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INSTITUTO FEDERAL DE EDUC., CIÊNCIA E TECNOLOGIA DA BAHIA CAMPUS LAURO DE FREITAS CURSO: TÉCNICO EM SISTEMAS DE ENERGIA RENOVÁVEL DISCIPLINA: PROJETO E INSTALAÇÃO DE SISTEMA SOLAR TÉRMICO Dimensionamento de Sistemas de Aquecimento Solar de Água Prof. Dr. Fagner Barbosa Ferraz PROJETO E INSTALAÇÃO DE SISTEMA SOLAR TÉRMICO

PROJETO E INSTALAÇÃO DE SISTEMA SOLAR TÉRMICO...SISTEMA SOLAR TÉRMICO. DIMENSIONAMENTO DE SAS - O objetivo do dimensionamento é determinar qual é o volume do sistema de armazenamento

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Page 1: PROJETO E INSTALAÇÃO DE SISTEMA SOLAR TÉRMICO...SISTEMA SOLAR TÉRMICO. DIMENSIONAMENTO DE SAS - O objetivo do dimensionamento é determinar qual é o volume do sistema de armazenamento

INSTITUTO FEDERAL DE EDUC., CIÊNCIA E TECNOLOGIA DA BAHIACAMPUS LAURO DE FREITAS

CURSO: TÉCNICO EM SISTEMAS DE ENERGIA RENOVÁVELDISCIPLINA: PROJETO E INSTALAÇÃO DE SISTEMA SOLAR TÉRMICO

Dimensionamento de Sistemas de Aquecimento Solar de Água

Prof. Dr. Fagner Barbosa Ferraz

PROJETO E INSTALAÇÃO DE SISTEMA SOLAR TÉRMICO

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DIMENSIONAMENTO DE SAS

- O objetivo do dimensionamento é determinar qual é o

volume do sistema de armazenamento e a área

coletora necessários para atender à demanda de energia

útil de um determinado perfil de consumo.

Como dimensionar um sistema para

aquecimento de água usando coletor solar ?

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DETERMINAR O VOLUME DE ÁGUA QUENTE

DIMENSIONAMENTO DE SAS

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DETERMINAR O VOLUME DE ÁGUA QUENTE

ESTÁ ASSOCIADO À:

• Pontos de consumo de água quente;

• Número de usuários;

• Frequência de utilização;

• Nível de conforto desejado.

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Nível de conforto

- Vazão típica de um chuveiro elétrico = 3 a 6 litros por minuto

- Vazão de uma ducha = varia, podendo chegar a vazões > 30 litros

- Vazão recomendada para atingir um bom nível de conforto = 7 a

10 litros/ minuto

- tempo de banho = 8 a 10 minutos

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Consumo médio por ponto de consumo (NBR 15.569)

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Consumo médio de água quente por peça para referência

Peça Consumo diário

Ducha 70 a 90 litros / pessoa

Lavatório 5 a 7 litros / pessoa

Bidê 5 a 7 litros / pessoa

Cozinha 20 a 30 litros / pessoa

Lavanderia 8 a 15 litros / kg de roupa seca

Banheira 30 a 50% do volume da banheira

*

* – valor considerando 1 banho/dia/pessoa

Valores médios de referência

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EXEMPLO DE RESIDÊNCIA EM SÃO PAULO

Residência com:

- 5 moradores

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Peça Consumo por peça Consumo

total

Ducha 10 min – 80l x5 400

Lavatório 7l x 5 35

Cozinha 20l x 5 100

Hidromassagem 0,5 x 150l 75

Consumo total diário 610 litros

Cálculo do consumo diário de água quente

Escolhe-se um RT padrão de mercado que seja de volume

igual ao do consumo diário estimado de água quente

(Tolerância de 25%)

No exemplo =

Tabela 1

600 litros

EXEMPLO DE RESIDÊNCIA EM SÃO PAULO

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DETERMINAR ÁREA E NÚMERO DE COLETORES

DIMENSIONAMENTO DE SAS

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Cálculo da Área e Número de coletores

Aspectos a considerar:

• Eficiência do coletor

• Temperatura do local

• Radiação solar disponível (kWh/m2/dia)

• Volume de água quente necessário

O cálculo é feito em função da tecnologia e dos materiais empregados na

fabricação de cada modelo e da região que será instalado.

Normalmente a quantidade de coletores é proporcional ao volume de

água e segue a relação de 1 m2 de área coletora para cada 100 l.

Pode haver variação de acordo com a localização.

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Cálculo da Área e Número de coletores

Localidade Área de Coletor (m2) para cada 100 litros

São Paulo 1,75 – 1,85

Campinas 1,20 – 1,30

Ubatuba 1,65 – 1,75

Bauru 1,10 – 1,20

Campos do Jordão 2,00 – 2,10

Ribeirão Preto 1,00 – 1,10

Presidente Prudente 1,10 – 1,20

Relação volume / área do coletores para algumas cidades

Obs: relação desenvolvida para uma eficiência média de coletor, vidros lisos

Opção 1- Tabela fornecida por fabricante

Tabela 2

EXEMPLO DE RESIDÊNCIA EM SÃO PAULO (CONTINUAÇÃO)

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O número de coletores deverá ser selecionado de acordo com

o volume do reservatório e o padrão do mercado de coletores.

No nosso exemplo, em São Paulo, consideramos um coletor

de 1,6 m2 (comercial). Assim sendo, de acordo com a Tabela

2, necessitaremos de :

=

1,75 m2 - 100 l

X - 600 l

7 coletores10,5 m2 de coletores

Cálculo da Área e Número de coletores

EXEMPLO DE RESIDÊNCIA EM SÃO PAULO (CONTINUAÇÃO)

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Cálculo via equação de balanço de energia:

Opção 2

tcmARSI =

Onde:

RSI – Radiação horária média mensal – kWh/m2

C= 4180 joules/kgoC – calor específico da água

m – massa de água (kg) ou litros

eficiência do coletor

A – área do coletor

- diferença entre a temperatura de entrada e saída do coletor o C

t

= 1000 kg/m3

Cálculo da área e número de coletores

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Exercício 1

Em uma casa com 5 moradores, calcule a quantidade de água diária

aquecida e capacidade do boiler. Deve-se utilizar as peças da tabela

abaixo, com ducha de vazão 9 l/min, banheira com uso eventual e

cozinha com utilização racional:

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Exercício 2

Dados:

Radiação solar – 5,6 kWh/m2

Área do painel – 2 módulos de 1,6 m2

Latitude: 23,5 0C

Eficiência térmica – 50%

Tfi – entrada do coletor – 15 graus C

Tfs – saída do coletor – 45 0C

Cp – calor específico – 4186 joules/kg.oC

Densidade da água = 1000kg/m3

Calcule : Quantidade de água diária aquecida e capacidade do boiler

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COMO INSTALAR O COLETOR SOLAR?

DIMENSIONAMENTO DE SAS

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São Paulo

3,0

3,2

3,4

3,6

3,8

4,0

4,2

4,4

4,6

4,8

5,0

1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12

Mês

kW

h/m

2.d

ia

Irradiação

Inclinação (b)

23,3

33,3

Pior mês = menor radiação

Inclinação: Latitude + 100 = (23,30 + 100)

Maximiza energia coletada no inverno

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Face Norte – Verdadeiro ou geográfico

Os coletores solares devem ser direcionados para o Norte

geográfico. Com o uso de bússola, para localização, é necessário

fazer um ajuste em graus para encontrar a posição correta.

COMO ACHAR?

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Face Norte – Verdadeiro ou geográfico

A declinação magnética de um local é a medida do ângulo

formado entre a direção do norte magnético (apontado pela

agulha da bússola), e a direção do norte geográfico. Adota-se a

seguinte convenção:

- declinação positiva: significa que o norte magnético se

encontra a leste do norte verdadeiro (no sentido horário).

- declinação negativa significa que o norte magnético está a

oeste do norte verdadeiro (no sentido anti-horário).

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Face Norte – Verdadeiro ou geográfico

Observe na tabela abaixo a declinação magnética em graus para

as principais cidades brasileiras.

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Face Norte – Verdadeiro ou geográfico

Como base na observação da orientação e inclinação de um

telhado é bem provável que o mesmo não esteja orientado

exatamente para o norte geográfico.

A tabela abaixo, apresenta fatores para compensação de

área para coletores lisos em função do desvio da

orientação do mesmo.

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Face Norte – Verdadeiro ou geográfico (EXEMPLO)

Ao avaliarmos o projeto de localização da cobertura definimos a água do

telhado em destaque na figura abaixo.

Esta parte do telhado entretanto, apresenta um desvio em relação ao

Norte magnético de 20 graus oeste.

Como o norte magnético está a aproximadamente 20 graus a oeste do

norte geográfico para São Paulo, teremos um desvio total de 40 graus .

A inclinação do telhado é de 19 graus.

Compensação da área devido ao desvio.

Área total X Fator de compensação =

10,5 m2 X 1,18 = 12,4 m2

Considerando o coletor de 1,6 m2 –

recomenda-se a instalação de 8 coletores.

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DIMENSIONAMENTO DE SAS

Existem diversos programas para dimensionamento de

sistemas de aquecimento solar de água. Cada programa tem

sua particularidade, priorizando certos aspectos e aplicações.

O dimensionamento adequado dos componentes de um

sistema de energia solar é uma tarefa complexa uma vez que

inclui componentes previsíveis (características de

desempenho do coletor solar e outros componentes) e não

previsíveis (dados meteorológicos).

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DIMENSIONAMENTO DE SAS

- O dimensionamento pode ser realizado através de

simulações complexas dos sistemas envolvidos utilizando

ferramentas computacionais como, por exemplo, TRNSYS,

Polysun ou T*Sol, que podem ser utilizadas para estudos

de otimização de sistemas.

- Ou através de ferramentas que fornecem resultados de

pré-dimensionamento e de viabilidade de projetos de

sistemas solares, como por exemplo: Transol, F-Chart,

SAM e outras ferramentas disponíveis na web, como por

exemplo, Dimensol e RETScreen, etc.

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DIMENSIONAMENTO DE SAS

- O método da Carta-F (F-chart) é uma análise

extremamente útil para o projeto de sistemas de

aquecimento solar, especialmente para determinar a área

de coletores.

- Como resultado final dos cálculos, obtém-se o valor da

fração da carga de aquecimento anual fornecida com

energia solar.

- O valor da fração anual recomendada fica em torno de 50

a 70%. Desta forma, a fração restante ficará a cargo da

fonte auxiliar de energia.

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USANDO O PROGRAMA DIMENSOL

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DIMENSOL

- Dimensol é uma ferramenta desenvolvida para o

dimensionamento de SAS, permitindo ao usuário avaliar as

economias proporcionadas e realizar análises de

investimento do sistema dimensionado.

- O usuário poderá avaliar a radiação incidente nos

coletores solares, realizar projeções de consumo conforme

locais de utilização de água quente e obter a fração solar

da instalação com base no método da Carta-F.

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Cadastrar no site PROCEL e baixar o aplicativo:

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Fazer o Cadastro, incluindo a cidade e Estado para os

dados geográficos e de radiação

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Valores do Banco de Dados

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Cálculos (Radiação):

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Refletância local: Grau de refletância médio dos materiais que

estão nas vizinhanças dos coletores. Seu valor pode ser

aproximado a partir dos dados da tabela "Dados de refletância"

que é mostrada a seguir:

Cálculos (Radiação):

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Orientação do Coletor: Ângulo entre a projeção da reta normal à

superfície do coletor no plano horizontal e a linha no plano

horizontal que define a direção norte-sul, medido a partir do

sul. Ele é positivo a oeste e negativo a leste desta linha. Seus

valores devem estar compreendidos entre -180º e 180º.

Cálculos (Radiação):

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Inclinação do Coletor: Ângulo entre o plano inclinado que

contém a superfície do coletor e o plano horizontal. (Latitude

local).

Cálculos (Radiação):

Inclinação: Latitude + 100

Maximiza energia coletada no inverno

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Na Tabela vemos alguns exemplos:

Cálculos (Radiação):

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Cálculos (Radiação):

OBS: Kt Méd - Índice de claridade média mensal. É a razão entre a

radiação global diária média mensal e a radiação extraterrestre;

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Cálculo do volume total de água quente consumido na

instalação que deve ser suprido pelo SAS diariamente.

Dimensionamento:

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Valores sugeridos: exibe uma janela, mostrada na Figura abaixo,

com valores padronizados de consumo de água.

Dimensionamento:

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Dados do Exercício (Cálculo manual):

Dimensionamento:

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OBS: Nº de coletores sugerido para os padrões utilizados em BH

(1 m² de área coletora para cada 100 l de água do reservatório .

Carta F

São Paulo é 1,75

m² p/ 100 l

Onde:

FrUt - Fator de Perdas;

FRT -Rendimento Ótico.

1,75 x 2 m² =

10,5 m²

5 coletores

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Li: Demanda energética mensal para aquecimento do volume

de água da instalação;

Ht: Radiação global incidente no plano inclinado média mensal

(calculada pelo modelo de radiação);

f: Fração solar mensal. É a razão entre a energia suprida pelo

sistema de aquecimento solar (Qsolar) e a demanda mensal de

energia da instalação (Li);

fLtotal: Energia total suprida anualmente pelo sistema de

aquecimento solar;

fLtotal sombra: Energia total suprida anualmente pelo sistema

de aquecimento solar, considerando o efeito do sombreamento.

Dados de Saída

Carta F

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Potência total sugerida: Valor de potência considerando a menor

potência total necessária para aquecer um terço do volume do

reservatório até a temperatura de set-up em uma hora.

Auxiliar Elétrico: