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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.
É importante referir que a temperatura de referência desta tabela são 60ºC.
2. Volume de acumulação
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:
Em que: C60ºC => Consumo a 45ºC [l/dia]
C60ºC => Consumo a 60ºC [l/dia]
3. Cálculo da área de colectores solares térmicos
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:
Em que: V => Volume de acumulação [l]
4. Cálculo do caudal do circuito primário
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):
Em que: Q => Caudal [l/h]
A => Área por colector [m2]
5. Cálculo da secção da tubagem do circuito primário
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:
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.
6. Cálculo da quantidade de fluido na instalação
O 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
Para 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.
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).
