Sistemas de aquecimento de água Dimensionamento

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Iasmin Fidalgo Domingos
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1 Universidade do Vale do Rio dos Sinos UNISINOS Programa de Pós-Graduação em Engenharia Mecânica Sistemas de aquecimento de água Dimensionamento 2 º. semestre, 2017

2 Coletores planos

3 Faixas de temperatura 3

4 Coletores solares 4

Coletores planos Área bruta: é o produto das dimensões externas do coletor e define, por exemplo, a área mínima necessária para sua montagem; Área de abertura: corresponde à área de iluminação do

5 Coletores planos Área bruta: é o produto das dimensões externas do coletor e define, por exemplo, a área mínima necessária para sua montagem; Área de abertura: corresponde à área de iluminação do coletor, isso é, a área através da qual a radiação solar atravessa em direção ao absorvedor; Área do absorvedor: corresponde a área real da placa absorvedora (também chamada de área efetiva do coletor).

6 Tipos de coletores coletores planos sem cobertura 6

7 Tipos de coletores coletores planos Tipo serpentina Absorsor de serpentina (superfície-total) Absorsor de superfície-total Múltiplos tubos 7

8 Tipos de coletores Integral Collector Storage(ICS) 8

9 Tipos de coletores evacuados

10 Tipos de coletores evacuados tipo tubo em U

11 Tipos de coletores evacuados tipo tubo de calor

12 Tipos de coletores evacuados Seção transversal de um coletor evacuado water-in-glass 12

13 Tipos de coletores rendimento 13

14 Dimensionamento de sistemas método da carta F Procedimentos de cálculo determinação de (F R U L ) e (F R τα): Obtidos a partir da curva de eficiência instantânea do coletor. Para a curva abaixo, tem-se que: y 1 y 2 A T a FRU L = ( y1 y2) ( x x ) 1 ( τα ) y( A) FR n = 2 x 1 x 2 14

15 Dimensionamento de sistemas 15

16 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, consumo, etc). O dimensionamento pode ser realizado através de simulações complexas dos sistemas envolvidos utilizando ferramentas computacionais como, por exemplo, TRNSYS, Polysunou T*Sol, que podem ser utilizadas para estudos de otimização de sistemas. Ou através de ferramentas que fornecem resultados de prédimensionamento 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. 16

17 F-Chart Programa comercial, elaborado na Universidade de Wisconsin em É o método mais antigo de análise de dimensionamento de SAS. Utiliza correlações para o desempenho do sistema, baseado em um grande número de simulações computacionais realizadas no TRNSYS. Utiliza apenas informações climáticas de irradiação solar horizontal diária média mensal e temperatura ambiente para o local utilizado. Acessa diversos bancos de dados(tmy2 e TMY3) e permite 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).

18 F-Chart Dados de entrada da configuração do sistema e do local da instalação. 18

19 F-Chart Dados de saída (análise térmica). 19

20 F-Chart Dados de saída (análise econômica). 20

21 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. Verdetalhes em: Beckman, W.A.; Klein, S.A.; Duffie, J.A., Solar heating design by the f-chart method. New York: John Wiley, 200p. 21

22 Dimensionamento de sistemas método da carta F 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 mas não em sistemas operando com termosifão. 22

23 Dimensionamento de sistemas método da carta F Critérios de projeto para sistemas domésticos Temperatura de operação: a maioria dos projetos considera uma temperatura de 60 C; Volume do reservatório térmico: entre 50 e 75 Lm -2 de área de coletor. 23

24 Determinação da carga térmica de aquecimento Para sistemas de aquecimento doméstico de água, pode-se utilizar a expressão abaixo: ( T T ) c [ J] L = N n Con w m ρ p onde Né o número de dias do mês; no número de pessoas; Coné o consumo de água quente, por pessoa, em L (Tab.1); T w é a temperatura mínima aceitável para a água de consumo, igual a 60 C; T m é a temperatura de fornecimento de água pela rede, em C; ρa massa específica da água, igual a 1 kg/l e cpo calor específico da água, igual a 4180 J/kg. C. Para sistemas de aquecimento comercial ou industrial, usa-se a expressão: L = V ρ c p ( T T ) [ J] w m onde Vé o volume mensal de água quente consumida, em litros. 24

25 Dimensionamento de sistemas método da carta F 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,

26 Dimensionamento de sistemas método da carta F Tabela 2. Consumo de água quente 26

27 Dimensionamento de sistemas método da carta F Tabela 3. Temperatura da água de alimentação (média diária mensal) Mês T a, C T w, C janeiro fevereiro março abril maio junho julho agosto setembro outubro novembro dezembro

28 Dimensionamento de sistemas método da carta F Tabela 4. Temperatura ambiente média mensal 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. 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 28

29 Dimensionamento de sistemas método da carta F Incremento médio na tarifa de energia elétrica ficou em torno de 6,6% ao ano. 29

30 Dimensionamento de sistemas método da carta F Inflação 30

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