SOLARES TÉRMICOS Luís Miguel Rodrigues de Carvalho, Joaquim Carlos Lopes Barbosa, Tiago Manuel Machado Teixeira e Vítor Manuel Lourenço Calado

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1 MANUAL DE INSTALAÇÃO DE SISTEMAS SOLARES TÉRMICOS Luís Miguel Rodrigues de Carvalho, Joaquim Carlos Lopes Barbosa, Tiago Manuel Machado Teixeira e Vítor Manuel Lourenço Calado

2 PREFÁCIO A eficiência energética dos edifícios é, hoje, um imperativo na nova construção, bem como no setor da reabilitação urbana. Um bom desempenho energético só é possível alcançar com o contributo das energias renováveis e, em particular, com a integração dos Sistemas Solares Térmicos. O ganho e o contributo energético destes sistemas dependem, entre outros fatores, da seleção da tecnologia a aplicar, mas essencialmente, de um correto dimensionamento, da execução da instalação e da manutenção preventiva. Estes fatores são determinantes para o bom funcionamento e para a durabilidade dos sistemas, e resultam fundamentalmente da competência técnica dos profissionais que os executam. A qualificação destes profissionais é um fator diferenciador na competitividade das empresas e é também o reflexo do mercado, do estado da arte, do setor das energias renováveis. A aposta na formação e no desenvolvimento das competências dos profissionais é um elemento chave para o sucesso da implementação dos planos estratégicos nacionais de ação, no âmbito da eficiência energética e das energias renováveis. Estes planos definem metas e objetivos bastante ambiciosos para o nosso país. É neste contexto, e conscientes da relevância deste tema, que aceitamos o convite para escrever este livro. Consideramos que, publicar o nosso conhecimento e a nossa experiência nesta área, seria um excelente contributo para a qualificação dos profissionais e, consequentemente, para o desenvolvimento do setor. Adicionalmente, julgamos tratar-se de uma ferramenta útil de apoio académico, para os professores e alunos, da área das energias renováveis. Neste livro, abordamos, de uma forma abrangente, toda a temática associada à instalação dos Sistemas Solares Térmicos, evidenciando sempre as boas práticas. São expostos temas relevantes, tais como: conceitos e grandezas físicas, dimensionamento dos sistemas, tecnologias, tipologias de sistemas, esquemas hidráulicos, o planeamento e a preparação dos trabalhos, segurança do trabalho e manutenção preventiva. Coordenador da Formação, Documentação e Suporte Técnico da Vulcano Ismael Leite

3 ÍNDICE 1. introdução 1.1 Portugal e a energia solar térmica 1.2 Enquadramento legal Ligação em paralelo Exemplos de ligações hidráulicas conceitos de física 2.1 Introdução 2.2 Grandezas 2.3 Mecânica 2.4 Hidráulica 2.5 Termodinâmica 2.6 Eletricidade 3. conceitos solares 3.1 Radiação 3.2 Movimento Terra-Sol 3.3 Curvas de penalização 3.4 Determinação de sombras 4. tipos de sistemas solares térmicos 4.1 Sistema termossifão 4.2 Opções de instalação 4.3 Sistema de circulação forçada Sistemas diretos e indiretos Acumuladores Circulação invertida Estratificação Grupo hidráulico (estação solar) Vaso de expansão Controladores Controladores para uma aplicação Controladores para várias aplicações Ligações hidráulicas Ligação em série Ligação em paralelo de canais fixação dos coletores 5.1 Circulação natural - termossifão 5.2 Circulação forçada 6. esquemas hidráulicos de princípio 7. arranque da instalação 8. manutenção do sistema solar 9. introdução à tecnologia dos sistemas solares térmicos 10. princípios básicos para o aproveitamento da energia solar 11. conversão térmica da energia solar 11.1 Constante solar 11.2 Corpo negro 11.3 Superfície seletiva 11.4 Coeficientes de absortância (α) e emitância (ε) 11.5 Corpo transparente e corpo opaco 11.6 Efeito de estufa 12. coletores solares 12.1 Tipos de coletores solares térmicos 12.2 Elementos constituintes de um coletor plano Cobertura transparente Superfície absorsora Isolamento posterior Caixa 12.3 Estudo energético Parâmetros de performance Potência instantânea Caudal recomendado 12.4 Considerações hidráulicas

4 Ligações em série Ligações em paralelo Ligações em paralelo de canais Ligações mistas Série-paralelo Paralelo de canais/paralelo Considerações sobre as ligações 12.5 Perda de carga no campo de coletores Acidentes de trabalho 15.4 Legislação aplicável 15.5 Áreas de grande risco 15.6 Equipamentos de proteção individual - EPI 15.7 Trabalhos em altura 15.8 Utilização de escadas - Medidas de prevenção 15.9 Andaimes armazenamento de calor e apoio 13.1 Estratificação 13.2 Redes de distribuição de águas para consumo 13.3 Dimensionamento e critérios Perfis de consumo Temperaturas de utilização Área de coletores instalada Dimensionamento segundo R.C.C.T. E 13.4 Isolamento térmico 14. circuitos solares 14.1 Tubagens e materiais Dimensionamento Capacidade interna das tubagens Isolamento térmico Misturas anti-congelantes 14.2 Bombas circuladoras Grupos hidráulicos 14.3 Permutadores de calor 14.4 Dispositivos de segurança Vasos de expansão conceito de projeto solar térmico 16.1 Definição de projeto 16.2 Levantamento da informação 16.3 Estrutura da memória descritiva de um projeto solar térmico 16.4 Considerações acerca do projeto 16.5 Estimativa de produção anual de energia 16.6 Componentes de um sistema - Características técnicas 16.7 Viabilidade económica 16.8 Considerações finais 16.9 Garantias 17. interpretação de desenhos técnicos 18. planeamento e preparação do trabalho 19. bibliografia segurança no trabalho 15.1 Utilização de produtos químicos 15.2 Extintores

5 14 Manual de Instalação de Sistemas Solares Térmicos O conceito de dilatação dos líquidos é muito importante, já que está sempre presente em circuitos térmicos, com líquidos aquecidos, como os que abordaremos neste âmbito. Denomina-se por caloria a quantidade de calor necessária para elevar de um grau centígrado a temperatura de um grama de água. A quantidade de calor absorvida por um corpo ao passar de uma temperatura inicial ti a uma temperatura final tf é dada pela expressão: Q = m C p (Δt ) Q Quantidade de calor necessária (cal) m massa do corpo a aquecer (g) C p Calor específico do corpo (cal/g C) Δt Diferença entre a temperatura final (tf ) e a temperatura inicial (ti) ( C ou K) Sempre que um corpo altera o seu estado físico entre sólido, líquido e gasoso, dizemos que houve uma mudança de estado. Durante qualquer mudança de estado há uma absorção de calor sem variação de temperatura, tendo a pressão atmosférica uma influência sobre as temperaturas de mudança de fase. Por exemplo, à pressão de uma atmosfera, um grama de gelo necessita de 80 calorias para passar do estado sólido para o estado líquido e esse grama de água necessita de 539 calorias para passar do estado líquido para o estado de vapor. Fig. 3 Mudanças de estado da água à pressão de uma atmosfera Calor latente: Grandeza física que determina a quantidade de calor que uma unidade de massa de determinada substância deve receber para mudar de estado físico. Calor específico: Grandeza física que define a energia necessária para elevar 1 C a temperatura de determinada substância sem haver mudança de fase. Calor sensível: Grandeza física que determina a quantidade de calor que uma unidade de massa de determinada substância é capaz de receber ou ceder sem mudar o seu estado físico. Propagação de calor A energia pode-se transmitir de três formas distintas: Condução: Tem de existir um contacto físico entre dois corpos sólidos a diferentes temperaturas. O corpo com menor temperatura vai absorver a temperatura do corpo com temperatura mais elevada até se atingir um equilíbrio térmico.

6 Manual de Instalação de Sistemas Solares Térmicos 15 Fig. 4 Condução de calor Convecção: Processo de transporte de massa caracterizado pelo movimento de um fluido devido à sua diferença de densidade, especialmente por meio de calor. Fig. 5 Convecção de calor Radiação térmica: É a radiação eletromagnética emitida por um corpo em equilíbrio térmico causada pela variação de temperatura do mesmo. É um mecanismo de transmissão de energia entre dois corpos a temperaturas diferentes, como por exemplo o Sol e a Terra. No processo de radiação há transferência de energia sem ser necessária a presença de um meio material, pois as ondas eletromagnéticas propagam-se no vazio. Fig. 6 Radiação de calor

7 18 Manual de Instalação de Sistemas Solares Térmicos 3.2. Movimento Terra Sol A Terra roda em torno de um eixo imaginário que liga o Polo Norte ao Polo Sul, chamado de eixo polar, descrevendo uma órbita elíptica em torno do Sol. Este eixo é quase perpendicular ao plano da elíptica formando um ângulo com a normal ao plano da órbita de Ao fim de 24 horas dá uma volta completa sobre si mesmo, o que dá origem à sucessão dos Fig. 9 Movimento Terra Sol dias e das noites. A trajetória do movimento da Terra em torno do Sol é aproximadamente circular, existindo uma altura do ano em que a Terra está mais próxima do Sol. Esse dia é o 4 de janeiro. Durante os equinócios da primavera e do outono a duração dos dias é igual à das noites uma vez que a declinação solar é nula. É nesses dias que podemos dizer que o Sol nasce a Este e põe-se a Oeste. Fig. 10 Trajetória terrestre Durante o solstício de verão a declinação solar é de e o período diurno é maior que o período noturno, sendo o solstício de inverno o oposto, ou seja, a declinação solar é de e o período diurno é menor que o período noturno. Fig. 11 Declinação solar Podemos então chamar declinação ao ângulo formado entre a direção da radiação e o plano do equador.

8 Manual de Instalação de Sistemas Solares Térmicos Curvas de penalização As curvas de penalização são ferramentas gráficas utilizadas em aplicações solares para detetar as penalizações energéticas que os coletores solares irão ter quando se interfere com a inclinação dos mesmos. Estas curvas de penalização têm origem no parâmetro da energia dividida pela energia para a inclinação ótima de acordo com um determinado período considerado (verão/inverno/anual). Os coletores devem ser instalados de tal forma a que ao longo do período anual de utilização se aproveite a máxima radiação solar. No caso de Portugal, de uma forma geral, devem-se orientar a Sul geográfico 1, não coincidente com o Sul magnético definido pela bússola. O Norte geográfico está cerca de 5 para a direita do Norte magnético em Portugal continental e 11 nos Açores. As curvas de penalização devem ser usadas de forma adequada ao período de utilização. Quando se efetua a instalação de um coletor solar é importante saber quais as opções existentes para a sua colocação, no que se refere à inclinação e orientação. O compromisso entre o impacto visual da instalação e o aproveitamento máximo da radiação solar é algo importante de avaliar em cada situação. É claro que o ideal será sempre obter as duas situações, mas muitas vezes vemo-nos confrontados com constrangimentos que nos obrigam a optar por uma das duas situações em detrimento da outra. Em qualquer situação, as soluções terão de ser explicadas ao utente de modo a ser ele a optar por uma delas. De uma forma sucinta, desvios até 25 relativamente ao azimute Sul não afetarão gravemente o rendimento e a energia térmica fornecida pelo equipamento. Se o desvio for para Leste, o período diário de captação adiantar-se-á uma hora por cada 15 de desvio relativamente a um equipamento orientado a Sul geográfico. Se o desvio for para Oeste, esse período de captação irá retardar-se na mesma proporção que para Leste mas com um ligeiro acréscimo de rendimento, uma vez que irá funcionar mais tempo durante as horas em que a temperatura do ambiente é mais elevada. A tabela 5 dá uma orientação sobre as inclinações que normalmente se devem dar aos coletores solares, de acordo com a época do ano e tipo de utilização: Utilização Ângulo Todo o ano (AQS) Latitude do local 5 Inverno (AQS e aquecimento) Latitude do local + 15 Verão (Piscinas/hotelaria de temporada) Latitude do local 15 Tabela 5 Ângulo de Inclinações do coletor solar Fig. 12 Curvas de penalização (Solstícios) 1 Podemos determinar o Sul geográfico através da direção de uma sombra projetada por uma vara às 12 horas solares.

9 24 Manual de Instalação de Sistemas Solares Térmicos Para outras latitudes, por exemplo 37, deve-se mudar a escala da inclinação e somar 3. Se a latitude for de 45, então será necessário subtrair TIPOS DE SISTEMAS SOLARES TÉRMICOS Para o aquecimento de água, no que diz respeito à captação de energia proveniente da radiação solar, existem dois sistemas possíveis: Circulação Natural (termossifão); Circulação Forçada. A opção de escolha entre estes dois tipos de sistemas solares térmicos dependerá da carga energética que se pretenda cobrir, do tipo de hidráulica e das condicionantes do local destinado à instalação Sistema termossifão O sistema de circulação natural, denominado de termossifão, é aplicado a instalações de dimensões mais reduzidas e na produção de águas quentes sanitárias, pois é um sistema limitativo em termos de produtividade solar, de capacidade de armazenamento de energia e de área de captação. De qualquer forma, é um sistema com uma maior facilidade de instalação e não depende de meios mecânicos (para a circulação de fluido) ou controlos eletrónicos para o seu perfeito funcionamento. Quando a radiação solar incide no coletor, verifica-se um aumento da temperatura do fluido solar que percorre a tubagem do circuito primário. Este, com o aumento da temperatura, diminui a densidade, favorecendo o seu movimento, ou seja, a circulação faz-se por convecção natural. Já que a densidade do Fig. 21 Circuito hidráulico termossifão fluido diminui devido ao seu aquecimento, então este ascenderá do coletor para o depósito e o fluido mais frio descenderá para o coletor (ver figura 21). Este processo é contínuo desde que exista uma diferença de temperatura entre o acumulador e o coletor, suficiente para criar movimento no fluido térmico. Quando o fluido solar sobe e atinge o permutador do acumulador, transmite energia na forma de calor, aquecendo a água que se encontra no interior do mesmo. Quanto maior for a radiação solar disponível, maior será o caudal de fluido térmico e, se não houver radiação ou a temperatura no coletor não for superior à do depósito, não haverá circulação e, consequentemente, não será aquecida a água do acumulador, havendo necessidade de prever um sistema de apoio. Na figura 21 está representado o princípio de funcionamento do sistema solar tipo termossifão. Como já foi referido anteriormente, um sistema solar térmico, independentemente do tipo de instalação, deverá ter obrigatoriamente um acumulador, para aprovisionar toda a energia da radiação solar que atinge o coletor a cada momento. Seguidamente estão representadas duas ilustrações do acumulador do sistema termossifão. Fig. 22 Ligações hidráulicas ao acumulador

10 Manual de Instalação de Sistemas Solares Térmicos 25 Fig. 23 Constituição do acumulador Para se aproveitar ao máximo a eficiência do sistema, tal como representado na figura 24, é importante garantir que as ligações do fluido solar no circuito primário estejam cruzadas, ou seja, que o retorno do acumulador seja ligado na parte inferior do coletor de um dos lados e a ida ao acumulador que saia do coletor na parte superior do lado oposto. Das quatro ligações disponíveis (para flexibilizar a instalação, dependendo da sua geometria) aquelas que não forem utilizadas têm de ser tamponadas, de modo a garantir a estanquidade do sistema Opções de instalação Mediante as características das diversas instalações, é necessário escolher e adaptar as soluções existentes. É possível instalar este tipo de sistemas termossifão em telhados inclinados e em telhados de cobertura plana. É necessário que um instalador, antes de iniciar os seus trabalhos, aprofundado no capítulo V, dê prioridade máxima ao planeamento e estudo da instalação, pois os acessórios de montagem divergem dependendo do tipo de telhado. Representamos seguidamente alguns exemplos dos dois tipos de instalação: Fig. 24 Ligações do coletor ao acumulador Fig. 25 Superfície plana, acumulador de 150 ou 200 L Fig. 26 Superfície plana, acumulador de 300 L

11 28 Manual de Instalação de Sistemas Solares Térmicos Acumuladores de inércia (sem permutador interno); Acumuladores de dupla camisa; Acumuladores combi. Nos sistemas de acumulação deve-se procurar as seguintes características: Elevada capacidade calorífica; Reduzidas perdas térmicas; Temperatura de utilização adaptada à necessidade energética; Rápida resposta ao consumo; Fácil integração no edifício; Elevada fiabilidade; Fácil manutenção. Os acumuladores de maior volume são indicados para situações de maior consumo (grandes habitações, escolas, pequenas indústrias, edifícios públicos, balneários, instalações hoteleiras, etc.), com necessidade de abastecimento simultâneo de água quente em vários pontos de consumo. Os acumuladores de pequena e média dimensão são mais indicados para apartamentos e vivendas de média dimensão, permitindo conforto e economia, fornecendo simultaneamente e de forma imediata água quente em vários pontos de consumo. Nas soluções solares térmicas, a captação de energia solar nem sempre é igual ou superior ao consumo, devido às variações existentes de disponibilidade de radiação solar. Logo não é possível fornecer em todas as situações energia suficiente para a globalidade das necessidades, existindo sempre a necessidade de agregar à instalação uma fonte térmica de apoio. Este sistema de apoio térmico poderá estar interligado com o depósito de duas formas distintas: No caso do depósito de uma serpentina, o caudal disponível é limitado, uma vez que a água pré-aquecida será enviada do acumulador para o equipamento de apoio de águas quentes sanitárias instantâneas. Esta fonte térmica tem como função incrementar a temperatura da água de consumo, caso o sistema solar não o consiga. Fig. 33 Exemplo de sistema solar num depósito de uma serpentina com caldeira de águas diretas

12 Manual de Instalação de Sistemas Solares Térmicos 29 No caso de um depósito de dupla serpentina, o conforto térmico é superior, devido a uma maior disponibilidade de água quente, uma vez que o equipamento de apoio aquece diretamente o acumulador, que atua quando a energia fornecida pelo sistema solar não é suficiente para as necessidades de consumo. Nesta solução, as trocas energéticas são todas efetuadas no interior do acumulador. Por esta razão, deverá instalar-se um relógio que impeça o funcionamento do aparelho de apoio, durante as horas de maior radiação solar. Fig. 34 Exemplo de sistema solar num depósito de duas serpentinas e caldeira de acumulação Circulação invertida Durante o período noturno, em que se regista uma diminuição de temperatura ambiente, o sentido da circulação do líquido solar pode inverter-se, ou seja, a temperatura do coletor será inferior à do depósito. Para evitar este fenómeno, é importante garantir a instalação de uma válvula de retenção na ida do fluido solar quente ao depósito. Estas válvulas já estão integradas na maioria dos grupos hidráulicos Estratificação Estratificação é o fenómeno de separação em camadas ou estratos de qualquer formação natural ou artificial que se encontrava em forma homogénea. No caso dos acumuladores, temos toda a vantagem em conseguir aproveitar a estratificação para separar, no interior de um acumulador, a água quente da água fria. Fig. 35 Exemplo de uma instalação com circulação invertida

13 36 Manual de Instalação de Sistemas Solares Térmicos 5. FIXAÇÃO DOS COLETORES 5.1. Circulação natural termossifão Numa instalação de termossifão existem conjuntos de fixação para telhado inclinado ou para superfície plana. A ilustração representada é para uma instalação de dois coletores. Conjunto de instalação de base para sistema de 150/200 l Pos. N.º Designação Pos. N.º Designação 1 2x Fita do acumulador 1 1x Fita do acumulador Conjunto de instalação de ampliação para sistema de 300 l 2 2x Perfil do acumulador 2 1x Perfil do acumulador 3 4x Tensor de coletor simples 4 2x Perfil TP/CT 4 2x Perfil TP/CT 5 1x Perfil do coletor 5 2x Perfil do coletor 7 2x Tensor de coletor duplo 6 2x Proteção contra deslizamento 6 2x Proteção contra deslizamento 8 10x Lingueta 8 5x Lingueta 10 2x Conetor de encaixe TSS 9 2x Conetor de encaixe 12 2x Parafuso M8 x x Ângulo de posição 2x Anilha 12 1x Parafuso sextaxado M8 X 50 4x Porca M8 1x Anilha 12x Parafuso de cabeça lenticular M8 x 20 2x Porca M8 6x Parafuso de cabeça lenticular M8 X 20 Fig. 50 Exemplo de uma estrutura e seus elementos de um termossifão para telhados planos Para superfície plana existe outro tipo de estrutura onde os coletores ficarão fixos.

14 Manual de Instalação de Sistemas Solares Térmicos 37 Fig. 51 Exemplo de uma estrutura de um termossifão para superfícies planas 5.2. Circulação forçada Na circulação forçada em telhado inclinado, a estrutura é diferente do sistema termossifão, pois não sendo necessário fixar o acumulador, tem apenas os perfis de encaixe para os coletores (fig. 52). Item N.º Designação Item N.º Designação 1 2x Perfil 1 2x Perfil 3 4x Tensores de coletor unilaterais 2 2x Tensores de coletor bilaterais 7 2x Proteção contra deslizamento 7 2x Proteção contra deslizamento 8 4x Parafuso M8 6 2x Ligador de encaixe com pernos roscados 8 4x Parafuso M8 Ligação ao telhado com telhas, por coletor 4 4x Gancho para telhado, regulável 5 4x Porca móvel Fig. 52 Exemplo de uma estrutura para sistemas forçados e seus elementos, para telhados inclinados

15 40 Manual de Instalação de Sistemas Solares Térmicos Fig. 58 Esquema solar com depósito de uma serpentina e apoio de caldeira mural por acumulação Fig. 59 Esquema solar com duas aplicações: A.Q.S. e apoio ao aquecimento central por baixa temperatura

16 Manual de Instalação de Sistemas Solares Térmicos 41 Fig. 60 Esquema solar com duas aplicações: A.Q.S. e apoio à piscina Fig. 61 Esquema solar com três aplicações: A.Q.S, apoio ao aquecimento central e apoio à piscina