Dimensionar Sistema Solar Térmico AQS

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Que variáveis devemos ter em consideração no dimensionamento de um sistema solar de águas quentes sanitárias?

O correcto dimensionamento de um sistema solar de Águas Quentes Sanitárias (AQS) deve começar pela recolha dos perfis de consumo, levantamento das características do local e utilização de softwares de simulação adequados, como por exemplo o SOLTERM do LNEG.

Mais informações do Solterm aqui

No entanto, a simplificação destes procedimentos, bem como dos habitualmente recomendados para o resto do projecto, não levarão forçosamente a um pior dimensionamento.

Em 8 passos indicados abaixo, podemos rapidamente definir os principais componentes do sistema solar.

1.      Consumos estimados

Numa instalação existente é sempre mais rigoroso recolher os registos de consumos. Mas raramente isto é possível, e em instalações novas é mesmo impossível a obtenção de registos.

Para ultrapassar esta dificuldade é necessário recorrer a uma base de dados com médias de consumos por tipologias.

Uma muito adequada, é a da pergunta 17 do caderno de perguntas e respostas do RCCTE da ADENE.

Tabela 1. Consumos diários de referência da pergunta 17 do caderno de perguntas e respostas do RCCTE da ADENE.

Consumos referência AQS

É importante referir que a temperatura de referência desta tabela são 60ºC.

2.      Volume de acumulação

AQS solar térmico Restaurante

Quando se dimensiona uma acumulação solar idealmente deve ser assumido que se pretende acumular a radiação disponível de 24 horas, independentemente do perfil de consumo.

Numa situação real é provável que o sistema esteja a aquecer todo o dia, para à noite, em uma ou duas horas ocorra o consumo total diário.

A melhor forma de garantir o aproveitamento total da radiação solar é igualar o volume de acumulação ao consumo diário a 45ºC.

Uma vez que do passo 1 se obteve o consumo diário a 60ºC é necessário converter este valor para o correspondente consumo diário a 45ºC.

A equação 1 é uma simplificação desta conversão:

equação 1

Em que:               C60ºC       =>          Consumo a 45ºC  [l/dia]

C60ºC       =>          Consumo a 60ºC [l/dia]

 3.      Cálculo da área de colectores solares térmicos

Colectores solares pavimento radiante e AQS

O cálculo da área de captação tem que ser baseado no volume de água de acumulação. Apenas baseando nesta relação é possível saber as temperaturas médias da acumulação (excluindo os consumos), prevendo se o sistema entrará em sobreaquecimento no Verão ou não.

Uma relação empírica empregável neste passo é considerar 6 metros quadrados por cada 500 litros de acumulação.

Esta relação é fiável para a grande maioria dos colectores planos selectivos existentes no mercado. Hoje em dia a generalidade destes colectores tem aproximadamente 2 m2, rendimentos ópticos entre 75% e 80% e factores de perdas de primeira ordem entre 3,5 e 4,5 W/m2K.

A equação abaixo resume este passo 3:

equação 2

Em que:               V             =>          Volume de acumulação [l]

4.      Cálculo do caudal do circuito primário

Grupos hidráulicos solar térmico

O passo seguinte tem que ser o cálculo do caudal necessário para se poder de seguida dimensionar toda a tubagem.

Uma regra simples é a de considerar um caudal de 50 litros / hora por cada metro quadrado de área de captação.

Na prática é possível reduzir este valor para 40 l/h m2 sem prejuízo do bom funcionamento da instalação, mas para o dimensionamento mais seguro é preferível utilizar o primeiro valor (equação 3):

equação 3

Em que:               Q            =>          Caudal [l/h]

                              A             =>          Área por colector [m2]

5.      Cálculo da secção da tubagem do circuito primário

Tubagem circuito solar térmico

A tubagem deve garantir velocidades da passagem de fluido inferiores a 2 metros por segundo e idealmente próximas de 1 m/s.

Os motivos para a escolha destas velocidades são garantir baixos níveis de ruído e baixas perdas de carga por atrito.

Uma forma rápida de executar este passo é recorrer a uma folha de cálculo preparada com as secções de tubagem comerciais e configurada para em função do número de colectores definir de imediato a secção – há várias disponíveis no mercado.

De forma analítica é necessário utilizar a equação 4, apresentada abaixo:

equação 4

Em que:               Q            =>          Caudal [l/h]

S             =>          Secção da tubagem [mm]

As secções para caudais baixos são demasiado reduzidas quando calculadas por este método. A consequência é um sistema com uma quantidade de fluido muito baixa e menos permeável a manter o funcionamento após eventuais descargas de fluido em períodos de sobreaquecimento.

Para garantir um volume mínimo de fluido na instalação, são recomendadas a secções da tabela 2. 

Tabela 2. Secção de tubagem em função do número de colectores do sistema solar.

tabela 2

6.      Cálculo da quantidade de fluido na instalação

Fluido solar térmicoO passo seguinte é o do cálculo da quantidade de fluido. Isto é necessário para calcular a quantidade de anti-congelante necessário e para calcular o volume do vaso de expansão do circuito primário.

Para este cálculo é necessário contabilizar:

  • O volume da tubagem interior dos colectores (indicado pelos fabricantes);
  • O volume do somatório de todas as tubagens do circuito primário;

O volume do interior dos permutadores (serpentinas dos acumuladores, permutadores de calor, baterias dos dissipadores de calor, etc.).

O cálculo da quantidade de anti-congelante estará sempre dependente das temperaturas exteriores mínimas e do ponto de congelação do fluido utilizado.

Para um clima como o de Portugal, e utilizando mono-propilenoglicol (anti-congelante mais recomendado para sistemas solares de AQS) uma concentração de 30% é normalmente seguro para evitar congelamento do fluido do colector, com consequente rebentamento dos tubos interiores.

O cálculo da quantidade e a correcta diluição não elimina a necessidade de confirmação do ponto de congelação com um refractómetro preparado para o efeito.

7.      Cálculo do volume do vaso de expansão do circuito primário

Vaso de expansão solarPara o cálculo do vaso de expansão solar é necessário considerar dois volumes:

  • Volume total do sistema solar (calculado no passo 6);
  • Volume no interior dos colectores solares.

A explicação para considerar estes dois valores é que a temperatura dentro dos colectores solares, em períodos de paragem da bomba circuladora, é sempre superior à temperatura do restante circuito.

A equação 5 permite calcular um volume seguro de um vaso de expansão solar.

equação 5

Em que:               VVE Solar   =>          Volume do vaso de expansão solar [l]

VCP          =>          Volume do circuito primário [l]

VIC           =>          Volume do interior dos colectores [l]

8.      Cálculo do volume do vaso de expansão do circuito primário

O vaso de expansão sanitário deve ser suficiente para garantir as expansões da água sanitária pela variação da sua temperatura. O cálculo rigoroso deve garantir a contabilização da água contida nas tubagens a jusante dos acumuladores, a temperatura mínima da água fria da rede e a temperatura máxima média atingida dentro do acumulador.

Considerando um vaso de expansão igual a 5% do volume total de acumulação estará garantida as condições necessárias para a maioria das instalações.

 Conclusão

Estes 8 passos permitem um rápido dimensionamento dos principais constituintes de um sistema solar de AQS.

No final é sempre necessário verificar a quantidade de energia solar obtida com o sistema anualmente, a redução esperada dos consumos e o retorno do investimento.

Para estes últimos cálculos será necessário o recurso a um software de simulação (tipo SOLTERM).

Colectores solares em Hospital

About Pedro M. Soares

Gestor de Produto nas áreas do Solar, Pavimento Radiante, Bombas de Calor, Ar Condicionado e Electrodomésticos na RELOPA SA. Durante vários anos responsável pelo acompanhamento de Gabinetes de Projecto. Regularmente ministra formações a instaladores de climatização em Instituições como o CICCOPN.

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