma de mapa interativo que oferece informações climáticas e
meteorológicas coletadas pela instituição para regiões no mundo todo [29].
3.1.4 Localização e disponibilidade de irradiação solar
Para a coleta de dados de irradiação através das fontes apresentadas no tópico acima,
foram utilizadas informações de localização da região do aeroporto do Galeão (22º48’ S 43º14’
W), devido à riqueza e diversidade de dados oferecidos para essa área e sua proximidade em
relação ao Fundão (cerca de 6km), onde encontra-se o laboratório de interesse deste projeto.
Empregando-se os recursos coletados, foram obtidos perfis de irradiação diária média
(kWh/m²) por mês para cada fonte consultada, como podem ser vistos na tabela 3.1 e na figura
3.4 a seguir:
30
Sundata Nasa Meteonorm SWERA – Radiasol ATLAS – Radiasol Média
Jan 6,04 5,53 6,03 6,11 5,49 5,84
Fev 6,22 6,06 5,23 6,36 5,34 5,84
Mar 5,06 4,90 5,40 5,61 5,06 5,21
Abr 4,36 4,37 4,07 4,70 4,09 4,32
Mai 3,59 3,71 3,97 3,79 3,54 3,72
Jun 3,35 3,52 3,23 3,49 3,00 3,32
Jul 3,34 3,62 3,93 3,47 3,39 3,55
Ago 4,20 4,33 4,20 4,34 3,97 4,21
Set 4,43 4,62 4,23 4,72 4,60 4,52
Out 5,11 4,90 5,03 5,47 4,71 5,04
Nov 5,14 4,91 5,27 5,68 5,33 5,27
Dez 5,93 5,40 5,80 5,89 5,50 5,70
Média 4,73 4,65 4,70 4,97 4,50 4,71
Tabela 3.1: Irradiação solar diária média (kWh/m².dia) na região do Galeão
Fonte: Elaboração do autor a partir de dados das fontes indicadas acima.
Figura 3.4: Perfil de irradiação solar diária média obtido por fonte
Fonte: Elaboração do autor a partir de dados das fontes indicadas acima.
Uma análise inicial revela informações importantes quanto à disponibilidade de
irradiação ao longo do ano para a localidade, apresentando altas de outubro a março (~ 5 a 5,8
kWh/m².dia) e baixas principalmente nos meses de maio a julho (~3,3 kWh/m².dia). Ainda,
levando em conta as diferentes fontes, tem-se uma média de irradiação de 4,71 kWh/m².dia.
Por fim, nota-se que a disposição do perfil está de acordo com as características
31
climáticas de verão e inverno predominantes na cidade do Rio de Janeiro.
3.2 Sistema Fotovoltaico
3.2.1 Efeito Fotovoltaico
O processo de criação de voltagem e corrente elétrica em um material através da
exposição à luz é denominado de efeito fotovoltaico [24].
Figura 3.5 - Estrutura de bandas de energia em (a) condutores, (b) semicondutores e (c)
isolantes.
Fonte: [24].
O Silício é o elemento semicondutor mais predominante na fabricação de células
fotovoltaicas devido a sua abundância na natureza. Para que o efeito fotovoltaico ocorra, é feito
durante a fabricação das células o processo de dopagem do Silício, que consiste na adição de
outros elementos de forma a alterar as características elétricas do material [24].
Há duas espécies de dopagem, a do tipo N e P. No primeiro tipo, o Silício, que possui
quatro elétrons na camada de valência, é combinado, na maioria das vezes, ao Fósforo, com
cinco elétrons na camada de valência. Essa ligação deixa um elétron fracamente ligado aos
átomos, conferindo ao conjunto uma carga negativa. No segundo, o elemento de ligação mais
usado é o Boro, o qual contém três elétrons de valência e ao se combinar ao Silício resulta em
uma lacuna energética, concedendo ao par uma carga positiva [24].
Na combinação de uma placa de material com dopagem N e outra de dopagem P,
denominada junção PN, há a criação de um campo elétrico devido à separação das cargas
negativas e positivas aprisionadas na banda de valência dos átomos (A junção PN é uma
idealização. Na prática a dopagem é feita na mesma célula). Incidindo radiação com energia
suficiente para excitar os elétrons mais fracamente ligados para além da banda proibida, é
obtido uma corrente na banda de condução no sentido de ocupar as lacunas positivas, que pode
ser aproveitada se conectada a um condutor externo, caracterizando o princípio de
funcionamento das células fotovoltaicas [24].
32
Figura 3.6 – Estrutura básica de uma célula fotovoltaica de silício
Fonte: [24].
3.2.2 Células Fotovoltaicas
As células fotovoltaicas mais usadas no mercado podem ser classificadas em:
• Células de Silício Cristalino:
Tem como matéria-prima principal o silício com pureza de 99,9999%, também
utilizado na indústria eletrônica (porém com pureza maior de 99,9999999%), e
representavam mais de 90% da receita do mercado mundial de energia fotovoltaica em
2016 [30]. Segundo [24], o silício usado na fabricação das células pode ser
monocristalino ou policristalino. O primeiro é obtido pelo método Czochralski que
resulta na formação de um único cristal. Esse tipo apresenta uma melhor eficiência se
comparada ao policristalino, porém seu custo do processo de fabricação é maior que a
policristalino. O segundo é obtido por um método produtivo mais simples, resultando
em um bloco com pequenos cristais que serão cortados em lâminas e utilizados na
produção das células, que são mais baratas, mas apresentam menor eficiência que as de
monocristal. Possuem em média eficiência de conversão, isto é, a razão entre a potência
elétrica gerada e a potência incidente de irradiação solar, em 17% [24]. A figura 3.7
apresenta as duas alternativas.
33
Figura 3.7 – Células de silício cristalino
Fonte: [31].
• Filmes Finos:
São células bastante finas e de alta absorção ótica, formadas por camadas de
poucos micrômetros de diferentes materiais semicondutores depositados
sucessivamente sobre superfícies rígidas ou flexíveis, com produção em larga escala.
Essa não limitação de forma, flexibilidade e fácil produção representam as maiores
vantagens desse tipo de célula. O principal material utilizado na fabricação dos filmes é
o silício amorfo, ou seja, que não possui estrutura cristalina, ainda que preserve as
características semicondutoras. A principal desvantagem desse material é a menor
eficiência (cerca de 10%) se comparado aos cristalinos e a problemas de estabilidade
que resultam na degradação rápida (6 a 12 meses) do seu rendimento quando expostas
à radiação solar [24].
Figura 3.8 – Células de filme finos
Fonte: [32].
3.2.3 Sistemas Fotovoltaicos
Os sistemas fotovoltaicos são geralmente classificados em dois grupos: sistemas
isolados e sistemas conectados à rede. Dentro dessas duas categorias, ainda podem
receber a denominação de híbrido, quando funcionam interligados a outras fontes
geradoras de energia além da fotovoltaica. Este é geralmente mais complexo,
necessitando de algum tipo de controle que integre e otimize a energia fornecida pelos
diferentes geradores, que podem ser, por exemplo, grupo geradores a diesel e/ou
aerogeradores [24].
34
• Sistemas Isolados:
São aqueles que não são conectados com a rede de distribuição de energia
elétrica pública. Por dependerem substancialmente da fonte solar ou, no caso do híbrido,
de outras fontes, pode haver grande possibilidade da disponibilidade e da necessidade
de carga não coincidirem em determinados períodos tempo, o que resulta na
conveniência do uso de alguma forma de armazenamento de energia, de forma a lidar
com a variabilidade do recurso solar. O tipo mais comum de armazenamento é através
de baterias, mas dependendo da aplicação pode se armazenar de diferentes maneiras
como: energia potencial gravitacional bombeando água para um reservatório em altura
elevada; volantes de inércia; ar comprimido; energia térmica [24]. Esses sistemas de
armazenamento serão vistos na seção 3.3, a seguir.
Os sistemas isolados devem ter uma unidade responsável pelo controle e
condicionamento da potência composta por um inversor e um controlador de carga. Eles
ainda podem ser individuais, atendendo apenas uma unidade consumidora, ou em
minirrede, atendendo a um pequeno grupo geograficamente próximo [24].
Figura 3.9 – Representação de uma configuração básica do sistema isolado
Fonte: [24].
• Sistemas Conectados à Rede:
São os sistemas conectados ao grid. A energia gerada pode ser consumida
diretamente por uma carga específica ou injetada na rede elétrica convencional para ser
utilizada pelas unidades consumidoras conectadas ao sistema de distribuição. Sendo
assim, possuem a vantagem de poder dispensar meios de armazenamento de energia,
com a rede pública fornecendo eletricidade em períodos de escassez de geração, e
também, no caso dos países que adotam o sistema de compensação, de economizar na
conta de eletricidade em momentos de excesso de produção, com o excedente
direcionado para a rede e tornando-se crédito para uso futuro ou redução no valor da
conta. O Brasil é um dos países que adota esse sistema [24].
35
Figura 3.10 - Representação de uma configuração básica do sistema conectado à rede
Fonte: [24].
Nos tópicos a seguir serão apresentados os principais componentes dos sistemas fotovoltaicos.
Outras configurações mais complexas, porém, podem conter diversos outros componentes que
não serão abordados aqui por não fazerem parte do escopo do projeto.
3.2.4. Módulos fotovoltaicos
O módulo fotovoltaico é um conjunto de células fotovoltaicas agrupadas em um arranjo
e encapsuladas de modo a garantir uma potência elétrica. Abaixo, na figura 3.11, uma
representação esquemática de um módulo fotovoltaico.
Figura 3.11 – Representação de um módulo fotovoltaico
Fonte: [33].
A seguir, algumas das características elétricas determinadas durante testes em condições
padrões (STC, do inglês Standard Test Conditions, AM 1.5, 1000 W/m² e 25º na superfície da
célula), responsáveis pela especificação e identificação dos módulos [24]:
• Tensão de Circuito Aberto (𝑽𝑶𝑪):
Maior tensão gerada pelo módulo, medida por um voltímetro quando o módulo
está desconectado, ou seja, não há nenhuma carga sendo suprida.
36
• Corrente de Curto-Circuito (𝑰𝑺𝑪):
Maior corrente gerada pelo módulo, quando este está desconectado, medida com
auxílio de um amperímetro
• Curva I x V:
Curva de corrente por tensão característica do módulo, traçada com o módulo
nas condições padrões e com o auxílio de uma fonte de tensão variável. Para cada tensão
submetida é possível identificar a corrente fornecida correspondente, como pode ser
visto na figura 3.12 abaixo.
• Curva P x V:
Curva de potência por tensão, traçada através do produto das coordenadas
corrente e tensão (I,V) correspondentes aos pontos da curva I x V apresentada acima.
Apresenta a potência gerada por tensão submetida para a condição de operação,
ilustrado na figura 3.12 abaixo. É fundamental para a análise do comportamento dos
módulos, e de onde pode-se extrair o ponto da máxima potência (𝑃𝑀𝑃) que o módulo é
capaz de fornecer. Esse ponto, corresponde ao produto da corrente de máxima potência
(𝐼𝑀𝑃) com a tensão de máxima potência (𝑉𝑀𝑃).
Os valores de 𝑃𝑀𝑃, 𝑉𝑀𝑃, 𝐼𝑀𝑃, 𝑉𝑂𝐶 e 𝐼𝑆𝐶 são os cincos parâmetros que especificam
o módulo sob dadas condições de radiação, temperatura de operação de célula e massa
de ar.
Figura 3.12 – Exemplo de curvas I x V e P x V para um módulo fotovoltaico
Fonte: [24].
• Fator de Forma:
É a razão do produto de 𝑉𝑀𝑃 e 𝐼𝑀𝑃 com o produto de 𝑉𝑂𝐶 e 𝐼𝑆𝐶 . Representa o
quanto a curva característica se aproxima da forma do retângulo de lados 𝑉𝑂𝐶 e 𝐼𝑆𝐶 e,
como o produto desse par é sempre maior que 𝑃𝑀𝑃 (pois, como explicado anteriormente,
37
é o ponto em que não há solicitação de carga para o módulo), quanto mais próximo do
retângulo, maior o 𝑃𝑀𝑃 e melhor a qualidade do módulo. A relação pode ser vista na
figura 2.28 abaixo.
𝐹𝐹 = 𝑉𝑀𝑃∙ 𝐼𝑀𝑃
𝑉𝑂𝐶∙ 𝐼𝑆𝐶 (3.5)
Figura 3.13 – Representação gráfica do fator de forma
Fonte: [24].
• Eficiência:
Indica o quanto da energia solar é transformada em eletricidade e pode ser
calculada pela razão entre a potência máxima 𝑃𝑀𝑃 e o produto da área do módulo, 𝐴𝑀,
com a irradiação incidente no módulo, representada por 𝐺. Quando determinada na
condição-padrão de teste a irradiação tem o valor de 1000 W/m² indicado anteriormente.
𝜂 = 𝑃𝑀𝑃
𝐴𝑀∙𝐺 (3.6)
3.2.5. Principais fatores que alteram as características dos módulos
Os módulos fotovoltaicos estão sujeitos a diversos fatores externos que alteram o seu
desempenho, como mudanças atmosféricas locais e a consequente variação de irradiação,
temperatura, sombreamento, entre outros. A seguir, os principais fatores que alteram as
características elétricas descritas no tópico anterior [24]:
• Efeito da Irradiação Solar:
A corrente elétrica gerada pelo módulo aumenta com o crescimento da irradiação
solar incidente, o que acarreta um igual aumento da potência fornecida por ele. Isso pode
ser observado na figura 3.14, em que se ilustra o aumento linear da corrente de curto-
circuito com a irradiação.
38
Figura 3.14 – Efeito da irradiância solar incidente sobre o módulo em sua curva característica
Fonte: [24].
• Efeito da Temperatura:
A incidência de radiação solar e mudanças nas condições climáticas locais
implicam em uma variação na temperatura do módulo. A tensão é inversamente
proporcional à temperatura do módulo, o que significa que um aumento de temperatura
diminui a tensão fornecida, e consequentemente diminuindo a potência gerada pelo
módulo. A figura 3.15 demonstra esse efeito.
Figura 3.15 – Efeito da temperatura do módulo na sua curva característica
Fonte: [24].
3.2.6. Associação de módulos fotovoltaicos
Os módulos podem ser conectados em série, paralelo, ou ambos, formando sistemas de
painéis com potência mais elevada, fornecendo corrente e tensão necessárias para atender
determinada aplicação. É apresentada uma breve explicação dessas configurações a seguir [24]:
39
• Associação em Série:
Consiste na conexão do terminal positivo de um módulo ao terminal negativo de
outro, e assim sucessivamente. Quando feita em dispositivos idênticos submetidos às
mesmas condições, a associação resulta em uma tensão conjunta que é a soma das
tensões individuais, enquanto a corrente permanece igual às individuais. Quando feita
com módulos de características diferentes, a corrente do conjunto fica limitada a do
módulo com menor corrente individual [24]. A figura 3.17 mostra a curva característica
de uma associação em série.
Figura 3.16 – Esquema de uma associação em série
Fonte: [34].
Figura 3.17 – Curva característica de uma associação em série
Fonte: [24].
• Associação em Paralelo:
Formado quando se ligam os terminais positivos dos módulos entre si, e
repetindo o procedimento para os terminais negativos. Nesse caso, a corrente do
conjunto é a soma das correntes individuais, enquanto a tensão do conjunto permanece
igual à individual. A figura 3.19 ilustra a curva característica da associação.
40
Figura 3.18 – Esquema de uma associação em paralelo
Fonte: [34].
Figura 3.19 – Curva característica de uma associação em paralelo
Fonte: [24].
3.2.7. Inversores
Um inversor é um dispositivo eletrônico que converte em corrente contínua (c.c.) a
energia elétrica em corrente alternada (c.a.) gerada por uma determinada fonte [24]. Eles são
fundamentais nos sistemas fotovoltaicos, pois os módulos entregam eletricidade em c.c., sendo
que a maioria das aplicações e equipamentos alimentados funcionam à c.a. A tensão c.a. de
saída deve ter amplitude, frequência e conteúdo harmônio adequados às cargas a serem
fornecidas. Adicionalmente, no caso de sistemas conectados à rede elétrica, a tensão de saída
do inversor deve ser sincronizada com a tensão da rede.
No caso de sistemas fotovoltaicos, os inversores podem ser divididos em duas categorias
com relação ao tipo de sistema de trabalho, aqueles para sistema fotovoltaicos isolados e os de
sistema conectado à rede. Embora ambos compartilhem os mesmos princípios gerais de
funcionamento, os últimos possuem características específicas para atender as exigências das
concessionárias de distribuição em termos de segurança e qualidade de energia injetada na rede,
e devido a isso costumam ser mais caros do que o outro tipo [24].
41
3.3 Armazenamento de Energia
3.3.1 Benefícios do Armazenamento de Energia
É possível concluir através dos capítulos abordados até aqui que o armazenamento de
energia é fundamental para o desenvolvimento do projeto. O sistema de armazenamento
otimizará o uso da energia solar, conservando parte do recurso natural que não seria aproveitado
quando o sistema de condicionamento de ar não é solicitado ou a carga solicitada é menor que
a oferta, permitindo assim que esse “excesso” de energia possa ser utilizado posteriormente
quando houver maior demanda de resfriamento ou escassez de luz solar.
Entretanto, as tecnologias de armazenamento de energia estão gradativamente
conquistando um alcance mais amplo em aplicações práticas de engenharia que não só o caso
supracitado, consequência dos variados benefícios resultantes do seu emprego, como:
economizar na conta de eletricidade, acumulando energia em períodos de menor demanda e
vendendo ou utilizando-a nos horário de pico quando a tarifa é mais cara; auxiliar sistemas de
geração de energia dependentes de recurso sazonal; auxílio em sistemas com cogeração;
reaproveitamento de calor rejeitado para processos de aquecimento, entre outros [35].
No tópico a seguir serão apresentados de maneira geral os principais modos de
armazenamento de energia em aplicações de engenharia, e mais especificamente dos tipos de
acumulação de energia térmica, os quais exibem maior relevância para o presente estudo.
3.3.2 Métodos de Armazenamento de Energia
Diversas tecnologias de armazenamento de energia já estão disponíveis para uso, assim
como novas aplicações vem sendo desenvolvidas. A figura 3.20 esquematiza as principais
categorias e tecnologias de armazenamento de energia com aplicabilidade no âmbito das
engenharias:
Figura 3.20: Classificação dos métodos de armazenamento de energia
Fonte: Elaborado a partir de [35].
3.3.3. Armazenamento em energia mecânica
Este tipo de armazenamento pode se dar através do acúmulo em energia cinética, de um
objeto em movimento linear ou rotativo, em energia potencial, de um objeto disposto a um
diferencial de altura, e em energia de compressão de um gás [35].
• Volante de Inércia:
Por maiores facilidades técnicas, o acúmulo em energia cinética apresenta-se
predominantemente na forma de movimento rotativo, através de um dispositivo
42
chamado volante de inércia. O volante é composto por uma massa giratória em seu
interior, que é acelerada por um motor e assim armazena energia na forma cinética. Ao
acionar-se um gerador acoplado à massa, ela é desaceleradaconvertendo a energia
cinética de volta em elétrica.[35].
Apesar de apresentarem utilidade para distintas aplicações, inclusive com sua
portabilidade permitindo o emprego em veículos (conservando parte da energia que
seria dissipada em calor no processo de frenagem), o atrito a que são submetidos os
volantes ainda não permitem que essa seja uma tecnologia de armazenamento para
longos períodos de tempo, sendo normalmente usados em aplicações que requerem
armazenamento em intervalos de algumas horas. Entretanto, esse é método bastante
promissor e numerosos estudos estão sendo realizados na área para aprimorar os
materiais constituintes da massa, com o intuito de acumular mais energia de forma mais
compacta e segura, e dos rolamentos, visando diminuir o atrito e aumentar a eficiência
o que resultaria em períodos de armazenagens mais longos [35].
Figura 3.21: Volante de Inércia
Fonte: [36]
• Hidroacumulação:
Consiste no bombeamento de água de um determinado reservatório para outro
localizado a uma altura superior, armazenando energia em forma potencial nos períodos
fora de pico ou de excesso de geração. Nos períodos de pico ou demanda de geração, há
produção de eletricidade pelo escoamento da água armazenada através de uma turbina
hidráulica, no fluxo de volta do reservatório superior para o inferior.
A hidroacumulação é um dos métodos mais bem estabelecidos de armazenagem
de energia e tem a vantagem de permitir aplicações em grade escala, encontrando assim
vasta utilização na indústria de geração de energia, principalmente em usinas
hidrelétricas [35].
43
Figura 3.22: Esquema de uma planta de hidroacumulação
Fonte: [35].
• Armazenamento em Ar Comprimido:
Ar é comprimido e armazenado em reservatórios subterrâneos artificiais ou
formações naturais, como cavernas, domos de sal, poços de óleo e gás desativados e
construções de minas abandonadas, nas horas fora de pico, sendo liberado
posteriormente para acionar turbinas geradoras a gás em horário de pico [35].
A principal vantagem desse tipo de armazenamento é a capacidade de estocar
grandes quantidades de energia por longos períodos sem perdas significativas de
eficiência [35]. Estudos primários indicam que o custo desses sistemas são comparáveis
aqueles dos sistemas de hidroacumulação, mas a demanda por reservatórios de vastas
dimensões limita a utilidade dos mesmos a regiões onde grandes cavernas naturais
existem ou são facilmente formadas, como em domos de sal. Uma outra restrição que
pode fazer com que esse método seja menos atrativo é que algumas aplicações ainda
precisam do uso auxiliar de combustíveis fósseis para tornar-se economicamente viável
[35].
44
Figura 3.23: Representação de sistema de armazenamento de ar comprimido
Fonte: [37].
3.3.4 Armazenamento em energia química
O método consiste no armazenamento de energia em compostos químicos que
absorvem/liberam energia quando reagem, podendo essas reações serem ocasionadas por
eletricidade, caracterizando o método de armazenamento eletroquímico, ou pela temperatura
dos reagentes, definindo o método de armazenamento termoquímico [35].
• Armazenamento Eletroquímico:
Os dispositivos mais usados para esse tipo de armazenamento são as baterias,
em que ocorrem reações químicas provocadas por energia elétrica, e as quais também
produzem eletricidade quando revertidas. Essa é uma forma estável de armazenamento
e proporciona alta densidade energética e de potência. As baterias de chumbo-ácido já
estão estabelecidas há bastante tempo, com sua descoberta datando do século 19.
Recentemente, células de combustível4 tem demonstrado aptidão para atuar em
armazenamentos de escala industrial como baterias [35].
Existem três categorias de aplicações promissoras para as baterias, são elas:
armazenamento e gerenciamento da carga em redes elétricas; veículos elétricos e
armazenamento de carga para sistemas de energia renovável (como eólica e solar). Elas
são comercializadas em diferentes categorias e tamanhos, e apesar do tipo mais comum
disponibilizado ser o chumbo-ácido, outros materiais estão sendo desenvolvidos com
distintas aplicações e aprimoramentos, como as baterias de lítio-ferro, sódio-enxofre e
níquel-hidreto metálico. Entretanto, as baterias disponíveis atualmente não são
recomendadas para maior parte dos usos em escala industrial devido a seu peso, custo e
performance [35].
4É uma célula eletroquímica que converte a energia potencial química do combustível e do agente oxidante em
eletricidade. Diferem das baterias pois requerem um fluxo contínuo de combustível e agente oxidante para
manter a reação acontecendo [38].
45
Diversos parâmetros são usados para distinguir as características das baterias em
aplicações práticas, sendo essas significantes na determinação do tipo de bateria
indicada para uma aplicação particular. É importante ter em mente que algumas delas
são conflitantes, ou seja, o aprimoramento de uma acarreta o detrimento de outra, logo
é fundamental determiná-las de acordo com seu emprego. Cinco desses termos são:
energia específica; densidade de energia; densidade de potência; vida útil; e custo [35].
Figura 3.24: Esquema de uma bateria de chumbo-ácido
Fonte: [35].
• Armazenamento Termoquímico:
Há reações químicas que são termicamente ativadas e é possível utilizá-las para
armazenar energia. As chamadas reações endotérmicas são aquelas que absorvem calor
para acontecerem, e, portanto, podem ser aproveitadas para armazenar energia térmica.
Quando posteriormente, a reação é revertida e a energia armazenada é liberada. Esse
tipo de armazenamento é considerado para aplicações térmicas solares, porém ainda se
encontra em estágio de desenvolvimento [35].
Ainda, qualquer reação química reversível pode ser considerada para constituir um
dispositivo de armazenamento de energia, acumulando quando ativadas, principalmente por
energia elétrica ou térmica, e liberando energia quando a reação é revertida [35].
3.3.5 Armazenamento em energia térmica
A energia térmica pode ser armazenada pela alteração da temperatura de uma
substância, pela mudança de sua fase, ou pela combinação dos dois. As aplicações para esse
tipo de armazenamento têm sido ampliadas de modo crescente recentemente, com o
desenvolvimento de novas tecnologias [35].
Exemplos de usos estabelecidos desse método são: acúmulo de energia solar para
aquecimento noturno; acúmulo de calor durante o verão para uso no inverno; acúmulo de frio
no inverno para resfriamento no verão; e produção de calor ou frio gerado eletricamente fora
do horário de pico para subsequente uso nas horas de alta demanda. Também pode ser um
importante método para corrigir o desencontro entre a disponibilidade e a demanda de energia
de um sistema, como em alguns casos de aproveitamento de energia solar [35].
O armazenamento térmico tem recebido atenção principalmente nas áreas de
aquecimento, resfriamento, e condicionamento de ar. O desenvolvimento desse método tem
46
potencial para tornar o uso de equipamentos térmicos mais efetivo, substituindo os elétricos, e
facilitar a mudança de fontes convencionais por renováveis em escala industrial de modo
economicamente viável.
O armazenamento sensível é aquele que depende do calor específico sensível e da
variação de temperatura do material. O latente, por sua vez, resulta da troca de calor associada
com a mudança de fase do material, que ocorre a temperatura constante e depende do calor
específico latente. Materiais para sistemas armazenadores de calor sensíveis mais comumente
usados são rochas, entre os meios sólidos, e água, dos meios líquidos. Para os sistemas latentes
há uma variada gama de materiais em utilização, sendo um dos mais populares a água. A
mudança de fase predominante é a de sólido-líquido. O armazenamento se dá através do
resfriamento, aquecimento, solidificação, derretimento ou vaporização do material
armazenador e, quando o processo é revertido, a energia térmica armazenada torna-se
disponível [35].
Dentre os múltiplos benefícios da implantação de um armazenador térmico estão:
aumento da capacidade de geração de energia elétrica ou térmica; melhora nas operações em
plantas de cogeração; mudar a aquisição de energia para períodos de baixo custo; aumentar a
confiabilidade de sistemas térmicos ou elétricos [35].
Figura 3.25: Curva téorica de calor latente e sensível para transição sólido-líquido
Fonte: [39].
No que tange a diferenciação entre os distintos sistemas de armazenamento térmico
possíveis, uma das características de importância responsáveis por essa distinção é a duração
do armazenamento, podendo essa ser de curto, médio ou longo prazo. Esse é um dos fatores
determinantes que se leva em consideração no momento da escolha de um sistema para se
adequar a uma certa aplicação. Por exemplo, o armazenamento de curto período é utilizado na
maioria das vezes para resolver cargas de potência de pico. Já as de médio e longo prazo são
normalmente empregados para otimizar o aproveitamento de cargas sazonais ou calor residual
[35].
47
• Armazenamento em Calor Sensível:
A energia é armazenada pela variação de temperatura de um meio acumulador
como água, rochas, óleos, areia, entre outros. A quantidade de energia transferida ao
armazenador é proporcional à diferença de temperatura inicial e final dele, à massa do
material acumulador, e a seu calor específico. Cada material é apropriado para diferentes
aplicações de acordo com suas características, as quais podem representar vantagens ou
desvantagens dependendo da situação empregada. Por exemplo, o calor específico da
água é aproximadamente o dobro dos de rochas, tornando tanques de água uma escolha
lógica para sistemas acumuladores que operam no intervalo de temperatura necessário
para sistemas condicionadores de ar. A baixa capacidade calorífica das rochas, porém,
é compensada em algumas aplicações pelas grandes variações possíveis de temperatura
desses materiais, e por suas relativamente altas densidades [35].
Nos armazenadores de calor sensível não ocorre mudança de fase, assim a
quantidade de calor acumulado em uma certa massa de material pode ser expressa por
[35]:
𝑄 = 𝑚𝑐𝑝 ∆𝑇 = 𝜌𝑐𝑝 𝑉𝛥𝑇 (3.7)
Em que ∆𝑇 é a variação de temperatura do armazenador e 𝑐𝑝, 𝑚, 𝑉, 𝜌 são
respectivamente o calor específico, a massa, o volume e a densidade do material
acumulador. A capacidade de acumular calor sensível depende fortemente da
quantidade 𝜌𝑐𝑝. Adicionalmente, para ser atrativo como acumulador, um material
também deve ser barato e ter uma alta condutividade térmica. Água, por exemplo, se
encaixa nessas características o que a torna uma excelente escolha como meio
armazenador [35]. A seguir, alguns materiais utilizados em sistemas de armazenamento
de calor sensível e seus calores específicos:
48
Tabela 3.2: Calores específicos de alguns materiais a 20º C
Fonte: [35].
• Armazenamento em Calor Latente:
A transferência de calor que ocorre quando uma substância muda de uma fase
para outra é chamado de calor latente. Para um mesmo meio, o ganho de calor latente
costuma ser muito maior que o ganho sensível, o que está relacionado com a diferença
de magnitude entre o calor específico latente e o sensível [35].
Por isso, a principal vantagem desse método de armazenamento em relação ao
sensível são as maiores capacidades de acúmulo energético por unidade de massa.
Ademais, trabalham em intervalos pequenos de temperatura, já que a troca de calor
acontece a temperatura constante, o que consequentemente o torna um método bastante
promissor de armazenamento térmica.
Como citado acima, o calor liberado ou absorvido em qualquer mudança de fase
ocorre a uma mesma temperatura, e é dado pela seguinte equação [35]:
𝑄 = 𝑚𝐿 (3.8)
Sendo 𝑚 𝑒 𝐿, respectivamente, a massa e o calor específico latente da substância
em mudança de fase. O calor específico latente representa a quantidade de energia
necessária para mudar de fase um quilograma da substância. Cada material tem um calor
específico latente próprio para cada mudança de fase.
49
Figura 3.26: Esquema de calor latente e sensível x temperatura para um mesmo material
Fonte: [40].
Entretanto, apesar das grandes vantagens apresentadas em relação aos sistemas
sensíveis, atualmente a maioria dos sistemas práticos usando materiais de mudança de
fase como acumulador de energia são constituídos de soluções de sais em água,
acarretando em alguns problemas como: sobrearrefecimento do material de mudança de
fase em vez de cristalização durante liberação de calor; dificuldade em construir
trocadores de calor capazes de lidar com a aglomeração de cristal de variados tamanhos
que flutuam no líquido; e sistemas que não conseguem reverter completamente a
operação [35].
Dentre os materiais de mudança de fase a temperatura constante, os mais
adequados para constituírem armazenadores são aqueles que realizam a transição de
fase entre os estados sólido-líquido ou sólido-sólido5. As transições sólido-gás, apesar
de possuírem altos calores latentes, apresentam a desvantagem de ocorrer grandes
alterações de volume [35].
Os critérios mais importantes a serem alcançados pelo material acumulador de
mudança de fase com transição sólido-líquido ou sólido-sólido são: alta entalpia de
transição por unidade de massa; habilidade de reverter completamente a transição;
temperatura de mudança de fase adequada à situação; estabilidade química com o
reservatório; variação de volume devido à transição limitada; não toxicidade; e baixo
custo [35]. A seguir alguns materiais utilizados e suas propriedades térmicas:
5 As transições sólido-sólido correspondem às mudanças na estrutura cristalina de um sólido, de uma rede cristalina
fixa para outra, a temperatura constante. Podem envolver calores latentes comparáveis aos das transições sólido-
líquido e podem ser usados para constituir materiais armazenadores de mudança de fase [35][41].
50
Tabela 3.3: Propriedades termofísicas de alguns materias de mudança de fase
Fonte: [35].
51
4. Sistemas Propostos Após abordar o ciclo de refrigeração, os aparelhos de ar condicionado solares, a
tecnologia fotovoltaica e os métodos de armazenamento de energia, será apresentado neste
capítulo o sistema de ar condicionado solar fotovoltaico a ser dimensionado.
Sendo assim, no primeiro tópico será exposto de maneira geral o sistema, explicando os
principais equipamentos e funções. Em um segundo tópico, será apresentado resumidamente o
sistema fotovoltaico proposto a ser dimensionado posteriormente.
4.1 Sistema de ar condicionado solar fotovoltaico Finalmente é apresentado o sistema de estudo, constituído pelo aparelho de ar
condicionado solar fotovoltaico demonstrado em tópicos anteriores, mas no qual,
diferentemente daqueles exemplos em que há o condicionamento do ar pela troca de calor com
o líquido refrigerante (ou seja, o fluido que percorre o ciclo de refrigeração), neste caso o ciclo
de refrigeração irá resfriar um tanque contendo um meio armazenador de energia térmica, que
por sua vez irá resfriar o ar a ser condicionado quando a climatização for acionada. Assim, a
energia elétrica gerada no sistema fotovoltaico e fornecida ao compressor, durante a
disponibilidade de radiação solar, será acumulada termicamente no tanque e transferida
posteriormente para o ar de ventilação quando solicitado, mesmo quando não houver luz solar.
O esquema do sistema como um todo é ilustrado na figura 4.1 abaixo:
Figura 4.1 – Esquema do sistema de condicionamento solar proposto
Fonte: Elaboração do autor.
O sistema de condicionamento de ar proposto pode ser divido em subsistemas, a partir
da caracterização da função de cada um deles dentro do todo. A seguir os subsistemas, suas
funções e seus respectivos componentes:
52
• Sistema armazenador:
Responsável por armazenar o frio gerado no sistema de refrigeração, é
constituído pelo tanque de armazenamento, fluido de armazenamento e trocador de
calor.
• Sistema de refrigeração:
Responsável por produzir frio pelo ciclo de refrigeração, é constituído por uma
ou mais unidades condensadoras de acordo com a necessidade de carga do ambiente.
Uma unidade condensadora, por sua vez, contém os elementos essenciais do ciclo: um
compressor, um condensador, uma válvula de expansão e um evaporador.
• Sistema de resfriamento:
Responsável pela climatização do ambiente, onde o fluido de armazenamento
removerá calor, através de um trocador de calor, do ar soprado pelo duto de ventilação.
Constituído pela bomba de recirculação, trocador de calor, ventilador, duto de
ventilação e sistema de controle.
O tanque armazenador deverá ser isolado termicamente para minimizar as trocas de
calor com a vizinhança, o que acarretaria perdas de energia térmica. A bomba de recirculação
será acionada quando o resfriador de ar for ligado, e permitirá a troca de calor entre o fluido de
armazenamento e o ar ambiente, resultando no efeito de refrigeração.
Ainda, é importante também a determinação do período de demanda por climatização
do ambiente. Para sistemas solares com armazenamento de energia solar, a curva de carga mais
apropriada é a residencial, pois, como visto no tópico 2.2.3, há uma defasagem entre essa curva
de demanda e a curva de incidência de irradiação solar diária, o que ocasiona no período de
solicitação do sistema de condicionamento não coincidir com o da recarga de energia térmica.
Ou seja, em um primeiro momento é feita o armazenamento de energia térmica durante as horas
de incidência solar, e em um segundo momento essa carga acumulada é utilizada quando a
climatização for solicitada.
Porém, como explicado na introdução, este projeto objetiva uma aplicação prática em
um laboratório do PPE, o que acarreta uma curva de carga alinhada ao horário comercial. Sendo
assim, para efeitos de dimensionamento e simulação, a curva de carga considerada para o
sistema proposto terá um perfil semelhante ao do setor de serviços, significando que o período
de armazenamento de energia térmica coincidirá com o período de demanda por climatização
do ambiente.
4.2 Sistema fotovoltaico O sistema fotovoltaico proposto visa o fornecimento direto da energia gerada à unidade
condensadora mencionada no tópico anterior. Logo, tendo em vista o caráter de suprimento
direto de uma carga específica por energia gerada diretamente pelos painéis, o sistema
fotovoltaico sugerido configura-se, a princípio, do tipo isolado, como visto no tópico 3.2.3.
Entretanto, levando em consideração que o projeto pretende testar o sistema na prática
empregando-o em um laboratório, como mencionado no tópico anterior, mostra-se fundamental
a garantia de energia elétrica em todos os níveis disponíveis. Por isso, considerando a relevância
da não interrupção do fornecimento de energia elétrica, será proposta a conexão do sistema
53
fotovoltaico à rede pública de energia, com o intuito de fornecer eletricidade caso, por
consequência de longos períodos de radiação solar insuficiente, o sistema de armazenamento
não supra a carga térmica solicitada. O controle da necessidade de energia proveniente da rede
será feito com o auxílio de um termostato, o qual acionará a rede convencional quando a
temperatura do tanque de armazenamento alcançar uma temperatura crítica, a ser estimada em
capítulo posterior deste documento, a qual prejudicaria o desempenho do sistema de
resfriamento.
É importante ressaltar, entretanto, que do ponto de vista térmico o foco e o interesse
deste estudo são a elaboração de um sistema fotovoltaico que forneça energia diretamente ao
sistema de refrigeração do equipamento de ar condicionado proposto, a conexão à rede servindo
como precaução em vista da importância na continuidade do funcionamento do resfriamento.
54
5. Dimensionamento do Sistema de
Condicionamento de Ambiente No presente capítulo serão elaborados e selecionados os elementos do sistema
projetado. Primeiramente, será calculada a carga térmica a ser retirada do ambiente, a qual é a
estimativa fundamental no desenvolvimento de sistemas de ar condicionado. Em seguida, será
projetado o tanque de armazenamento de frio. A partir destes cálculos, serão selecionados os
componentes do sistema de resfriamento do ar. Finalmente, os componentes do sistema
fotovoltaico serão escolhidos de acordo com a área disponível para implantação e pesquisa de
mercado.
5.1 Carga Térmica A carga térmica sobre uma edificação é o somatório do calor transmitido ao ambiente,
seja por radiação, convecção, condução etc. Essas cargas classificam-se em externas ou internas
de acordo com sua origem em relação ao interior da edificação. Exemplos da primeira são:
temperatura do ar exterior; radiação solar através de janelas; condução através de paredes
externas, teto e solo; ar de ventilação e infiltrações. As internas têm como principal origem as
conduções por paredes internas e forros; o calor metabólico humano; as potências dissipadas
por equipamentos e pela iluminação [42]. A seguir, durante a apresentação do cálculo da carga
térmica, serão detalhadas as cargas sobre o laboratório e as premissas utilizadas na estimativa
delas.
Figura 5.1: Cargas térmicas sobre uma edificação
Fonte: [43].
5.1.1 Cálculo da Carga Térmica
O cálculo da carga térmica é de grande complexidade, levando-se em conta a
diversidade de fatores envolvidos como: o cálculo dos coeficientes de troca térmica das
diferentes superfícies; as mudanças de condições climáticas; a elaboração dos perfis de
ocupação e atividades realizadas no prédio; a determinação da potência dissipada pelos
55
equipamentos e pela iluminação do ambiente; determinação das infiltrações e do ar de
ventilação, entre outros. Devido a isso, foram desenvolvidos métodos que visaram simplificar
esses cálculos, permitindo que estimativas a respeito da carga térmica fossem realizados
manualmente.
Porém, ainda que uteis hoje em dia, as estimativas obtidas por esses métodos têm caráter
rudimentar do ponto de vistas de projetos de engenharia que requerem um cálculo mais
refinado. Por exemplo, tais métodos permitem apenas a estimativa da carga térmica de pico ou
de um dia típico do ano, sendo inviáveis na elaboração de perfis de cargas para diversos dias e
meses do ano. Portanto, pensando em agilizar os cálculos e refinar os resultados e seus alcances,
foram elaborados ao programas computacionais capazes de realizar tais tarefas.
Atualmente existem inúmeros softwares dedicados à área de climatização e
refrigeração de edificações, dispondo de diversos recursos e baseados em diferentes métodos
de cálculo de carga e parâmetros de condicionamento de ar e conforto. Para a estimativa da
carga térmica deste projeto foi utilizado o software gratuito EnergyPlus [44], desenvolvido pelo
Departamento de Energia dos Estados Unidos, Department of Energy (DOE), que utiliza as
metodologias e recomendações estipuladas pela Sociedade Americana de Engenheiros de
Condicionamento de Ar, ASHRAE (American Society of Heating, Refrigerating and Air-
Conditioning Engineers), em concordância com a norma da ABNT NBR 16401 [44], a qual
estipula que as estimativas feitas por programas computacionais devem seguir os métodos
estipulados pela ASHRAE.
A seguir, serão apresentados os dados de entrada fornecidos ao programa para a
composição da carga térmica horária transmitida ao laboratório durante o período de um ano
típico. Os dados serão dispostos em categorias conforme a organização do software.
• Condições Climáticas:
Os dados climáticos empregados são os obtidos no banco de dados do site
Climate.OneBuilding [45], através do arquivo EPW de nome completo
BRA_RJ_Rio.de.Janeiro-Galeao-Jobim.Intl.AP.837460_TMYx.
Os arquivos EPW são documentos do programa Bloco de Notas do Windows
formatados de acordo especificações do EnergyPlus contendo dados meteorológicos de
uma determinada região, e que podem ser utilizados também em outros programas.
O EPW citado acima fornece dados climáticos horários para a região do
aeroporto do Galeão como temperatura do ar, humidade relativa e radiação solar
incidente durante o período de 1973 até 2017. A partir dessas informações o software é
capaz de produzir um ano meteorológico típico para a localização e que será usada
posteriormente nas simulações e cálculos.
Local Rio de Janeiro - Galeão
Latitude -22,809
Longitude -43,244
Elevação 8,5
Temperatura do ar média 24,3ºC
Irradiação solar global média 230,2 W/m²
Humidade relativa 76,7%
56
Tabela 5.1: Informações geográficas e meteorológicas do local
Fonte: Elaboração do autor a partir de [45].
• Arquitetura do prédio:
O próximo passo é fornecer as principais dimensões e construções do prédio. Na
tabela 5.2 e na figura 5.2 são apresentados os dados de entrada utilizados na modelagem
do prédio.
As dimensões da figura 5.2 estão em mm. Na mesma ilustração, os elementos
em azul de dimensão 260mm são colunas de aço estruturais de sustentação do teto. O
pé direito é de 3,5 m.
Laboratório Área [m²]
Parede 1 14,00
Parede 2 32,28
Parede 3 22,51
Parede 4 9,01
Parede 5 8,40
Janelas 3,00
Porta 1 14,46
Porta 2 9,01
Tabela 5.2: Áreas para dimensionamento do laboratório
Fonte: Elaboração do autor.
57
Figura 5.2: Principais dimensões do laboratório
Fonte: Elaboração do autor.
• Estrutura das construções:
É preciso definir o material do qual é composta as construções da edificação
como paredes, portas, piso, teto e janelas. As propriedades dos materiais foram definidas
de acordo com a norma ABNT NBR 15220 [46] ou indicados pela ASHRAE [47].
58
Construção Material
Calor específico
(J/kg.K)
Condutividade térmica (W/m.K)
Massa específica
(kg/m³) Espessura
(mm)
Parede Tijolo 840 0,73 1.922 200
Teto Tijolo 840 0,73 1.922 200
Argamassa 1.000 1,15 1.800 80
Colunas Aço 460 55 7.800 100
Porta Ferro 460 55 7.800 50
Piso Concreto 1.000 1,75 2.400 200
Tabela 5.3: Propriedade dos materiais das construções
Fonte: Elaboração do autor a a partir de [46] e [47]
O material das janelas foi importado da biblioteca do programa, a qual utiliza
uma base de dados com propriedades indicadas pela ASHRAE, sendo selecionada uma
espessura de 3mm para todas as janelas.
• Cargas Internas:
As cargas internas simuladas para o laboratório correspondem àquelas
originadas por pessoas, equipamentos e iluminação artificial do ambiente. Para chegar
aos números estimados na Tabela 3.4 abaixo, correspondente ao dados de entrada
fornecidos ao software, foram levadas em consideração os valores indicados pela norma
ABNT NBR 16401 [48], principalmente os relacionados a ambientes residenciais e
escritórios, e também as indicações do próprio EnergyPlus, o qual possui definições de
cargas para diferentes tipo de ambiente como pequenos, médios e grandes escritórios.
Foi considerado uma média de 5 pessoas ocupando o laboratório diariamente.
Carga Taxa de dissipação de calor
Pessoas 130 W/pessoa
Equipamentos 16,2 W/m²
Iluminação 12 W/m²
Tabela 5.4: Cargas internas do laboratório
Fonte: Elaboração do autor a partir de [48]
59
Tabela 5.5: Taxas típicas de calor liberado por pessoas
Fonte: [48].
Tabela 5.6: Densidade típica de carga de equipamentos para diversos tipos de escritório
Fonte: [48].
60
Tabela 5.7: Taxas típicas de dissipação de calor pela iluminação
Fonte: [48].
• Infiltração:
É o fluxo de ar através de frestas e aberturas não intencionais, e devido ao uso
das portas localizada nas faixadas. Por ser de difícil mensuração, foram considerados os
valores indicados no EnergyPlus para diferentes tipos e tamanho de ambientes e
escritórios, sendo empregado como dado de entrada o valor de 0,0002 m/s por área de
superfície externa da construção.
• Condições do ambiente e conforto:
Finalmente, é necessário definir as condições do ar interno do laboratório de
acordo com parâmetros de temperatura e umidade que produzam uma sensação de
conforto térmico aos frequentadores do laboratório.
A temperatura de bulbo seco e a umidade relativa estipuladas para gerar conforto
térmico foram respectivamente de 23º C e 50%. Esses valores se encontram dentro da
zona de conforto térmico delimitada pela norma ABNT NBR 16401 [48], a qual indica
os parâmetros ambientais suscetíveis a satisfazer termicamente 80% ou mais das
61
pessoas. De acordo com [48], para o verão: “Temperatura operativa e umidade relativa
dentro da zona delimitada por 22,5ºC a 25,5ºC e umidade relativa de 65% e 23,0ºC a
26,ºC e umidade relativa de 35%” e para o inverno: “Temperatura operativa e umidade
relativa dentro da zona delimitada por 21,0ºC a 23,5ºC e umidade relativa de 60% e
21,5ºC a 24,0ºC e umidade relativa de 30%” A figura 5.3 ilustra a zona de conforto
térmico.
Figura 5.3: Zona de temperatura e umidade aceitáveis em ambientes de atividade sedentárias
Fonte: [47].
• Perfis das cargas internas:
Os valores indicados para as cargas internas citadas anteriormente correspondem
aos valores padrões máximos delas. Com o intuito de estimar de forma mais precisa esse
ganho de calor ao longo do dia, o programa permite o desenvolvimento de perfis
horários de variação da carga interna durante um dia padrão. A figura 5.4 ilustra os
perfis adotados:
62
Figura 5.4: Perfis de variação da carga interna
Fonte: Elaboração do autor
5.1.2 Resultados da Carga Térmica
Determinados todos os dados de entrada, o programa calcula a carga térmica horária
total e sua parcela sensível para todos os dias de um ano típico. A seguir, são apresentados
alguns resultados obtidos através dos dados fornecidos pelo software. Para o dimensionamento
do sistema de ar condicionado, entretanto, será utilizado a carga térmica de pico6 estimada que
o sistema terá que entregar, apresentada na tabela 5. 8, sendo informados também o dia e horário
em que ocorrerá a demanda.
Data Sensível [W] Total [W]
7 de janeiro 12:00 5.478 6.907
Tabela 5.8: Pico da carga térmica do laboratório
Fonte: Elaboração do autor
A figura 5.6 apresenta o perfil mensal das cargas térmicas total e média calculadas pelo
programa:
6 A carga térmica sensível e latente corresponde, respectivamente, ao calor a ser retirado do ambiente climatizado
de modo a manter sua temperatura e umidade constante. A carga total é a soma dessas duas parcelas.
0
1
2
3
4
5
0%
10%
20%
30%
40%
50%
60%
70%
80%
90%
100%
0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20 21 22 23
Nú
mer
o d
e p
esso
as
% d
o t
ota
l
Horas
% equipamento % iluminação nº pessoas
63
Figura 5.5: Carga térmica total e média por mês
Fonte: Elaboração do autor
A figura 5.7 apresenta o perfil de carga térmica diário para um dia típico do ano
simulado:
Figura 5.6: Perfil da carga térmica diária
Fonte: Elaboração do autor
5.2 Sistema de Armazenamento Térmico No presente capítulo serão abordados os aspectos práticos referentes ao projeto do
sistema de armazenamento de energia térmica, desde a seleção do meio armazenador até o
dimensionamento do tanque, tratando de aspectos técnicos fundamentais para o
desenvolvimento dos sistemas restantes como carga a ser armazenada, volume necessário do
tanque e intervalo de temperatura de operação.
5.2.1 Meio armazenador
A escolha do fluido armazenador envolve o cumprimento de certos fatores essenciais
64
para cada tipo de utilização em específico. A seguir, de acordo com [35], serão apresentados os
critérios para determinação do meio armazenador:
• Calor Específico: Grandeza física que representa a variação de temperatura de
uma substância devido à troca de uma certa quantidade de calor. Em
armazenadores térmicos é desejado substâncias com alto calor específico, o que
significa que, para uma mesma diferença de temperatura de operação, tem-se
uma quantidade maior de energia armazenada em relação às de baixo calor
específico.
• Massa Específica: Definida como a razão entre a massa de uma substância e
seu volume. Como a energia armazenada é diretamente proporcional à massa,
são procurados materiais com alta massa específica, ou seja, que ocupam
menos volume dada uma mesma quantidade de massa.
• Intervalo de Temperatura de Operação: Para armazenamento de calor
sensível em líquidos, o limite inferior deve ser a temperatura de fusão dele,
tendo em vista que não há troca de estado físico. Já o limite superior
normalmente é definido pela aplicação. Por exemplo, no caso do líquido
armazenador ser usado como fluído de operação no trocador, a temperatura
máxima de operação do último será esse limite (para resfriadores de ar a água
gelada, considerados neste projeto, esse valor costuma estar na faixa entre 5 a
15 ºC); Para armazenamentos de calor latente, a temperatura de aplicação deve
coincidir com a temperatura de fusão do material, pois é necessário que haja
mudança de estado físico.
• Acessibilidade e Custo: Foram pesquisados materiais de fácil acesso, ou seja,
amplamente inseridos no mercado e com as menores relações preço/quantidade
(R$/kg) possíveis.
• Estabilidade Química e Não Toxicidade: Levando em conta o interesse deste
projeto em aplicações de escala residencial e comercial.
Levando em consideração os critérios discutidos chega-se a tabela 5.9, que apresenta as
substâncias selecionadas para possível emprego como material armazenador e suas principais
propriedades físicas e térmicas relevantes à aplicação:
Material Concentração
(%)
Massa específica
(kg/m³)
Calor específico
(J/K.kg)
Ponto de fusão (ºC)
Preço (R$/kg)
Estabilidade Química
Água - 1.000 4.219 0 -
Estável
Salmoura (água + sal) 5 a 15 1.035 a 1.111
3.930 a 3.550
-2,77 a -10,5 4
Solução de água com etilenoglicol
10 a 30 1.020 a 1.056
3.940 a 3.550
-3,20 a -14,1 30 a 70
Mistura de água com gelo 10 a 30 1.000 333.000 0 -
Tabela 5.9: Lista de materiais estudados para armazenamento térmico
Fonte: Elaboração do autor com base em [8].
65
As concentrações na tabela acima referem-se às frações mássicas entre soluto e solvente
(kg/kg), no caso das soluções, e na mistura água e gelo à fração de congelamento da água. As
propriedades são as avaliadas no ponto de fusão e foram retiradas de [49]. Os materiais são
considerados para armazenamento de calor sensível, excetuando-se a mistura água com gelo
que também armazena calor latente. O etilenoglicol é um composto orgânico de fórmula
química (CH2OH)2 bastante utilizado em misturas anticongelantes, sendo um líquido viscoso
incolor e inodoro [50].
O método comparativo para escolha do material armazenador consistirá em determinar
o volume necessário para se armazenar uma mesma quantidade determinada de energia,
limitando todos os candidatos ao mesmo limite superior de temperatura. Em seguida, será
realizada uma análise econômica e técnica referente à aplicação neste projeto, assim
selecionando o material mais indicado.
Para a água e as soluções em água, o volume será calculado segundo a equação 3.7,
apresentada na seção 3.3.5, referente ao calor sensível trocado por uma substância.
Adicionalmente a essa equação, também será utilizada a equação 3.8, também mostrada na
seção 3.3.5, no cálculo do volume de mistura de água e gelo necessários, devido à parcela de
calor latente absorvida pelo material.
A quantidade de calor considerada como referência a ser absorvida pelo material será a
carga térmica sensível máxima estimada no tópico 5.1.2, no valor de 5478 W, sendo absorvida
constante por 8 horas.
��𝑇𝑒𝑟𝑚𝑡𝑓 = 5.478[𝑊] ∙ 28.800[𝑠] = 157.766.400[𝐽]
Visto que o calor e a massa específicos variam com a temperatura, neste cálculo serão
empregados os valores médios em relação aos intervalos de temperaturas respectivos. As
temperaturas de frio serão os pontos de fusão de cada material. Como indicado acima, para se
ter uma mesma base de comparação, a temperatura quente terá que ser única para todos os
meios armazenadores. Sendo ela é um valor de referência, ou seja, podendo-se escolher
qualquer temperatura acima dos pontos de fusão apresentados na tabela 5.9, será arbitrado o
valor de 10ºC como empregado em [8]. Como será visto na seção 5.3.1, esse valor está próximo
da temperatura quente de projeto que será calculada naquela seção.
É importante lembrar que as temperaturas de frio e quente utilizadas nesta seção fazem
parte da metodologia de escolha do meio armazenador, e serão diferentes daquelas empregadas
na seleção do tanque, a ser feita na seção 5.2.2.
Abaixo a equação 3.7 e a tabela 5.10 com os dados de entrada e os volumes calculados
para os armazenadores de calor sensível.
Como indicado no capítulo 1, o projeto teve como base um trabalho feito previamente
abordando este futuro laboratório do PPE [8], e para esta parte do dimensionamento foram
utilizadas as planilhas de cálculo no software Excel desenvolvidas nele para a realização dos
resultados apresentados nas tabelas 3.10, 3.11 e na figura 5.8.
𝑄 = 𝑚𝑐𝑝 ∆𝑇 = 𝜌𝑐𝑝 𝑉𝛥𝑇 (3.7)
66
Fluido Densidade
(kg/m³) Calor específico
(kJ/ºC.kg)
Temp. fria (ºC)
Temp. quente
(ºC)
Calor absorvido
(kJ)
Volume calculado
(m³)
Água 1.000 4,19 0
10 157.766,40
3,77
H2O + NaCl (5%) 1.035 3,93 -2,77 3,04
H2O + NaCl (10%) 1.072 3,72 -6,67 2,37
H2O + NaCl (15%) 1.111 3,55 -10,5 1,95
H2O + EG (10%) 1.020 3,94 -3,2 2,98
H2O + EG (20%) 1.038 3,76 -7,8 2,27
H2O + EG (30%) 1.056 3,55 -14,1 1,74
Tabela 5.10: Dados de entrada e volume calculado dos armazenadores de calor sensível
Fonte: Elaboração do autor com auxílio de [8].
Para a mistura água com gelo o calor de referência será igual as somas da parcela de
calor sensível e calor latente calculados respectivamente pelas equações 3.7 e 3.8, em que 𝑓 é
a fração de congelamento da mistura.
𝑄 = 𝜌𝑉(𝑓𝐿 + 𝑐𝑝 ∆𝑇) (5.1)
Fração de Congelamento
Densidade (kg/m³)
Calor específico (kJ/ºC.kg)
Temp. fria (ºC)
Temp. quente
(ºC)
Calor absorvido
(kJ)
Volume calculado
(m³)
10%
1.000 333 0 10 157.766,40
2,10
20% 1,45
30% 1,11
Tabela 5.11: Dados de entrada e volume calculado do armazenador de calor latente
Fonte: Elaboração do autor com auxílio de [8].
Através do gráfico da figura 5.8 a seguir, elaborado a partir dos dados calculados
apresentados acima, é possível se ter uma ideia geral dos resultados obtidos com a finalidade
de se determinar o melhor meio armazenador para a aplicação.
67
Figura 5.8: Volume necessário do material por concentração/fração de congelamento
Fonte: Elaboração do autor com auxílio de [8].
A mistura de água e gelo é a alternativa de menor volume. Porém, considerando o ponto
de vista técnico e prático da aplicação, dois aspectos dificultam o seu emprego como meio de
armazenamento neste projeto. O primeiro refere-se ao fato do meio armazenador também ser o
fluído de resfriamento do ar, o qual será bombeado através de um trocador de calor onde
acontecerá a troca térmica. Isso implica no bombeamento de água no seu ponto de fusão,
podendo ocorrer mudança de fase na tubulação, causando assim uma consequente obstrução no
interior dela ou nas conexões. Adicionalmente, no trocador submerso no tanque para
resfriamento da mistura, será formada uma camada de gelo a qual crescerá de acordo com a
quantidade de calor que é retirada do tanque, diminuindo gradativamente a eficiência do
trocador. Esse problema poderia ser resolvido introduzindo-se um mecanismo de agitação da
água, mas tal solução representaria um grau de complexidade maior para o sistema além de um
custo adicional.
A decisão mais conveniente, do ponto de vista de volume ocupado, é a solução de água
com sal ou a solução de água com etilenoglicol. Do ponto de visto econômico, o preço por peso
de sal é consideravelmente menor que o de etilenoglicol, o primeiro com valor de
aproximadamente R$4,00/kg, enquanto para o segundo o valor varia entre R$30-70/kg.
Levando estes fatores em consideração foi selecionada a mistura de água com sal (salmoura).
Meio armazenador
Concentração (%)
Massa específica médio
(J/K.kg)
Calor específico médio
(J/K.kg)
Ponto de fusão (ºC)
Preço por peso médio
(R$/kg)
Solução de água com sal (NaCl)
5 a 15 1.072 3.720 -2,77 a -10,5 4
Tabela 5.12: Meio armazenador selecionado
Fonte: Elaboração do autor
68
5.2.2 Tanque de Armazenamento
Determinado o meio armazenador, o próximo passo é avançar na especificação do
tanque armazenador. Para tal, os fatores determinantes no cálculo do volume do armazenador
são as cargas térmicas que fluem por ele, neste caso resumidas na carga térmica de climatização
e nas perdas para o ambiente. As perdas térmicas se referem às trocas térmicas indesejadas com
o ambiente devido ao diferencial de temperatura do fluido armazenador e do meio, significando
em um ganho de temperatura por parte do primeiro e consequente redução da energia
armazenada. Tais trocas térmicas podem ter natureza convectiva, no caso de vento incidir sobre
o tanque, condutiva, através das paredes do tanque, e radiativa, caso haja incidência de raios
solares. Se mostra necessário, portanto, a determinação do balanço energético do tanque
armazenador, e para isso, será usada a equação 2.1, apresentada no tópico 2.1.3 deste
documento, referente à primeira lei da termodinâmica aplicada a um volume de controle, neste
caso, o próprio tanque.
𝑑𝐸𝐶.𝑉.
𝑑𝑡= ��𝐶.𝑉. − ��𝐶.𝑉. + ∑ 𝑚𝑖 (ℎ +
𝑉𝑖
2
2
+ 𝑔𝑧𝑖) − ∑ 𝑚𝑒 (ℎ +𝑉𝑒
2
2
+ 𝑔𝑧𝑒) (2.1)
Como não há trabalho realizado nem fluxo de massa, abrindo-se o termo do calor
externo ��𝐶.𝑉. sobre o volume de controle, a equação 2.1 toma a seguinte forma:
𝑑𝐸𝑇𝑎𝑛𝑞𝑢𝑒
𝑑𝑡= ��𝑇𝑒𝑟𝑚 + ��𝑃𝑒𝑟𝑑𝑎𝑠𝑇𝑜𝑡𝑎𝑙 (5.2)
Em que 𝑑𝐸𝑇𝑎𝑛𝑞𝑢𝑒
𝑑𝑡 representa a variação de energia armazenada no tanque pelo tempo,
��𝑇𝑒𝑟𝑚 é a carga térmica de climatização solicitada ao tanque e ��𝑃𝑒𝑟𝑑𝑎𝑠 são as trocas térmicas
indesejadas com ambiente explicitadas acima.
Multiplicando a equação 5.2 pelo tempo que ambas as cargas atuam, temos a equação
da energia armazenada no tanque, apresentada a seguir:
𝐸𝑇𝑎𝑛𝑞𝑢𝑒 = ��𝑇𝑒𝑟𝑚𝑡𝑓 + ��𝑃𝑒𝑟𝑑𝑎𝑠𝑇𝑜𝑡𝑎𝑙𝑡𝑝 (5.3)
Sendo 𝐸𝑇𝑎𝑛𝑞𝑢𝑒 a energia armazenada no tanque e 𝑡𝑓 𝑒 𝑡𝑝 respectivamente o tempo de
fornecimento de carga térmica ao laboratório e tempo de incidência das perdas, em segundos.
A carga térmica de climatização é a parcela principal do projeto do tanque, pois ela
determina a quantidade de energia que se deseja armazenar. Para o presente projeto, tendo em
vista que não há defasagem entre o consumo e o acumulo de energia, pois a disponibilidade da
fonte energética coincide com o horário de utilização do laboratório, será desenvolvido um
tanque com capacidade volumétrica a fim de possibilitar o fornecimento ininterrupto da parcela
sensível da carga térmica calculada no tópico 5.1 durante o pico de utilização do laboratório,
totalizado em 8 horas. Esse cálculo foi feito na seção 5.2.1 e tem valor de 157.766 kJ, como
indicado na tabela 5.11.
Para o cálculo das parcelas de perda térmica serão assumidas algumas hipóteses.
Primeiro, é desejável que o tanque se encontre em lugar fechado ou protegido do vento,
portanto, a parcela de perda por convecção será desprezada. Além disso, contando com a
69
importância do armazenador se encontrar em ambiente sombreado, e de que muitos tanques
armazenadores de água contêm camadas escuras de proteção contra raios UV, a parcela devida
à radiação térmica também será desprezada. Será considerada, então, a parcela de condução de
calor através das paredes do tanque.
Segundo [51], o calor trocado por condução através de uma parede pode ser dado por:
��𝐶𝑜𝑛𝑑 =∆𝑇
𝑅𝑇𝑒𝑟𝑚 (5.4)
Em que ∆𝑇 é a diferença de temperatura entre os meios separados, e 𝑅𝑇𝑒𝑟𝑚 é a
resistência térmica do material constituinte da parede. A resistência térmica é definida de
diferentes maneiras a depender da geometria da parede. Tanques de armazenamento podem ser
encontrados em diversas formas geométricas, e para esta estimativa será determinada que o
armazenador terá forma cilíndrica. Assim, adaptando a resistência térmica para formas
cilíndricas à geometria do tanque, a resistência da parede do armazenador pode ser expressa
por:
𝑅𝑇𝑒𝑟𝑚 =ln(
𝐷 + 2𝑒𝐷 )
2𝜋𝑘𝐻 (5.5)
Sendo 𝐻 e 𝐷 respectivamente a altura e a diâmetro do tanque, 𝑒 a espessura da parede
do tanque, e 𝑘 a condutividade térmica do material.
Antes de realizar o cálculo da perda por condução, porém, é necessário fazer mais uma
consideração. Assumindo que grande parte dos tanques e caixas d’água são fabricados em
espessuras da ordem de 1 a 2cm, e tendo em vista o grande diferencial de temperatura entre os
meios, o interior do tanque mantido abaixo de 0ºC e o exterior podendo passar dos 30ºC, pode-
se considerar a adição de um material isolante em torno do tanque. Isso é facilmente conseguido
juntando à parede externa do tanque blocos de poliestireno expandido, comercialmente
conhecido como isopor, que são excelentes isolantes térmicos e tem ampla disponibilidade no
comércio [52].
Em estruturas constituídas por mais de um material é conveniente a introdução do
conceito do coeficiente global de troca térmica, representado pela letra 𝑈, conjuntamente com
a equação 5.6, a qual determina a taxa de troca de calor através de uma parede composta devido
à diferença de temperatura ∆𝑇 dos meios separados [51].
�� = 𝑈𝐴∆𝑇 (5.6)
O coeficiente 𝑈 é definido de tal forma que o produto 𝑈𝐴 é igual ao inverso das somas
das resistências térmicas em associação:
𝑈𝐴 =1
∑ 𝑅𝑇𝑒𝑟𝑚 (5.7)
Calculando as resistências térmicas para as paredes do isolante térmico e do, é possível,
através das equações 5.6 e 5.7, determinar a perda térmica do meio armazenador para o
70
ambiente externo, representada nesta taxa de calor que flui do ambiente para o meio
armazenador.
Após uma pesquisa no mercado, pôde-se reconhecer que um material de predominância
na fabricação de caixas e tanques de água é o polietileno. O polietileno é um composto químico
orgânico representado pela cadeia (CH2-CH2)n, quimicamente inerte, e que por sua alta
produção mundial, é um dos plásticos mais baratos e utilizados do mundo [53].
Como o cálculo das resistências utiliza as dimensões do tanque, uma estimativa deve
ser feita analisando os volumes calculados na tabela 5.10, os quais indicam a necessidade de
tanques da ordem de 3m³. Entretanto, esses cálculos não consideram justamente os ganhos de
calor, nem a temperatura de operação do tanque, por isso o que se pode apreender dessa análise
é que o tanque deverá ter mais que esse valor calculado. Uma rápida pesquisa revela que é
prática comum dos fabricantes produzirem tanques em duas categorias, recipientes com volume
até 3m³ e acima de 5m³. Portanto, para se ter uma estimativa condizente com a realidade prática,
as dimensões estimadas serão tais a simular um tanque de 5m³. O isolamento constituído por
blocos de isopor também será aproximado para a forma cilíndrica de forma a facilitar os
cálculos.
Finalmente, a diferença de temperatura ∆𝑇, entre o ambiente externo e o meio
armazenador, será de 38,5ºC, o que considera o cenário com temperatura do meio externo em
28 ºC, compatível com a temperatura média da cidade do Rio de Janeiro para o período do verão
(dezembro a fevereiro) [54] e [55], e temperaturas do meio interno no ponto de fusão de -10,5
ºC, de modo a estabelecer a máxima diferença de temperatura entre os meios internos e
externos, e consequentemente a máxima perda de calor por condução, assim adotando uma
postura conservadora.
A tabela 5.13 mostra os dados de entrada e os cálculos seguintes até o resultado da taxa
de carga térmica por condução.
Parede condutividade
térmica (W/m.k)
espessura (m)
Diametro (m)
Altura (m)
Resistência térmica (K/W)
Resistência total(K/W)
UA (W/ºC)
ΔT (ºC)
Qperdas7 (W)
Tanque 0,4 0,02 2 1,6 0,002 0,051 19,65 38,5 757
Isolante 0,03 0,03 2,04 1,6 0,048
Tabela 5.13: Dados de entrada e resistências térmicas calculadas
Fonte: Elaboração do autor
Assumindo que a diferença de temperatura de 38,5ºC acontece no horário de pico, em
que há maior incidência de luz solar, para o restante do dia pode-se assumir uma diferença de
30ºC (temperatura média nas outras 16 horas em torno de 20ºC de acordo com [54] e [55]),
com a amenização do clima.
Ainda, poderá haver perdas de energia durante o processo de climatização, devido a
trocas de calor e irreversibilidades na tubulação. A mensuração dessas perdas pode ser feita
dispondo-se da configuração final dos equipamentos do sistema, o que não se tem neste caso,
já que o laboratório não se encontra em estado final de funcionamento. Porém, de modo a não
7 Este é o valor da perda de calor máxima calculado a partir dos dados de entrada apresentados na tabela 5.13
71
negligenciar esses tipos de perda, neste projeto será estabelecido uma perda máxima tolerável.
Sendo assim, ao se ter a disposição final dos equipamentos e da estrutura do laboratório, poderá
ser estudado um esquema para o isolamento das tubulações e para as distâncias entre os
equipamentos do sistema de condicionamento de ar com o objetivo de manter essas perdas
abaixo do valor estipulado.
Dadas as características descritas acima, o limite estabelecido para as perdas de
climatização se baseará em dois valores. Primeiro, por se tratar de uma troca de calor indesejada
que ocorre durante o processo de climatização, ela será expressa como uma porcentagem da
carga térmica de climatização. Segundo, tendo em vista que no projeto do tanque leva-se em
consideração esforços para o isolamento do tanque, a perda durante a climatização não poderá
passar aquela calculada para o tanque no valor de 757 W, calculada de acordo com a tabela 5.13
acima. Assim, o valor definido será de 10% da carga térmica de climatização, o que corresponde
a uma perda de 548 W.
Voltando à equação 5.3, teremos que a energia armazenada perdida total será:
��𝑃𝑒𝑟𝑑𝑎𝑠𝑇𝑜𝑡𝑎𝑙 = ��𝑃𝑒𝑟𝑑𝑎𝑠𝑡𝑃 + 10% ∙ ��𝑇𝑒𝑟𝑚𝑡𝑓
= 757[𝑊] ∙ 8[ℎ] ∙ 3600 + 757[𝑊] ∙ 3038,5⁄ ∙ 16[ℎ] ∙ 3600 + 15.776.640[𝐽]
= 71.531.256[𝐽]
O cálculo do volume se dará através da substituição da equação 3.7 no termo do lado
esquerdo da equação 5.3, igualmente aos cálculos da tabela 5.10. A concentração da solução
será de 15%, pois esta apresenta um ponto de fusão mais baixo (-10,5°C) que as outras
concentrações, permitindo a utilização do líquido armazenador a temperaturas mais baixas sem
correr o risco de congelamento. O 𝐶𝑝 utilizado será o médio já que haverá variação do mesmo
durante o intervalo de temperatura de operação. Mas, visando calcular o volume máximo
necessário, a massa específica 𝜌 será a menor do intervalo, ou seja, aquela referente à maior
temperatura de operação.
𝑄 = 𝑚𝑐𝑝 ∆𝑇 = 𝜌𝑐𝑝 𝑉𝛥𝑇 (3.7)
𝐸𝑇𝑎𝑛𝑞𝑢𝑒 = ��𝑇𝑒𝑟𝑚𝑡𝑓 + ��𝑃𝑒𝑟𝑑𝑎𝑠𝑇𝑜𝑡𝑎𝑙𝑡𝑝 (5.3)
A temperatura de frio é a aquela em que o tanque será projetado para ser mantido. Como
estudado no tópico 5.2.1, por razões práticas é importante evitar o congelamento do meio
armazenador. Ainda segundo o tópico citado, uma das vantagens da utilização da mistura de
água e sal é a possibilidade de alcançar-se temperaturas menores que a de fusão da água pura,
no valor de 0º C. Logo, a temperatura fria deverá estar entre o intervalo de -10,5 e 0ºC.
Sendo assim, a temperatura fria de projeto escolhida será de -4ºC, encontrando-se
próxima ao meio do intervalo térmico citado acima, aproveitando o resfriamento da água para
além do seu ponto de fusão de substância pura e mantendo uma distância térmica do seu novo
ponto de congelamento.
Posteriormente, neste projeto, será estipulada uma temperatura fria limite, menor que -
-4º C e acima de -10,5°C (ponto de fusão) em que será acionado um termostato que forçará o
72
desligamento do sistema de refrigeração, indicado no tópico 4.1, evitando o processo de
congelamento do meio armazenador.
Por fim, a temperatura quente indica a temperatura máxima que o meio armazenador
será permitido alcançar, e a partir da qual será acionado o sistema de refrigeração, utilizando
eletricidade fornecida pela rede pública, como mencionado no tópico 4.1, a partir de um
termostato. A definição desta temperatura é feita para evitar o mau funcionamento do sistema
de resfriamento de ar, também indicado no tópico 4.1, e a sua determinação é feita através da
consulta do catálogo do fabricante do resfriador de ar empregado no sistema de resfriamento de
ar. Baseando-se no catálogo da fabricante Carrier [56] para trocadores de calor água gelada-ar,
o valor máximo recomendado de entrada da água é de 9ºC. O cálculo dessa temperatura será
detalhado na seção 5.2.3.
A tabela 5.14 abaixo resume todos os dados de entrada e projetos estipulados e indica o
volume e massa de solução calculados para que se armazene a carga total desejada (𝑬𝑻𝒂𝒏𝒒𝒖𝒆).
Líquido Armazenador
Massa específica
@ 10ºC (kg/m³)
Cp médio (J/ºC.kg)
Temperatura fria (ºC)
Temperatura quente (ºC)
Qterm (J) Qperdas (J) 𝑬𝑻𝒂𝒏𝒒𝒖𝒆
8
(J)
Volume da
solução (m³)
Massa da solução
(kg)
Solução H2O+Nacl
(15%) 1.113 3.549 -4 9 157.766.400 71.531.256 229.297.656 4,465 4.970
Tabeça 5.14: Dados de entrada e projeto e volume e massas de solução calculados
Fonte: Elaboração do autor.
Para armazenar os 4.465 litros de solução será selecionado um tanque armazenador com
capacidade de 5.000 litros, o menor volume disponível em mercado que atende a necessidade,
como mencionado anteriormente. É possível encontrar na mesma faixa de preço tanques de
renomadas marcas como Acqualimp, Fortlev e Tigre. A figura 5.9 ilustra a caixa d’agua da
Tigre escolhido para o projeto. Mais detalhes e informações técnicas podem ser visas no manual
de instrução presente no anexo deste documento [58].
8 Este termo é a soma das parcelas Qterm e Qperdas utilizado no cálculo do volume da solução, como indicado
na equação 5.3.
73
Figura 5.9: Caixa d’agua de 5.000 litros Tigre selecionado para o projeto
Fonte: [57]
A massa de solução calculada foi de 4.970 kg, sendo que 15% destes são de NaCl.
Assim, cerca de 750 kg de sal grosso serão necessários para alcançar a concentração de solução
estipulada.
Por fim, através do catálogo [58] é estimada uma área superficial em torno de 11m².
Essa área deverá ser coberta com isopor com 3cm de espessura de modo a garantir o isolamento
térmico.
A tabela 5.15 resume os investimentos necessários e calculados ao desenvolvimento do
tanque:
Investimento Quantidade Preço por unidade
Preço total
Caixa d’água Tigre 5.000L 1 R$ 2.000,00 R$ 2.000,00
Sal grosso 750 kg R$4/kg R$ 3.000,00
Isopor 11 m² R$43/m² R$ 473,00
Total R$ 5.473,00
Tabela 5.15: Investimentos para desenvolvimento do tanque armazenador
Fonte: Elaboração do autor
5.3 Sistema de Resfriamento do Ar Neste capítulo serão selecionados os componentes do sistema de climatização do
laboratório: o trocador de calor e a bomba de recirculação. Através das informações
dimensionadas nos capítulos anteriores como intervalo de temperatura de operação e carga
térmica desejada, será escolhido através de informações técnicas e práticas contidas em
catálogos de fabricantes um resfriador de ar que atenda as especificidades do sistema projetado.
Posteriormente, a partir do cálculo da vazão de fluido refrigerante e a perda de carga do sistema
será selecionada a bomba de recirculação.
5.3.1 Resfriador de Ar
O dimensionamento e seleção de trocadores de calor são processos complexos do ponto
de vista técnico. Uma forma de proceder é se debruçar sobre os equacionamentos teóricos e
dimensionar um trocador ideal. A partir desse, então, é construído ou selecionado um fabricado
com características semelhantes.
Apesar da grande aplicabilidade dos métodos teóricos, sistemas com configurações
muito específicas podem tornar o emprego da teoria demasiadamente complexo. No caso dos
resfriadores de ar, em sua maioria, há o uso de aletas para melhorar a eficiência da troca térmica,
o que significa, entretanto, uma complexidade a mais na modelagem teórica. Como pode ser
visto em [51] e [59], a teoria para trocadores compactos, como também são conhecidos esses
equipamentos, é escassa ou de aplicação para sistemas muito específicos. Deste modo, o
selecionamento desenvolvido aqui se baseará em informações técnicas e práticas reunidas e
disponibilizadas pelos fabricantes a fim de se ter um grau de confiabilidade maior nos resultados
74
obtidos.
A seleção através de um catálogo técnico se dá, primeiramente, na escolha do
equipamento pelo calor total e sensível de resfriamento9 nas condições nominais fornecidas
pelo fabricante. Ou seja, seleciona-se um equipamento que apresenta um calor total e sensível
de resfriamento maior que as cargas térmicas total e sensível calculadas para o ambiente a ser
climatizado. O segundo passo é verificar as tabelas de performance do equipamento
selecionado, também disponibilizadas no catálogo. Essas tabelas fornecem o calor total e
sensível de resfriamento do equipamento para diferentes condições de operação, sendo elas:
temperatura do ar externo ao ambiente a ser climatizado; temperatura inicial do fluido
resfriador10; e a variação de temperatura do fluido resfriador (diferença entre a temperatura final
e inicial do fluido devido o processo de resfriamento). Se os calores de resfriamentos suprirem
a carga térmica do ambiente para as condições de operação desejados, então o equipamento é
selecionado. Se não, procura-se um resfriador com calor de resfriamento nominal maior que o
anterior e repete-se o processo. Exemplos de tabelas de operação nominal e performance são
apresentadas abaixo nas tabelas 5.16 e 5.17.
Este seria o método de selecionamento do resfriador de ar a ser seguido, porém, após
uma pesquisa no comércio, nota-se que o fluido resfriador padrão desses equipamentos
resfriadores de ar é água gelada [56]. Portanto, enquanto as condições de operação das tabelas
de performance fornecidas nos catálogos contemplam temperaturas iniciais para o fluido
resfriador maiores que 0ºC (ponto de fusão da água), a condição de operação neste projeto
apresenta uma temperatura inicial do fluido resfriador (salmoura) em -4ºC, como determinado
no tópico 5.2.2 para a temperatura do meio armazenador no tanque.
O primeiro passo da metodologia aqui empregada será, então, expandir as relações de
calor de resfriamento (total e sensível) por temperatura inicial do fluido resfriador, contidas nas
tabelas de performance do catálogo do fornecedor, para a temperatura de projeto do meio
armazenador no valor de -4ºC, como indicado no parágrafo anterior.
O segundo passo será determinar a variação de temperatura do fluido resfriador pela
análise das relações encontradas e das condições de operação. Obtido esse parâmetro é possível,
através das relações expandidas no primeiro passo, confirmar se a capacidade total e sensível
de resfriamento do resfriador de ar atendem às cargas térmicas total e sensível de operação.
Porém, como é previsto que o tanque opere em temperaturas superiores à de projeto
(no caso de menor disponibilidade de energia solar), é necessário determinar a performance do
resfriador de ar com temperaturas de entrada do fluido resfriador superiores a -4ºC, de modo a
verificar se a carga térmica do ambiente continua sendo atendida pelo equipamento com o
aumento da temperatura do tanque.
Portanto, o terceiro passo da metodologia será a construção de uma tabela de
performance com as temperaturas de entrada do catálogo, indicadas na tabela 5.17, e determinar
a temperatura de entrada para qual o resfriador de ar não atende mais a carga térmica do
ambiente, ou seja, a temperatura de acionamento da rede elétrica pública (apresentada na seção
9 O calor total de resfriamento refere-se à soma das parcelas sensível e latente do calor retirado do ambiente
climatizado pelo resfriador de ar. 10 Fluido resfriador se refere ao fluido frio, no caso deste projeto o meio armazenador (salmoura), que entrará no
resfriador de ar (trocador de calor) de modo a trocar calor e resfriar o ar.
75
4.1).
As etapas da metodologia são descritas detalhadamente a seguir.
Foi pesquisado no mercado um modelo de resfriador de ar que possuísse dados extensos
de performance e apresentasse calores de resfriamento maiores que as cargas térmicas total e
sensível calculadas para o ambiente, no capítulo 5.1, no valor de 6907 e 5487 W,
respectivamente. O modelo11 selecionado para estudo foi o Fan Coil 42LS da Carrier, pois
como pode ser observado na tabela 5.16, este apresenta diversas unidades12 com calores de
resfriamento nominais maiores que as cargas térmicas mencionadas, também disponibilizando
tabelas de performance para condições de operação variadas [56].
Além disso, esse equipamento apresenta vantagens para além da funcionalidade de
trocador de calor, possuindo controle da temperatura do ar ambiente por sensor integrado, 4
modos de funcionamento (resfria, desumidifica, aquece e ventila), direcionamento do fluxo de
ar, funções turbo e econômica entre outras como expostas no catálogo anexado ao final deste
trabalho, em que também podem ser encontradas informações técnicas e de desempenho do
equipamento.
Tabela 5.16: Informações técnicas nominais do Fan Coil 42LS Carrier
Fonte: [56].
11 Modelo refere-se a um conjunto de equipamentos de mesmo design e funcionalidade, diferenciados pelo calor
de resfriamento específico de cada um. 12 As unidades são os equipamentos resfriadores de ar, englobados no modelo 42LS pela fabricante devido a
semelhanças na sua estrutura e operação, sendo classificados em ordem crescente de calor de resfriamento.
76
Tabela 5.17: Exemplo de tabela de performance do Fan Coil 42LS Carrier
Fonte: [56].
Para atender as cargas térmicas total e sensível, mencionadas acima, nos valores
respectivos de 6.907 e 5.478 W, a primeira unidade disponível, baseando-se nos dados nominais
da tabela 5.16, seria o modelo 25, com calor total e sensível de resfriamento respectivos de
8.000 W(6.883 kcal/h) e 5.683 W (4.887 kcal/h) aproximadamente.
Selecionado o modelo, serão analisadas suas tabelas de performance a fim de
determinar as funções dos calores de resfriamento (total e sensível) com as temperaturas de
entrada do fluido resfriador (temperatura de entrada da água na figura 5.17) no equipamento,
sendo estas determinadas para cada variação de temperatura do fluido resfriador disponível no
catálogo (diferencial de água gelada na figura 5.17). Para a análise realizada aqui, a temperatura
de entrada do ar externo foi fixada considerando um dia com temperatura média de bulbo seco
de 28ºC e de bulbo úmido 19ºC, como indicado no tópico 5.2.2, correspondente a um dia típico
de verão no Rio de Janeiro. A vazão de ar é a máxima nominal indicada na tabela 5.16. As
tabelas de performance utilizadas estão disponíveis no anexo deste documento.
Como indicado anteriormente, o primeiro passo da metodologia será expandir as
relações encontradas para a temperatura de entrada de -4ºC. A seguir, nas figuras 5.10 e 5.11,
são mostradas essas relações. Como pode ser observado, o declínio dos calores total e sensível
de resfriamento com o aumento da temperatura inicial do fluido resfriador segue uma tendência
linear. Ainda, também se conclui que há um decréscimo nos calores total e sensível de
resfriamento com o aumento da variação de temperatura do fluido resfriador.
As linhas de tendência foram obtidas com o auxílio do software Excel, o qual também
possui a funcionalidade de expandir a série de dados fornecidos de acordo com a tendência
obtida, permitindo, assim, encontrar os valores dos calores total e sensível de resfriamento do
equipamento para a temperatura de entrada do fluido resfriador de operação no valor de -4ºC.
77
Figura 5.10: Calor total de resfriamento x temperatura de entrada da água
Fonte: Elaboração do autor.
Figura 5.11: Calor sensível de resfriamento x temperatura de entrada da água
Fonte: Elaboração do autor.
O segundo passo é escolher com qual das retas trabalhar-se-á, isto é, qual a variação de
temperatura do fluido resfriador de operação do projeto. Para isso, será feita a análise das
relações obtidas e da influência da vazão de fluido resfriador no desempenho do equipamento.
Retomando a equação 3.7 e observando-a em forma de taxa, ou seja, derivada em relação ao
tempo (equação 5.8 abaixo), torna-se evidente uma relação entre a variação final de temperatura
e a vazão do fluido resfriador pelo equipamento.
�� = ��𝑐𝑝 ∆𝑇 = ��𝑐𝑝(𝑇𝑠 − 𝑇𝑒) (5.8)
Em que �� é a taxa de calor total de resfriamento do trocador, ��, 𝑇𝑒 e 𝑇𝑠 são,
78
respectivamente, a vazão mássica e a temperatura de entrada e saída do fluido resfriador.
Utilizando a equação 5.8 e as tabelas de performance chega-se às funções apresentadas
na figura 5.12 abaixo, as quais revelam uma relação inversamente proporcional entre a vazão e
a variação de temperatura. As tendências obtidas são potências na base da variável, neste caso
vazão de fluido resfriador, que convergem para zero, ou seja, são funções de forma 𝑥𝐶 , em que
𝑥 é a variável e 𝐶 é uma constante negativa.
Figura 5.12: Variação de temperatura x vazão volumétrica de água
Fonte: Elaboração do autor.
Através das relações encontradas nas figuras 5.10, 5.11 e 5.12 conclui-se,
resumidamente, que variação de temperatura diminui com o aumento da vazão e os calores total
e sensível de resfriamento crescem com a diminuição da variação de temperatura. Logo, na
lógica de trabalhar com calores de resfriamentos maiores, a melhor escolha seria operar com a
maior vazão de fluido resfriador disponível.
Entretanto, antes é conveniente considerar dois fatos. Com o aumento da vazão do
fluido, crescem as irreversibilidades e as trocas térmicas nas tubulações [60], o que significa
um equipamento de bombeamento mais robusto, e consequentemente mais caro, e maiores
perdas térmicas para o ambiente exterior. Ademais, selecionar um resfriador de ar que satisfaz
a carga térmica do ambiente na menor vazão disponível, garante que, caso seja necessário, ele
poderá atender cargas maiores, o que não seria possível na alternativa contrária.
Portanto, visando estudar o resfriador de ar no cenário mais conservador, ou seja, com
os menores calores de resfriamento, e já pensando no selecionamento da bomba de circulação
e no isolamento das tubulações, será definida como vazão de operação aquela que implica na
maior variação de temperatura do fluido resfriador disponível no catálogo, isto é, no valor de 9
ºC.
Com a variação de temperatura, volta-se às relações expandidas no primeiro passo e são
calculadas as capacidades de resfriamento total e sensível nos valores respectivos de 9.296 W
e 7.139 W para a temperatura de entrada de -4ºC, confirmando que estas são maiores que as
3
4
5
6
7
8
9
0,4 0,9 1,4 1,9 2,4 2,9
Var
iaçã
o f
inal
de
ten
per
atu
ra [
ºC]
Vazão volumétrica [m³/h]
Te=3 Te=5 Te=7 Te=9
79
cargas térmicas total e sensível calculadas na seção 5.1 nos valores respectivos de 6907 W e
5487 W .
O terceiro passo da metodologia é produzir uma tabela contendo as capacidades de
resfriamento do equipamento por temperatura de entrada do fluido resfriador. Assim, tem-se o
desempenho do resfriador de ar com o aumento da temperatura do tanque armazenador. A
seguir são detalhadas as etapas desse processo.
A temperatura de entrada de -4ºC e a variação de temperatura em 9ºC determinadas nos
dois primeiros passos implicam em uma vazão de fluido resfriador específica, a qual pode ser
calculada pela equação 5.8. Entretanto, como pode ser observado na figura 5.12, tanto a vazão
quanto a variação de temperatura podem variar com o aumento da temperatura de entrada. Na
construção das tabelas de performance do catálogo, exemplificadas na tabela 5.17, o fabricante
varia a vazão de fluido resfriador de modo a fixar a variação térmica (diferencial de água gelada
na tabela 5.17) com o aumento da temperatura de entrada. No caso do sistema proposto, porém,
é a vazão de fluido que será fixa, pois como visto na seção 4.1, está é determinada pela vazão
da bomba de circulação, a ser selecionada na próxima seção.
A vazão será calculada através da equação 5.8, acima, em que: �� será o calor de
resfriamento total obtido pela extrapolação da reta correspondente à variação de temperatura de
9ºC, da figura 5.10, para a temperatura de entrada de -4ºC (no valor de 9.296 W como indicado
no passo dois); 𝐶𝑃 será o calor específico médio da água entre as temperaturas de entrada e
saída (-4ºC e 5ºC, respectivamente, e correspondente à variação de 9ºC de operação); e ∆𝑇 será
a variação de temperatura de operação da água em 9ºC (determinada no passo dois).
A próxima etapa é obteras relações dos calores de resfriamento por vazão de fluido
resfriador para cada temperatura de entrada do fluido resfriador disponível no catálogo. As
figuras 5.13 e 5.14 ilustram as funções encontradas:
Figura 5.13: Calor total de resfriamento x vazão de água
Fonte: Elaboração do autor.
80
Figura 5.14: Calor sensível de resfriamento x vazão de água
Fonte: Elaboração do autor.
As tendências são da forma quadrática, com os calores de resfriamento crescendo
proporcionalmente à vazão do fluido resfriador. Por fim, em posse da vazão de operação
calculada, volta-se às relações das figuras 5.13 e 5.14 e encontra-se as capacidades de
resfriamento que compõem as tabelas 5.19 e 5.20.
Adicionalmente, o catálogo informa a possibilidade de se estimar os calores de
resfriamento para as velocidades de ar média e mínima, além da máxima nominal, de forma
simples. Basta multiplicar a capacidade máxima por 90%, no caso da velocidade média, e 80%,
da velocidade mínima. As tabelas 5.18, 5.19 e 5.20 expõem os resultados obtidos:
Dados de entrada Vazão de água requerida calculada
Temperatura de entrada da água
0,885 m³/h -4ºC
Variação térmica da água
9ºC
Tabela 5.18: Dados de entrada e vazão requerida de água
Fonte: Elaboração do autor.
81
Capacidade Total [W]
Te (ºC) Velocidade do Ar
máxima média Mínima
-4 9296 8367 7437
3 7679 6912 6144
5 7084 6376 5667
7 6596 5936 5277
9 6082 5474 4866
Tabela 5.19: Calor total de resfriamento por temperatura de entrada do fluido resfriador
Fonte: Elaboração do autor.
Capacidade Sensível [W]
Te (ºC) Velocidade do Ar
máxima média Mínima
-4 7139,366 6425,43 5711,493
3 6189,611 5570,65 4951,689
5 5907,395 5316,655 4725,916
7 5732,967 5159,67 4586,373
9 5364,734 4828,261 4291,787
Tabela 5.20: Calor sensível de resfriamento por temperatura de entrada do fluido resfriador
Fonte: Elaboração do autor
Analisando as tabelas conclui-se que, variando a velocidade do ar, o trocador tem
capacidade de atender a carga térmica máxima do ambiente até a temperatura do tanque
alcançar 7ºC, no caso da carga total de 6907 W, e 9ºC para a carga sensível de 5478 W, a qual
será definida como a temperatura limite do tanque armazenador e que acionará a rede elétrica
convencional caso seja ultrapassada.
5.3.2 Verificação do Líquido Refrigerante
Devido à tabela de performance e aos dados nominais terem sido obtidos com o uso de
água como líquido refrigerante, se faz necessária uma verificação da dependência do
desempenho do trocador em relação ao fluído de trabalho, pois no projeto em questão a água
será substituída pela solução de sal em água. A dependência da capacidade térmica em relação
pode ser entendida pela equação 5.9 abaixo.
�� = 𝑈𝐴∆𝐿𝑀𝑇𝐷 (5.9)
Em que �� é taxa de calor trocada pelo equipamento, 𝑈 é coeficiente global de troca
térmica, 𝐴 é a área de troca térmica e ∆𝐿𝑀𝑇𝐷 é a diferença de temperatura média logarítmica
entre os fluidos [51]. A influência das características físicas e térmicas do líquido refrigerante
está concentrada no termo do coeficiente global de troca térmica, já que tanto a área quanto a
diferença de temperatura estão relacionadas a aspectos técnicos do equipamento e definições
de projeto.
Recorrendo à equação 5.7 temos que o produto do coeficiente com a área é função das
82
resistências térmicas em associação. No caso de variação do líquido refrigerante, mantendo-se
o restante constante, a influência das mudanças das características do fluido se dará no termo
da resistência térmica convectiva interna. Por sua vez, ela é definida como:
𝑅𝑖 =1
ℎ𝑖𝐴𝑖 (5.10)
Sendo ℎ𝑖 o coeficiente convectivo de transferência de calor interno e 𝐴𝑖 a área interna
de troca térmica.
A análise proposta será o cálculo do coeficiente convectivo para os dois líquidos e
comparação dos valores. Não havendo grande discrepância, será assumido que o desempenho
do trocador calculado para água é equivalente para solução. Caso haja grande divergência, uma
análise mais profunda sobre a performance terá que ser realizada.
O primeiro passo para o cálculo de ℎ𝑖 é a determinação dos números de Reynolds e
Prandtl. Ambos são apresentados a seguir:
𝑅𝑒 = 𝜌𝑢𝐷
𝜇 (5.11)
Pr = 𝐶𝑝𝜇
𝑘 (5.12)
Em que 𝜌, 𝑢, 𝜇, 𝑘, 𝐶𝑝 e 𝐷 são respectivamente a massa específica, a velocidade, a
viscosidade dinâmica, a condutividade térmica e o calor específico do fluido e o diâmetro
interno do tubo. A velocidade do fluido em tubo pode ser calculada pela equação:
𝑢 =𝑉
(𝑛𝑡
𝑛𝑝) 𝑎𝑖
(5.13)
Sendo ��, 𝑛𝑡, 𝑛𝑝 e 𝑎𝑖 a vazão volumétrica do fluido, o número de tubos, o número de
passes e a área interna de um tubo respectivamente. Os números de passes e tubos assim como
informações geométricas do tubo podem ser encontrados no catálogo em anexo.
As propriedades são avaliadas na temperatura média de mistura, ou seja, a média
aritmética entre a temperatura de entrada e saída do líquido. Calculando-se os números de
Reynolds e Prandtl é necessário escolher a relação empírica que mais se adequa à situação e
aos números calculados. Em [51] há diversas relações empíricas para diferentes intervalos de
𝑅𝑒 e Pr e escoamentos internos.
Será avaliado o cenário de temperatura de entrada de fluido a -4ºC com a diferença de
temperatura e vazão volumétrica de projetos indicadas na tabela 5.18 de valor 9ºC e 0,885m³/h
respectivamente. A seguir os números calculados:
Fluido Água Salmoura
Re 4.135 3.765
Pr 12,97 14,43
Tabela 5.21: Números adimensionais calculados para os fluidos de trabalho
83
Fonte: Elaboração do autor.
O próximo passo é calcular o número de Nusselt através das correlações empíricas
mencionadas. Levando em conta os números de Reynolds e Prandtl e considerando o
escoamento totalmente desenvolvido e turbulento, segue a correlação:
𝑁𝑢 =(𝑓 8⁄ )(𝑅𝑒 − 1000)𝑃𝑟
1 + 12,7(𝑓 8)⁄12 (𝑃𝑟
23 − 1)
(5.14)
𝑓 = (0,709 ln 𝑅𝑒 − 1,64)−2 (5.15)
0,5 ≤ 𝑃𝑟 ≤ 2.000
3.000 ≤ 𝑅𝑒 ≤ 5 × 106
A partir do número de Nusselt é calculado o coeficiente convectivo através da relação:
ℎ =𝑁𝑢 ∙ 𝑘
𝐷 (5.16)
Os números de Nusselt e coeficientes convectivos calculados para ambos os líquidos
são apresentados a seguir:
Fluido Água Salmoura
Nu 40,78 37,98
h (W/m²K) 2.570 2.394
Tabela 5.22: Número de Nusselt e coeficiente convectivo calculados dos fluidos
Fonte: Elaboração do autor.
Tendo que o coeficiente convectivo interno está inserido no contexto de uma associação
de resistências térmicas, que por sua vez tem grande probabilidade de ter como resistência
dominante aquela relativa ao escoamento do ar, e mesmo que a diferença entre os coeficientes
se propague integralmente para o coeficiente global, essa divergência em menos de 10% não
foi considerada suficiente para justificar uma análise maior para correção da performance do
trocador, com base na tabela 5.16 de capacidade nominal dos resfriadores, sendo ele julgado
apto para atender a operação especificada com a solução de água e cloreto de sódio como fluido
de trabalho.
5.3.3 Bomba de Circulação
Bombas de circulação são equipamentos associados a sistemas fechados de vazão de
um fluído, como sistemas de aquecimento, refrigeração, abastecimentos de piscinas, entre
outros. Normalmente são de pequeno porte e aplicação doméstica, com baixas capacidades de
head13 e vazão, e por isso seu selecionamento tende a ser de baixa complexidade.
13 O head da bomba é a potência fornecida pela bomba ao líquido convertida na forma de altura que o líquido
consegue alcançar após sair do equipamento [61].
84
Devido ao fato do sistema ser fechado e assumindo que ele está totalmente preenchido
de fluido, por consequência os pontos de entrada e saída do volume de controle coincidem, e
os termos da equação da altura manométrica da bomba [62] relacionados a variações de
grandezas se cancelam, restando apenas o termo de perda de carga. Logo, o head da bomba de
circulação é a perda de carga do circuito.
O head e a vazão escolhidos como parâmetro para selecionamento da bomba serão,
respectivamente, a perda de carga nominal indicada pelo catálogo do resfriador de ar para o
modelo 25 de 3,77 m.c.a. (metros de coluna de água) e a vazão calculada requerida pelo trocador
de 0,885m³/h (aproximadamente 15 l/min).
Foram pesquisados no mercado modelos de bombas de circulação para aplicações
residenciais, de baixo custo, e que atendessem os parâmetros acima explicitados.
Adicionalmente, foi dada prioridade para equipamentos que apresentassem funcionamento em
mais de uma velocidade, pois caso for necessário, pode-se alterar a vazão e o head fornecidos
pela bomba sem trocar de equipamento, dentro dessa margem de opções de velocidades.
O equipamento escolhido foi o modelo GP-250P da fabricante brasileira de bombas
Inova. Essa bomba pode operar em três velocidades (velocidades I, II e III da figura 5.15),
fornecendo na primeira delas, para os 15l/min de operação, um pouco mais que 4 m.c.a.,
suficientes para suprir a perda de carga estimada. Caso seja necessário mais head, devido à
mudança de fluido de trabalho e da condição nominal de operação, ou ainda pelas perdas nas
tubulações, haverá a possibilidade de se trabalhar nas outras duas velocidades, resultando em
heads maiores. A figura 5.15 apresenta a curva de carga da bomba selecionada, retirada do
catálogo do fabricante [63], também em anexo.
Figura 5.15: Curva de carga da bomba de circulação selecionada
Fonte: [63].
5.3.4 Resumo dos Investimentos
Abaixo, as figuras 5.16 e 5.17 ilustram os equipamentos selecionados e a tabela 5.23
indica os investimentos a serem feitos, com os preços médios encontrados após pesquisa no
mercado.
85
Figura 5.16: Fan Coil 42LS Carrier
Fonte: [56].
Figura 5.17: Bomba de circulação GP-250P Inova
Fonte: [63]
Investimento Preço
Fan Coil 42LS Carrier R$ 2.300
Bomba GP-250P Inova R$ 1.000
Total R$ 3.300
Tabela 5.23: Investimentos para sistema de resfriamento de ar
Fonte: Elaboração do autor.
5.4 Sistema de Refrigeração Neste capítulo serão apresentadas e detalhadas as metodologias de selecionamento dos
equipamentos constituintes do sistema de refrigeração, como definido no capítulo 4.1. Ao final,
um tópico mostrará os equipamentos selecionados e seus respectivos valores de mercado
encontrados.
86
5.4.1 Unidade Condensadora
A unidade condensadora é o equipamento responsável por rejeitar o calor absorvido na
etapa de refrigeração do tanque, por um fluido refrigerante14, através da compressão deste. É
composto de um compressor, um condensador e um motor ventilador, englobando dois
equipamentos do sistema de refrigeração apontados na figura 4.1 (compressor e condensador).
O critério de selecionamento se dá pelo catálogo do fabricante, tendo posse da capacidade de
refrigeração requerida15 e da temperatura de evaporação do fluido refrigerante. As unidades
condensadoras conectadas a um trocador de calor (evaporador) e a uma válvula de expansão
constituem o ciclo termodinâmico apresentado no capítulo 2.1.
O primeiro passo para determinar a capacidade de refrigeração requerida é o cálculo da
taxa de calor necessária a ser retirada do tanque armazenador. Semelhantemente ao estudo
realizado no tópico 5.2.2 para o tanque armazenador, a equação 2.1 será simplificada, porém
neste caso, terá um termo a mais que na equação 5.2, correspondente ao calor retirado pela
unidade condensadora, como mostra a equação 5.17.
𝑑𝐸𝐶.𝑉.
𝑑𝑡= ��𝐶.𝑉. − ��𝐶.𝑉. + ∑ 𝑚𝑖 (ℎ +
𝑉𝑖
2
2
+ 𝑔𝑧𝑖) − ∑ 𝑚𝑒 (ℎ +𝑉𝑒
2
2
+ 𝑔𝑧𝑒) (2.1)
𝑑𝐸𝑇𝑎𝑛𝑞𝑢𝑒
𝑑𝑡= ��𝑇𝑒𝑟𝑚 + ��𝑃𝑒𝑟𝑑𝑎𝑠 (5.2)
𝑑𝐸𝑇𝑎𝑛𝑞𝑢𝑒
𝑑𝑡= ��𝑇𝑒𝑟𝑚 + ��𝑃𝑒𝑟𝑑𝑎𝑠 − ��𝑈𝑛𝑖𝑑 (5.17)
O cenário padrão de projeto será aquele em que a unidade condensadora conseguirá
retirar calor suficiente para suprir a carga térmica do ambiente climatizado e as perdas para o
meio externo, portanto, não havendo alteração na energia do tanque. Para isso, a taxa de calor
retirada pela unidade deve ser:
��𝑈𝑛𝑖𝑑 = ��𝑇𝑒𝑟𝑚 + ��𝑃𝑒𝑟𝑑𝑎𝑠 (5.18)
Visando selecionar o equipamento de modo que este possa corresponder à expectativa
levantada acima, mesmo nos dias de maior solicitação por refrigeração, a carga térmica será a
carga total calculada para o laboratório e apresentada no tópico 5.1.2 no valor de 6907 W. As
perdas serão calculadas igualmente às do tópico 5.2.2, com uma parcela no valor de 757 W,
referente às trocas entre o meio armazenador e o ambiente externo, e a outra parte como uma
perda limite para as trocas e irreversibilidades atuantes nas tubulações, estipuladas de acordo
com as observações feitas naquele tópico em 10% da carga térmica a ser removida. Logo, a
taxa de calor retirada pela unidade condensadora será:
14 Fluido refrigerante se refere ao fluido que irá percorrer o ciclo de refrigeração, apresentado no tópico 2.1, com
o objetivo de retirar calor do meio armazenador contido no tanque de armazenamento, como indicado no tópico
4.1. 15 Capacidade de refrigeração ou taxa de calor de refrigeração, no contexto deste projeto, é a taxa de calor que o
equipamento consegue retirar do meio armazenador.
87
��𝑈𝑛𝑖𝑑 = 6907 [𝑊] + 757[𝑊] + 10% ∙ 6907[𝑊] = 8355 [𝑊]
Esta seria a carga máxima que a unidade condensadora teria que remover do tanque se
ela tivesse conectada a uma fonte ininterrupta de eletricidade. Porém, no caso da fonte de
eletricidade do sistema ser a radiação solar, é preciso contabilizar a dependência horária da
disponibilidade de energia solar, desse modo tem-se a taxa de calor a ser removida do tanque a
qual garante que, durante um dia inteiro, a sua temperatura permaneça inalterada.
A primeira etapa nessa avaliação é calcular a energia total a ser removida do tanque
durante o período de um dia. Isso será alcançado multiplicando-se a carga máxima, calculada
acima, pelo perfil de carga térmica típico do ambiente a ser climatizado, de modo a simular o
perfil de demanda diário de refrigeração do tanque.
O perfil de carga térmica foi elaborado no tópico 5.1.2, sendo ilustrado na figura 5.7. A
tabela 5.24 abaixo lineariza o perfil citado para que seja estimada, aproximadamente, a energia
diária requerida a ser removida do tanque pela unidade condensadora.
Perfil de carga horário (% da carga máxima - 8355 W)
00-07h 08-11h 12h 13-17h 18-23h
30% 95% 70% 95% 30%
Energia requerida diária
112kWh
Tabela 5.24: Perfil de carga linearizado e energia diária requerida de remoção do tanque
Fonte: Elaboração do autor.
Agora, é preciso dividir o valor calculado de 112kWh pelas horas disponíveis de sol,
encontrando assim a taxa de calor de refrigeração para a seleção do equipamento. Nesse sentido,
é conveniente introduzir o conceito de Horas de Sol Pleno (HSP). Esta grandeza é definida
como o número de horas que em que a irradiação solar deve permanecer constante e igual a
1kW/m², de forma que a energia resultante seja equivalente à energia disponibilizada pelo sol
no local em questão, acumulada ao longo de um dia [24]. A partir dessa definição, podemos
calcular as HSP para uma localidade através da sua irradiação média diária.
A tabela 3.1 do tópico 3.1.4 indica, em média, uma irradiação diária média para a região
do Galeão, próxima ao laboratório, no valor de 5,8 kWh/m² para o período do verão (dezembro
a janeiro). Aplicando-o na definição acima temos:
𝐻𝑆𝑃 =5,8 [
𝑘𝑊ℎ𝑚2 ]
1[𝑘𝑊𝑚2 ]
= 5,8 ℎ𝑜𝑟𝑎𝑠
Tem-se, portanto, que a taxa de calor de refrigeração de seleção da unidade
condensadora será:
88
��𝑆𝑒𝑙𝑒çã𝑜 =112 [𝑘𝑊ℎ]
5,8ℎ= 19,3𝑘𝑊
Buscou-se no mercado unidades condensadoras capazes de fornecer taxas de
refrigeração maiores que a calculada acima, com preferência por aquelas que o fizessem para
diferentes temperaturas do ambiente externo e de evaporação do fluido de refrigeração,
melhorando a confiabilidade no desempenho do sistema e facilitando, posteriormente, a seleção
dos componentes restantes do sistema de refrigeração (válvula de expansão e evaporador).
Foram selecionadas duas unidades UDB 4.800 da fabricante Elgin, que trabalharão
independentemente uma da outra, com compressor do tipo alternativo, capazes de fornecer,
juntas, a taxa de refrigeração requerida até à temperatura ambiente de 43ºC (1 kcal/h = 1,163
W), e com ampla faixa de temperaturas de evaporação para o fluido refrigerador. A escolha por
duas unidades em vez de uma deu-se pelo melhor custo-benefício e por garantir flexibilidade
na instalação e na operação do sistema. Abaixo, na tabela 5.25, as principais informações de
performance e técnica da unidade. A figura 5.18 ilustra o equipamento. Mais dados são
encontrados no catálogo em anexo a este documento [64].
Tabela: 5.25: Principais informações da unidade condensadora UDB 4800 escolhida
Fonte: [64].
89
Figura 5.18: Unidade Condensadora Elgin
Fonte: [64].
5.4.2 Evaporador – Trocador de calor submerso
A troca de calor que define o armazenamento de energia térmica é a de resfriamento do
tanque pela unidade condensadora. Para que isso ocorra, é requerido um trocador de calor
submerso no tanque por onde fluíra o fluido de refrigeração que resfriará a salmoura
armazenada. Dado que o fluido de refrigeração evapora durante esse processo, como visto no
ciclo de refrigeração apresentado na seção 2.1, o trocador de calor também é chamado de
evaporador. A seleção desse equipamento terá fundamento nas fórmulas teóricas e relações
empíricas encontradas na literatura, tendo por base a taxa de refrigeração requerida calculada
na seção 5.4.1 anterior, no valor de 19,3kW.
Por tratar-se de um trocador de calor, será utilizada a equação 5.19 abaixo, característica
desses equipamentos e a qual fornece as suas taxas de troca de calor [51].
�� = 𝑈𝐴∆𝑇𝐿𝑀𝑇𝐷 (5.19)
Em que �� é a taxa de calor, 𝑈 é o coeficiente global de troca térmica (definido no tópico
5.2.2 para a equação 5.6), 𝐴 é a área de troca térmica e ∆𝑇𝐿𝑀𝑇𝐷 é a diferença média logarítmica
de temperatura16 respectivos ao trocador.
Deseja-se através dessa equação calcular a área de troca térmica (𝐴), pois este
determinará, juntamente a outras especificações de projeto, o trocador a ser procurado no
comércio. Como serão utilizadas duas unidades, consequentemente serão requeridos dois
evaporadores. Por isso, a taxa de calor a ser inserida na equação 5.19 será metade daquela
indicada no parágrafo inicial (de 19,3 kW), correspondente à taxa de calor total a ser trocada
nos evaporadores. Assim, o valor de �� será de 9,65 kW.
Os outros termos passarão por simplificações para serem determinados. Primeiro, o
fluido de refrigeração que escoa dentro do evaporador mudará de fase, como explicado
16 A ∆𝑇𝐿𝑀𝑇𝐷 é uma média logarítmica da diferença de temperatura entre as correntes quente e frias nos pontos de
entrada e saída do trocador [51].
90
anteriormente, logo não haverá variação de temperatura no interior do equipamento.
Simultaneamente, como o trocador se encontra submerso no meio armazenador, não há
escoamento forçado externo. Consequentemente, este líquido envolvente que troca calor
também se encontra todo a uma só temperatura a cada momento de refrigeração. Deste modo,
a diferença média de temperatura logarítmica se reduz a uma variação térmica convencional
entre a temperatura do fluido externo (meio armazenador) e interno (fluido refrigerante) ao
evaporador. A temperatura do fluido externo será aquela determinada para o tanque, de acordo
com o tópico 5.2.2, no valor de -4ºC. A temperatura do fluido interno é uma determinação de
projeto e para sua seleção é necessário analisar seu impacto sobre o processo.
A partir do ponto de vista da equação 5.19, quanto maior a diferença térmica, menor a
área requerida de evaporador para uma mesma taxa de calor trocada. Adicionalmente, por não
haver convecção externa forçada (convecção natural), a troca térmica entre os fluidos é de baixa
eficiência [51], o que justificaria grandes diferenças de temperatura para compensar esse
prejuízo. Entretanto, observando a tabela 5.25 na seção 5.4.1 anterior, tem-se que a taxa de
refrigeração das unidades condensadoras selecionadas cai com a diminuição da temperatura de
evaporação do refrigerante.
Com esses conhecimentos, e tendo em vista as temperaturas de evaporação disponíveis
para as unidades condensadoras escolhidas [64], a temperatura de mudança de fase do fluido
interno foi estipulada em -25ºC, como mostrado na tabela 5.25 acima.
O cálculo do coeficiente global de troca térmica pode ser simplificado se observadas
algumas considerações. Como demonstrado no tópico 5.2.2, o coeficiente global está
relacionado a associações de resistências térmicas. Nesses casos, pode ser conveniente
introduzir o conceito de resistência térmica dominante. Quando a resistência de uma associação
for muito maior que a soma das outras, essa é considerada dominante no processo de troca
térmica e as demais podem ser desprezadas do cálculo do coeficiente global de troca térmica
sem implicar em grandes erros no resultado [65].
Substâncias em mudança de fase trocam calor mais intensamente (calor específico
latente maior que o sensível [51]), resultando em coeficientes convectivos maiores, o que
significa resistências térmicas menores que aquelas relacionadas à convecção forçada
convencional. Somado a isso, como mencionado anteriormente, a convecção natural é menos
eficiente que a forçada, implicando em uma alta resistência térmica. Finalmente, resistências
térmicas associadas a condução na parede de dutos também costumam ser pequenas devido às
espessuras finas dos tubos e à boa condutividade térmica dos metais.
Assumindo a resistência de convecção natural como dominante, isto é, a resistência de
convecção da parede externa do tubo do evaporador, pode-se retomar a equação 5.7,
apresentada no tópico 5.2.2, e reduzi-la à equação 5.20:
𝑈𝐴 =1
∑ 𝑅𝑇𝑒𝑟𝑚 (5.7)
𝑈𝐴 = 1
𝑅𝑛𝑎𝑡 (5.20)
Em que 𝑅𝑛𝑎𝑡 é a resistência térmica de convecção natural dominante. Ainda, essa
91
resistência térmica é definida como o inverso do produto entre o coeficiente de troca térmica
de convecção natural e a área onde ocorre essa troca de calor [51]. A equação 5.21 abaixo ilustra
essa relação:
𝑅𝑛𝑎𝑡 =1
ℎ𝑛𝑎𝑡𝐴𝑒 (5.21)
Sendo ℎ𝑛𝑎𝑡 o coeficiente de troca térmica de convecção natural e 𝐴𝑒 a área externa do
evaporador, superfície na qual ocorrerá esse tipo de convecção.
O próximo passo é calcular o coeficiente de troca térmica. Para isso, será usada a
correlação empírica para convecção natural em tubos cilíndricos apresentado em [51]. Primeiro
são calculados os números adimensionais de Prandtl, pela equação 5.12 apresentada no tópico
5.3.2, e de Grashof:
Pr = 𝐶𝑝𝜇
𝑘 (5.12)
𝐺𝑟 =𝜌2𝑔𝛽(𝑇∞ − 𝑇𝑝)𝐷3
𝜇2 (5.22)
Sendo 𝑔 a aceleração da gravidade; 𝛽 o coeficiente de expansão volumétrica do fluido;
𝑇𝑝 a temperatura da parede do tubo; 𝑇∞ a temperatura do fluido; e 𝐷 o diâmetro do tubo.
A temperatura da parede depende, além da temperatura dos fluidos, da própria taxa de
troca térmica, o que a impossibilita de ser calculada de imediato. Porém, como as temperaturas
dos fluidos são uniformes ao longo do trocador, uma estimativa para ela é a média aritmética
das temperaturas externa e interna [51].
As propriedades dos números de Prandtl e Grashof são avaliadas na temperatura de
filme, definida como a média aritmética da temperatura da parede com a temperatura do fluido
externo [51]. Por último, é preciso definir o número adimensional de Rayleigh:
𝑅𝑎 = 𝐺𝑟 ∙ 𝑃𝑟 (5.23)
A correlação empírica para o número de Nusselt de convecção natural em um tubo
cilíndrico é:
𝑁𝑢 = {0,60 +0,387𝑅𝑎
16⁄
[1 + (0,559 𝑃𝑟⁄ )9 16⁄ ]8 27⁄}
2
(5.24)
𝑅𝑎 ≤ 1012
Em que todas as propriedades são avaliadas na temperatura de filme.
Utilizando a equação 5.16, apresentada no contexto do tópico 5.3.2, obtém-se o
coeficiente de troca térmica de convecção natural. Empregando as equações 5.20 e 5.21 na 5.19,
e rearranjando, chega-se à equação 5.25, a qual será a relação de dimensionamento do trocador.
92
𝐴𝑒 =��
ℎ𝑛𝑎𝑡∆𝑇 (5.25)
Realizando uma pesquisa no mercado, observa-se que os trocadores de calor submersos
são constituídos, em sua maioria, de tubos metálicos em forma helicoidal, de forma a compactar
mais comprimento de tubo em menos espaço, aumentando a área de troca térmica e
compensando a ineficiência da convecção natural.
Calcular a área externa e definir certos parâmetros permite calcular o comprimento total
em tubos do trocador, assim especificando o equipamento. A área externa pode ser definida
como:
𝐴𝑒 = 2𝜋𝐷𝑒𝐿𝑡𝑜𝑡𝑎𝑙 (5.26)
Em que 𝐷𝑒 é o diâmetro externo do tubo e 𝐿𝑡𝑜𝑡𝑎𝑙 é o comprimento total de tubo. O
trocador consiste neste tubo de comprimento total em forma de uma serpentina helicoidal. Ao
definir o raio a partir do centro da helicoidal e a altura do trocador, se determina o número de
voltas que o tubo dá em torno do eixo central.
Nas tabelas abaixo são apresentados os dados de entrada e os cálculos subsequentes até
a determinação da área externa requerida de trocador.
Propriedade dos materiais
Massa específica (kg/m³)
Calor específico (J/kg.ºC)
Viscosidade (Pa.s)
Condutividade térmica (W/m.ºC)
Coefic. Expansão Vol. (1°/ºC)
1.118 3.536 0,003298 0,5345 0,00024848
Tabela 5.26: Propriedades do fluido externo avaliadas na temperatura de filme
Fonte: Elaboração do autor a partir de [49].
Dados de entrada
Temperatura de evaporação (ºC)
Temperatura do fluido externo (ºC)
Diâmetro interno do tubo (")
Espessura do tubo (m)
-25ºC -4ºC 5/8 0,001
Tabela 5.27: Dados de entrada para dimensionamento do trocador
Fonte: Elaboração do autor.
Números adimensionais Resultados
Gr Pr Ra Nu h
(W/m².ºC) A
(m²) Ltotal
(m)
11.781 21,82 257.067 9,99 349 1,31 23,46
Tabela 5.28: Resultados cálculados do dimensionamento do trocador
Fonte: Elaboração do autor.
Serpentinas em forma helicoidal para troca térmica são facilmente encontrados no
mercado, para refrigeração de bebidas e líquidos em geral, em diversos tamanhos. A seguir as
especificações da serpentina helicoidal selecionada e o preço do investimento.
93
Figura 5.19: Exemplos de serpentinas helicoidais duplas para resfriamento
Fonte: [66].
Serpentina helicoidal dupla
Material Diâmetro do
tubo (") Comprimento
total (m) Preço (R$)
Cobre 5/8 24 600,00
Tabela 5.29: Parâmetros e preço do trocador submerso selecionado
Fonte: Elaboração do autor.
5.4.3 Válvula de expansão
As válvulas de expansão são dispositivos que tem como função provocar a expansão do
fluido refrigerante, reduzindo sua pressão, assim dividindo o ciclo de refrigeração, junto com o
compressor, como visto no capítulo 2.1, nas zonas de alta e baixa pressão.
Sua correta seleção é importante pois ela regula o fluxo de refrigerante para o
evaporador. Caso haja subdimensionamento haverá uma redução na capacidade projetada para
o sistema devido à falta de refrigerante, enquanto um superdimensionamento ocasionará em
entrada de líquido no compressor podendo danificar o equipamento [67].
É necessária uma válvula por unidade condensadora, como visto no ciclo
termodinâmico do tópico 2.1, ou seja, serão requeridas duas válvulas de expansão para este
projeto.
Há diversos tipos de válvula de expansão com diferentes funcionalidades e aplicações.
A válvula a ser selecionada neste projeto será do tipo termostática. As válvulas de expansão
termostáticas são aquelas que controlam o fluxo de refrigerante medindo a temperatura dele no
evaporador através de um bulbo sensor. Se a temperatura aumentar acima daquela de
configuração, a válvula aumenta a vazão de refrigerante de modo até regular com a capacidade
do evaporador. Na situação oposta, a válvula restringe a passagem de fluido de modo a garantir
que apenas vapor saia do evaporador [67].
A seleção desse tipo de válvula passa pela identificação, no catálogo do fabricante, do
dispositivo em questão e mais de um elemento chamado orifício, o qual pode ser fixo à válvula
ou intercambiável.
Os dados de entrada são: o líquido refrigerante utilizado; a temperatura de condensação
94
no condensador do ciclo; a temperatura de evaporação; e a taxa de calor de refrigeração
requerida [68]. Os dois primeiros podem ser obtidos, neste caso, no catálogo da unidade
condensadora em anexo [64]. Os dois últimos foram determinados no tópico anterior em -25ºC
e 9,65 kW respectivamente. Dotado dessas informações, encontra-se no catálogo o conjunto
válvula e orifício com a taxa de calor de refrigeração mais próxima à requerida.
O conjunto selecionado foi a válvula TE5 com orifício nº 02 da fabricante Danfoss. A
seguir, os dados de entrada e a tabela de seleção. Mais informações encontram-se no catálogo
do produto em anexo [68].
Figura 5.20: Válvula de Expansão Termostática
Fonte: [68].
Dados de entrada
Fluido refrigerante - 404 A Taxa de calor de refrigeração requerida
(kW) Temperatura de
condensação (ºC) Temperatura de evaporação (ºC)
55 -25 9,65
Tabela 5.30: Dados de entrada de seleção da válvula de expansão
Fonte: Elaboração do autor
95
Tabela 5.31: Tabela de seleção do conjunto válvula – orifício
Fonte: [68].
5.4.4 Resumo dos Investimentos
A seguir, na tabela 5.32, os equipamentos selecionados e os preços encontrados, em
média, após pesquisa no comércio.
Equipamento Quantidade Preço (R$) Total (R$)
Unidade Condensadora UDB 4.800 Elgin 2
8.000 16.000
Válvula TE5 Orifício 02 Danfoss 600 1.200
Investimento total: R$ 17.200
Tabela 5.32: Equipamentos e preços para sistema de refrigeração
Fonte: Elaboração do autor.
96
5.5 Sistema Fotovoltaico A seleção dos componentes fotovoltaicos consiste, basicamente, no dimensionamento
do painel fotovoltaico e do inversor de frequência. Primeiro, é escolhido e determinado o
número de módulos que irão compor o painel, assim determinando a potência máxima gerada.
A partir desta, e de outros parâmetros correspondentes ao painel como corrente e voltagem de
operação, é selecionado o inversor de acordo.
5.5.1 Painel Fotovoltaico
O primeiro passo é a determinação do módulo fotovoltaico de composição do painel. A
escolha leva em consideração diversos fatores, dos quais os principais utilizados neste projeto
foram: eficiência da célula; relação preço por watt-pico; relação watt-pico por metro quadrado;
e material do módulo.
A partir de uma pesquisa no mercado foi selecionado o módulo fotovoltaico
policristalino de 275Wp da fabricante Elgin [69]. As principais características se encontram na
figura 5.21 a seguir.
97
Tabela 5.21: Características de operação do módulo Elgin 275Wp
Fonte: [69]
Escolhido o módulo, consecutivamente é feito o dimensionamento do tamanho do
painel através da determinação da quantidade de energia gerada requerida.
O watt-pico é a unidade que quantifica a potência produzida por um módulo fotovoltaico
submetido a condições de teste padrão (irradiação global de 1000W/m² e temperatura de
operação de 25ºC, como mostrado na figura acima). Sendo assim, está relacionada às horas de
sol pleno (HSP), apresentada no tópico 5.4.1. A partir das definições de watt-pico e HSP, é
possível determinar o número de módulos fotovoltaicos requeridos e a potência de pico do
painel montado.
𝑃𝑝𝑎𝑖𝑛𝑒𝑙 =𝐸𝑝𝑎𝑖𝑛𝑒𝑙
𝐻𝑆𝑃= 𝑛𝑃𝑚ó𝑑𝑢𝑙𝑜 (5.27)
98
Sendo 𝐸𝑝𝑎𝑖𝑛𝑒𝑙 a energia requerida produzida pelo painel, 𝑛 é o número de módulos
compondo o painel, e 𝑃𝑚ó𝑑𝑢𝑙𝑜 e 𝑃𝑝𝑎𝑖𝑛𝑒𝑙 são, respectivamente, as potências produzidas por um
módulo fotovoltaico e pelo painel solar.
A energia produzida pelo painel deve ser suficiente para alimentar as unidades
condensadoras selecionadas. Através do catálogo das unidades, como pode ser visto na figura
5.25 do tópico 5.4.1, a potência consumida por equipamento é de 7,5 kW, ou seja, no total serão
necessários 15 kW. O cálculo realizado no contexto dessa seleção, porém, levou em conta o
período de maior carga térmica do ambiente a ser climatizado, com a finalidade de obter-se a
maior taxa de calor a ser removida do tanque armazenador. Consequentemente, como indicado
naquele tópico, este também é o período de maior disponibilidade de irradiação solar. Porém,
como o dimensionamento do painel solar considera a produção de energia durante um ano
inteiro, será utilizada a irradiação média da região, o que implica numa potência maior que os
15 kW indicados inicialmente.
A seguir, o cálculo da energia, potência e número de módulos do painel
respectivamente. A HSP utilizada foi calculada a partir da definição apresentada no tópico
5.4.1, para a média da irradiação solar diária média indicada na tabela 3.1 do tópico 3.1.4, para
a região do Galeão (próxima ao laboratório), no valor de 4,71 horas. A potência do módulo é
indicada na tabela 5.21 acima.
𝐸𝑝𝑎𝑖𝑛𝑒𝑙 = 15 [𝑘𝑊] ∙ 5,8 [ℎ] = 87 [𝑘𝑊ℎ]
𝑃𝑝𝑎𝑖𝑛𝑒𝑙 =87 [𝑘𝑊ℎ]
4,71 [ℎ]= 18,5 [𝑘𝑊]
𝑛 =18,5 [𝑘𝑊]
0,275 [𝑘𝑊]= 68 𝑚ó𝑑𝑢𝑙𝑜𝑠
Pela necessidade de fornecimento de eletricidade a duas unidades condensadoras, os 68
módulos serão arranjados em 2 painéis de 34 módulos cada.
5.5.2 Inversor
A seleção do inversor parte das especificações do painel definido. O primeiro critério
diz respeito à otimização da operação do inversor em potências próximas a sua nominal,
evitando sobrecarga. Para que isso ocorra, o chamado fator de dimensionamento do inversor
(FDI) deve se situar entre 0,75 e 1,05 [24]. O fator é definido como:
𝐹𝐷𝐼 =𝑃𝐴𝐶𝑖𝑛𝑣
𝑃𝑝𝑎𝑖𝑛𝑒𝑙 (5.28)
Em que 𝑃𝐴𝐶𝑖𝑛𝑣 é a potência de corrente alternada entregue pelo inversor. Esta será a
potência entregue às unidades condensadoras e, portanto, devem estar de acordo com a potência
funcionamento desses equipamentos. Assim, como indicado no tópico acima, para as duas
unidades selecionadas tem-se que a potência total fornecida pelo inversor deverá ser igual a 15
99
kW.
Aplicando os valores indicados à equação 5.28, das potências determinadas acima, o
FDI do inversor calculado se situa dentro da faixa recomendada, com valor de 0,81. Pela
necessidade do fornecimento a duas unidades condensadoras, serão selecionados dois
inversores de 7,5 kW cada.
Ademais, a voltagem máxima da associação dos módulos deve ser menor que a máxima
de entrada do inversor. Por isso, cada painel será formado por duas filas, associadas
paralelamente, de 17 módulos em série, sendo necessários 110 m² no total para instalação dos
dois painéis.
Por fim, há especificidades na aplicação que requerem atenção na hora da seleção. Os
inversores off-grid, ou seja, aqueles designados para sistemas isolados trabalham conectados a
baterias para armazenamento de energia [24], o que não é previsto neste caso. Além disso, como
indicado no tópico 4.2, é prevista uma conexão com a rede pública de eletricidade, porém os
inversores grid-tie não operam se houver desconexão com a rede, o que seria a situação
operacional deste projeto. Visando contornar essas dificuldades, foi pesquisado um tipo de
inversor conhecido como Solar Pump Inverter (Inversor solar para bombeamento), usado em
aplicações em que o armazenamento de energia solar se dá pelo bombeamento de água para um
reservatório elevado de certa altura, como apresentado no tópico 3.3.3. Esse tipo de inversor
permite não só a ligação direta com o motor do equipamento como também possibilita conexão
com a rede pública. Apesar dessas vantagens, eles ainda não são facilmente encontrados e
fabricados no Brasil, sendo necessário a importação de fabricantes internacionais.
O inversor escolhido foi o SP – 7.5K da fabricante chinesa MPP Solar, as principais
informações se encontram na tabela abaixo:
100
Tabela 5.22: Principais especificações do inversor selecionado
Fonte: [70]
5.5.3 Resumo dos investimentos
Os investimentos necessários com os preços em média achados no comércio são
apresentados na tabela 5.23 abaixo:
Equipamento Quantidade R$/unid. Total (R$)
Inversor SP - 7.5K MPP Solar 2 8.000 16.000
Módulo Elgin 275 Wp 68 550 37.400
Total 53.400
Tabela 5.23: Investimentos para o sistema fotovoltaico
Fonte: Elaboração do autor.
101
6. Simulação e Resultados
6.1 Simulação de Desempenho O estudo realizado visa determinar o desempenho do sistema de ar condicionado solar
projetado, para tal, calculou-se para um ano típico, de acordo com o arquivo de dados
meteorológicos apresentado no capítulo 5.1, indicadores de performance horários para cada dia.
Os indicadores monitorados, assim como outros parâmetros empregados nos cálculos, são
apresentados a seguir:
• Temperatura ambiente:
Temperatura do meio exterior ao laboratório extraído do arquivo de dados
meteorológicos para a região.
• Carga térmica do laboratório:
Carga térmica calculada no capítulo 5.1 pelo software EnergyPlus, para quando
houver atividade no laboratório, e a ser suprida pelo resfriador de ar. Também considera
a carga sensível necessária para trazer a temperatura do laboratório àquela estipulada no
capítulo 5.1 de 23ºC, na primeira hora de atividade do dia. Esta é estimada sendo a média
da carga sensível atuante sobre o laboratório, calculada pelo software, quando das horas
de inatividade dele.
• Potência gerada pelo sistema fotovoltaico:
Potência horária fornecida pelos inversores às unidades condensadoras,
calculadas através do software apresentado no capítulo 3.1.3, SAM (Software Advisor
Model), com o fornecimento do arquivo de dados meteorológicos, especificações do
módulo e do inversor, e definição dos painéis.
• Potência de refrigeração das unidades condensadoras:
Potência térmica retirada do tanque pelas unidades condensadoras. É calculada
através do coeficiente de performance (COP) da unidade definida na equação 2.3. Com
base nos dados disponibilizados no catálogo (consumo de eletricidade e capacidade de
refrigeração) [64], calculou-se o COP do equipamento em 1,48, o qual será multiplicado
pela potência fornecida pelo inversor resultando na potência frigorífica.
𝐶𝑂𝑃 = 𝑞𝐿
𝑤𝑐
• Potência de refrigeração gerada pela rede pública de eletricidade:
Potência gerada pela rede convencional de eletricidade quando acionada por um
termostato, assim que a temperatura do tanque alcançar àquela crítica estipulada no
tópico 5.2.2 de 9ºC. É equivalente à potência de operação das unidades em plena carga.
• Perdas térmicas:
Calculada através da equação 5.6, acrescida de 10% das potências de
resfriamento e refrigeração, como indicado nos tópicos 5.2.2 e 5.4.1.
102
�� = 𝑈𝐴∆𝑇 (5.6)
• Carga armazenada no tanque:
Calculada através da equação 3.7, apresentado no tópico 5.2.1. A variação
térmica corresponde à diferença entre a temperatura do tanque de momento e a
temperatura limite superior estimulada em 9ºC, em que a rede convencional passa a
atuar no sistema.
𝑄 = 𝑚𝑐𝑝 ∆𝑇 = 𝜌𝑐𝑝 𝑉𝛥𝑇 (3.7)
• Temperatura do tanque:
É estipulada inicialmente em -4ºC (temperatura de projeto do tanque). Parâmetro
final calculado a partir do emprego das outras definidas acima. É limitada por
termostatos a permanecer dentro de um intervalo de operação, sendo este de -7 a 9 ºC,
para evitar, respectivamente, o congelamento do fluído armazenador (ponto de fusão -
10,6ºC) e queda do desempenho do resfriador de ar. No primeiro caso, quando alcançado
-7ºC, um termostato desarma a conexão das unidades com os inversores evitando a
refrigeração mesmo com energia solar disponível. No segundo caso, outro termostato
faz a conexão entre o inversor e a rede pública fornecendo eletricidade às unidades em
plena carga. É calculada através da equação 6.1 abaixo:
𝑇′𝑡𝑎𝑛𝑞𝑢𝑒 =
(��𝑡𝑒𝑟𝑚 + ��𝑝𝑒𝑟𝑑𝑎𝑠 − ��𝑢𝑛𝑖𝑑𝑎𝑑𝑒𝑠 − ��𝑟𝑒𝑑𝑒) ∙ ∆𝑡
𝜌𝐶𝑝𝑉+ 𝑇𝑡𝑎𝑛𝑞𝑢𝑒 (6.1)
Em que os ��’s são as cargas definidas acima; ∆𝑡 é o intervalo de tempo em
segundos (neste caso, intervalo horário igual a 3600 s); 𝜌, 𝐶𝑝 e 𝑉 são respectivamente a
massa e o calor específico médio para as temperaturas de operação, e o volume do fluido
armazenador; 𝑇𝑡𝑎𝑛𝑞𝑢𝑒 é a temperatura inicial do tanque e 𝑇′𝑡𝑎𝑛𝑞𝑢𝑒 é a temperatura
calculada do tanque após o intervalo horário.
A simulação consiste, então, em empregar uma temperatura de tanque inicial,
calcular as cargas presentes e por fim calcular uma nova temperatura de tanque, que será
usada como inicial no próximo intervalo, até fechar o intervalo anual de dados. Esse
processo de repetição foi realizado com o auxílio do software Excel.
6.2 Resultados da Simulação Nas tabelas e figuras a seguir são apresentados os resultados obtidos na simulação. A
primeira verificação importante para avaliar o dimensionamento do sistema de ar condicionado
é o tempo de uso da rede convencional. Foram contabilizados 7 horas de acionamento da rede
por alta na temperatura do tanque, de um total de 8760 horas correspondente ao período de um
ano de simulação, significando uma porcentagem de cerca de 0,08% do tempo total de
simulação. Já o tempo de desativação do sistema para não congelamento do fluido armazenador
foi contabilizado em 764 horas, correspondendo a 8,7% do tempo total de simulação. Dessa
verificação mais geral, pode-se concluir que o sistema de refrigeração dimensionado atende o
103
emprego requerido, dado o uso quase nulo da rede convencional, assim como há um excesso
de energia produzida pelos painéis fotovoltaicos não aproveitado pelo sistema de
condicionamento, expresso na porcentagem mais relevante do tempo de simulação respectivo
à desativação das unidades condensadoras. Isso indica que o sistema de armazenamento pode
ser aprimorado, aumentando-se o tamanho do tanque ou mudando o meio armazenador de modo
a aproveitar essa parcela de energia desperdiçada, ainda que esta não se demonstre essencial ao
desempenho final do sistema de condicionamento de ar projetado, visto que este satisfaz a
demanda do laboratório com o tanque projetado, nesta simulação. Consecutivamente, outros
parâmetros serão analisados de modo a ter-se um entendimento mais detalhado da performance
do sistema projetado.
A temperatura média do tanque foi avaliada em aproximadamente -2,8ºC, ou seja entre
os 4ºC estipulados de projeto e 0ºC, indicando que o sistema se utiliza, na média, da vantagem
da diminuição do ponto de fusão do meio armazenador previsto no projeto do sistema de
armazenamento térmico, garantindo a performance requerida pelo sistema de resfriamento de
ar.
A temperatura mínima do tanque alcançada foi de -9.71ºC, acima do ponto de fusão do
meio armazenador de -10.5ºC, confirmando a efetividade da temperatura de desativação do
sistema de refrigeração estipulada em 7ºC para evitar o congelamento do meio armazenador. A
temperatura máxima do tanque foi 9,5ºC, acima 0,5ºC da temperatura estipulada para emprego
da rede convencional. Consecutivamente, é importante a análise do perfil das cargas atuantes
no tanque armazenador durante diferentes épocas do ano para entender melhor o desempenho
do sistema e compreender, por exemplo, por que ainda que se tenha excesso de energia
produzida, a rede pública teve que ser acionada.
A tabela 6.1 reúne os principais resultados da simulação citados acima. A figura 6.1
demonstra os perfis médios mensais das cargas atuantes no tanque, sendo: 𝑄𝑓𝑜𝑟𝑛𝑒𝑐𝑖𝑑𝑜, a taxa de
calor que aquece o tanque proveniente da climatização do laboratório e das perdas respectivas;
𝑄𝑟𝑒𝑡𝑖𝑟𝑎𝑑𝑜, é a taxa de calor que resfria o tanque devido à refrigeração do meio armazenador
pelas unidades condensadoras; e 𝑄𝑎𝑐𝑢𝑚, é a energia acumulada no tanque como indicado no
tópico anterior. A figura 6.2 apresenta o perfil da carga média mensal acumulada junto com a
variação da temperatura média durante o período da simulação. As figuras 6.3 e 6.4 apresentam
perfis horários de um dia típico de verão e inverno respectivamente.
Observando a figura 6.1, tem-se que, excluindo os meses de inverno (maio, junho e
julho), a carga retirada é maior ou igual à fornecida ao tanque, o que corrobora o projeto de
seleção do sistema de refrigeração. A energia média acumulada permanece aproximadamente
constante durante os meses de agosto a dezembro, e começa a decair com a proximidade dos
meses de inverno, como previsto, chegando ao seu mínimo no mês de junho. Esse
comportamento também pode ser visto observando a figura 6.2. Nela, a temperatura do tanque
tem um pico no período do inverno, representando a queda na energia acumulada. As figuras
6.3 e 6.4 são úteis na análise desse acontecimento:
Durante o verão, há uma diferença significativa entre a carga retirada e fornecida ao
tanque das 6h às 18h, o que representa quase a totalidade do período considerado de
funcionamento do laboratório, sendo alcançada a carga máxima conjunta de refrigeração das
unidades condensadoras, avaliada em um pouco mais de 20 kW, no pico da disponibilidade de
104
energia solar, ou seja, 12h. Já no inverno, além do perfil da curva de carga retirada do tanque
encurtar e se concentrar próximo ao horário de pico solar, a carga máxima retirada,
aproximadamente no valor de 9 kW, é consideravelmente menor que o máximo possível de 20
kW. Isso indica que, apesar do sistema de refrigeração selecionado ter capacidade de suprir a
carga térmica do laboratório (como acontece no verão), a queda da disponibilidade de energia
solar no período do inverno resulta na necessidade do uso da energia acumulada pelo meio
armazenador.
Concluindo, o sistema de refrigeração selecionado mostra-se suficiente para a operação
empregada e, caso seja necessário melhorar o desempenho do sistema de condicionamento de
ar no inverno, tem-se as alternativas de aumentar o tanque (ou trocar o meio armazenador), com
o intuito de armazenar a energia desperdiçada produzida no verão, e/ou aumentar o número de
módulos dos painéis fotovoltaicos, de modo a captar mais energia solar e gerar mais eletricidade
no inverno, consequentemente aumentando a carga máxima retirada do tanque pelas unidades
condensadoras neste período, reduzindo assim a necessidade do uso da energia armazenada no
tanque.
Indicadores
temperatura do tanque tempo de simulação
máxima 9,5 horas com rede convencional 7
média -2,8 horas com unidades desativadas 764
mínima -9,7 horas totais 8.760
mês Qretirado médio [W] Qfornecido médio [W] Qacum médio [kJ]
jan 3.904 3.858 241.316
fev 4.096 4.061 232.521
mar 3.739 3.690 217.254
abr 3.204 3.169 197.902
mai 2.297 2.426 151.732
jun 1.987 2.004 112.831
jul 2.051 2.104 149.383
ago 2.384 2.371 237.314
set 2.602 2.606 242.446
out 2.958 2.936 246.850
nov 3.356 3.329 246.075
dez 3.736 3.696 244.278
Tabela 6.1: Principais resultados da simulação
Fonte: Elaboração do autor.
105
Figura 6.1: Cargas térmicas médias mensais do tanque
Fonte: Elaboração do autor.
Figura 6.2: Relação da carga acumulada e a temperatura do tanque média mensal
Fonte: Elaboração do autor
106
Figura 6.3: Cargas horárias para um dia típico de verão
Fonte: Elaboração do autor.
Figura 6.4: Cargas horárias para um dia típico de inverno
Fonte: Elaboração do autor.
6.3 Resumo dos Investimentos e Análise Econômica Primeiro, são reunidos na tabela 6.2 abaixo os principais investimentos previstos para a
composição do sistema de ar condicionado do projeto:
107
Investimentos Quantidade Preço Preço total
Caixa d'água Tigre 5.000L 1 R$ 2.000 R$ 2.000
Sal grosso 750 kg R$ 4/kg R$ 3.000
Poliestireno expandido (isopor) 11 m² R$ 43/m² R$ 473
Fan Coil 42LS Carrier 1 R$ 2.300 R$ 2.300
Bomba GP - 250P Inova 1 R$ 1.000 R$ 1.000
Serpentina de cobre 24 m 2 R$ 600 R$ 1.200
Unidade Cond. UDB 4.800 Elgin 2 R$ 8.000 R$ 16.000
Válvula TE5 Orifício 02 Danfoss 2 R$ 600 R$ 1.200
Módulo Elgin 275 Wp 68 R$ 550 R$ 37.400
Inversor SP - 7.5K MPP Solar 2 R$ 8.000 R$ 16.000
Termostato 2 R$ 340 R$ 680
Total R$ 81.253
Tabela 6.2: Resumo dos principais investimentos para o sistema de ar condicionado
Fonte: Elaboração do autor.
Para realizar a análise econômica do projeto é preciso determinar a energia economizada
pelo sistema. Como apenas em 7 das 8.760 horas de simulação foi utilizada a rede pública, a
energia economizada é praticamente toda a energia elétrica fornecida ao sistema pelos painéis,
calculadas pelo software SAM.
O próximo passo é determinar a tarifa por kWh cobrado na região. As tarifas alternam
de valor de acordo com períodos do dia chamados de pico, intermediário e fora do pico, em que
a tarifa decresce respectivamente. Segundo [71], e observando as figuras 6.3 e 6.4 conclui-se
que os horários de economia de energia se situam, em ordem decrescente de frequência, nos
períodos de fora de pico e intermediário. Com essa informação, acessando [72] é determinado
o valor da tarifa com impostos para estabelecimentos não residenciais em R$ 0,8/kWh.
Finalmente é calculada a economia em um ano de utilização do ar-condicionado
fotovoltaico:
Energia anual fornecido pelo inversor [kWh] Tarifa intermediária [R$/kWh] Economia atual
24.942 0,79 R$ 19.704
Tabela 6.3: Calcula da economia com eletricidade anual
Fonte: Elaboração do autor.
108
Figura 6.5: Média mensal da energia economizada com o inversor e do custo associado
Fonte: Elaboração do autor.
A partir da economia anual com eletricidade pode-se determinar o tempo de retorno do
projeto. Através da tabela 6.4 a seguir, compreende-se que a partir do quarto ano de utilização
o projeto paga o investimento inicial feito.
Ano 0 1 2 3 4 5
Investimento -R$ 81.253
Economia R$ 19.704 R$ 19.704 R$ 19.704 R$ 19.704 R$ 19.704 R$ 19.704
Retorno -R$ 61.549 -R$ 41.845 -R$ 22.141 -R$ 2.437 R$ 17.267 R$ 36.971
Tabela 6.4: Retorno do investimento realizado no ar-condicionado
Fonte: Elaboração do autor.
109
7. Conclusão Este projeto consistiu no estudo do emprego da tecnologia fotovoltaica e de
armazenamento de energia térmica em aplicações de condicionamento de ar de pequeno e
médio porte, com o objetivo de dimensionar os equipamentos de um sistema de ar condicionado
à energia fotovoltaica com armazenamento de energia térmica, e posterior seleção destes após
pesquisa de mercado.
As simulações realizadas no capítulo 6 demonstram que a meta de desenvolver um
aparelho de ar condicionado que funcionasse apenas com energia solar foi alcançada, assim
como gerar uma economia capaz de retornar o investimento inicial requerido.
Ainda, trabalhos futuros podem ser feitos de modo a explorar aplicações em que a
disponibilidade de energia solar se encontre deslocada da demanda energética, como é o caso
dos aparelhos de ar condicionado residenciais. Outros estudos podem envolver configurações
diferentes para o sistema de geração fotovoltaico, assim como a possibilidade de emprego de
outros tipos de meios armazenadores, como materiais de mudança de fase apresentados no
capítulo 3.3.
O campo das fontes alternativas de energia é amplo e comporta muitos estudos e
pesquisas. Especificamente, ainda há pouco material na literatura a respeito de tecnologias de
sistema de ar condicionado à energia fotovoltaica, porém, é uma área em rápido crescimento e
com grande potencial de recompensar os esforços colocados nela, pois abrange aplicações
cotidianas e fundamentais na nossa sociedade e que alcançam empregos de escalas residenciais
a industriais.
110
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116
Anexos – Catálogos Técnicos
Tanque armazenador
117
Resfriador de Ar
118
119
120
121
122
Bomba de Circulação
123
Unidade Condensadora
124
125
126
127
Válvula de Expansão
128
129
Módulo Fotovoltaico
130
Inversor
