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INTRODUÇÃO AO DIMENSIONAMENTO, INSTALAÇÃO E CONTROLE DE SISTEMAS CENTRAIS DE AQUECIMENTO DE ÁGUA SANITÁRIA
BOMBAS DE CALOR, COLETORES SOLARES E
RECUPERAÇÃO DE CALOR DE CHILLERS
JELLY FISH INDÚSTRIAS TOSI – FILIAL NORDESTE
Eng. Artur H. Gonçalves
2011
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SUMÁRIO
1 OBJETIVO .......................................................................................................................... 4
2 INTRODUÇÃO ÀS CENTRAIS DE ÁGUA QUENTE .................................................................. 5
2.1 Seleção de fontes de aquecimento para sistemas híbridos ..................................... 5
2.1.1 Bombas de calor .................................................................................................... 7
2.1.2 Recuperação de calor de sistemas frigoríficos ...................................................... 10
2.1.3 Coletores solares planos ...................................................................................... 11
2.1.4 Reservatórios térmicos ........................................................................................ 13
3 DIMENSIONAMENTO DE PRODUÇÃO DE ÁGUA QUENTE ................................................. 15
3.1 Dados para dimensionamento ............................................................................. 15
3.2 Estudo da demanda ............................................................................................. 16
3.2.1 Parâmetros de demanda ...................................................................................... 17
3.3 Características típicas de consumo ....................................................................... 17
3.3.1 Norma ABNT NBR 15569:2008 ............................................................................. 18
3.3.2 Estudo acadêmico - Politécnica da USP, Marina Ilha (et al.) .................................. 19
3.3.3 Curvas de demanda ............................................................................................. 21
3.4 Cálculo da produção pelo consumo diário ............................................................ 22
3.5 Ajuste do dimensionamento de produção - curvas de demanda e de produção ... 23
3.6 Projeto RETScreen International .......................................................................... 24
4 AQUECIMENTO POR BOMBAS DE CALOR ........................................................................ 25
4.1 Especificações e parâmetros de operação ............................................................ 25
4.2 Dimensionamento de bombas de calor ................................................................ 26
4.3 Instalação de bombas de calor ............................................................................. 26
5 TÉCNICAS DE RECUPERAÇÃO DE SISTEMAS FRIGORÍFICOS ............................................... 33
5.1 Recuperação de calor da água de condensação de chillers por trocador de calor . 33
5.2 Recuperação de calor de água de condensação de chillers por condensador
dividido - dessuperaquecedor............................................................................................... 33
5.3 Ampliação de temperatura por bombas de calor água-água................................. 34
5.4 Condições operacionais e disponibilidade ............................................................ 36
6 AQUECIMENTO SOLAR .................................................................................................... 39
6.1 Dimensionamento de aquecimento solar ............................................................. 40
3
6.2 Instalação de coletores solares ............................................................................ 41
6.2.1 Associação de coletores solares ........................................................................... 45
6.2.2 Detalhes construtivos .......................................................................................... 48
7 DIMENSIONAMENTO DO ARMAZENAMENTO DE ÁGUA QUENTE..................................... 55
7.1 Cálculo do volume de armazenamento pelo consumo diário ................................ 55
7.2 Armazenamento – análise diferencial por curvas de demanda e produção........... 55
8 SISTEMAS HÍBRIDOS DE AQUECIMENTO .......................................................................... 59
8.1 Operação e controle ............................................................................................ 59
8.1.1 Sistemas de bombas de calor ............................................................................... 59
8.1.2 Sistemas com recuperadores de calor de chillers ................................................. 60
8.1.3 Operação de sistemas de coletores solares .......................................................... 60
8.1.4 Operação conjunta de sistemas e priorização da produção .................................. 61
8.2 Estudo de caso – Novotel Morumbi ..................................................................... 61
9 BIBLIOGRAFIA ................................................................................................................. 66
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1 OBJETIVO
O objetivo deste estudo é apresentar uma introdução ao dimensionamento, produção e reserva térmica para sistemas centrais coletivos de água quente predial, especificamente com utilização de bombas de calor, coletores solares e aproveitamento de calor de chillers, além de técnicas de instalação e controle de operação.
Não abordaremos aspectos da distribuição como vazão, velocidade, pressões, perdas de carga, equilíbrio hidráulico, isolamento e recirculação, ou mesmo as perdas térmicas em reservatórios ou linhas de alimentação.
Pela complexidade de alguns dos temas tratados, e sendo o objetivo deste estudo apresentar os vários aspectos envolvidos no aquecimento central de água de forma introdutória, muitos assuntos podem ser aprofundados e estudados detalhadamente na literatura disponível, bem como ser objeto de estudo complementar.
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2 INTRODUÇÃO ÀS CENTRAIS DE ÁGUA QUENTE Sistemas centrais de água quente sanitária são principalmente utilizados em hotéis, hospitais e em alguns condomínios residenciais, proporcionando a facilidade de um sistema único coletivo e permitindo uma melhor atuação sobre a eficiência energética na geração de água quente. Entretanto apresentam dificuldades de medição e tarifação individualizada em condomínios residenciais, o que gerou algumas soluções como o aquecimento indireto de reservatórios individuais, tema tratado no capítulo 6.
O aquecimento central pode ser obtido por sistemas simples ou híbridos, utilizando alguma composição de diversas fontes energéticas e equipamentos de aquecimento, como aquecedores a gás, bombas de calor, resistores elétricos, coletores solares, aproveitamento de calor rejeitado, etc., com menor ou maior eficiência energética. A Figura 1 mostra um esquema típico de utilização híbrida entre bombas de calor e coletores solares.
Figura 1. Diagrama esquemático de um sistema híbrido bombas de calor – coletores solares.
2.1 Seleção de fontes de aquecimento para sistemas híbridos
Existem diversas possibilidades de associação entre tipos de aquecedores para compor uma Central de Água Quente híbrida, basicamente as formas
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mais eficientes são aquecimento por bombas de calor, aproveitamento de calor de chillers e coletores solares planos.
Entre os fatores determinantes para esta seleção dos componentes estão os seguintes aspectos:
Utilização da forma de aquecimento mais eficiente disponível, priorizando seu uso e, portanto, chamada de fonte prioritária;
Uma das formas mais econômicas é o aquecimento solar, entretanto deve-se dispor de área suficiente para sua instalação bem como insolação;
A recuperação de calor de chillers é talvez a mais apropriada para uso econômico, estando disponíveis os equipamentos necessários ou existindo a possibilidade de instalação e adaptação;
Garantir a segurança operacional utilizando uma fonte confiável e com disponibilidade permanente, que passa a ser a fonte principal do sistema pela segurança que proporciona, mas não a fonte prioritária, por não ser a mais econômica. Como exemplo temos o aquecimento por bombas de calor, que suprem toda a produção na falta de condições operacionais e climáticas dos equipamentos prioritários;
Garantir a correta condição operacional destes componentes principais, para a produção em qualquer condição climática. Em bombas de calor instaladas em regiões que atinjam temperaturas próximas a 0 °C, pode ser necessária a adoção de soluções geotérmicas ou suas instalações em áreas de exaustão de ar aquecido, como saída de lavanderias por exemplo, para garantir sua operação e eficiência;
Avaliar as capacidades de investimento em sistemas mais complexos e eficientes, optando pelas taxas de payback mais adequadas. Sempre é possível a adoção de uma fonte mais segura que garanta a produção em um primeiro momento e a adaptação de melhorias agregando outros equipamentos mais eficientes posteriormente;
Em relação a aquecimento com coletores solares, qualquer fração da energia total necessária que possa ser suprida com energia solar é interessante, mesmo que não haja toda a área necessária disponível ou uqe as condições de insolação não sejam as idéias, entretanto o payback desta solução nestas condições pode ser desfavorável;
Elaboração de estudos de demanda e adoção de sistemas de controle para operação e priorização de produção de água quente, visando a máxima eficiência.
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Segue uma breve descrição dos principais componentes utilizados para produção e armazenamento de água quente em uma central de aquecimento
2.1.1 Bombas de calor
São equipamentos que tem o mesmo princípio de funcionamento do ar condicionado. No ar condicionado aproveitamos o “frio” e descartamos o “quente”.
Nas bombas de calor para aquecimento de água utilizamos o “quente” e descartamos o “frio”, podendo ainda aproveitar o frio rejeitado em alguma aplicação próxima, como resfriamento de uma lavanderia, por exemplo.
Conforme a Figura 2, a bomba de calor utiliza energia elétrica para acionar o compressor (Win), transformando o fluido refrigerante em vapor super aquecido (1-2) que passa pelo condensador (2-3), trocando calor e aquecendo a água (QH). Posteriormente passa por uma válvula de expansão (3-4), reduzindo a pressão e inicia a vaporização do fluido que recebe energia do ambiente (QL) no evaporador (4-1), permitindo o re-início do ciclo frigorífico.
Figura 2. Diagrama esquemático T-s para um ciclo ideal de refrigeração por compressão de vapor.
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A Figuras 3 apresenta as bombas de calor Jelly Fish BC120 HOT70 ar-água e água-água. Possui capacidade para produzir água até 70°C e entre suas vantagens estão o baixo custo de operação e a não emissão de gases de efeito estufa.
A bomba de calor ar-água troca calor em seu evaporador com o ar, tirando, portanto deste ar o calor a ser bombeado para a água em sua operação, havendo também a versão água-água que retira calor de uma fonte de água ao invés do ar.
Figura 3. Jelly Fish BC120 HOT70 ar-água.
A Figura 4 representa um corte de uma bomba de calor para aquecimento de piscina, com compressor, condensador e demais componentes em menor tamanho e capacidade que os da BC120 HOT70, entretanto exemplifica seus componentes principais. Na Figura 6 o condensador de uma da BC120 HOT70, detalhado na Figura 7.
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Figura 4. Bomba de calor em corte da Jelly Fish, para aquecimento da piscina.
Figura 5. Condensador da Jelly Fish BC120 HOT70 ar-água.
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Figura 6. Detalhe do condensador tube in tube Doble Wall.
2.1.2 Recuperação de calor de sistemas frigoríficos A operação de chillers, resfriadores de líquido, rejeita uma quantidade significativa de calor na condensação do ciclo frigorífico. Este calor é retirado por um circuito de água que segue para torres de resfriamento. O calor do edifício e do trabalho dos compressores é descartado desta forma. Recuperar este calor e utilizá-lo para aquecimento de água para consumo oferece uma grande economia, com um custo de instalação não tão alto, podendo inclusive ser a única fonte de aquecimento utilizada, quando os valores permitam.
Sua utilização, quando haja condições para tal, normalmente é mais vantajosa que a energia solar, pela maior disponibilidade de energia envolvida. Portanto normalmente recuperação de calor de chillers e energia solar não são utilizadas conjuntamente.
A recuperação de calor de sistemas frigoríficos pode ser utilizada sempre que houver necessidade de aquecimento simultaneamente a resfriamento, notadamente em hotelaria, hospitais e em alguns processos industriais.
Uma vantagem adicional é a redução da temperatura da água para as torres de resfriamento, reduzindo sua carga, água perdida com evaporação e tratamento químico proporcional.
Desta forma, num sistema híbrido de aquecimento de água onde esteja disponível esta recuperação, esta forma de aquecimento é a mais vantajosa.
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Mesmo as quantidades de energias envolvidas serem muito grandes, isto se dá com um grande fluxo de massa de água na condensação, e não com temperatura elevada, estando entre 30 °C e 35 °C. É necessário, portanto de algum dispositivo para elevação da temperatura. Esta água de condensação também não é potável, devendo haver troca de calor para a água a ser efetivamente consumida. O projeto de água quente também deve ser pensado de forma a, eventualmente, utilizar água quente para a mistura numa temperatura menor que 60 °C ou 50 °C.
Pode-se recuperar este calor de algumas formas como Recuperação de calor da água de condensação de chillers por trocador de calor, em chillers com desuperaquecedores ou com ampliação de temperatura da água de condensação em troca por bombas de calor água-água.
As técnicas envolvidas são tratadas no capítulo 5.
2.1.3 Coletores solares planos
Sistemas de coletores solares estão entre as formas mais econômicas de geração de água quente, mas demandam um sistema principal que garanta a produção na ausência de sol ou complemente este, provendo a segurança operacional. Este sistema não é considerado como sendo de “apoio” ao solar, justamente por ser o sistema principal e de produção garantida. Definimos o sistema de aquecimento solar com o sistema de economia, mas obviamente o prioritário no controle da geração. A Figura 7 demonstra os componentes básicos de um coletor solar plano.
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Figura 7. Componentes de um coletor solar plano.
Na Figura 8 o coletor solar Jelly Fish JF-10 de 1 m² de área com seu selo INMETRO PROCEL de categoria A de desempenho. A Figura 9 exibe um corte construtivo deste coletor. Cabe ressaltar a grande resistência mecânica conseguida com a base de poliuretano expandido sob pressão, característica de toda a linha de coletores solares Jelly Fish.
A Jelly Fish produz coletores até 2 m² de área, todos classificados como categoria A do INMETRO.
Figura 8. Coletor solar Jelly Fish de 1 m².
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Figura 9. Detalhe construtivo em corte de um coletor solar Jelly Fish. Grande ressitêcia mecânica e eficiência.
2.1.4 Reservatórios térmicos
O armazenamento de energia dos sistemas de aquecimento é realizado pelos reservatórios térmicos.
O seu dimensionamento deve ser adequado em tipo e volume de armazenamento, impactando diretamente no custo, eficiência e confiabilidade do sistema.
A capacidade de reserva térmica atenua e equilibra as curvas de demanda e produção, podendo reservar energia produzida por sistemas de coletores solares durante períodos de insolação ou mesmo permitir que equipamentos elétricos, como as bombas de calor, não operem durante o horário de ponta do Sistema Elétrico Brasileiro, evitando tarifas mais caras.
Outra função desta capacidade de reserva é evitarmos a instalação de equipamentos mais potentes ou em maior número, podendo reduzir a potência total instalada. Estes equipamentos com uma potência menor operam aquecendo água durante os períodos de baixo consumo e permitindo seu armazenamento para os períodos de cargas e picos súbitos de demanda.
A forma e volume armazenados variam conforme as características da produção e consumo
Por ser um componente central do sistema e permitir acumulação e troca de energia, a circulação por motobombas para aquecimento em bombas de calor, coletores solares e trocadores de calor de chillers se dá através dos reservatórios, succionando água em temperatura inferior da sua parte mais baixa e retornando em conexões na parte superior. Também a
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operação do anel de circulação pelo edifício retorna para o mesmo.
A principal forma de operação de centrais de água quente se dá por reservatórios pressurizados, garantindo o atendimento com pressão suficiente nos andares superiores.
A Jelly Fish produz reservatórios térmicos em aço inox 304 e 316L, para até 40 m.c.a de pressão, como o da Figura 10. O sistema de isolamento térmico adotado, com poliuretano expandido com maior espessura na parte superior, onde residem as maiores perdas, proporciona umas maior eficiência.
Figura 10. Reservatório térmic horizontal Jelly Fish.
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3 DIMENSIONAMENTO DE PRODUÇÃO DE ÁGUA QUENTE
O dimensionamento baseia-se na estimativa das demandas impostas ao sistema e determinação dos componentes necessários para suprir estas exigências com eficiência e segurança, atendendo às normas e padrões técnicos existentes.
Para a distribuição pelo edifício da água quente gerada é necessária a análise de aspectos de simultaneidade de uso. Existem diversas teorias e métodos probabilísticos e empíricos para determinação deste parâmetro, que decorre de aspectos estatísticos. O método empírico da Raiz Quadrada é bastante utilizado.
O estudo das pressões envolvidas, perdas de carga e velocidades para a determinação das vazões e dimensionamento das tubulações, concorrem também para um bom desempenho do sistema e o equilíbrio hidráulico entre a água fria e quente nos pontos de mistura. Outros itens de grande importância são a correta seleção dos materiais adotados como cobre, CPVC, PPR, etc., e as técnicas de isolamento adotadas.
3.1 Dados para dimensionamento
Para o processo de dimensionamento do sistema é necessário conhecer o perfil de consumo e características climáticas e ambientais, além das condições de instalação do sistema. Para tanto faz-se uma avaliação e coleta de dados para subsidiar os estudos. Entre os principais dados necessários estão os seguintes:
Coleta de dados ambientais:
Temperatura ambiente média;
Temperatura ambiente mínima;
Temperatura da água.
Cálculo da energia solar incidente:
Radiação solar média anual no plano dos coletores;
Área disponível para coletores;
Estudo de sombreamento;
Eficiência dos coletores inicialmente selecionados.
Para o cálculo da demanda e perfil da demanda são necessárias alguns dados e definições:
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Método de estimativa, tabelas e vazões;
Curvas horárias típicas de demanda;
Volume / vazão de água morna diário;
Temperatura da água de armazenamento;
Temperatura da água fria no inverno;
Temperatura da água de mistura;
Vazão de duchas.
Cálculo de armazenamento solar:
Cálculo de fração solar - F-Chart;
Dimensionamento por curvas de demanda e produção.
Outros cálculos são necessários para realização do projeto conceitual e executivo:
Cálculos hidráulicos de bombeamentos e seleção de motobombas;
Desenho de estruturas de fixação e suporte.
Estes cálculos e aspectos são tratados no decorrer deste estudo.
3.2 Estudo da demanda
Os métodos de dimensionamento para produção de água quente constantes das normas técnicas não incorporam conceitos e procedimentos modernos baseados em perfil de consumo, levando muitas vezes a super dimensionamento dos equipamentos ou mesmo não permitindo adequar a produção e armazenamento aos picos de consumo. A utilização de estudos e técnicas mais elaboradas permite obter economia no investimento e operação, bem como maior segurança no fornecimento.
Para a estimativa do consumo total diário em litros de água quente, existem tabelas de consumo típico apresentadas pelas normas e métodos de cálculo de demanda. Estas tabelas apresentam dados por tipo de edificação e perfil de utilização de cada de ponto de consumo, entretanto deve-se atentar às características próprias do edifício a ser dimensionado, bem como fatores sócio culturais e econômicos, buscando adaptar os dados utilizados ao perfil de utilização real.
Para calcular o volume diário de consumo de água quente utiliza-se a somatória de todos os consumos de água quente, conforme as tabelas de cada método, medições realizadas ou dados históricos de edifícios similares.
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3.2.1 Parâmetros de demanda
Para dimensionamento da potência total dos aquecedores para atender a produção da energia diária necessária, necessita-se estabelecer alguns parâmetro, como:
- vazão em massa necessária de água quente (kg/dia ou l/dia);
- variação de temperatura entre a entrada de água fria e a temperatura desejada para a água quente (°C).
A solicitação do sistema de produção de água quente se dá pelo perfil de consumo através da vazão de suprimento requerida e pelo volume de armazenamento exigido. Por outro lado tem-se a capacidade de produção e recuperação do sistema, bem como o volume armazenado disponível, que é melhor calculado comparando as curvas de demanda e produção.
Onde: CR é a vazão de suprimento ou capacidade de recuperação.
3.3 Características típicas de consumo
Obtida a vazão total diária do sistema de água quente, deve-se dimensionar modelo e quantidade dos aquecedores baseado em uma operação não contínua, operando até 12 horas por dia, por exemplo, aumentando assim sua vida útil e garantindo a segurança operacional:
Onde:
é a a potência máxima (kcal/h); é a vazão em massa (kg/h ou l/h); é o calor específico da água = 1 (kcal/kg.°C); é a variação de temperatura entre a entrada de água fria e a temperatura desejada para a água quente (°C).
Seguem alguns métodos de dimensionamento, como o constante da norma NBR 15569-2008, e outros derivados de estudos realizados por universidades e órgãos governamentais.
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3.3.1 Norma ABNT NBR 15569:2008
A norma ABNT NBR 15569-2008 estabelece com a Tabela 1 os consumos estimado de água quente por peça e freqüência de uso:
Tabela 1. Consumo por ponto. ABNT NBR 15569-2008.
Peças Consumo
mínimo
Consumo
máximo
Ciclo diário
min/pessoa
Temp. consumo
(°C)
Ducha de banho
6,6 l/min 15 l/min 10 39-40
Lavatório 3,0 l/min 4,8 l/min 02 39-40
Ducha higiênica
3,0 l/min 4,8 l/min 02 39-40
Banheira 80 l 440 l Banho 39-40
Pia cozinha 2,4 l/min 7,2 l/min 3 39-40
Lava louças (12pessoas)
20 l 20 l Ciclo de lavagem
39-50
Máquina de lavar
roupas 90 l 200 l
Ciclo de lavagem
39-40
A seguinte equação é utilizada, produzindo a somatória dos consumos:
Onde:
é o volume total de água quente consumida diariamente (m³);
é a vazão da peça de utilização (m³/s);
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é o tempo médio de uso diário da peça (s);
Freqüência de uso é o número total de utilização da peça por dia.
O volume de armazenamento é dado por:
Onde:
é o volume total de água quente consumida diariamente (m³);
é o volume de armazenamento (m³);
é a temperatura de consumo, sugere-se 40 °C;
é a temperatura de armazenamento de água, maior que a de consumo (°C);
é a temperatura ambiente média anual (°C).
Calculando-se a demanda diária de energia:
Onde:
é a energia útil, expressa (kWh/dia);
é o volume de armazenamento (m³), sugere-se ≥ 75% do consumo;
é a massa específica da água (1000 kg/m³);
é o calor específico da água (4,18 kJ/kg);
é a temperatura de armazenamento de água, maior que a de consumo (°C);
é a temperatura ambiente média anual (°C).
3.3.2 Estudo acadêmico - Politécnica da USP, Marina Ilha (et al.)
Não estando disponíveis muitos dados a respeito do padrão de consumo de água quente para edificações brasileiras, utiliza
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alguns dados obtidos de protótipo para estimar o consumo diário individual.
Onde:
CD é o consumo diário de água quente total (l/dia);
CAQ é o consumo diário de água quente “per capita” (l/dia);
P é a população do edifício (pessoas).
Na Tabela 2 alguns valores diários de consumo de água quente:
Tabela 2. Consumo individual diário de água quente por tipo de edificação.
Edificação Consumo individual diário (l/dia)
Apartamento 60
Hospital 125
Hotel (sem cozinha e lavanderia) 36
Residência 45
Efetua-se a somatória dos consumos, podendo assim dimensionar os geradores de água quente e determinar o volume a ser armazenado a partir da Primeira Lei da Termodinâmica, ou seja:
Considerando regime permanente, temos:
Onde:
tAQ é a temperatura da água quente no aquecedor, por exemplo 70ºC);
é o volume / vazão de água quente - consumo diário a 70ºC
(incógnita);
tAF é a temperatura da água fria no inverno, por exemplo 15ºC;
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VAF é o volume / vazão de água fria;
tmist é a temperatura da água de mistura (morna), tipicamente 42ºC;
Vmist é o volume / vazão de água morna utilizada (consumo diário calculado).
Como , substituindo temos o volume a ser
armazenado de água quente :
Da mesma forma para a vazão:
Onde:
qAQ é a vazão de água quente (l/s);
qmist é a vazão de água de mistura (morna) (l/s);
tmist é a temperatura da água de mistura (morna) (°C).
tAQ é a temperatura da água quente (°C);
tAF é a temperatura da água fria (°C);
3.3.3 Curvas de demanda
A demanda de energia necessária é calculada para um dia crítico onde a temperatura ambiente é mínima e a utilização ou ocupação máxima. Dessa forma o sistema será robusto o suficiente para que não haja falta de água quente. O Gráfico 1 apresenta a curva de consumo de água quente de um hotel durante os dias da semana e no Gráfico 2 a curva de demanda típica de um hospital. A demanda depende da vazão e da intensidade do uso.
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Gráfico 1. Perfil horádio de demanda pelos dias da semana em - hotel em São Paulo.
Gráfico 2. Perfil horádio de demanda típico de um hospital.
3.4 Cálculo da produção pelo consumo diário
Nos métodos analisados, o volume a ser produzido bem como sua vazão necessária, são calculados com base em tabelas de consumo diário previsto, conforme resumido abaixo:
0
20.000
40.000
60.000
80.000
100.000
120.000
0 5 10 15 20 25
kcal
hora do dia
Demanda semanaordem - maior pico
Quinta
Sexta
Quarta
Domingo
Terça
Segunda
Sábado
0,00
50.000,00
100.000,00
150.000,00
200.000,00
0 4 8 12 16 20 24
Curva de Demanda
Curva de Demanda
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Onde:
é o volume total de água quente consumida diariamente (m³);
é a energia útil, expressa (kWh/dia);
Mesmo não sendo o método mais detalhado e preciso de avaliação da demanda, pode-se iniciar o dimensionamento obtendo estes valores por tabelas típicas de consumo, somatórias e cálculos de energia total, o que dá uma referência inicial para apoiar e certificar outros estudos.
3.5 Ajuste do dimensionamento de produção - curvas de demanda e de produção
Nos cálculos básicos de dimensionamento da demanda e equipamentos necessários, não conseguimos visualizar a distribuição da operação do sistema no tempo, produzindo somente valores totais diários.
É fundamental, após estes cálculos de totalização, preparar uma planilha para a análise da distribuição horária desta demanda e produção. Utiliza-se as condições para o dia mais desfavorável em termos climáticos.
Nesta planilha consegue-se acompanhar hora a hora o atendimento da demanda, podendo verificar as horas necessárias de operação, momentos de pico de demanda onde os aquecedores não tenham capacidade e velocidade de recuperação, podendo certificar a quantidade de equipamento necessária e confirmar a reserva térmica necessária para suplantar estes picos de demanda.
Este método dá a oportunidade de simular a parada de um ou mais equipamentos com a redução da quantidade ou potência máxima de produção, permitindo verificar a segurança operacional em um momento de contingência.
Uma análise deste método com o foco na determinação da reserva térmica encontra-se no item 7.2.
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3.6 Projeto RETScreen International
O software RETScreen de análise de projetos de energia limpa é uma ferramenta única de suporte à decisão, desenvolvida com a contribuição de diversos especialistas do governo, indústria e universidade. O software, fornecido sem custos, pode ser usado universalmente para avaliar a produção e economia de energia, os custos durante o tempo de vida, a redução das emissões, análise financeira e de risco para vários tipos de tecnologias eficientes ou renováveis. Este software também inclui banco de dados de produtos, custos e clima; e manual de usuário detalhado.
Este software muito interessante, completo e útil, permite o dimensionamento de diversos sistemas térmicos, inclusive bombas de calor e sistemas de coletores solares, podendo ser objeto de treinamento específico.
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4 AQUECIMENTO POR BOMBAS DE CALOR
As bombas de calor Jelly Fish BC120 HOT70 foram desenvolvidas especialmente para produção de água quente sanitária em até 70 °C, sendo indicadas ao uso profissional e industrial, com um bom portfólio de instalações, todas operando com grande eficiência energética.
4.1 Especificações e parâmetros de operação
No Gráfico 3 estão as curvas de produção e eficiência da Jelly Fish BC120 HOT70 ar-água, em relação à temperatura do ar.
Nas Tabelas 3 e 4 os parâmetros de utilização e características técnicas.
Gráfico 3. Produção e eficiência de uma bomba de calor Jelly Fish BC120 HOT70.
Tabela 3. Produção de água quente. Bomba de calor Jelly Fish BC120 HOT70.
Temp. ar (°C) 14 18 22 27
Temp. água (°C) 60 65 70 60 65 70 60 65 70 60 65 70
Produção BC120 HOT70 (litros/h)
486 425 378 529 463 411 543 475 422 594 520 462
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Tabela 4. Especificações técnicas. Bomba de calor Jelly Fish BC120 HOT70.
Características Unidades BC120 HOT70
Capacidade nominal Kcal 21622
Potência compressor kw 24,9
COP 3,00
Perda de carga a 4,6 m³/h m.c.a 6,33
Vazão máx. água quente m³/h 5
Vazão mín. água quente m³/h 3
4.2 Dimensionamento de bombas de calor
O critério de projeto mais importante a ser observado é a garantia da vazão correta pelas bombas de calor, com valor máximo de 5 m³/h e valor mínimo de 3 m³/h. Variando este parâmetro varia-se o ganho de temperatura conseguido em uma única passada, ou seja, com uma vazão menor, aumenta-se a diferença de temperatura e vice-versa. Entretanto com a diminuição excessiva da vazão as condições de operação se alteram elevando a pressão, o que pode vir a desligar a bomba de calor por segurança e com o uso contínuo pode comprometer o compressor.
As máquinas devem ser ligadas em paralelo e para garantia desta vazão em todas elas, é necessário cálculos de perda de carga nos circuito e a especificação correta de motobombas apropriadas é fundamental.
4.3 Instalação de bombas de calor
A interligação de um conjunto de bombas de calor deve ser em paralelo, e com hidráulica com retorno invertido, onde a primeira a ser alimentada será a última a ser recolhida, com o objetivo de manter o equilíbrio e não favorecer desequilibrar a produção.
Nas Figuras de 11 a 15 estão formas de instalação obedecendo este princípio, diferindo somente em número, layout de alocação física e suporte das tubulações.
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Figura 11. Detalhe de instalação hidráulica de bombas de calor.
Figura 12. Detalhe de instalação hidráulica de bombas de calor.
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Figura 13. Arranjo de 2 bombas de calor.
Figura 14. Arranjo com 12 bombas de calor.
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Figura 15. Arranjo face a face com bomebeamento independente por fila.
Nas Figuras 17 e 18, detalhes de componentes de interligação hidráulica entre bombas de calor e circuito de alimentação e retorno, especificadas nas Tabelas 5 e 6.
Figura 16. Projeção 3D com a sucção dos reservatórios para bombeamento para as bombas de calor.
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Figura 17. Detalhe de conexões hidráulicas em bombas de calor.
Tabela 5. Elementos de desenho da Figura 17.
31
Figura 18. Detalhe de conexões hidráulicas em bombas de calor.
Tabela 6. Elementos de desenho da Figura 18.
Nas Figuras 16, 19 e 20, exemplos de conexão em pontos de sucção e retorno de reservatórios térmicos para circulação por bombas de calor.
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Figura 19. Projeção 3D com detalhe da saída dos reservatórios em paralelo para as bombas de calor.
Figura 20. Projeção 3D com detalhe de retorno aos reservatórios das bombas de calor e saída para consumo.
33
5 TÉCNICAS DE RECUPERAÇÃO DE SISTEMAS FRIGORÍFICOS
A recuperação de calor de sistemas frigoríficos pode ser utilizada sempre que houver disponível sistema de aquecimento que opere próximo e simultaneamente a sistemas de resfriamento.
Para se obter este acréscimo podem ser utilizados algumas técnicas e equipamentos descritos a seguir.
5.1 Recuperação de calor da água de condensação de chillers por trocador de calor Uma das formas de recuperação de calor de água de condensação de chillers é passar esta água por trocadores de calor de placa, por exemplo. A Figura 21 mostra este uso, que consegue somente pré-aquecer para uma posterior elevação de temperatura por outro meio de aquecimento.
Figura 21. Recuperação de calor por trocador.
5.2 Recuperação de calor de água de condensação de chillers por condensador dividido - dessuperaquecedor
A Figura 22 mostra um condensador dividido, que não requer um trocador de calor. É a fora mais efetiva de utilização desta forma de energia, por já obter água em temperatura superior, dependendo do projeto.
34
É recomendada a utilização de 10% do calor disponível na condensação no dessuperaquecedor, produzindo até 30240 kcal;h por cada 100 TR produzidas nos chillers instalados.
Variando-se a vazão da água sanitária passada pelo dessuperaquecedor, altera-se o ganho de temperatura em uma única passagem, sendo necessário o apoio do fabricante para adequação aos limites de cada modelo.
Da mesma forma como a operação com bombas de calor, a água é circulada pelo dessuperaquecedor por ação de motobombas, circulando com o reservatório.
Figura 22. Chiller com condensador dividido – dessuperaquecedor.
5.3 Ampliação de temperatura por bombas de calor água-água
A utilização de bombas de calor água-água é bastante conveniente para recuperar a baixa temperatura da água de condensação, substituindo com vantagens o uso de trocadores de calor, e já permitindo a produção de água na temperatura correta de 60 °C ou 70 °C, diretamente ao reservatório, dispensando outra forma de aquecimento, conforme Figura 23.
O desempenho conhecido de bombas de calor é melhorado neste caso em relação às bombas de calor ar-água, pois operam com uma fonte em temperatura mais alta, melhorando o seu COP (Coeficiente of Performance).
35
Figura 23. Aplicação de bombas de calor.
A Figura 24 apresenta a bomba de calor Jelly Fish BC120 HOT70 água-água que troca calor em seu evaporador com a água de condensação, aquecendo a água de consumo com troca no condensador do seu circuito frigorífico, como na instalação do Hospital Sírio Libanês de São Paulo da Figura X, onde uma pequena parcela da água de condensação dos chillers a uma temperatura de 30 °C passam por um circuito primário das bombas de calor, propiciando uma eficiência superior ao que teriam equipamentos similares, porém na versão ar-água.
36
Figura 24. Conjunto de bombas de calor Jelly Fish BC120 HOT70 água-água. Hospital Sírio Libanês.
5.4 Condições operacionais e disponibilidade
Por se tratar de um sistema que dá preferência a produção de frio, sendo o calor o rejeito do processo, o perfil de cargas parciais dos chillers são contrárias à demanda por água quente. Ao atingir o resfriamento necessário reduz-se a sua carga, levando a conseqüente diminuição da produção de água quente. Estes aspectos devem ser avaliados no momento do cálculo do aquecimento disponível por este sistema.
Existem alguns equipamentos sendo introduzidos, porém ainda não disponíveis no Brasil, que produzem água gelada com aproveitamento de calor, mas que dão prioridade a produção do calor necessário, podendo atingir o resfriamento que mesmo assim continua operando, como uma bomba de calor.
Como exemplo e demonstração de um caso real, no Gráfico 4 a curva de temperatura e consumo de energia de um hotel do litoral de São Paulo em um dia do mês de abril de 2011 e o Gráfico 5 a produção média mensal pelo ano.
37
Gráfico 4. Consumo monitorado de chillers e temperatura ambiente - Santos - SP em
12 e 13/04/2011.
Gráfico 5. Produção mensal média em TR.
Na tabela XX o perfil completo de cargas parciais de operação dos chillers. Observa-se que no mês de julho houve uma produção diária média de 306 TR, sendo que se houvesse aproveitamento de 10% deste calor
0,0
5,0
10,0
15,0
20,0
25,0
30,0
35,0
40,0
45,0
6:0
0
6:3
0
7:0
0
7:3
0
8:0
0
8:3
0
9:0
0
9:3
0
10
:00
10
:30
11
:00
11
:30
12
:00
12
:30
13
:00
13
:30
14
:00
14
:30
15
:00
15
:30
16
:00
16
:30
17
:00
17
:30
18
:00
18
:30
19
:00
19
:30
20
:00
Temp. ar (°C) Consumo monit. (kW/10)
-
100
200
300
400
500
600
700
800
Produção média mensal (TR)
38
poderíamos ter aproveitado 92500 Kcal/h, próximo de 20% da sua demanda de água quente, mas, sem dúvida, uma economia importante.
Tabela 7. Perfil de operação dos chillers em cargas parciais pelo tempo.
Hora/Mês Janeiro Fevereiro Março Abril Maio Junho Julho Agosto Setembro Outubro Novembro Dezembro
00:00 75% 75% 75% 25% 25% 25% 25% 25% 50% 50% 75% 75%
01:00 75% 75% 50% 25% 25% 25% 25% 25% 25% 50% 50% 75%
02:00 50% 50% 25% 25% 25% 20% 20% 25% 25% 25% 25% 50%
03:00 25% 25% 25% 20% 20% 15% 20% 20% 25% 25% 25% 25%
04:00 25% 25% 20% 20% 20% 10% 15% 15% 20% 25% 25% 25%
05:00 25% 25% 25% 20% 10% 10% 10% 10% 20% 25% 25% 25%
06:00 50% 50% 25% 25% 20% 10% 15% 15% 25% 50% 50% 50%
07:00 35% 75% 50% 25% 25% 15% 20% 20% 50% 50% 50% 50%
08:00 75% 75% 75% 50% 25% 25% 20% 20% 50% 50% 75% 65%
09:00 85% 75% 75% 75% 50% 25% 25% 25% 50% 75% 75% 75%
10:00 85% 85% 75% 75% 75% 25% 25% 50% 75% 75% 80% 80%
11:00 85% 85% 85% 75% 75% 50% 50% 50% 75% 75% 85% 85%
12:00 90% 90% 85% 85% 75% 50% 50% 75% 75% 85% 85% 90%
13:00 90% 90% 90% 85% 75% 50% 50% 75% 85% 85% 90% 90%
14:00 100% 90% 90% 90% 85% 50% 75% 75% 85% 90% 90% 100%
15:00 100% 100% 90% 90% 85% 75% 75% 85% 85% 100% 100% 100%
16:00 100% 100% 100% 90% 85% 75% 75% 75% 85% 90% 100% 100%
17:00 100% 90% 90% 90% 75% 50% 50% 75% 85% 85% 90% 100%
18:00 90% 90% 85% 85% 75% 50% 25% 75% 80% 85% 85% 90%
19:00 85% 85% 85% 75% 75% 50% 25% 75% 75% 80% 85% 85%
20:00 85% 85% 75% 75% 75% 25% 25% 50% 75% 75% 80% 80%
21:00 75% 75% 75% 75% 50% 25% 25% 25% 50% 75% 75% 75%
22:00 75% 75% 75% 75% 25% 25% 25% 25% 50% 50% 75% 75%
23:00 75% 75% 75% 50% 25% 25% 25% 25% 50% 50% 75% 75%
Operação/dia (h) 17,55 17,65 16,2 14,25 12 8,05 7,95 10,35 13,7 15,25 16,7 17,4
Dias no mês 31 28 31 30 31 30 31 31 30 31 30 31
Operação/mês (h) 544,05 494,20 502,20 427,50 372,00 241,50 246,45 320,85 411,00 472,75 501,00 539,40
Total horas mês (h) 744 672 744 720 744 720 744 744 720 744 720 744
% carga mês 73% 74% 68% 59% 50% 34% 33% 43% 57% 64% 70% 73%
TR instaladas 925 925 925 925 925 925 925 925 925 925 925 925
Produção média mensal (TR) 676 680 624 549 463 310 306 399 528 588 644 671
Produção média anual (TR) 537
% carga médio anual 58,0%
39
6 AQUECIMENTO SOLAR
O aquecimento solar tratado neste estudo mostra um arranjo de coletores solares recebendo a radiação solar e produzindo aquecimento de água que circula de forma forçada pro estes coletores para, posteriormente, ser armazenada em reservatórios térmicos, conforme apresentado no diagrama esquemático da Figura 25. Neste cado o sistema é de circulação direta da água a ser utilizada pelos coletores.
Na Figura 26 a circulação se dá de modo indireto, onde um fluido circula pelos coletores e posteriormente troca calor, aquecendo a água dos reservatórios que será efetivamente consumida. Este tipo indireto de aquecimento pode utilizar misturas aquosas de glicol, para operar com troca térmica com a água sanitária, diretamente na central de água quente, evitando congelamento em coletores solares, ou circulando pelo edifício e fazendo a transferência térmica por meio de trocadores de calor em cada unidade habitacional, que disponha de um pequeno reservatório preparado para isto e que disponha de uma fonte complementar de energia, como o caso do produto Hot Acoplado da Jelly Fish, que dispõe de uma bomba de calor em seu interior e pode ser instalada em apartamentos.
Nestes casos de aquecimento indireto, a vantagem de se utilizar soluções de glicol é sua durabilidade em relação à água em circuito fechado.
Figura 25: Sistema de circulação direta com o reservatório.
40
Figura 26. Ssitema de circulação indireta
6.1 Dimensionamento de aquecimento solar
Para o dimensionamento de um sistema de coletores solar vários fatores devem ser considerados, como a insolação, radiação solar média do local de instalação, a temperatura ambiente e de entrada da água, a orientação dos painéis, estudo de sombreamento, etc. além das condições de demanda e consumo já apresentadas.
No dimensionamento de coletores solares calcula-se a área ideal para determinada condição de consumo, mas nem sempre é possível fisicamente ou viável economicamente, a instalação do sistema todo, entretanto mesmo a produção parcial de água quente pela energia solar é vantajosa ao conjunto.
Esta produção parcial, ou fração solar, que é a fração que o aquecimento solar representa de todo o aquecimento necessário, não pode ser considerada como produção firme, justamente por depender de condições climáticas. Sempre é necessário dispor de outro sistema de aquecimento complementar, mas que se considera como principal pela segurança que proporciona.
O cálculo da área de coletores é definido a partir da energia total calculada pelo consumo previsto, , sendo :
41
Onde:
é a área de coletores total necessária (m²);
é energia total calculada pelo consumo previsto (kcal)
é o índice de radiação solar no local de instalação (kcal/m².dia), obtido por exemplo no Atlas Solarimétrico do Brasil – 2002 ou Atlas de Irradiação solar do Brasil – 1998.
é a eficiência do coletor a ser utilizado.
No “Manual de Capacitação em Projetos de Sistemas de Aquecimento Solar – ABRAVA” encontra-se maiores informações, como determinação da fração solar, etc. Da mesma forma o estudo do método proposto pelo F-chart é bastante útil para o desenvolvimento de projetos mais detalhados.
6.2 Instalação de coletores solares
Entre os vários aspectos para a instalação de baterias de coletores solares estão a correta orientação,espaçamento, suportes e interconexões, garantindo a boa operação e durabilidade dos sistemas.
A correta orientação na instalação de coletores solares é fundamental para o desempenho do sistema. Por ter instalação em suporte fixo, deve-se buscar a melhor orientação média para obter o melhor rendimento por todo o ano.
Nas Figuras 27 e 28 as condições de órbita e declividade da Terra em relação ao sol que varia conforme a latitude de instalação dos sistema.
42
Figura 27. Movimento anual da Terra em torno do Sol.
Figura 28. Variação da declividade solar.
43
Ao definir um modelo de suporte que se adéqüe aos coletores e à área disponível para instalação, deve-se atentar para os seguintes aspectos:
Verificar se a estrutura do local onde serão instalados suportará o peso total do conjunto (suportes metálicos, coletores solares e acessórios hidráulicos);
O suporte deverá resistir às cargas de vento da localidade onde ele será instalado;
Fixados os valores de orientação e inclinação dos coletores solares, é importante verificar qual a distância mínima entre as baterias de coletores para evitar ou minimizar o sombreamento que poderá ocorrer entre as mesmas ou em razão de outros obstáculos como construções vizinhas, arvores e etc. O valor da distância horizontal entre uma fila de coletores ou algum obstáculo de altura h poderá ser determinado, de forma simplificada através da seguinte equação:
Onde:
d é a distância entre as baterias;
h é a altura do coletor instalado;
k é a constante a partir da latitude de instalação, conforme a seguinte Tabela 7:
Tabela 8. Fator k para cálculo de distanciamento de baterias de colerores solares.
Latitude 5° 0° -5° -10° -15° -20° -25° -30° -35°
k 0,541 0,433 0,541 0,659 0,793 0,946 1,126 1,347 1,625
Figura 29. Espaçamento de baterias de coletorers solares.
44
A Tabela 8 e Figura 29 mostram a relação de espaçamento entre coletores para que não haja sombreamento, conforme a latitude local.
O ângulo de inclinação β da bateria de coletores, de forma prática é conseguido somando 10 ° à latitude, conforme Figura 29.
Figura 30. Inclinação de baterias de coletores solares.
β
A orientação dos coletores para o hemisfério sul deve obedecer ao norte geográfico, normalmente 20° à direita da indicação da bússola (norte magnético). Este desvio é conhecido como desvio azimutal.
Figura 31. Desvio de azimute em instalação de baterias de coletores solares.
Obviamente nem sempre as condições de instalação são perfeitas em toda edificação, mas deve-se procurar o menor desvio possível, pois compromete a eficiência da captação solar, conforme demonstra o Gráfico 6.
45
Gráfico 6. Produção de energia pelo ano, para cada desvio de azimute.
6.2.1 Associação de coletores solares
A eficiência de uma série de coletores esta diretamente ligada à forma como eles são associados. A associação entre baterias e um dos passos mais importantes de uma instalação de aquecimento solar, pois a ela esta relacionada à temperatura que se pretende atingir, a vazão de operação do sistema e conseqüentemente o dimensionamento das tubulações e demais acessórios. Na Figura 32 uma instalação de baterias de coletores solares.
46
Figura 32. Instalação de baterias de coletores solares em hotel.
As associações entre as baterias de coletores podem ser em série, em paralelo ou série-paralelo (mista), sendo a terceira a mais utilizada por permitir maior numero de configurações.
a) Associação em Paralelo
Na associação em paralelo, o acréscimo de temperatura proporcionado ao fluido circulante é o mesmo, motivo pelo qual, a temperatura de saída do fluido das baterias é a mesma. É recomendado até 5 ou 6 coletores por bateria, Figura 33.
Figura 33. Associação série de coletore solares.
b) Associação em Série
47
Na interligação em série, a temperatura do fluido de entrada de uma bateria é igual à temperatura do fluido de saída da bateria anterior, não sendo recomendada mais que 3 associações de baterias pela perda de eficiência decorrente, conforme Figura 34
Figura 34. Associação paralelo de baterias de coletore solares.
c) Associação em Série-Paralelo (Mista)
Este é o tipo de associação mais utilizado em obras de médio e grande porte.
A eficiência de uma bateria de coletores, como visto anteriormente, esta relacionada à sua associação e a vazão do fluido de trabalho. Dessa forma, adota-se o princípio do retorno invertido, com o objetivo de equalizar a vazão entre as baterias de coletores. Esse princípio permite equilibrar hidraulicamente a instalação, de forma que a perda de carga no percurso do fluido de trabalho seja sempre a mesma, independente da bateria de coletores pela qual ele circule.
Os diâmetros dos trechos de tubulações deverão ser dimensionados de acordo com a vazão que neles circula. O correto dimensionamento do diâmetro das tubulações poderá reduzir sensivelmente os custos da instalação.
Na Figura 26 pode-se observar a forma correta de interligação entre baterias de coletores, utilizando-se o princípio do retorno invertido, onde os trechos (em vermelho), entre os pontos A e B, possuem a mesma distância e a forma incorreta, onde o fluido percorrerá distâncias diferentes em cada bateria que ele circule.
48
Figura 35. Associação série-paralelo de baterias de coletore solares.
6.2.2 Detalhes construtivos
O arranjo paralelo é mais eficiente, entretanto arranjos grandes podem sofrer desequilíbrio entre suas seções. Para tanto, a implantação de válvulas globo precisas na alimentação de cada bateria auxilia no ajuste e permitir circulações equilibradas conforme Figura 36 e 37.
49
Figura 36. Inclinação sem a melhor inclinação, por motivos arquitetônicos.
Figura 37. Alimentação de baterias de coletorers solares sob o telhado, com controle de equilíbrio por válvulas globo.
Uma associação de coletores em paralelo está apresentada na Figura 38 e detalhados nas Figuras de 39 a 43.
50
Figura 38. Projeção 3D de associação paralelo de baterias de coletore solares.
Figura 39. Detalhe F da Figura 38. Alimentação de águia fria.
51
Figura 40. Detalhe G da Figura 38. Interconexão entre baterias de coletores solares.
Figura 41. Detalhe H da Figura 38. Interconexão entre baterias de coletores solares.
52
Figura 42. Detalhe I da Figura 38. Saída de água quente e válvula ventosa.
Figura 43. Detalhe de instalação de válvulas ventosas em baterias de coletores solares.
53
Acessórios
Alguns acessórios podem ser necessários na operação da Central de água Quente, porém sempre aplicados de acordo com as normas vigentes.
a) Válvula de retenção
Esse tipo de válvula permite o fluxo do liquido em uma só direção podendo ser instalada na vertical ou horizontal de acordo com as especificações da válvula.
Figura 44 Válvula de retenção.
b) Válvula eliminadora de ar (Válvula ventosa)
Esse tipo de válvula e responsável por permitir a saída de ar do sistema. É importante sua utilização na parte mais elevada do sistema de coletores solares.
Figura 45. Válvula ventosa.
c) Válvula quebra-vácuo
Tal válvula e responsável por permitir a entrada de ar no sistema. Pode ter aplicação quando há risco de baixa de pressão no circuito, o que pode danificar componentes.
54
Figura 46. Válvula quebra vácuo.
d) Válvula de segurança
Esse modelo de válvula e responsável por proteger o sistema contra pressões superiores as dimensionadas para sua operação. Normalmente adaptada na saída de consumo dos reservatórios térmicos.
Figura 47. Válvula de segurança de pressão.
e) Válvula misturadora
Possui ajuste da temperatura de saída. A válvula atua misturando a água quente, água do anel de retorno e água fria, visando manter a Sid na temperatura ajustada. Indicado para assegurar uma temperatura máxima no consumo, como 55 °C ou 60 °C, enquanto o sistema trabalha com temperaturas maiores, podendo, por exemplo, obter maior energia dos sistemas de coletores solares sem a limitação de temperatura em sua operação.
Figura 48. Válvula misturadora.
55
7 DIMENSIONAMENTO DO ARMAZENAMENTO DE ÁGUA QUENTE
7.1 Cálculo do volume de armazenamento pelo consumo diário Conforme descritos no item 3.3, o volume total de armazenamento é baseado no volume previsto de consumo e nas diferenças de temperatura, pois durante a mistura no ponto de consumo, quanto menor a temperatura da água fria, maior o volume de água quente consumido para se atingir a temperatura de conforto.
Onde:
é o volume de armazenamento (m³).
Sugere-se que o volume armazenado seja maior ou igual a 75% do consumo esperado em um período de tempo. Pode-se também utiliza um volume adicional de segurança, que garanta, por exemplo, um banho por hóspede por dia, em caso de contingências e falhas de operação.
7.2 Armazenamento – análise diferencial por curvas de demanda e produção
O dimensionamento de reservatórios é um tema bastante complexo e pode ser abordado de várias formas, desde a simples utilização de regras com tabelas ou que super dimensione o volume reservado por simplificação, até métodos que adotem estudo de acumulação solar nesta projeção. Quase todos estes métodos trabalham com o volume total diário produzido e uma fração que será armazenada, entretanto não levam em consideração as peculiaridades de cada aplicação e o perfil da curva de demanda prevista ou esperada, com seus picos de uso e momento de baixa utilização.
De outro modo a maioria dos métodos supõe mistura perfeita nos reservatórios, sem considerar a estratificação por temperatura, que é o que ocorre na prática, salvo fenômenos de turbulência durante a operação do reservatório. Neste estudo é suposta a estratificação perfeita nos reservatórios, para tanto, sempre que possível, recomendamos a utilização de reservatórios verticais bem como dispositivos de difusão de água nas entradas dos reservatórios, evitando a turbulência em sua alimentação.
56
Uma forma mais completa e complexa é a utilização de cálculo diferencial para uma modelagem matemática das vazões e temperaturas, porém não é um método prático pela complexidade que envolve.
Se o sistema de produção de água quente conseguisse produzir instantaneamente a água necessária, não seria necessária a utilização de reservatórios. Isto se dá com a instalação de equipamentos em quantidade suficiente para totalizar a potência necessária para suprir o pico de consumo com segurança, operando “tankless”. Este método não é economicamente viável em grandes sistemas, sendo mais comum em pequenas edificações.
Com a utilização de um número menor de aquecedores, que tenham potência total suficiente para suprir com segurança o total de água quente demandado diariamente, consegue-se, por meio de sua operação antecipada e reservatórios, atender o perfil e picos de consumo.
O método sugerido e exemplificado a seguir envolve a análise gráfica de uma curva de demanda estipulada por monitoramento, projeto ou mesmo histórico, comparada com uma curva da produção a ser ajustada. Neste caso não está computada produção solar, somente com bombas de calor, já que eventuais períodos sem insolação devem ter sua segurança operacional garantida.
A reserva necessária é então determinada pela necessidade de acumulação da produção antecipada para vencer os picos, evitando ainda a operação no horário de ponta do Sistema Elétrico Brasileiro.
O caso de exemplo possui uma demanda diária total de 915000 kcal, distribuídos conforme o Gráfico 7
Gráfico 7. Perfil de demanda diária de energia.
0
20000
40000
60000
80000
100000
120000
1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20 21 22 23 24
Demanda kcal
57
O dimensionamento previu 4 bombas de calor BC120 HOT70 produzindo conservadoramente 18000 kcal/h, totalizando 936000 kcal/dia, com um funcionamento máximo de 13 horas/dia. Estas bombas de calor não suprem sozinhas picos de demanda da ordem de 100000 kcal/h, entretanto ajusta-se na planilha os períodos onde as bombas de calor atuarão antecipando a produção, conforme o Gráfico 8, e reservando a água quente necessária, Gráfico 9.
Gráfico 8. Produção ajustada de bombas de calor para antecipação de produção.
Gráfico 9. Produção de energia pelo ano, para cada desvio de azimute.
Pelo observado, um reservatório de pelo menos 3050 litros é necessário para evitar também a operação no horário de ponta. Se não fosse este
0
10000
20000
30000
40000
50000
60000
70000
80000
1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20 21 22 23 24
Produção kcal
0
500
1000
1500
2000
2500
3000
3500
1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20 21 22 23 24
Reserva litros
58
fator, as 4 bombas de calor necessitariam 1700 litros para a mesma operação, pois não precisariam parar de operar por 3 horas.
Na mesma planilha pode-se simular a parada de operação de uma das bombas de calor por defeito, verificando que é possível a operação segura do sistema, somente que com o incremento para 17 horas de operação diária.
Algumas redes hoteleiras possuem por norma manter acumulado nos reservatórios térmicos água quente suficiente para pelo menos 2 banhos, para o caso de parada completa do sistema. Este valor suplanta o calculado, fornecendo uma segurança extra.
O mesmo método pode ser repetido utilizando somente produção solar, com a produção real estimada, se já estiver disponível a área de coletores disponível, ou simulando a fração solar adequada pela área ocupada e investimento realizado. Para tanto deve-se possuir a eficiência dos coletores solares adotados e a radiação solar média no mês mais frio para o local.
A tábua horária de operação determinada é somente para simulação baseada na expectativa da demanda, entretanto um controle de operação deve automatizar a produção real.
59
8 SISTEMAS HÍBRIDOS DE AQUECIMENTO
Define-se como sistemas híbridos de geração de água quente quando pelo menos duas fontes de aquecimento são utilizadas. Neste estudo analisamos o sistema bombas de calor, aproveitamento de calor rejeitado de chillers e sistema de coletores solares.
8.1 Operação e controle
A operação em um sistema com mais de uma fonte energética deve priorizar a forma mais econômica. No caso de um sistema híbrido bombas de calor – solar, ou aproveitamento de calor de chillers – bombas de calor, o controle deve priorizar a segurança operacional e, posteriormente, a economia.
Obviamente o sistema de coletores solares ou o aproveitamento de calor de chillers devem ser as primeiras fontes a serem acionadas, entretanto, na dinâmica de utilização da água quente, muitas vezes com a radiação solar diminuída ou chillers operando em pequenas cargas e já com a queda da temperatura do reservatório, o sistema principal, no caso as bombas de calor, deve ser acionado, vindo a complementar a reserva térmica com sua operação. Tem-se neste caso uma desvantagem econômica, pois muitas vezes a fonte prioritária é restabelecida em poucos minutos ou horas, não havendo como ser aproveitada justamente pelos reservatórios já estarem com a temperatura alta.
O mesmo ocorre no período da noite, onde os banhos da noite e manhã reduzem a temperatura dos reservatórios, obrigando o sistema de controle a acionar as bombas de calor. Entretanto, quando aumenta a radiação solar no início do dia, e já com a demanda por água quente reduzida, têm-se os reservatórios já aquecidos por outra fonte que não a solar, reduzindo sua vantagem econômica.
Para obter a melhor economia que um sistema híbrido pode proporcionar, aliada a segurança, deve-se optar por sistemas de controle e monitoramento mais avançados. Uma opção para isto é trabalhar com volumes parciais de aquecimento, sendo o princípio da estratificação dos reservatórios uma forma interessante de obter estes volumes parciais em diferentes temperaturas.
8.1.1 Sistemas de bombas de calor
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A alimentação elétrica e controle de operação de bomba de calor devem ser realizadas por quadro elétrico com monitores de temperatura.
A operação das bombas de calor é iniciada quando a motobomba produz um fluxo pelas mesmas que, por ação de pressostato, ativa seu funcionamento em aquecimento.
O controle desta operação pode ser de forma discreta, acionada quando o monitoramento indicar temperatura baixa no reservatório, definida por um set point, ou de forma mais elaborada, com monitoramento da operação do sistema de coletores solares, priorizando estes últimos.
Como são equipamentos elétricos, é conveniente que haja pelo menos um temporizador que impeça seu funcionamento no horário de ponta do Sistema Elétrico. Para isso é necessária reserva de água quente suficiente para vencer este período de consumo sem produção. É possível antecipar esta produção, dependendo do sistema de controle lógico adotado.
8.1.2 Sistemas com recuperadores de calor de chillers
Da mesma forma que com as bombas de calor, a circulação pelos aproveitadores de calor de chillers deve ser realizada por quadro elétrico com monitores de temperatura e com os mesmos cuidados.
Da mesma forma que os coletores solares, este sistema não é o sistema principal de geração de água quente, mas o prioritário, pela disponibilidade da energia que utiliza, por isto mesmo normalmente não é instalado juntamente a sistemas com coletores solares.
8.1.3 Operação de sistemas de coletores solares
Mesmo o sistema de coletores solares não sendo o sistema principal de geração de água quente, justamente pela incerteza climática a qual está submetido, este deve ser o sistema prioritário a operação, pela economia que fornece à Central de Água Quente.
A circulação de água pelos coletores em sistemas de médio e grande porte é sempre bombeada e sua operação obedece a alguns critérios lógicos.
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O controle de operação é executado com sensoriamento de temperatura em alguns pontos, notadamente na saída e entrada dos coletores e no reservatório térmico. Sempre que houver uma diferença de temperatura entre os reservatórios térmicos e a água nos coletores, indicando a produção solar, o sistema deve operar.
A forma mais usual é a produção em batelada, onde a água presente nos coletores é bombeada quando atinge determinada temperatura estipulada, até que toda ela seja retirada aos reservatórios e tendo entrado água fria nos coletores, interrompendo o bombeamento e iniciando novo ciclo.
8.1.4 Operação conjunta de sistemas e priorização da produção
A decisão dinâmica da fonte mais adequada para aquecimento ou mesmo o energético a ser utilizado passa por avaliação da tendência de consumo nas horas seguintes e disponibilidade destas fontes. Esta priorização deve ser estudada e estabelecida regras e fluxogramas de decisão, sendo o mais adequado que se utilize software para esta operação.
Os investimentos de engenharia e controle nesta área têm sido desprezados, entretanto retornam seu investimento rapidamente.
8.2 Estudo de caso – Novotel Morumbi
Descreve-se neste estudo de caso, o retrofit da Central de Água Quente do Novotel Morumbi em São Paulo, onde um sistema unicamente com aquecedores a gás foi substituído por um sistema híbrido bombas de calor – solar.
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Figura 49. Diagrama esquemático do sistema híbrido com produção sob demanda e controle de estratificação.
Este sistema foi projetado visando a produção sob demanda de água quente, monitorando a taxa de ocupação do hotel e perfil horário de consumo previamente estudado. O objetivo era evitar a produção excessiva de água quente, porém preservando um volume de segurança. Obteve-se este volume variável utilizando estratificação por temperatura em reservatórios adaptados para otimizá-la e com diversos pontos de monitoramento. A operação, controlada por PLC e software especialmente desenvolvido, permite a operação livre do sistema de coletores solares, porém evitando ao máximo a operação de bombas de calor enquanto a baixa demanda permita. Um exemplo disso observa-se no início da manhã, com o sistema aguardando ao máximo o início da produção solar e evitando a entrada das bombas de calor enquanto monitora a demanda e a diminuição do volume armazenado nos reservatórios.
Outro exemplo se dá à tarde, com a produção por bombas de calor sendo antecipada aumentando a reserva térmica quando necessário, evitando a operação no horário de ponta.
Na Figura 49 o esquema de interligação e operação. Nas Figuras 50 e 51 os reservatórios térmicos verticais com estratificação controlada e monitorada.
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Nas Figuras 52 e 53, respectivamente, as baterias de coletores solares e bombas de calor. Na Figura 54 o quadro elétrico com comando por PLC.
Dados de projeto:
Aquecimento de água para consumo;
Nº de apartamentos: 190;
Temperatura da água: 65 °C;
Sistema de aquecimento: Híbrido - solar e bomba de calor;
Nº de coletores solares: 93 (1,6 m² cada);
Nº de bombas de calor: 05;
Economia gerada por ano: R$ 60.053,00 (80 %);
Emissão de CO2 a ser evitada: 114.158 Kg/ano.
Figura 50. Reservatórios térmicos em paralelo.
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Figura 51. Reservatórios térmicos com monitoramento de estratificação.
Figura 52. Sistema de coletores solares.
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Figura 53. Bateria de bombas de calor Jelly Fish BC120 HOT70.
Figura 54. Painel de força e controle com PLC.
Mesmo com aumento da demanda do hotel e alteração das tarifas, o sistema produziu em 2010 uma economia sobre a operação com aquecedores a gás de R$ 117.865,65 (78,18%), apresentando um payback inferior a 2 anos.
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9 BIBLIOGRAFIA
ABRAVA – Manual de Aquecimento Solar (1998).
ILHA, M. S. O, O. M. GONÇALVES, Y. KAVASSAKI, Sistemas Prediais de Água Quente. São Paulo – EPUSP – 1994.
ABNT – Norma Brasileira de Execução de Instalações de Sistemas de Energia Solar que utilizam coletores solares planos para aquecimento de água – NBR 12269
GENGEL, BOLES, Thermodynamics An Engineering Approach 5th Ed.
ABNT – Norma Brasileira de Instalação Predial de Água Quente – NB 128.
ABNT – Norma Brasileira de Projeto e Execução de Instalações Prediais de Água Quente – NBR 7198.
MORAN J., SHAPIRO N.M., Fundamentals of engineering thermodynamics - 5th ed. - 2006 - Wiley
INCROPERA, F. P. & WITT, D. P. Fundamentos de Transferência de Calor e de Massa. Trad. 3a ed.
Projetos TermoCOP – ibis São Luis – MA, Mercure Macacos – MG.
Instalações TermoCOP Novotel Morumbi, ibis Lins e ibis Poços de Caldas.
