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MANUAL DEINSTALAÇÃO DE SISTEMAS SOLARES TÉRMICOSLuís Miguel Rodrigues de Carvalho, Joaquim Carlos Lopes Barbosa,
Tiago Manuel Machado Teixeira e Vítor Manuel Lourenço Calado
A eficiência energética dos edifícios é, hoje, um imperativo na nova construção, bem como no setor da reabilitação urbana.
Um bom desempenho energético só é possível alcançar com o contributo das energias renováveis e, em particular, com a
integração dos Sistemas Solares Térmicos.
O ganho e o contributo energético destes sistemas dependem, entre outros fatores, da seleção da tecnologia a aplicar,
mas essencialmente, de um correto dimensionamento, da execução da instalação e da manutenção preventiva. Estes
fatores são determinantes para o bom funcionamento e para a durabilidade dos sistemas, e resultam fundamentalmente
da competência técnica dos profissionais que os executam. A qualificação destes profissionais é um fator diferenciador na
competitividade das empresas e é também o reflexo do mercado, do estado da arte, do setor das energias renováveis. A
aposta na formação e no desenvolvimento das competências dos profissionais é um elemento chave para o sucesso da
implementação dos planos estratégicos nacionais de ação, no âmbito da eficiência energética e das energias renováveis.
Estes planos definem metas e objetivos bastante ambiciosos para o nosso país.
É neste contexto, e conscientes da relevância deste tema, que aceitamos o convite para escrever este livro. Considera-
mos que, publicar o nosso conhecimento e a nossa experiência nesta área, seria um excelente contributo para a qualifica-
ção dos profissionais e, consequentemente, para o desenvolvimento do setor. Adicionalmente, julgamos tratar-se de uma
ferramenta útil de apoio académico, para os professores e alunos, da área das energias renováveis.
Neste livro, abordamos, de uma forma abrangente, toda a temática associada à instalação dos Sistemas Solares Tér-
micos, evidenciando sempre as boas práticas. São expostos temas relevantes, tais como: conceitos e grandezas físicas,
dimensionamento dos sistemas, tecnologias, tipologias de sistemas, esquemas hidráulicos, o planeamento e a preparação
dos trabalhos, segurança do trabalho e manutenção preventiva.
Coordenador da Formação, Documentação e Suporte Técnico da Vulcano
Ismael Leite
PREFÁCIO
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1. introdução
1.1 Portugal e a energia solar térmica
1.2 Enquadramento legal
2. conceitos de física
2.1 Introdução
2.2 Grandezas
2.3 Mecânica
2.4 Hidráulica
2.5 Termodinâmica
2.6 Eletricidade
3. conceitos solares
3.1 Radiação
3.2 Movimento Terra-Sol
3.3 Curvas de penalização
3.4 Determinação de sombras
4. tipos de sistemas solares térmicos
4.1 Sistema termossifão
4.2 Opções de instalação
4.3 Sistema de circulação forçada
4.3.1 Sistemas diretos e indiretos
4.3.2 Acumuladores
4.3.3 Circulação invertida
4.3.4 Estratificação
4.3.5 Grupo hidráulico (estação solar)
4.3.6 Vaso de expansão
4.3.7 Controladores
4.3.7.1 Controladores para uma aplicação
4.3.7.2 Controladores para várias aplicações
4.3.8 Ligações hidráulicas
4.3.8.1 Ligação em série
4.3.8.2 Ligação em paralelo de canais
4.3.8.3 Ligação em paralelo
4.3.8.4 Exemplos de ligações hidráulicas
5. fixação dos coletores
5.1 Circulação natural - termossifão
5.2 Circulação forçada
6. esquemas hidráulicos de princípio
7. arranque da instalação
8. manutenção do sistema solar
9. introdução à tecnologia dos sistemas
solares térmicos
10. princípios básicos para o aproveitamento
da energia solar
11. conversão térmica da energia solar
11.1 Constante solar
11.2 Corpo negro
11.3 Superfície seletiva
11.4 Coeficientes de absortância (α) e emitância (ε)
11.5 Corpo transparente e corpo opaco
11.6 Efeito de estufa
12. coletores solares
12.1 Tipos de coletores solares térmicos
12.2 Elementos constituintes de um coletor plano
12.2.1 Cobertura transparente
12.2.2 Superfície absorsora
12.2.3 Isolamento posterior
12.2.4 Caixa
12.3 Estudo energético
12.3.1 Parâmetros de performance
12.3.2 Potência instantânea
12.3.3 Caudal recomendado
12.4 Considerações hidráulicas
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ÍNDICE
12.4.1 Ligações em série
12.4.2 Ligações em paralelo
12.4.3 Ligações em paralelo de canais
12.4.4 Ligações mistas
12.4.4.1 Série-paralelo
12.4.4.2 Paralelo de canais/paralelo
12.4.5 Considerações sobre as ligações
12.5 Perda de carga no campo de coletores
13. armazenamento de calor e apoio
13.1 Estratificação
13.2 Redes de distribuição de águas para consumo
13.3 Dimensionamento e critérios
13.3.1 Perfis de consumo
13.3.2 Temperaturas de utilização
13.3.3 Área de coletores instalada
13.3.4 Dimensionamento segundo R.C.C.T. E
13.4 Isolamento térmico
14. circuitos solares
14.1 Tubagens e materiais
14.1.1 Dimensionamento
14.1.2 Capacidade interna das tubagens
14.1.3 Isolamento térmico
14.1.4 Misturas anti-congelantes
14.2 Bombas circuladoras
14.2.1 Grupos hidráulicos
14.3 Permutadores de calor
14.4 Dispositivos de segurança
14.4.1 Vasos de expansão
15. segurança no trabalho
15.1 Utilização de produtos químicos
15.2 Extintores
15.3 Acidentes de trabalho
15.4 Legislação aplicável
15.5 Áreas de grande risco
15.6 Equipamentos de proteção individual - EPI
15.7 Trabalhos em altura
15.8 Utilização de escadas - Medidas de prevenção
15.9 Andaimes
16. conceito de projeto solar térmico
16.1 Definição de projeto
16.2 Levantamento da informação
16.3 Estrutura da memória descritiva
de um projeto solar térmico
16.4 Considerações acerca do projeto
16.5 Estimativa de produção anual de energia
16.6 Componentes de um sistema - Características técnicas
16.7 Viabilidade económica
16.8 Considerações finais
16.9 Garantias
17. interpretação de desenhos técnicos
18. planeamento e preparação do trabalho
19. bibliografia
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O conceito de dilatação dos líquidos é muito importante, já que está sempre presente em circuitos térmicos, com
líquidos aquecidos, como os que abordaremos neste âmbito.
Denomina-se por caloria a quantidade de calor necessária para elevar de um grau centígrado a temperatura de um
grama de água. A quantidade de calor absorvida por um corpo ao passar de uma temperatura inicial ti a uma tempera-
tura final tf é dada pela expressão:
Q = m × Cp × (Δt )
Q – Quantidade de calor necessária (cal)
m – massa do corpo a aquecer (g)
Cp – Calor específico do corpo (cal/g°C)
Δt – Diferença entre a temperatura final (tf ) e a temperatura inicial (ti) (°C ou K)
Sempre que um corpo altera o seu estado físico entre sólido, líquido e gasoso, dizemos que houve uma mudança
de estado.
Durante qualquer mudança de estado há uma absorção de calor sem variação de temperatura, tendo a pressão
atmosférica uma influência sobre as temperaturas de mudança de fase. Por exemplo, à pressão de uma atmosfera, um
grama de gelo necessita de 80 calorias para passar do estado sólido para o estado líquido e esse grama de água necessita
de 539 calorias para passar do estado líquido para o estado de vapor.
Fig. 3 Mudanças de estado da água à pressão de uma atmosfera
• Calor latente: Grandeza física que determina a quantidade de calor que uma unidade de massa de determinada subs-
tância deve receber para mudar de estado físico.
• Calor específico: Grandeza física que define a energia necessária para elevar 1° C a temperatura de determinada subs-
tância sem haver mudança de fase.
• Calor sensível: Grandeza física que determina a quantidade de calor que uma unidade de massa de determinada subs-
tância é capaz de receber ou ceder sem mudar o seu estado físico.
Propagação de calor A energia pode-se transmitir de três formas distintas:
• Condução: Tem de existir um contacto físico entre dois corpos sólidos a diferentes temperaturas. O corpo com menor
temperatura vai absorver a temperatura do corpo com temperatura mais elevada até se atingir um equilíbrio térmico.
15Manual de Instalação de Sistemas Solares Térmicos
Fig. 4 Condução de calor
• Convecção: Processo de transporte de massa caracterizado pelo movimento de um fluido devido à sua diferença de
densidade, especialmente por meio de calor.
Fig. 5 Convecção de calor
• Radiação térmica: É a radiação eletromagnética emitida por um corpo em equilíbrio térmico causada pela variação
de temperatura do mesmo. É um mecanismo de transmissão de energia entre dois corpos a temperaturas diferentes,
como por exemplo o Sol e a Terra. No processo de radiação há transferência de energia sem ser necessária a presença
de um meio material, pois as ondas eletromagnéticas propagam-se no vazio.
Fig. 6 Radiação de calor
Manual de Instalação de Sistemas Solares Térmicos18
3.2. Movimento Terra–SolA Terra roda em torno de um eixo imagi-
nário que liga o Polo Norte ao Polo Sul,
chamado de eixo polar, descrevendo uma
órbita elíptica em torno do Sol. Este eixo
é quase perpendicular ao plano da elíp-
tica formando um ângulo com a normal
ao plano da órbita de 23° 27’. Ao fim de
24 horas dá uma volta completa sobre si
mesmo, o que dá origem à sucessão dos
dias e das noites.
A trajetória do movimento da Terra em torno do Sol é aproximadamente circular, existindo uma altura do ano
em que a Terra está mais próxima do Sol. Esse dia é o 4 de janeiro.
Durante os equinócios da primavera e do outono a duração dos dias é igual à das noites uma vez que a declina-
ção solar é nula. É nesses dias que podemos dizer que o Sol nasce a Este e põe-se a Oeste.
Fig. 10 Trajetória terrestre
Durante o solstício de verão a declinação solar é de +23° 27’ e o período diurno é maior que o período noturno, sendo
o solstício de inverno o oposto, ou seja, a declinação solar é de -23° 27’ e o período diurno é menor que o período noturno.
Fig. 11 Declinação solar
Podemos então chamar declinação ao ângulo formado entre a direção da radiação e o plano do equador.
Fig. 9 Movimento Terra–Sol
19Manual de Instalação de Sistemas Solares Térmicos
3.3. Curvas de penalizaçãoAs curvas de penalização são ferramentas gráficas utilizadas em aplicações solares para detetar as penalizações energéticas
que os coletores solares irão ter quando se interfere com a inclinação dos mesmos. Estas curvas de penalização têm origem
no parâmetro da energia dividida pela energia para a inclinação ótima de acordo com um determinado período considera-
do (verão/inverno/anual).
Os coletores devem ser instalados de tal forma a que ao longo do período anual de utilização se aproveite a máxima
radiação solar. No caso de Portugal, de uma forma geral, devem-se orientar a Sul geográfico1, não coincidente com o Sul
magnético definido pela bússola. O Norte geográfico está cerca de 5° para a direita do Norte magnético em Portugal con-
tinental e 11° nos Açores.
As curvas de penalização devem ser usadas de forma adequada ao período de utilização.
Quando se efetua a instalação de um coletor solar é importante saber quais as opções existentes para a sua colocação,
no que se refere à inclinação e orientação.
O compromisso entre o impacto visual da instalação e o aproveitamento máximo da radiação solar é algo importante
de avaliar em cada situação.
É claro que o ideal será sempre obter as duas situações, mas muitas vezes vemo-nos confrontados com constrangimen-
tos que nos obrigam a optar por uma das duas situações em detrimento da outra.
Em qualquer situação, as soluções terão de ser explicadas ao utente de modo a ser ele a optar por uma delas.
De uma forma sucinta, desvios até 25° relativamente ao azimute Sul não afetarão gravemente o rendimento e a energia
térmica fornecida pelo equipamento.
Se o desvio for para Leste, o período diário de captação adiantar-se-á uma hora por cada 15° de desvio relativamente a
um equipamento orientado a Sul geográfico. Se o desvio for para Oeste, esse período de captação irá retardar-se na mesma
proporção que para Leste mas com um ligeiro acréscimo de rendimento, uma vez que irá funcionar mais tempo durante as
horas em que a temperatura do ambiente é mais elevada.
A tabela 5 dá uma orientação sobre as inclinações que normalmente se devem dar aos coletores solares, de acordo com
a época do ano e tipo de utilização:
Utilização Ângulo
Todo o ano (AQS) Latitude do local – 5°
Inverno (AQS e aquecimento) Latitude do local + 15°
Verão (Piscinas/hotelaria de temporada) Latitude do local – 15°
Tabela 5 Ângulo de Inclinações do coletor solar
Fig. 12 Curvas de penalização (Solstícios)
1 Podemos determinar o Sul geográfico através da direção de uma sombra projetada por uma vara às 12 horas solares.
Manual de Instalação de Sistemas Solares Térmicos24
Para outras latitudes, por exemplo 37°, deve-se mudar a escala da inclinação e somar 3°. Se a latitude for de 45°, então
será necessário subtrair 5°.
4. TIPOS DE SISTEMAS SOLARES TÉRMICOS
Para o aquecimento de água, no que diz respeito à captação de energia proveniente da radiação solar, existem dois sistemas
possíveis:
• Circulação Natural (termossifão);
• Circulação Forçada.
A opção de escolha entre estes dois tipos de sistemas solares térmicos dependerá da carga energética que se pretenda
cobrir, do tipo de hidráulica e das condicionantes do local destinado à instalação.
4.1. Sistema termossifão O sistema de circulação natural, denominado de termossifão,
é aplicado a instalações de dimensões mais reduzidas e na
produção de águas quentes sanitárias, pois é um sistema limi-
tativo em termos de produtividade solar, de capacidade de ar-
mazenamento de energia e de área de captação. De qualquer
forma, é um sistema com uma maior facilidade de instalação e
não depende de meios mecânicos (para a circulação de fluido)
ou controlos eletrónicos para o seu perfeito funcionamento.
Quando a radiação solar incide no coletor, verifica-se um
aumento da temperatura do fluido solar que percorre a tuba-
gem do circuito primário. Este, com o aumento da temperatura,
diminui a densidade, favorecendo o seu movimento, ou seja, a
circulação faz-se por convecção natural. Já que a densidade do
fluido diminui devido ao seu aquecimento, então este ascen-
derá do coletor para o depósito e o fluido mais frio descenderá para o coletor (ver figura 21). Este processo é contínuo desde
que exista uma diferença de temperatura entre o acumulador e o coletor, suficiente para criar movimento no fluido térmico.
Quando o fluido solar sobe e atinge o permutador do acumulador, transmite energia na forma de calor, aquecendo
a água que se encontra no interior do mesmo. Quanto maior for a radiação solar disponível, maior será o caudal de fluido
térmico e, se não houver radiação ou a temperatura no coletor não for superior à do depósito, não haverá circulação e, con-
sequentemente, não será aquecida a água do acumulador, havendo necessidade de prever um sistema de apoio. Na figura
21 está representado o princípio de funcionamento do sistema solar tipo termossifão.
Como já foi referido anteriormente, um sistema solar térmico, independentemente do tipo de instalação, deverá ter
obrigatoriamente um acumulador, para aprovisionar toda a energia da radiação solar que atinge o coletor a cada momento.
Seguidamente estão representadas duas ilustrações do acumulador do sistema termossifão.
Fig. 22 Ligações hidráulicas ao acumulador
Fig. 21 Circuito hidráulico termossifão
25Manual de Instalação de Sistemas Solares Térmicos
Fig. 23 Constituição do acumulador
Para se aproveitar ao máximo a eficiência do sistema, tal como representa-
do na figura 24, é importante garantir que as ligações do fluido solar no circuito
primário estejam cruzadas, ou seja, que o retorno do acumulador seja ligado
na parte inferior do coletor de um dos lados e a ida ao acumulador que saia do
coletor na parte superior do lado oposto.
Das quatro ligações disponíveis (para flexibilizar a instalação, dependendo
da sua geometria) aquelas que não forem utilizadas têm de ser tamponadas, de
modo a garantir a estanquidade do sistema.
4.2. Opções de instalação Mediante as características das diversas instalações, é necessário escolher e
adaptar as soluções existentes. É possível instalar este tipo de sistemas termos-
sifão em telhados inclinados e em telhados de cobertura plana. É necessário
que um instalador, antes de iniciar os seus trabalhos, aprofundado no capítulo
V, dê prioridade máxima ao planeamento e estudo da instalação, pois os acessó-
rios de montagem divergem dependendo do tipo de telhado. Representamos
seguidamente alguns exemplos dos dois tipos de instalação:
Fig. 25 Superfície plana, acumulador de 150 ou 200 L Fig. 26 Superfície plana, acumulador de 300 L
Fig. 24 Ligações do coletor ao acumulador
Manual de Instalação de Sistemas Solares Térmicos28
• Acumuladores de inércia (sem permutador interno);
• Acumuladores de dupla camisa;
• Acumuladores combi.
Nos sistemas de acumulação deve-se procurar as seguintes características:
• Elevada capacidade calorífica;
• Reduzidas perdas térmicas;
• Temperatura de utilização adaptada à necessidade energética;
• Rápida resposta ao consumo;
• Fácil integração no edifício;
• Elevada fiabilidade;
• Fácil manutenção.
Os acumuladores de maior volume são indicados para situações de maior consumo (grandes habitações, escolas, peque-
nas indústrias, edifícios públicos, balneários, instalações hoteleiras, etc.), com necessidade de abastecimento simultâneo de
água quente em vários pontos de consumo.
Os acumuladores de pequena e média dimensão são mais indicados para apartamentos e vivendas de média dimensão,
permitindo conforto e economia, fornecendo simultaneamente e de forma imediata água quente em vários pontos de consumo.
Nas soluções solares térmicas, a captação de energia solar nem sempre é igual ou superior ao consumo, devido às variações
existentes de disponibilidade de radiação solar. Logo não é possível fornecer em todas as situações energia suficiente para a
globalidade das necessidades, existindo sempre a necessidade de agregar à instalação uma fonte térmica de apoio. Este siste-
ma de apoio térmico poderá estar interligado com o depósito de duas formas distintas:
• No caso do depósito de uma serpentina, o caudal disponível é limitado, uma vez que a água pré-aquecida será enviada do
acumulador para o equipamento de apoio de águas quentes sanitárias instantâneas. Esta fonte térmica tem como função
incrementar a temperatura da água de consumo, caso o sistema solar não o consiga.
Fig. 33 Exemplo de sistema solar num depósito de uma serpentina com caldeira de águas diretas
29Manual de Instalação de Sistemas Solares Térmicos
• No caso de um depósito de dupla serpentina, o conforto térmico é superior, devido a uma maior disponibilidade de
água quente, uma vez que o equipamento de apoio aquece diretamente o acumulador, que atua quando a energia
fornecida pelo sistema solar não é suficiente para as necessidades de consumo. Nesta solução, as trocas energéticas
são todas efetuadas no interior do acumulador. Por esta razão, deverá instalar-se um relógio que impeça o funciona-
mento do aparelho de apoio, durante as horas de maior radiação solar.
Fig. 34 Exemplo de sistema solar num depósito de duas serpentinas e caldeira de acumulação
4.3.3. Circulação invertidaDurante o período noturno, em que se regista uma diminuição
de temperatura ambiente, o sentido da circulação do líquido solar
pode inverter-se, ou seja, a temperatura do coletor será inferior à
do depósito. Para evitar este fenómeno, é importante garantir a
instalação de uma válvula de retenção na ida do fluido solar quen-
te ao depósito. Estas válvulas já estão integradas na maioria dos
grupos hidráulicos.
4.3.4. EstratificaçãoEstratificação é o fenómeno de separação em camadas ou estra-
tos de qualquer formação natural ou artificial que se encontrava
em forma homogénea. No caso dos acumuladores, temos toda a
vantagem em conseguir aproveitar a estratificação para separar,
no interior de um acumulador, a água quente da água fria. Fig. 35 Exemplo de uma instalação com circulação invertida
Manual de Instalação de Sistemas Solares Térmicos36
5. FIXAÇÃO DOS COLETORES
5.1. Circulação natural – termossifãoNuma instalação de termossifão existem conjuntos de fixação para telhado inclinado ou para superfície plana.
A ilustração representada é para uma instalação de dois coletores.
Conjunto de instalação de base para sistema de 150/200 lConjunto de instalação de ampliação para sistema
de 300 l
Pos. N.º Designação Pos. N.º Designação
1 2x Fita do acumulador 1 1x Fita do acumulador
2 2x Perfil do acumulador 2 1x Perfil do acumulador
3 4x Tensor de coletor simples 4 2x Perfil TP/CT
4 2x Perfil TP/CT 5 1x Perfil do coletor
5 2x Perfil do coletor 7 2x Tensor de coletor duplo
6 2x Proteção contra deslizamento 6 2x Proteção contra deslizamento
8 10x Lingueta 8 5x Lingueta
10 2x Conetor de encaixe TSS 9 2x Conetor de encaixe
12 2x Parafuso M8 x 50 11 2x Ângulo de posição
2x Anilha 12 1x Parafuso sextaxado M8 X 50
4x Porca M8 1x Anilha
12x Parafuso de cabeça lenticular M8 x 20 2x Porca M8
6x Parafuso de cabeça lenticular M8 X 20
Fig. 50 Exemplo de uma estrutura e seus elementos de um termossifão para telhados planos
Para superfície plana existe outro tipo de estrutura onde os coletores ficarão fixos.
37Manual de Instalação de Sistemas Solares Térmicos
Fig. 51 Exemplo de uma estrutura de um termossifão para superfícies planas
5.2. Circulação forçadaNa circulação forçada em telhado inclinado, a estrutura é diferente do sistema termossifão, pois não sendo necessário fixar
o acumulador, tem apenas os perfis de encaixe para os coletores (fig. 52).
Item N.º Designação Item N.º Designação
1 2x Perfil 1 2x Perfil
3 4x Tensores de coletor unilaterais 2 2x Tensores de coletor bilaterais
7 2x Proteção contra deslizamento 7 2x Proteção contra deslizamento
8 4x Parafuso M8 6 2x Ligador de encaixe com pernos roscados
8 4x Parafuso M8
Ligação ao telhado com telhas, por coletor
4 4x Gancho para telhado, regulável
5 4x Porca móvel
Fig. 52 Exemplo de uma estrutura para sistemas forçados e seus elementos, para telhados inclinados
Manual de Instalação de Sistemas Solares Térmicos40
Fig. 58 Esquema solar com depósito de uma serpentina e apoio de caldeira mural por acumulação
Fig. 59 Esquema solar com duas aplicações: A.Q.S. e apoio ao aquecimento central por baixa temperatura
41Manual de Instalação de Sistemas Solares Térmicos
Fig. 60 Esquema solar com duas aplicações: A.Q.S. e apoio à piscina
Fig. 61 Esquema solar com três aplicações: A.Q.S, apoio ao aquecimento central e apoio à piscina