Sistemas de aquecimento de água Dimensionamentoprofessor.unisinos.br/mhmac/Energia Solar Termica/Aula_7_2015... · Sistemas de aquecimento de água Dimensionamento 2º.semestre,

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Universidade do Vale do Rio dos Sinos – UNISINOSPrograma de Pós-Graduação em Engenharia Mecânica

Sistemas de aquecimento de água

Dimensionamento

2º. semestre, 2015

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Dimensionamento de sistemas

� 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).

� 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, RETScreen, etc.

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A capacidade/flexibilidade destes programas em relação à facilidade de uso:

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O nível de precisão do resultados de cada um desses programas:

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O nível de precisão do resultados de cada um desses programas:

TRNSYS ou Transient System Simulation Tool

• O TRNSYS é um programa com estrutura modular, onde todos os componentes dos sistemasestão separados individualmente e disponíveis de maneira organizada na biblioteca padrão doprograma. Cada componente é modelado através de equações matemáticas que descrevemseu comportamento físico.

• O TRNSYS apresenta uma biblioteca pré-definida de componentes, denominados Types, paraa elaboração de diversos projetos, contendo aproximadamente 150 modelos diversos.

• Os componentes devem ser selecionados da biblioteca, alimentados com valores de entrada esão ligados através de conexões onde os dados de saída de um componente se tornam osdados de entrada de outro, de modo que seja garantido um fluxo de informações entre eles.

• A técnica de simulação modular, utilizada pelo programa, reduz a complexidade da simulaçãodo sistema uma vez que representa um grande problema através de vários problemasmenores, que podem ser resolvidos de forma mais simples. Além disso, a sua modularidadegarante ainda mais flexibilidade, permitindo que seja montada qualquer configuraçãodesejada do sistema.

• É um programa aberto, uma vez que cada Type ou modelo pode ser alterado no programafonte (FORTRAN);

• O TRNSYS em sua versão comercial/acadêmica é utilizado a mais de 35 anos, e seusresultados extensivamente validados.

TRNSYS

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TRNSYS- Interface

• Na figura é mostrado um sistema de aquecimento solar simples, do tipotermosifão, com coletor/reservatório acoplado e aquecimento auxiliar depassagem, na tela do TRNSYS.

Figura 2. Tela apresentada durante um processo de simulação no TRNSYS

• O TRNSYS acessa diversos bancos de dados climáticos. Entre eles, possibilita o acesso àsbases do Meteonorm que contém 31 localidades no Brasil. Além disso, permite o uso dearquivos de dados elaborados pelo usuário.

• A simulação é dinâmica, limitada somente pelos dados climáticos. Na Fig. 2 apresenta-se atela do programa, durante uma simulação.

TRNSYS

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Figura 2. Tela apresentada durante um processo de simulação no TRNSYS

Características do TRNSYS:

• Interface pouco amigável;

• Exige elevado grau de conhecimento do usuário, principalmente para a definição docomponentes e dos fluxos de informações entre eles;

• Os resultados com os valores dos parâmetros simulados são “impressos” em um arquivo .txt,que deve ser trabalhado posteriormente.

TRNSYS

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TRNSYS- Interface

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TRNSYS- Exemplos

Simulação de uma estufa para cura de tabaco com energia solar térmica.

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TRNSYS- Exemplos

Simulação de uma estufa para cura de tabaco com energia solar térmica.

Type15-2

Type4aType65d-2

Type114

Type88

Type114-2

Type5e

Type71

Type2b

Type14hType2b-2

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TRNSYS- Exemplos

Simulação de um sistema de refrigeração por absorção.

Transol Pro - Solar thermal energy software

• Transol é uma ferramenta computacional para projeto, cálculo e otimização de sistemastérmicos com energia solar. Da mesma forma que o TRNSYS, realiza simulações dinâmicas.Na realidade, utiliza o próprio TRNSYS, com uma interface bastante mais amigável mastambém bastante mais limitada em termos de configurações disponíveis. Esse programa foielaborado através de uma parceria entre uma empresa espanhola, Aiguasol, e o CSTB (CentreScientifique et Technique du Bâtiment)

• Na Fig. 3 é mostrada a tela inicial para configuração dos equipamentos e controles do SAS.

Figura 3. Tela de configuração de um sistema de aquecimento solar

Transol Pro

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Telas para entrada dos parâmetros do coletor e do reservatório térmico e sistema auxiliar deenergia.

Figura 4. Tela para configuração coletor solar e do reservatório térmico

Transol Pro

Na Fig. 5 é apresentada a tela do programa durante um processo de simulação, idêntica a doTRNSYS.

Figura 5. Tela apresentada durante um processo de simulação no Transol

Transol Pro

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Ao contrário do TRNSYS, os resultados principais da simulação são gerados na própria tela doprograma, como mostrado nas Fig. 6 e 7.

Figura 6. Tela com os resultados da simulação

Figura 7. Tela com os fluxos de energia do SAS

Transol Pro

Comparação:

Resultados idênticos ao do TRNSYS para as mesmas condições de contorno;

Acesso às mesmas bases de dados do TRNSYS, permitindo também o uso de dados produzidospelo usuário;

Sistemas pré-montados, reduzindo significativamente a flexibilidade do seu uso;

Número de sistemas pré-montados é reduzido mas, principalmente, utiliza sistemascaracterísticos utilizados na Europa (circulação forçada com fluido secundário, trocador decalor no reservatório térmico, etc.);

Reservatório térmico apenas do tipo vertical.

Transol Pro

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Programa comercial, elaborado por uma empresa alemã (Vela Solaris), de custo relativamenteelevado.

Apresenta como características principais uma interface extremamente amigável.

Possui mais de 120 sistemas pré-configurados mas, principalmente, sistemas usadostipicamente na Europa.

Permite a configuração de um sistema diferente dos pré-configurados, mas a escolha decomponentes é limitada.

Os dados climáticos são obtidos através do Meteostat, que utiliza uma infinidade de base deinformações. Na ausência de uma base para o local, permite a entrada da localização dainstalação (latitude e longitude) realizando a interpolação entre duas localidades maispróximas.

Não permite o uso de informações climáticas geradas pelo próprio usuário.

Polysun

Na Fig. 8 é apresentada a tela de montagem de um SAS para a simulação.

Figura 8. Tela para montagem do SAS

Polysun

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Polysun - Interface

Figura 9. Tela para montagem do SAS

Na Fig. 9 é apresentada a tela para a escolha de uma determinada configuração de SAS para asimulação.

Programa comercial, elaborado na Universidade de Wisconsin em 1977. É o método mais antigode análise de dimensionamento de SAS.

Utiliza correlações para o desempenho do sistema, baseado em um grande número desimulações computacionais realizadas no TRNSYS.

Utiliza apenas informações climáticas de irradiação solar horizontal diária média mensal etemperatura ambiente para o local utilizado. Acessa diversos bancos de dados (TMY2 e TMY3) epermite a entrada de dados pelo usuário.

Sistema de fácil utilização, necessitando apenas de conhecimentos básicos sobre SAS.

Limitado a sistemas de circulação forçada (vazão constante).

F-Chart

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F-Chart

Dados de entrada da configuração do sistema e do local da instalação.

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F-Chart

Dados de saída (análise térmica).

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F-Chart

Dados de saída (análise econômica).

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Dimensionamento de sistemas – método da carta F

� O método da carta-F+ (ou F-chart), desenvolvido por Beckman, Klein e Duffie, 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 (Y ) 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.

� Também deve ficar claro que a fração anual fornecida pela energia solar é função de um estudo de viabilidade econômica a ser realizado. Quanto maior esta fração, maior será o custo de instalação do sistema e menores os custos de operação. O contrário também se aplica.

+ O método, originalmente, foi feito para sistemas ativos. Algumas correções estão disponíveis na literatura para uso de sistemas com circulação natural.

Ver detalhes em: Beckman, W.A.; Klein, S.A.; Duffie, J.A., 1977. Solar heating design by the f-chart method. New York: John Wiley, 200p.

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O método f-Chart foi desenvolvido para sistemas ativos. Não apresenta bons resultados para sistemas operando com circulação natural por dois motivos:

1. Assume que o sistema opere com uma vazão fixa conhecida do fluido através do coletor;

2. Assume que o tanque de armazenamento esteja em um estado completamente misturado (temperatura uniforme em qualquer tempo), que é uma hipótese razoável quando um sistema opera com vazão elevada.

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Critérios de projeto para sistemas domésticos

� Temperatura de operação: a maioria dos projetos considera uma temperatura de 60 °C. Como há estratificação no tanque de armazenamento, a temperatura de saída poderá ser superior a esta. Quanto maior for a temperatura, maiores serão as perdas térmicas;

� Volume do reservatório térmico: entre 50 e 75 Lm-2 de área de coletor;

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Descrição do método

O fator f (fração da carga de aquecimento mensal fornecida por energia solar) pode ser relacionado aos dois grupos adimensionais abaixo:

onde Tref é uma temperatura de referência derivada empiricamente, no caso igual a 100 °C; é a temperatura ambiente média mensal, em °C; é o número de segundos no mês; L é a carga térmica mensal de aquecimento, em J, N é o número de dias do mês e é a irradiação diária média mensal incidente no plano do coletor, em J/m2. FRUL e FR(τα)n são os parâmetros de eficiência do coletor e F’R/FR é um parâmetro de correção para o caso de haver um trocador de calor acoplado.


( )L

ATT

F

FUFX c

arefR

RLR ⋅⋅−

′⋅= τ∆

( ) ( )( ) L

ANH

F

FFY c

TnR

RnR ⋅⋅⋅⋅

′=

τααττα

aT τ∆

TH

30

322 0215000180245006500291 Y,X,Y,X,Y,fi ++−−=

∑∑ ⋅

=L

LfF i

Assim, a fração mensal fi da carga térmica fornecida pela energia solar é dada por:

A fração anual da carga térmica fornecida pela energia solar é então calculada como:


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250250

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75padrão ntoarmazename de capacidade

real ntoarmazename de capacida.

c

.

c

A

V

X

X−−

=

=

Alguns parâmetros são utilizados para compensar o efeito da variação do volume do reservatório térmico e o efeito das diferenças de temperatura impostas nas condições de consumo.

Como o método considera um volume de reservatório padrão de 75 L/m2, corrige-se isso com a equação:

válida no intervalo de 0.5≤(V/75Ac)≤4


32

a

asisetc

T

T.T.T..

X

X

−−++=

100

3228631816112

Como o programa F-Chart foi desenvolvido para o aquecimento simultâneo de água e ar, aplica-se uma segunda correção para considerar o atendimento exclusivo de água quente. Nesse caso:

onde Tset é a temperatura desejável para a água quente e Tsi é a temperatura da água na entrada do sistema.


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Procedimentos de cálculo ⇒ determinação de (FRUL) e (FRτα):

Obtidos a partir da curva de eficiência instantânea do coletor. Para a curva abaixo, tem-se que:


( )( )21

21xx

yyUF LR −

−−=

( ) ( )AyF nR =ταaT

x1

y1

x2

y2

A

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Para sistemas de aquecimento doméstico de água, pode-se utilizar a expressão abaixo:

onde N é o número de dias do mês; n o número de pessoas; Con é o consumo de água quente, por pessoa, em L (Tab.1); Tw é a temperatura mínima aceitável para a água de consumo, igual a 60 °C; Tm é a temperatura de fornecimento de água pela rede, em °C; ρ a massa específica da água, igual a 1 kg/L e cp o calor específico da água, igual a 4180 J/kg. °C.

Para sistemas de aquecimento comercial ou industrial, usa-se a expressão:

onde V é o volume mensal de água quente consumida, em litros.

Determinação da carga térmica de aquecimento

( ) [ ]J pmw cTTConnNL ⋅⋅−⋅⋅⋅= ρ

( ) [ ]J mwp TTcVL −⋅⋅⋅= ρ

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Tabela 1. Consumo de água quente


Referência Consumo de água quente por pessoa, L/dia

Ilha et al. a (1994) 60

Ilha et al. b (1994) 36

Vine et al. (1987) c 100

Meyer e Tshimankinda (1998) 44

DeOreo e Mayer (2000) 23,8

Prado e Gonçalves (1998) 45

Feitosa e Filho (2009) 30

Fonte: Ferasso, G. Análise do impacto causado por sistemas de aquecimento solar na demanda e no consumo de energia elétrica em residências populares. Dissetação de Mestrado, PPGEM, Unisinos, 2013.

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Tabela 2. Consumo de água quente


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Tabela 3. Temperatura da água de alimentação (média diária mensal)

Mês Ta, °C Tw, °Cjaneiro 27.2 27.2

fevereiro 26.1 25.4

março 24.0 23.9

abril 21.4 21.7

maio 17.4 18.2

junho 14.9 14.3

julho 13.5 14.3

agosto 15.6 15.9

setembro 17.7 18.1

outubro 20.9 22.1

novembro 23.5 24.1

dezembro 24.4 25.8

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Para o local da instalação, deve-se obter os valores médios mensais da temperatura ambiente (TBS). Estas informações estão geralmente disponíveis nas estações meteorológicas da região. Para o caso de Porto Alegre, a tabela abaixo apresenta estes valores baseados em dados registrados pelo INMET.


Tabela 4. Temperatura ambiente média mensal Mês Ta, °C

Jan 24,6

Fev 24,7

Mar 23,1

Abr 20,1

Mai 16,8

Jun 14,3

Jul 14,5

Ago 15,3

Set 16,8

Out 19,2

Nov 21,3

Dez 23,2

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Determinação da relação absortância/transmitância

Para o cálculo da relação entre o produto transmitância - absortância médio mensal e o produto transmitância- absortância normal, utiliza-se a expressão abaixo:

onde:

→ Radiação direta diária média mensal incidente na superfície inclinada;

→Radiação direta horizontal diária média mensal, em J/m2;

→ Radiação global diária média mensal incidente na superfície do coletor, em J/m2;

→ Radiação difusa horizontal diária media mensal, em J/m2;

→ Radiação global horizontal diária média mensal, em J/m2;

( )( )

( )( )

( )( )

4444 34444 21444 3444 214434421

321

21

21

A

n

g

T

A

n

d

T

d

A

n

b

T

bb

n H

H

H

H

H

RH

−+

++=

βρταατβ

ταατ

ταατ

ταατ coscos

bH

TH

dH

H

tbH ,

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Determinação da relação absortância/transmitância

→ Relação entre a radiação direta diária média mensal incidente na superfície inclinada e a radiação direta diária média mensal incidente na superfície horizontal;

→ Produto transmitância-absortância médio mensal da radiação direta em relação ao produto transmitância-absortância normal (Figura 2 com da Figura 1);

→ Produto transmitância-absortância médio mensal da radiação difusa em relação ao produto transmitância-absortância normal (Figura 2, considerando );

→ Produto transmitância-absortância médio mensal da radiação refletida em relação ao produto transmitância-absortância normal (Figura 2, considerando );

( )( )n

bταατ

b

tbb H

HR ,=

( )( )n

dταατ

( )( )n

g

ταατ

o60=θ

o60=θ

bθ

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→ Fator de forma da superfície plana inclinada em relação ao céu;

→ Fator de forma da superfície plana inclinada em relação a solo refletor;

→ Coeficiente de reflexão;

→ Ângulo de inclinação do coletor em relação à horizontal.

+=2

cos1 βD

( )2cos1 βρ −=J

ρ

β

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Figura 1. Ângulo de incidência médio mensal para a radiação direta. Para o hemisfério sul, trocar os meses conforme indicado.

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Figura 2. Curvas de para coletores com 1 a 4 coberturas.( )( )nτα

ατ

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