Aquecedor Solar de Baixo Custo

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1 Aquecedor Solar de Baixo Custo Projeto: Eng.º Thomas Ulf Nilsson Revisão 1. 20/06/2014 Aquecedor solar BC de cano de PVC 1

2 CONTEÚDO: 1. Base teórica 2. Dimensionamento 3. Melhoramento térmico 4. Manutenção 5. Outros detalhes 6. Quantitativos 7. ANEXOS: Projeto Aquecedor solar BC de cano de PVC 2

3 1 Base teórica O sistema ASBC Aquecedor Solar de Baixo Custo - tem o mesmo princípio de funcionamento do sistema de aquecimento solar de água em aço inoxidável ou cobre com isolamento térmico coberto por vidro onde a água atinge temperaturas de até 85 C. A principal diferença pelo sistema ASBC é o custo, facilidade de manutenção e menor temperatura. O corpo humano sofre com o calor acima da própria temperatura, entretanto, para fins de banho o sistema ASBC é bastante satisfatório. Com um reservatório bem isolado, a água do dia anterior ainda serve para banho matinal. No trabalho COMPARAÇÃO DE DESEMPENHO ENTRE UM AQUECEDOR SOLAR DE BAIXO CUSTO (ASBC) E SEU SIMILAR CONVENCIONAL (Ana Cláudia F. Mendes e Luiz Gustavo Martins Vieira), UFU/MG, os painéis solares de PVC atingiram 40-45ºC, em teste comparativo que foi feito com painéis convencionais. Cabe ressaltar que os painéis convencionais apenas atingiram 10ºC a mais sob as mesmas condições que o de PVC. O funcionamento do aquecedor se inicia quando a energia solar atinge a superfície preta fosca dos tubos de PVC. A energia absorvida transforma-se em calor e aquece a água que está circulando no sistema. A água quando aquecida, tem o peso menor do que a água fria, então ela sobe em direção ao reservatório, que deve estar posicionado em uma altura maior do que as dos canos coletores, (fenômeno termo sifão). A água aquecida deve ficar armazenada num reservatório termicamente isolado para evitar perda de calor para o ambiente. Toda a tubulação que integra e interliga os coletores entre reservatório e chuveiro elétrico podem ser montadas com tubos convencionais de PVC, linha marrom, utilizados normalmente em instalações hidráulicas residenciais. É recomendado que os tubos de transição que transportam a água entre o coletor, o reservatório e o banheiro sejam isolados. Os tubos de PVC podem ser utilizados em temperaturas entre -15ºC até 60ºC. A temperatura de amolecimento VICAT B é entre 70ºC a 80ºC. 1.1 Coletor de PVC O coletor solar neste projeto é feito de módulos com um padrão de medida 150 cm x 116 cm compostos por 10 tubos de 25 mm de PVC, conexões Tê e Adaptador Soldável Curto com Bolsa e Rosca, onde os módulos são interligados entre si e entre o reservatório por tubos, conexões, luvas, caps, uniões, plugues e registros. O projeto pode ser elaborado em outra bitola de cano, preferencialmente de 20 mm Todos os componentes expostos aos raios solares deverão ser pintados com tinta preta fosca, para 1 (otimizar a absorção da energia), 2 (proteger o PVC contra raios UVA). Os coletores deverão ser colocados em uma superfície refletiva, mas que não atinja temperaturas tão altas que possa prejudicar o PVC. Um berço de pedriscos de cor clara junto com vidro transparente quebrado foi utilizado em nossos projetos. Para evitar a perca de energia por convecção poderá ser utilizado cobertura de vidro, Lembrando que é necessário deixar aberturas laterais para equilibrar a temperatura. Aquecedor solar BC de cano de PVC 3

4 Fig. O módulo padrão do coletor é composto pelas peças tê, adaptador e tubo de 25 mm. O mercado oferece vários fabricantes que atingem uma boa qualidade nos seus tubos e conexões de PVC. Neste projeto podem ser utilizadas peças normais da linha marrom e da branca. Os coletores são feitos em módulos contidos em 1,74m² de área que facilmente são acoplados conforme projeto. A rusticidade e a praticidade destaca este projeto. É de fácil montagem, não necessita de colas especiais é feito com adesivo de PVC comum, produto incolor (ou de cor azul), menos ofensivo e de fácil aquisição. O adesivo utilizado para a junção de peças de PVC é um solvente que derreta a superfície e as peças juntam-se por principio de solda. 1.2 Reservatório O reservatório armazena a água aquecida pelo coletor solar e funciona como a central do sistema de transferência térmica entre água fria e quente. A caixa de água tradicional é uma boa opção, mas podem ser utilizados outros recipientes de fácil acesso encontrados em ferro-velho como tambores de plástico, caixa de fibra de vidro etc. 1.3 Chuveiro Pode ser usado um chuveiro comum, independente da sua marca ou tipo. Instalar um misturador de água para equilibrar a temperatura através das duas entradas de água, a rede de água fria e a ligação de água quente entre o reservatório de água quente e o chuveiro. Em dias de chuva, utilizar o dispositivo elétrico do chuveiro. No caso da instalação do ser feita em uma casa existente e que não se deseja fazer uma nova obra de encanamento, a Sociedade do Sol propõe outras alternativas. Para dimensionar o sistema é interessante medir o consumo de água quente. Considerar o gasto de 3 litros por minuto e pessoa. Ou estimar o consumo para 200 litros de água quente por dia para uma família. Lembrar que a água quente pode ser utilizada também na cozinha e nas pias dos lavabos. Na elaboração dos desenhos e quantidades e no dimensionamento consideramos a localização em uma região quente e um fluxo diário de 200 litros/ dia. 2 Dimensionamento 2.1 Premissas geométricas Conforme o fluxo estimado, dimensionar a quantidade de painéis e o volume do reservatório. A quantidade mínima de painéis deverá ser: Aquecedor solar BC de cano de PVC 4

5 Para regiões quentes, instalar 1 coletor para cada 100 litros de consumo; Para regiões com baixa insolação, instalar 1 coletor para cada 80 litros de consumo; Para regiões frias, instalar 1 coletor para cada 60 litros; Dica: Instalar a quantidade mínima necessária, mas preparar um espaço no seu projeto para a ampliação do seu sistema. Os módulos dos painéis neste projeto são facilmente complementados. O projeto apresenta duas alternativas de reservatório, 1 (a caixa hidráulica padrão de 310 litros, inserido dentro uma caixa de 500 litros junto com isolamento), 2 (Reservatório de barril de plástico de 125 litros). Caso o consumo de água quente é bem distribuido no dia, um volume a partir de 100 litros atende. A bitola da tubulação foi é de 25 mm 2.2 A inclinação do painel Teoria de aplicação Para melhorar a captação da irradiação solar, o coletor deverá ser colocado perpendicular aos raios solares. Para sempre estar em uma boa posição, o coletor deveria ter mobilidade de giro vertical e horizontal. É possível ser feito mais elevaria muito o custo. Para elaborar um aquecedor dentro do padrão ASBC, costuma-se determinar a posição fixa que durante o ano recebe mais insolação. O que está usado para posicionamento do coletor em sentido vertical é o valor de latitude (sempre definido em graus (somado com mais 10 graus). No sentido horizontal é virado ao norte ( 12:00h em horário normal). Na construção civil, pela praticidade, não é comum expressar a inclinação em grau. A porcentagem, inclinação em % é a praticada nas obras. Elaboramos uma pequena fórmula aproximativa para este fim. Multiplicar a latitude L por 2 e somar com 20% para ter a inclinação em porcentagem. Exemplo: Parte de São Paulo fica na latitude 23. Calcular a inclinação em % necessária para o aquecedor ou placa fotovoltaica: (23 x 2) + 20 = 66%. (Cálculo exato é 64,94). O Brasil estende-se entre as latitudes norte até sul. A nossa fórmula aproximativa fornece para a latitude 0 a inclinação necessária de 20% (17,63% é o correto) e para latitude 33 a inclinação necessária de 86% (93,25 % é o correto). A nossa fórmula aproxima bem para a maior parte do Brasil, com mais cuidados no extremo sul com um desvio de -8%. Aquecedor solar BC de cano de PVC 5

6 2.2.2 Grau ou porcentagem? Tome cuidado para não confundir os conceitos % e grau. Observar que na inclinação do teto de 33 (graus), favorável para São Paulo em % é 64,94 % (por cento). O risco de confundir é fácil quando muitos tetos tem uma inclinação de 18 graus que transformado em porcentagem é 33 %. Estes tetos planos oferecem um acesso para manutenção mais tranquilo do que tetos de maior inclinação, que exigem escadas e EPI s mais sofisticados. Tetos com inclinação maior que 25 (47%) podem ser bastante arriscados para subir. Não transforme o plausível ganho do seu projeto solar em um prejuízo hospitalar, respeite o perigo de altura Teoria e realidade Estamos focando na inclinação do teto, pois antes de iniciar o projeto é necessário fazer uma escolha. Ou, trabalha com teto bastante inclinado, perpendicular aos raios do sol na sua região, ainda podendo ser necessário elaborar uma estrutura para elevar os seus coletores ao ângulo teórico. Ou, se decide aceitar um teto mais plano, compensando isso com mais coletores. Observar que a escolha de utilizar mais coletores para compensar o teto plano, ou, elaborar um suporte e/ou painel com moldura para os coletores, só é necessário para quem atua no Sul ou Sudeste do país. Imagine uma linha passando pelo Campo Grande /MS, Belo Horizonte/MG e Vitória/ES. Instalando o seu aquecedor solar no Brasil, ao norte desta linha, pode sempre instalar o aquecedor direto num teto mais plano que 20 (36%). 2.3 Estrutura Optamos por mais coletores em virtude de ter o teto de inclinação suave Estamos escolhendo colocar o coletor solar justo à inclinação do teto. A inclinação do teto é projetada com argumentos arquitetônicos, estruturais e de drenagem e o projeto do aquecedor deverá subjugar-se à essas decisões. Observar que, por motivos de imigração europeia e japonesa, os tetos em casas brasileiras estão projetados com grande inclinação para não acumular neve; pois a neve não é um problema para o brasileiro. Para um país tropical, recomendamos calorosamente os tetos das regiões áridas, como do México ou dos países árabes, mas com o importante, detalhe de sempre dar um mínimo de 3 a 5% de inclinação para satisfazer a drenagem pluvial. Com acabamento em piso, não haverá infiltração com esta inclinação mínima e o seu teto poderá ser utilizado para outros fins. Está em elaboração um artigo detalhado a respeito das vantagens de um teto para climas subtropical e tropical. Aquecedor solar BC de cano de PVC 6

7 2.3.2 Coletores Os coletores de PVC poderão ser colocados em qualquer tipo de telhado. Dependendo da situação poderá ser necessário amarrá-los, caso tenha que amarra-los, utilize fios e cordas adequadas, não metálicas para não prejudicar o PVC e aproveite os pontos de amarrações na construção, senão é necessário criar pontos de fixação. Para novas construções recomenda-se optar por um teto plano ou inclinado, de concreto coberto por piso, que além de providenciar uma economia excelente facilita o acesso de manutenção e oferece uma superfície lisa para colocação de aquecedores solares, painéis fotovoltaicos, secador de frutas ou outros projetos que gozam da irradiação solar. Caso a casa seja de telhado cerâmico ou tela ondulada de fibrocimento, recomendamos construir o berço de pedrisco/ vidro quebrado, contido por uma moldura de concreto, ou argamassa, que acompanha o telhado, mas respeite a resistência do material do teto e a necessidade de drenagem para que não haja infiltração. Para a colocação em tetos já existentes recomendamos consultar um profissional. Fig. Foto de sistema de aquecimento solar. A distância de 3m entre a saída dos coletores e a entrada do reservatório é bem maior que o mínimo recomendado de 0,50m, isso favorece a circulação de água no sistema. A inclinação do teto de 33% favorece a manutenção, mas exige compensação de mais coletores. Aquecedor solar BC de cano de PVC 7

8 2.3.3 Reservatório O reservatório poderá ser colocado em ar livre ou em área coberta, sendo que o ponto de entrada da água aquecida no reservatório deverá ser mais alta do que o ponto mais alto do coletor, a saída. Recomendamos uma distância vertical mínima de 0,50m entre a entrada e a saída. É de fato importante que o reservatório seja bem isolado. Em volta do reservatório colocar uma camada de material isolante, por exemplo isopor granulado, que tenha no mínimo 5 cm de espessura. Para confinar o material isolante, é necessário ter uma capa em volta do reservatório. A alternativa mais fácil, mas de maior custo é comprar duas caixas, utilizando para conter a água potável, uma caixa de 300 litros que armazenará a água aquecida e a outra de 500 litros para capa em volta do isolamento. A perfuração da tubulação tem que passar as duas caixas em pontos concomitantes. Seguir à risca as instruções de suporte da caixa, fornecidos pelo fabricante do mesmo. A outra alternativa é fazer o reservatório de um barril de PVC, de 100 até 200 litros, esses utilizados para armazenar grãos ou líquidos, com tampa superior que permita o acesso para a instalação da boia e possa ser feita a manutenção quando necessário. Procurar (ou fazer) duas tampas para que possa ser vedada a parte inferior e superior do barril, confeccionar uma capa para o exterior do barril, com uma chapa de alumínio ou de ferro galvanizado. Coloque o barril, rodeado pela chapa, em cima da tampa inferior e encher o espaço entre os dois cilindros com isopor granulado. Fixar a tampa inferior na chapa, mas deixar a tampa superior livre para poder retirar para manutenção. As tampas podem ser feitas por concreto leve, onde a metade dos agregados são substituídos por isopor granular. Além de ficar mais barato, o reservatório de barril com menor área de seção, deixa a água superior mais quente pelo fato de ocupar uma área menor. Uma forma mais barata, mas também de pior acabamento é usar lona em vez de chapa. Aquecedor solar BC de cano de PVC 8

9 Fig. Sistema completo de ASBC 3 Melhoramento térmico 3.1 Medidas geométricas O berço de pedrisco/ vidro quebrado pode em piso liso ter espessura de 1 cm e em telhas onduladas deve consequentemente acompanhar as ondulações e sobrepor a onda alta com 1cm. Providenciar proteção lateral com borda de 5 a 7 cm para evitar fuga de partículas pelo vento. Caso deseje, pode cobrir o coletor com vidro. Alternativamente, em vez de fazer o berço de material granular, pode pintar o fundo dos coletores com cor metálica ou cobrir com chapas de alumínio ou aço inox. À chapa de alumínio poderá ser cortada de latas de alumínio, que no momento não tem o valor de mercado que deviam ter para melhor valorizar o esforço de catadores e de pessoas que respeitam o meio ambiente. Um isolamento abaixo dos coletores ajuda mais ainda a preservar o calor para o destino de armazenagem. Pode ser um colchão de espuma de 1 cm, coberto por filme de alumínio. Aquecedor solar BC de cano de PVC 9

10 4 Manutenção 4.1 Coletores e canos de transição O nosso ASBC requer uma manutenção mínima. Pela rusticidade das peças de PVC, não será rápido a deterioração pelo tempo, ao contrário de outros sistemas. Como todo o produto de PVC tem validade pelo tempo, mas deve suportar de 6 a 8 anos exposto aos intemperismos normais no Brasil. Para aumentar o tempo de vida, repintar quando necessário. Sempre manter o sistema cheio de água, pois a água funciona como resfriador nos canos. Caso o sistema de transição entre coletor e o reservatório contenham curvas, pode acontecer acumulação de bolhas de ar, que pode causar além de falhas no abastecimento, poderá criar também vazamentos e ressecar o PVC se deixado assim por muito tempo. Se não foi projetado um trajeto que elimine as bolhas de ar, pode ser necessário incluir um respiro no ponto problemático. É só abrir o sistema e conectar um tubo vertical um pouco acima do nível mais alto da água na caixa. É importante vedar o respiro com tela, tecido ou espuma, para que o ar possa passar, mas que impeça a entrada de mosquitos no sistema. 4.2 Reservatório Segue as instruções dadas pela companhia de água estadual de limpeza do reservatório, limpar com maior frequência, pois água aquecida oferece melhores condições para crescimento de microorganismos. O ladrão do reservatório deverá ser vedado, apenas deixando o ar e água passar. O reservatório deverá, por motivos de higiene e eficiência de armazenamento, ser utilizado exclusivamente para água aquecida. A água aquecida oferece uma temperatura bastante atrativa para bactérias. Portanto, deverá fazer a manutenção no reservatório de água quente mais frequente do que em um reservatório de água fria e de forma nenhuma usar a água para outras finalidades do que tomar banho. Sendo vedado o uso de preparação de comida ou para beber. Para quem tem espaço extremamente limitado e ainda deseja ter um sistema ASBC, existe uma caixa mista, que funciona por retirada de água em níveis diferenciados, aproveitando a laminação térmica natural da água. Para tal caixa, consultar a Sociedade do Sol. Aquecedor solar BC de cano de PVC 10

11 Fig. Vista de dentro do reservatório em funcionamento. 5 Outros detalhes 5.1 Posicionamento do coletor Existe mais um ângulo a respeitar no posicionamento do coletor, que não foi comentado no item da inclinação do mesmo. O texto sobre a inclinação tratou o aspecto de melhor posição de irradiação. A inclinação no sentido lateral é para facilitar a circulação da água e evitar que bolhas de ar ficam presas no coletor. Bolhas de ar em sistemas hidráulicos formam barreiras que impedem a circulação do líquido. Portanto, procurar ter uma inclinação ascendente de 5% ao sentido da saída do coletor e caso necessário em outro local no sistema, instalar respiro. O isolamento térmico em volta de toda a caixa deverá ser o melhor possível para minimizar as perdas de calor, que ocorre em qualquer ponto não isolado. EPS (isopor) é um material de isolamento de baixa condutividade térmica e portanto um excelente isolante. O mais fácil é colocar isopor em flocos ou grãos em uma camada de espessura maior que 100 mm, colocado entre um reservatório é outro reservatório, ou um divisor de blocos, tijolos, concreto, fibrocimento ou chapa de plástico ou de metal. Aquecedor solar BC de cano de PVC 11

12 5.2 Acessórios ao reservatório Tubo anti-turbulência É importante equipar a entrada da água fria da torneira da boia associada com um tubo de 75 mm de diametro pendurado verticalmente que serve para levar a água fria ao fundo da caixa. Assim evita-se a turbulência e a mistura da água fria com a água quente. A tendência da água é instalar-se no nível térmico em lâminas, com a água fria em baixo e a água quente em cima. Isto ocorre porque com menos atividade molecular, o peso específico de água fria torna-se maior Descarga dinâmica O reservatório pode ser equipado com um dispositivo que serve para levar ao chuveiro a água que tem articulação ou é flexível para sempre encontrar se na superfície da água, a posição mais alta e mais quente dentro da caixa. A Sociedade do Sol o chama pescador e utiliza-ló como padrão nos seus projetos de aquecedores Pintura Regra: Tudo que possível pintar no sistema, pintar de preto fosco, exceto o berço e as laterais dos coletores que deverão funcionar como refletores, senão for de brilho metálico, ser de cor branca Complexidade ou simplicidade Lembre que cada item de sofisticação pode transformar-se em mais um item de manutenção. Conforme a sua necessidade, hábito e disponibilidade, escolha a complexidade que mais enquadra nas suas rotinas. Aquecedor solar BC de cano de PVC 12

13 Fig. Barril de plástico utilizado como reservatório, virado com fundo para cima. Os furos de entradas e saídas são equipados com flange onde se conecta o sistema de tubulação. A direita, a chapa de ferro galvanizado para envolver a camada de isolamento em volta do barril. No fundo, o reservatório comercializado no mercado. Aquecedor solar BC de cano de PVC 13

14 6 Quantidades Item Descrição Bitola Un Quant PU Preço Utilidade MODULO (01/03/2014) 1 T SOLDÁVEL 25 un 20 R$ 0,95 R$ 39,00 2 Adaptador Soldável Curto com Bolsa e Rosca Macho 25 x 3/4" un 4 R$ 0,60 R$ 5,60 3 Tubo PVC 25 m 16,43 R$ 2,53 R$ 107,29 SISTEMA COM 1 COLETOR R$ 151,89 (Preço/módulo) 4 CURVA 90 SOLDÁVEL 25 un 4 R$ 2,00 R$ 8,00 Rede tubulação 5 LUVA SOLDÁVEL 25 un 10 R$ 0,50 R$ 5,00 Rede tubulação 1 T SOLDÁVEL 25 un 21 R$ 0,95 R$ 19,95 Módulo 2 Adaptador Soldável Curto com Bolsa e Rosca Macho 25 x 3/4" un 4 R$ 0,60 R$ 2,40 Modulo / Conexão 6 Adaptador Soldável Curto com Bolsa e Rosca Fêmea 26 x 3/4" un 9 R$ 1,25 R$ 11,25 Conexão 7 CAP com rosca 25 un 2 R$ 1,33 R$ 2,66 Conexão 8 União 25 un 2 R$ 5,10 R$ 10,20 Conexão 9 Registro 25 un 2 R$ 10,30 R$ 20,60 Conexão 10 Plugue 25 un 2 R$ 0,50 R$ 1,00 Conexão 3 Tubo PVC 25 m 28,43 R$ 2,53 R$ 71,93 Modulo / Rede tub. 15 Tubo PVC 75 m 1 R$ 8,00 R$ 8,00 Reservatório 11 Reservatório 310 litros - un 1 R$ 150,00 R$ 150,00 Reservatório 12 Torneira com boia 25 m 5 R$ 18,00 R$ 90,00 Reservatório 13 Flange 25 un 5 R$ 5,00 R$ 25,00 Reservatório 14 Isopor granular - m³ 0,5 R$ 30,00 R$ 15,00 Reservatório 16 Adesivo 175ml] - un 1 R$ 11,65 R$ 11,65 Reservatório 17 Reservatório 500 litros - ml 1 R$ 220,00 R$ 220,00 Reservatório Total R$ 659,64 Aquecedor solar BC de cano de PVC 14