Aquecimento Solar e Gás Natural by Conibase Com. de Materiais para Construcoes Ltda.

Manual de Instalações

Sistema de Aquecimento Solar & Gás Natural

Julho 2009

Índice 1

PREFÁCIO ................................................................................................................ 5 1.1 EQUIPE DE TRABALHO .......................................................................................................... 5

2 A ENERGIA SOLAR E O GÁS NATURAL JUNTOS PARA O AQUECIMENTO DE ÁGUA... ............................................................................................................................. 6 3

OS SISTEMAS PREDIAIS DE SUPRIMENTO DE ÁGUA QUENTE .......................... 7 3.1 INTRODUÇÃO ....................................................................................................................... 7 3.2 SISTEMAS PREDIAIS DE ÁGUA QUENTE .................................................................................... 7 3.2.1 Sistema individual ..................................................................................................... 7 3.2.2 Sistema central privado ............................................................................................. 7 3.2.3 Sistema central coletivo............................................................................................. 8 3.3 REFERÊNCIAS NORMATIVAS ................................................................................................ 10

OS SISTEMAS DE AQUECIMENTO DE ÁGUA A GÁS NATURAL ........................ 11 4.1 INTRODUÇÃO ..................................................................................................................... 11 4.2 SISTEMA A GÁS NATURAL INSTANTÂNEO ............................................................................... 11 4.2.1 Aquecedor de passagem (instantâneo) ................................................................... 11 4.2.2 Caldeiras murais ..................................................................................................... 12 4.3 SISTEMA DE ACUMULAÇÃO A GÁS NATURAL ........................................................................... 13 4.3.1 Aquecedor do tipo acumulação ............................................................................... 13 Sistema direto de aquecimento ............................................................................................ 13 Sistema indireto de aquecimento ......................................................................................... 14 4.3.2 Sistema conjugado de aquecimento ........................................................................ 15 4.4 REFERÊNCIAS NORMATIVAS ................................................................................................ 16

O SISTEMA DE AQUECIMENTO SOLAR (SAS) .................................................... 17 5.1 INTRODUÇÃO ..................................................................................................................... 17 5.2 CONCEPÇÃO DO SISTEMA DE AQUECIMENTO SOLAR ............................................................... 17 5.3 COLETOR SOLAR ............................................................................................................... 17 5.3.1 Coletor solar sem cobertura .................................................................................... 20 5.3.2 Coletores especiais ................................................................................................. 21 5.3.3 Posicionamento....................................................................................................... 22 5.3.4 Associação de coletores.......................................................................................... 23 5.4 CIRCUITO HIDRÁULICO ........................................................................................................ 24 5.4.1 Circulação por termossifão ...................................................................................... 24 5.4.2 Circulação forçada .................................................................................................. 26 5.5 REFERÊNCIAS NORMATIVAS ................................................................................................ 27

SISTEMAS DE AQUECIMENTO SOLAR & GÁS NATURAL .................................. 28 6.1 INTRODUÇÃO ..................................................................................................................... 28 6.2 AQUECIMENTO SOLAR ASSOCIADO A AQUECEDOR DE PASSAGEM INDIVIDUAL ............................ 28 6.2.1 Sistemas de recirculação das unidades habitacionais.............................................. 29 6.2.2 Níveis de pressão da rede de distribuição hidráulica................................................ 31 6.3 AQUECIMENTO SOLAR ASSOCIADO A SISTEMA DE ACUMULAÇÃO INDIVIDUAL A GÁS NATURAL ....... 32 6.4 AQUECIMENTO SOLAR ASSOCIADO A SISTEMA CONJUGADO COLETIVO A GÁS NATURAL ............... 34 6.5 COMPONENTES DO SISTEMA DE AQUECIMENTO SOLAR ASSOCIADO AO GÁS NATURAL ................. 35 6.5.1 Reservatório............................................................................................................ 36 6.5.2 Trocador de calor .................................................................................................... 36 6.6 AQUECIMENTO DE PISCINAS ................................................................................................ 37

Manual de Instalações – Sistema de Aquecimento Solar & Gás Natural

Julho 2009 – 2

7 DIMENSIONAMENTO DOS SISTEMAS DE AQUECIMENTO SOLAR & GÁS NATURAL ....................................................................................................................... 39 7.1 INTRODUÇÃO ..................................................................................................................... 39 7.2 CÁLCULO DA DEMANDA DE ÁGUA QUENTE ............................................................................. 39 7.2.1 Método das vazões dos pontos de consumo ........................................................... 39 7.2.2 Método do volume médio ........................................................................................ 40 7.2.3 Método das vazões máximas .................................................................................. 41 7.3 CÁLCULO DAS PERDAS TÉRMICAS NO TRAJETO ...................................................................... 41 7.4 DIMENSIONAMENTO DO SISTEMA DE AQUECIMENTO SOLAR ..................................................... 42 7.4.1 Cálculo do reservatório do sistema central coletivo.................................................. 42 7.4.2 Cálculo do reservatório do sistema central privado .................................................. 42 7.4.3 Cálculo da área de coletores ................................................................................... 43 7.5 DIMENSIONAMENTO DOS AQUECEDORES DE PASSAGEM A GÁS NATURAL .................................. 44 7.5.1 Determinação das vazões instantâneas .................................................................. 44 7.5.2 Determinação da potência de aquecedores de passagem ....................................... 44 7.6 DIMENSIONAMENTO DO SISTEMA DE ACUMULAÇÃO INDIVIDUAL ................................................ 44 7.6.1 Cálculo do volume de água quente em uma hora do período de maior consumo ..... 45 7.6.2 Cálculo do volume mínimo de água quente armazenada ......................................... 45 7.6.3 Determinação da potência dos aquecedores a gás natural ...................................... 46 7.7 DIMENSIONAMENTO DO SISTEMA CENTRAL COLETIVO A GÁS NATURAL ...................................... 46 7.7.1 Cálculo do volume diário de água quente ................................................................ 46 7.7.2 Cálculo do volume de água quente em uma hora do período de maior consumo ..... 47 7.7.3 Cálculo do volume mínimo de água quente armazenada ......................................... 47 7.7.4 Determinação da potência dos aquecedores a gás natural ...................................... 48 7.8 DIMENSIONAMENTO DOS SISTEMAS DE AQUECIMENTO SOLAR E GÁS NATURAL........................... 49

ANEXO A – EXEMPLO DE DIMENSIONAMENTO ......................................................... 50 A.1 CÁLCULO DA DEMANDA DE ÁGUA QUENTE ..................................................................................... 50 A.2 DIMENSIONAMENTO DOS SISTEMAS DE AQUECIMENTO SOLAR ....................................................... 51 A.2.1 Reservatório do sistema central coletivo.................................................................. 51 A.2.2 Reservatório do sistema central privado .................................................................. 51 A.2.3 Determinação da área de coletores ......................................................................... 52 A.3 DIMENSIONAMENTO DOS SISTEMAS DE AQUECIMENTO A GÁS NATURAL ......................................... 53 A.3.1 Dimensionamento dos aquecedores de passagem .................................................. 53 A.3.2 Dimensionamento do sistema de acumulação individual.......................................... 53 A.3.3 Dimensionamento do sistema central coletivo ......................................................... 54 A.4 DIMENSIONAMENTO DO SISTEMA DE AQUECIMENTO SOLAR COM APOIO A GÁS NATURAL................ 55

BIBLIOGRAFIA CONSULTADA ..................................................................................... 56

Tabelas Tabela 1 — Componentes dos sistemas de aquecimento............................................................. 35 Tabela 2 – Resumo de alternativas de dimensionamento ............................................................. 55

Manual de Instalações – Sistema de Aquecimento Solar & Gás Natural

Julho 2009 – 3

Figuras Figura 1 – Distribuição de água quente do tipo central privado ....................................................... 8 Figura 2 – Sistema central coletivo de distribuição de água quente ................................................ 9 Figura 3 – Sistema central coletivo de distribuição de água quente em 3 níveis de pressão ......... 10 Figura 4 – Estrutura dos sistemas de aquecimento a gás ............................................................. 11 Figura 5 – Esquema dos aquecedores de passagem ................................................................... 12 Figura 6 – Detalhe da caldeira mural ............................................................................................ 13 Figura 7 – Esquema do aquecedor de acumulação de contato direto ........................................... 14 Figura 8 – Sistema conjugado de aquecimento ............................................................................ 15 Figura 9 – Esquema aquecedor solar de placa ............................................................................. 18 Figura 10 - Rendimento de um coletor solar térmico ..................................................................... 19 Figura 11 - Curva de rendimento de coletores e campo de utilização ........................................... 20 Figura 12 - Coletor plano sem cobertura ...................................................................................... 21 Figura 13 - Coletores planos especiais ......................................................................................... 21 Figura 14 – Trajetória anual do sol ............................................................................................... 22 Figura 15 – Desvio do Norte geográfico (ángulos azimutais de superficie) .................................... 23 Figura 16 – Características de funcionamento da placa................................................................ 24 Figura 17 – Ligação dos coletores................................................................................................ 24 Figura 18 – Princípio de funcionamento do sistema de circulação por termossifão ....................... 25 Figura 19 – Detalhe dos componentes do sistema de circulação por termossifão ......................... 25 Figura 20 – Sistema de circulação por termossifão....................................................................... 26 Figura 21 – Sistema de circulação forçada ................................................................................... 27 Figura 22 – Esquema sistema solar com aquecedores de passagem a gás.................................. 29 Figura 23 – Detalhe de sistema de recirculação interna................................................................ 30 Figura 24 – Detalhe da válvula de controle de temperatura .......................................................... 30 Figura 25 – Sistema de aquecimento com aquecedor de fluxo balanceado .................................. 31 Figura 26 – Detalhe da introdução de válvula redutora de pressão ............................................... 31 Figura 27 – Sistema de distribuição com redutoras coletivas ........................................................ 32 Figura 28 – Esquema sistema solar com sistemas conjugados individuais ................................... 33 Figura 29 – Detalhe a redução de pressão no sistema de água fria .............................................. 34 Figura 30 – Esquema sistema solar com sistema conjugado coletivo ........................................... 35 Figura 31 – Tipos de reservatórios ............................................................................................... 36 Figura 32 – Detalhe do trocador de placa ..................................................................................... 37 Figura 33 – Detalhe da incorporação de trocador de calor ............................................................ 37 Figura 34 – Incorporação de aquecimento de piscina ................................................................... 38

Manual de Instalações – Sistema de Aquecimento Solar & Gás Natural

Julho 2009 – 4

1 Prefácio Este Manual Técnico tem como objetivo orientar os profissionais responsáveis por projeto e instalação de Sistemas Prediais destinados ao aquecimento de água através do uso da energia solar em conjunto com o gás natural. Pela grande variedade, tanto dos tipos de sistemas prediais para aquecimento de água, quanto das tipologias dos edifícios residenciais existentes no mercado, o presente Manual não tem a pretensão de apresentar soluções individuais a todas essas possibilidades, entretanto, procura estabelecer parâmetros básicos de projeto oferecendo ao profissional critérios que o auxiliem a encontrar a solução mais adequada para desenvolver uma instalação envolvendo o uso da energia solar e o gás natural, atendendo as necessidades de edificação e de seus usuários, proporcionando um serviço adequado ao longo da sua vida útil.

1.1

Equipe de trabalho

O trabalho foi coordenado pela Comgás – Companhia de Gás de São Paulo, em parceria com a ABRINSTAL – Associação Brasileira pela Conformidade e Eficiência de Instalações e desenvolvido por uma equipe composta por professores e pesquisadores do Instituto de Eletrotécnica e Energia (IEE) da Universidade de São Paulo (USP), bem como de vários profissionais ligados a entidades envolvidas com o tema, dentre elas: ABRASIP, ABRAVA, SECOVI e SINDINSTALAÇÃO. Contou ainda com a consulta a vários profissionais ligados a ASBEA e o apoio do SINDUSCON.

Manual de Instalações – Sistema de Aquecimento Solar & Gás Natural

Julho 2009 – 5

2 A energia solar e o gás natural juntos para o aquecimento de água... A radiação solar recebida na superfície da terra pode ser convertida em calor e contribuir para atender as necessidades energéticas destinadas ao aquecimento de água no setor residencial. Os coletores solares transferem a energia solar absorvida para o fluido a ser aquecido. Para um clima típico ao da região urbana da cidade de São Paulo, a produção de água quente no setor residencial, utilizando energia solar produzida através de um sistema corretamente dimensionado, contribui com um percentual aproximado de 70% da energia necessária, portanto, uma energia complementar será necessária e deverá ser do tipo convencional. A disponibilidade de recursos naturais impôs nos últimos anos a alteração de nossa matriz energética para a produção de eletricidade, promovendo o crescimento mais acentuado da termoeletricidade em detrimento ao da hidroeletricidade. Esta nova realidade exige, seja pela oferta de fontes de energia primária ou pela eficiência na cadeia da sua transformação em energia útil, reflexão a respeito do modo de obtenção de calor. A utilização dos gases combustíveis representa um grande potencial de economia de energia primária para a produção direta de calor. No setor residencial a substituição da eletricidade por gases combustíveis, para a produção de água quente, além de contribuir para amenizar a pressão sobre as fontes primárias, é primordial para postergar investimentos em transmissão e distribuição de energia elétrica, ao reduzir a demanda particularmente nos horários de pico. O aquecimento solar de água, utilizando-se como energia auxiliar o gás natural, traz um grande benefício para a sociedade. Permite a utilização de duas fontes de energia compatíveis com a energia útil, contribuindo para racionalizar os recursos naturais com vantagens para o consumidor. A possibilidade de utilização da energia solar em algumas tipologias de edificações residenciais permite ao consumidor, cada vez mais suscetível a questões ambientais, a possibilidade de uso dessa alternativa energética. Para atender a esta perspectiva de crescimento do mercado é necessário refletir sobre alguns desafios a serem vencidos quanto ao projeto e execução da instalação de sistemas prediais para aquecimento de água. É importante que a indústria de equipamentos disponha de tecnologia para responder ao desafio tecnológico e disponibilize equipamentos que garantam a eficiência e conforto, assim como atendam as novas edificações residenciais que deverão sofrer mudanças de concepção para incorporar o sistema solar. Esta é uma tendência que será imposta e atingirá toda a cadeia da construção civil, com impacto no custo dos imóveis, porém, aceitável se os sistemas forem projetados convenientemente. A utilização da energia solar em conjunto com o gás natural no setor residencial se apresenta como um grande desafio para projetistas e arquitetos. Cada projeto será um projeto diferente, exigindo destes profissionais: facilidade de adequação, inovação e flexibilidade na execução de projetos e instalação. É com a intenção de subsidiar o profissional a vencer tal desafio que este manual técnico para sistemas prediais de aquecimento de água através do uso da energia solar e gás natural é apresentado por iniciativa da maior distribuidora de gás natural do Brasil.

Manual de Instalações – Sistema de Aquecimento Solar & Gás Natural

Julho 2009 – 6

3 Os sistemas prediais de suprimento de água quente 3.1

Introdução

Os sistemas prediais para suprimento de água quente podem ser classificados em individual, central privado e central coletivo, conforme Ilha, Gonçalves e Kavassaki (1994). O sistema individual se caracteriza pela alimentação de um único ponto de utilização, sem a necessidade da existência de uma rede hidráulica de água quente. O sistema central privado se constitui de um equipamento responsável pelo aquecimento da água e uma rede hidráulica para a sua distribuição até um ou mais pontos de utilização dentro de uma unidade habitacional. O sistema central coletivo é constituído por um equipamento para o aquecimento da água e uma rede hidráulica para a sua distribuição até um ou mais pontos de utilização pertencentes a mais de uma unidade habitacional. A geração de água quente é realizada através do processo de transferência de calor a partir de uma fonte de energia, podendo se dar através de um reservatório. A transferência de calor pode se realizar de modo direto ou indireto. No aquecimento direto, a fonte de energia atua no reservatório ou duto que contém a água a ser aquecida, enquanto que no indireto a fonte energética aquece um fluido o qual trocará calor com a água a ser aquecida.

3.2 3.2.1

Sistemas prediais de água quente Sistema individual

O sistema de aquecimento individual caracteriza-se pelo uso de aquecedores de água que atendem apenas um ponto de consumo, e se localizam próximos a esse ponto, o que dispensa um maior sistema de distribuição de água quente. Os energéticos utilizados nesse tipo de sistema são normalmente os gases combustíveis e a eletricidade. No aquecedor individual a gás natural a existência de um fluxo de água aciona o processo de combustão. Vários são os tipos e aplicações desses equipamentos, que se encontram detalhados no Capítulo 4. A alimentação de água fria para esse tipo de sistema é feita como para os demais pontos que servem água não aquecida, não necessitando de uma alimentação específica ou individual, porém deve apresentar pressão suficiente para o acionamento do aquecedor.

3.2.2

Sistema central privado

Para um sistema de distribuição de água quente a gás natural do tipo central privado pode-se utilizar aquecedores do tipo passagem (instantâneo) ou de acumulação, sendo, para ambos, possível a associação com a energia solar. O abastecimento de água fria para o aquecedor de acumulação, conforme exigência da NBR 7198:1993, é normalmente feito através de uma coluna exclusiva. A distribuição de água quente é feita através de tubulação, interna à unidade habitacional, do aquecedor até um ou mais pontos e consumo. A Figura 1 ilustra um sistema predial de água quente central privado.

Manual de Instalações – Sistema de Aquecimento Solar & Gás Natural

Julho 2009 – 7

Figura 1 – Distribuição de água quente do tipo central privado Fonte: Ilha, Gonçalves e Kavassaki (1994)

Devido à distância entre o aquecedor e os pontos de consumo as tubulações de água quente devem possuir isolamento térmico para reduzir as perdas térmicas com o ambiente. Nos pontos de utilização ocorre a mistura da água fria e da água quente, o que permite que cada usuário determine a temperatura e a vazão adequadas para seu conforto. Para que haja uma mistura controlável é necessário que as redes de água fria e de água quente tenham níveis de pressões próximas. Outra alternativa é o uso de válvulas misturadoras automáticas, que regulam a mistura de água quente e fria, alimentando os pontos de consumo com água a uma temperatura pré-determinada. Quando não utilizada, a água aquecida parada na tubulação perde calor para o ambiente diminuindo a sua temperatura. Em função da distância entre o aquecedor e os pontos de consumo, pode haver excessiva demora no fornecimento de água na temperatura desejada. Uma forma para evitar tal situação é promover a recirculação da água quente entre o ponto de consumo e o aquecedor.

3.2.3

Sistema central coletivo

O sistema de distribuição central coletivo caracteriza-se pela utilização de um aquecedor central para atender a demanda de diversas unidades consumidoras, como por exemplo, a utilização de centrais de aquecimento que alimentam diversos apartamentos de um edifício. O abastecimento de água fria é feito normalmente por uma coluna exclusiva, uma vez que a vazão requerida é muito elevada. A distribuição da água quente a partir da central de aquecimento até os pontos de consumo é feita por uma rede hidráulica, que deve considerar aspectos como o uso simultâneo dos pontos de consumo. Aquecedor e reservatório podem estar localizados num único equipamento ou não, dependendo da necessidade de adequação aos ambientes onde serão instalados, uma vez que tais equipamentos são normalmente de grande porte.

Manual de Instalações – Sistema de Aquecimento Solar & Gás Natural

Julho 2009 – 8

A localização do reservatório pode ocorrer na parte superior e inferior do edifício, ou distribuída através de um sistema misto. Os reservatórios localizados na parte inferior estão, geralmente, situados no subsolo do edifício. Por estarem localizados na parte mais baixa do edifício, e a alimentação de água fria ocorrer pela caixa d’água superior, estes reservatórios precisam resistir a pressões mais altas do que as outras configurações. Os reservatórios da parte superior ficam localizados próximos às caixas d’água superior, um pouco abaixo no nível inferior da caixa, portanto, estarão submetidos a baixa pressão de água. No sistema misto, há reservatórios de água quente na parte inferior e na parte superior e/ou em pisos intermediários da edificação. Os sistemas de distribuição de água quente podem ser classificados em três tipologias, em função do sentido de alimentação de água quente: ascendente, descendente e mista. Na Figura 2 há um exemplo de sistema de distribuição de água quente com alimentação descendente, apresentando uma rede hidráulica que sai dos reservatórios de água quente inferior, sobe até a parte mais alta da rede, se divide em diversas prumadas de alimentação que irão alimentar, na descida, os pontos de consumo.

Figura 2 – Sistema central coletivo de distribuição de água quente Fonte: Apostila de Treinamento – Eng° Jorge Chaguri

Os sistemas de aquecimento central coletivo devem considerar as limitações de pressões impostas à rede de distribuição de água da edificação. Segundo a NBR 5626:1998, a pressão de distribuição da água nos pontos de utilização dos apartamentos não pode ultrapassar 4 kgf/cm², ou 40 mca. Com isso, em edifícios altos, devem ser utilizadas válvulas redutoras de pressão para limitar as pressões de uso. Nestes casos, as redes são separadas em diversos níveis de pressão, cada uma funcionando em pressões compatíveis. Em geral, como há diversas redes independentes, com pressões de operações diferentes, são necessários reservatórios independentes, ou reservatório único com dispositivos que garantem a não mistura das pressões para a recirculação adequada na rede. Na Figura 3 há um exemplo de sistema de distribuição de água quente com três redes hidráulicas independentes.

Manual de Instalações – Sistema de Aquecimento Solar & Gás Natural

Julho 2009 – 9

Figura 3 – Sistema central coletivo de distribuição de água quente em 3 níveis de pressão Fonte: Apostila de Treinamento – Eng° Jorge Chaguri

Um sistema para a recirculação da água quente é essencial para atendimento homogêneo de temperatura para todos os consumidores nos sistemas de aquecimento central coletivo. Este sistema tem a finalidade de manter uma temperatura mínima de água quente na rede de alimentação evitando que haja demora excessiva para que a água quente chegue ao ponto de consumo. Como as distâncias são normalmente grandes, ocorreria o desperdício de água e a demora no suprimento de água quente. Várias alternativas podem ser utilizadas para manter a temperatura da água constante na rede. O sistema de recirculação mais comum utiliza bombas silenciosas e de baixa potência, que forçam a circulação de água quente de acordo com a temperatura desejada na rede. A recirculação pode ocorrer também e apenas pela diferença de densidade entre a água quente (mais leve) e a água fria (mais pesada), denominado de sistema por termossifão (ver 5.4.1). Porém, devido a baixa velocidade de recirculação, este tipo de recirculação é pouco utilizado em edifícios, restringindo-se a aplicações em residências.

3.3

Referências normativas

Os sistemas prediais de suprimento de água devem ser projetados e executados conforme NBR5626 Instalação predial de água fria e NBR7198 Projeto e execução de instalações prediais de água quente.

Manual de Instalações – Sistema de Aquecimento Solar & Gás Natural

Julho 2009 – 10

4 Os sistemas de aquecimento de água a gás natural 4.1

Introdução

Existem diversos tipos de aparelhos para aquecimento de água a gás natural existentes no mercado com características específicas e que permitem diversas aplicações, tais como, aquecimento de banho, torneiras, piso, ambiente, piscina, saunas e etc. Esses aparelhos podem ser classificados em função do tipo de transmissão de calor para aquecer a água, direto ou indireto, bem como, do tipo de funcionamento, instantâneos ou de acumulação. Quanto às características de funcionamento, podemos dividir os sistemas de aquecimento a gás natural em instantâneos, que aquecem instantaneamente o volume de água requerido e de acumulação, onde equipamentos mantêm água quente armazenada para atender as variações de demanda, conforme apresentado na Figura 4.

Figura 4 – Estrutura dos sistemas de aquecimento a gás natural

4.2 4.2.1

Sistema a gás natural instantâneo Aquecedor de passagem (instantâneo)

Os aquecedores de passagem, também conhecidos como aquecedores instantâneos, são aparelhos compactos que aquecem a água no instante em que há a demanda pelos pontos de consumo. A Figura 5 apresenta um modelo deste tipo de aquecedor.

Manual de Instalações – Sistema de Aquecimento Solar & Gás Natural

Julho 2009 – 11

Figura 5 – Esquema dos aquecedores de passagem Fonte: Apresentação de Treinamento – Eng° Jorge Chaguri

De uma forma geral, todos os aquecedores de passagem são constituídos de uma unidade de aquecimento onde há um queimador interno ao aquecedor, o qual permite a combustão adequada do gás natural, e um trocador de calor que transfere o calor para a água de consumo que passa por uma serpentina. Os aquecedores de passagem a gás natural são concebidos para realizar uma boa exaustão dos gases queimados, transportando-os para o exterior da edificação, evitando assim a contaminação do ambiente onde estão instalados. Os aquecedores de passagem a gás natural possuem diversos sistemas auxiliares incorporados que permitem melhor eficiência e controle operacional.

4.2.2

Caldeiras murais

As caldeiras murais são equipamentos que possuem um complexo sistema de aquecimento, servindo a diversas aplicações simultaneamente associadas em um único aparelho a gás natural. Aparentemente são equipamentos que se assemelham aos aquecedores de passagem, pois são instalados em condições semelhantes e possuem os mesmos padrões de dimensões. Em apenas um equipamento caldeira mural poderá haver um ou mais sistemas de aquecimento de água independentes, os quais podem ser destinados a aplicações distintas, com circuitos de temperaturas e características de funcionamento específicas. Na Figura 6 há um exemplo da caldeira mural sob a capa protetora, onde é possível observar vários de seus componentes: o trocador de calor do aquecedor, parte dos queimadores, o exaustor dos gases queimados do aparelho, a bomba de circulação de água para circuitos fechados e a estrutura de controle do aparelho.

Manual de Instalações – Sistema de Aquecimento Solar & Gás Natural

Julho 2009 – 12

Figura 6 – Detalhe da caldeira mural Fonte: Bosch – www.bosch.com.br

As caldeiras murais podem, assim como os aquecedores de passagem, trabalhar como elemento de um sistema conjugado, sendo possível trocar calor com a água do reservatório através de contato direto ou indireto.

4.3 4.3.1

Sistema de acumulação a gás natural Aquecedor do tipo acumulação

O aquecedor de água do tipo acumulação é um aparelho constituído basicamente de reservatório de água e unidade de aquecimento, que mantém o volume de água quente armazenado disponível para consumo. O aquecedor de acumulação funciona através de um termostato ligado ao reservatório, que aciona o queimador (unidade de aquecimento) conforme a temperatura da água definida pelo usuário. Quando a temperatura da água no reservatório cai abaixo do valor programado, o dispositivo de aquecimento é acionado, elevando a temperatura até atingir aquele valor. Com o intuito de reduzir as perdas térmicas do aquecedor, o reservatório é protegido com um isolante térmico, reduzindo assim a transmissão de calor da água quente armazenada para o ambiente. Sistema direto de aquecimento O sistema de aquecimento é considerado “direto” quando o meio de aquecimento, no caso a fonte de calor, entra em contato direto com a superfície que está em contato com a água de consumo. O aquecedor de acumulação de contato direto é constituído basicamente de um reservatório aquecido por um queimador na parte inferior, que tem por finalidade aquecer a água armazenada. Além do contato da chama do queimador, os gases queimados na combustão, que passam por um tubo central do reservatório, também contribuem para troca de calor com a água armazenada. Para aumentar a eficiência da troca de calor existem “chicanas” que provocam turbulências nos gases

Manual de Instalações – Sistema de Aquecimento Solar & Gás Natural

Julho 2009 – 13

de combustão com as paredes do reservatório. A Figura 7 apresenta um aquecedor de acumulação de um sistema direto de aquecimento.

Figura 7 – Esquema do aquecedor de acumulação de contato direto Fonte: Revista Téchne (2008)1

No aquecedor de acumulação, devido a estratificação térmica da água armazenada, a entrada de água fria é feita na parte inferior do tanque, e a saída pela parte superior, no ponto mais quente do reservatório. Neste sistema, se comparado ao sistema de aquecimento de contato indireto, a durabilidade dos equipamentos é menor, devido principalmente às constantes variações de temperatura, e a existência de grandes “choques térmicos” que ocorrem entre as altas temperaturas do queimador e baixa temperatura da água que entra no reservatório (próxima da temperatura ambiente). Sistema indireto de aquecimento No sistema de aquecimento indireto, a fonte de calor não entra em contato diretamente com a superfície do reservatório que contém água de consumo. Para o aquecimento do reservatório é utilizado um fluído intermediário, podendo ser água (não a de uso), óleo ou outro fluído, que é responsável pela transferência de calor. Este sistema é composto por um queimador, que controla e mantém a temperatura do fluído que irá trocar calor com a água de consumo. A configuração do sistema de aquecimento indireto permite a utilização de uma geradora de calor para diversos reservatórios, além da possibilidade de deslocamento e segregação, entre a geradora (que permite cumprir requisitos de ambiente para instalação dos aquecedores a gás natural) e o reservatório de água para consumo. Dessa forma, consegue-se estruturar inúmeras alternativas para implantação de sistemas de aquecimento a gás natural. O sistema de aquecimento indireto possui algumas vantagens se comparado com o sistema aquecimento direto. A primeira delas diz respeito à durabilidade dos equipamentos, em função da redução do choque térmico (diferença de temperatura entre o fluído de aquecimento e a água de consumo) na superfície do reservatório. 1

Disponível em: http://www.revistatechne.com.br/engenharia-civil/117/artigo39272-5.asp

Manual de Instalações – Sistema de Aquecimento Solar & Gás Natural

Julho 2009 – 14

Outra vantagem reside na possibilidade de utilização do fluído com características específicas no circuito fechado, aumentando a durabilidade dos componentes. Mesmo com a utilização de água como fluido trocador de calor, a tendência de decomposição de materiais sólidos, como o cálcio, é menor devido a pouca renovação desta água.

4.3.2

Sistema conjugado de aquecimento

O sistema conjugado de água quente é composto por um aquecedor de passagem, que faz o aquecimento da água, e de em um reservatório térmico. Em muitos casos podem ser considerados como um acumulador com aquecedor de passagem, com sistema de aquecimento direto ou indireto. O padrão de uso dos sistemas conjugados pode ser comparado aos aquecedores de acumulação, pois possuem o mesmo princípio de funcionamento: o acumulador mantém armazenado um volume de água quente, a certa temperatura, em prontidão para o uso. Devido a utilização de aquecedores de passagem para aquecimento da água do reservatório, ou de caldeiras murais (ver 4.5), é possível posicionar os aparelhos a gás natural distantes do reservatório, conforme a configuração do ambiente no qual estarão instalados. Na Figura 8 há um esquema de sistema de aquecimento conjugado.

Aquecedor a gás natural

Figura 8 – Sistema conjugado de aquecimento

Os sistemas conjugados são mais eficientes termicamente se comparados aos aquecedores de acumulação. Nestes, quando seu queimador é desligado, um fluxo de ar ambiente circula por dentro do tanque, através da passagem destinada aos gases queimados, provocando troca de calor deste ar com a água armazenada, ocasionando o resfriamento do reservatório. No reservatório do sistema conjugado não há a entrada de ventilação, o que evita essa perda de calor. No sistema conjugado é possível alterações de potências do sistema variando apenas a troca dos aquecedores, podendo adequar a potência instalada ao longo da vida útil do sistema e das necessidades de seus usuários. Além disso, é possível trabalhar com diversos aquecedores para um mesmo reservatório, o que pode garantir potências mais elevadas e maior segurança quanto à garantia no fornecimento de água quente, uma vez que, no caso de falha em um dos aquecedores, existem outros que podem suprir parte da demanda necessária.

Manual de Instalações – Sistema de Aquecimento Solar & Gás Natural

Julho 2009 – 15

4.4

Referências normativas

Os sistemas prediais de suprimento de gás natural devem ser projetados e executados conforme NBR15526 Redes de distribuição interna para gases combustíveis – projeto e execução, e os aparelhos a gás natural instalados conforme NBR13103 Instalação de aparelhos a gás para uso residencial – Requisitos dos ambientes.

Manual de Instalações – Sistema de Aquecimento Solar & Gás Natural

Julho 2009 – 16

5 O sistema de aquecimento solar (SAS) 5.1

Introdução

O sistema de aquecimento solar de água contém como principal equipamento um coletor solar, que absorve a radiação do sol, transferindo sua energia para aquecer um fluido que nele circula. Há no mercado diversos tipos e modelos de sistemas de aquecimento solar, com características específicas para aplicações residenciais, incluindo aplicações especiais, como por exemplo, o aquecimento de piscinas. A abordagem deste Manual se concentrará na utilização dos sistemas de aquecimento solar destinados ao aquecimento de água em residências multifamiliares (edifícios).

5.2

Concepção do sistema de aquecimento solar

Um sistema de aquecimento solar (SAS) é constituído dos seguintes elementos: coletor solar, reservatório térmico, sistema de aquecimento auxiliar, acessórios e suas interligações hidráulicas. A energia captada no(s) coletor(es) é transferida diretamente para o reservatório ou para o trocador de calor localizado entre o(s) coletor(es) e o reservatório térmico.

5.3

Coletor solar

O coletor solar é um trocador de calor que transforma a energia solar radiante em calor. Quando se trata de coletores planos, o fluxo da radiação incidente (irradiância) é constante para toda a sua superfície e não ultrapassa 1100 W/m². O intervalo de comprimento de onda da radiação solar incidente está aproximadamente entre 0,3 e 2,5μm (baixos comprimentos de ondas). Os coletores solares planos são equipamentos destinados a aquecer a água a temperaturas compatíveis ao uso sanitário e outras aplicações. Os coletores solares são dispositivos concebidos para absorver a maior quantidade possível de radiação solar, e transferir a maior parte desta radiação para o fluido que passa por eles. São vendidos em módulos que podem ser acoplados entre si conforme a necessidade de energia. A Figura 9 apresenta a estrutura de um coletor solar.

Manual de Instalações – Sistema de Aquecimento Solar & Gás Natural

Julho 2009 – 17

Figura 9 – Esquema aquecedor solar de placa Fonte: Gás Natural (2004)

O coletor solar é composto por diversos elementos responsáveis pelo melhor aproveitamento possível da radiação solar: ▫

Cobertura transparente (A): permite a passagem de grande parte da radiação solar (baixos comprimentos de onda) e retém grande parte da radiação emitida pela placa absorvedora. Reduz as perdas de calor por convecção entre a placa absorvedora e o ambiente. Representa uma barreira mecânica à ação meteorológica sobre a placa absorvedora. Este componente pode ser dispensado quando se deseja menores temperaturas para o aquecimento da água.

▫

Placa absorvedora (B): componente de um coletor solar que absorve a energia radiante e transfere essa energia na forma de calor para um fluído.

▫

Isolamento térmico (C): materiais de baixo coeficiente de condutividade térmica, e tem por objetivo reduzir as perdas de calor entre a placa absorvedora e a estrutura do coletor (caixa).

▫

Caixa (D): estrutura que protege todos os componentes da ação do meio ambiente. Deve ser estanque e ao mesmo tempo permitir a dilatação térmica dos componentes

▫

Tubulação do fluído (E): geralmente produzido em material metálico (bom condutor de calor), tem a finalidade de conduzir o fluido a ser aquecido e transferir a energia absorvida da placa absorvedora para o fluído

O rendimento (η) de um coletor solar térmico (energia útil/energia solar incidente) depende da diferença de temperatura entre a entrada do fluido no coletor e o ambiente para cada nível de irradiância, de acordo com a seguinte expressão:

Onde: η

Rendimento de um coletor solar, que varia de 0 a 1.

Manual de Instalações – Sistema de Aquecimento Solar & Gás Natural

Julho 2009 – 18

FR Fator constante, menor do que 1, que representa a capacidade de transferir a radiação solar absorvida pelo placa absorvedora para o fluído. Quanto mais próximo de 1, melhor é a transferência dessa energia para o fluído. α

Absortância do coletor, razão entre a radiação incidente na placa absorvedora e a radiação absorvida. Transmitância do coletor, razão entre a radiação incidente na cobertura transparente e a radiação incidente na placa absorvedora.

Coeficiente global de perdas de calor (condução, convecção e radiação). Quanto maior o coeficiente maior é a energia perdida.

ΔT

Diferença de temperatura entre a água que entra no coletor e a temperatura do ambiente

Irradiância solar incidente na placa2

Para uma dada diferença de temperatura, o rendimento pode ser aproximado a uma reta, conforme a Figura 10, variando em função da diferença de temperatura, entre a água e o ambiente, dividido pela irradiância.

Figura 10 - Rendimento de um coletor solar térmico Fonte: AITA (2006)

A irradiância citada é a irradiância global representada pela soma das componentes da radiação direta, proveniente do sol, e da difusa, proveniente da radiação difundida pela atmosfera.

Manual de Instalações – Sistema de Aquecimento Solar & Gás Natural

Julho 2009 – 19

Rendimento

Na Figura 11 há um exemplo de uma placa absorvedora, com os dados de rendimento da placa em função da diferença de temperatura entre a placa e o ambiente. Conforme a diferença de temperatura, o rendimento da placa varia.

Diferença de temperatura entre o coletor e o ambiente (°C) Absorvedor de piscina Coletor plano Coletor a vácuo

0 – 20 °C Climatização de piscinas 20 – 100 °C Água quente e calefação > 100 °C Calor de processo

Figura 11 - Curva de rendimento de coletores e campo de utilização Fonte: EDIC (2005)

Os coletores solares são normalmente selecionados em função de sua aplicação, definindo características específicas para o uso pretendido. Além dessas características, os coletores devem ser: ▫ ▫ ▫ ▫

Resistente às condições exteriores (ambientes marinhos, poeira, neve, granizo e etc.) Resistente a temperaturas altas e baixas Estável e duradouro Eficiente na conversão de energia compatível com o uso

5.3.1

Coletor solar sem cobertura

O coletor solar sem cobertura permite a incidência dos raios do sol diretamente na placa absorvedora. Por não possuir cobertura não retém a radiação emitida pela placa absorvedora e produz aquecimento a temperaturas menores que a dos coletores com cobertura. Na Figura 12 há um exemplo de coletor sem cobertura. Devido a estas características, os coletores sem cobertura, funcionam com temperaturas mais baixas que os coletores com cobertura, sendo assim utilizados devido ao menor custo, para fins de pré-aquecimento ou para aquecimento de piscina.

Manual de Instalações – Sistema de Aquecimento Solar & Gás Natural

Julho 2009 – 20

Figura 12 - Coletor plano sem cobertura Fonte: Heliotek

5.3.2

Coletores especiais

Conforme a aplicação os coletores possuem características que se adaptam à utilização desejada. Em alguns casos, pode-se necessitar de coletores que produzam água a temperaturas mais elevadas, ou até mesmo vapor, como é o caso do uso em complexos hospitalares. Na Figura 13 há alguns exemplos de coletores solares especiais.

Figura 13 - Coletores planos especiais

Temperaturas mais elevadas podem ser obtidas através da redução da perda térmica no coletor solar. Diversas técnicas podem ser aplicadas tais como: redução das perdas ópticas com coberturas específicas para essa finalidade, melhor absorção através de coletores de absorção seletiva e, redução das perdas por convecção no interior dos coletores através da criação de vácuo entre o absorvedor e a cobertura. Tais técnicas têm a seguinte classificação:

Manual de Instalações – Sistema de Aquecimento Solar & Gás Natural

Julho 2009 – 21

▫

Vácuo: existência de vácuo entre o absorvedor e o tubo de vidro. O vácuo contribui para diminuir as perdas térmicas por convecção

▫

CPC (Compound Parabolic Concentrator): aumenta-se a radiação sobre o absorvedor. Incorpora uma pequena concentração dos raios solares sobre um eixo, tubo por onde passa o fluido a ser aquecido, mediante superfícies refletoras cilíndricas parabólicas.

▫

TIM (Transparent Insulation Materials): incorporam uma cobertura transparente com propriedades isolantes que diminuem as perdas térmicas do coletor

5.3.3

Posicionamento

O posicionamento dos coletores solares é essencial para a instalação do sistema de aquecimento solar e sua compreensão possibilita a construção de instalações mais eficientes, onde se aproveita melhor a radiação do sol. A Inclinação em relação ao plano horizontal e direção de instalação dos coletores solares são os dois elementos que influenciam o dimensionamento do sistema de aquecimento solar. Os coletores solares devem estar expostos ao sol de tal forma que a incidência da radiação solar atinja o coletor o mais que possível perpendicularmente. Como há uma variação da inclinação do sol, conforme a época do ano, os coletores são instalados com uma inclinação que maximiza e uniformiza, mês a mês, a incidência da radiação solar durante o período de um ano.

Figura 14 – Trajetória anual do sol Fonte: ABRAVA (2008)

Como regra básica, é recomendada que a instalação possua uma inclinação equivalente à latitude da região onde será instalado o sistema solar, somando-se 10°. Como exemplo para a cidade de São Paulo, localizada a latitude 23°, recomenda-se a instalação dos coletores com 33° de inclinação, conforme a Figura 14.

Além da inclinação, os coletores devem estar direcionados simétricos em relação a trajetória do sol, posição que permite o maior tempo de incidência do sol ao longo do dia. O maior

Manual de Instalações – Sistema de Aquecimento Solar & Gás Natural

Julho 2009 – 22

aproveitamento ocorre quando direcionamos os coletores solares voltados para o Norte Geográfico. A instalação pode ser realizada dentro de uma faixa de tolerância da direção, conforme apresentado na Figura 15.

Figura 15 – Desvio do Norte geográfico (ángulos azimutais de superficie) Fonte: ABRAVA (2008)

5.3.4

Associação de coletores

Os coletores solares devem ser instalados conforme orientação do fabricante, devendo ser verificado o sentido do fluxo da água e a configuração do sistema sugere a Figura 16.

Manual de Instalações – Sistema de Aquecimento Solar & Gás Natural

Julho 2009 – 23

Figura 16 – Características de funcionamento da placa

Verificado o sentido do fluxo da água a ser aquecida nos coletores solares, é preciso que sejam interligados conforme a capacidade de fluxo e projeto do sistema de aquecimento. Os coletores podem ser associados em paralelo, em série ou misto, conforme a Figura 17.

Figura 17 – Ligação dos coletores

5.4

Circuito hidráulico

O circuito hidráulico do sistema de aquecimento solar pode apresentar circulação por termossifão ou forçada. Essas diferenças são definidas, basicamente, em função da circulação entre os coletores solares e o reservatório de armazenamento.

5.4.1

Circulação por termossifão

No sistema de circulação por termossifão a circulação de água entre os coletores e o reservatório ocorre pela diferença de densidade entre a água fria (parte inferior do reservatório) e a água quente (parte superior dos coletores solares), conforme mostra a Figura 18.

Manual de Instalações – Sistema de Aquecimento Solar & Gás Natural

Julho 2009 – 24

Figura 18 – Princípio de funcionamento do sistema de circulação por termossifão

Um sistema solar de aquecimento não funciona apenas com o coletor e o reservatório, são necessários diversos componentes que monitoram e controlam o funcionamento do sistema. Na Figura 19 é possível observar alguns dos componentes que são incorporados ao sistema de aquecimento solar.

Figura 19 – Detalhe dos componentes do sistema de circulação por termossifão

Nos sistemas de circulação por termossifão, deve-se evitar grandes distâncias e desvios nas tubulações (principalmente sifão) de forma a permitir a circulação da água no sistema, lembrandose que a instalação do reservatório deve ser feita obrigatoriamente em nível acima dos coletores solares. Tais restrições reduzem a flexibilidade de instalação deste tipo de circulação nos sistemas de aquecimento solar. Como existe limitação de distância entre o reservatório e os coletores solares, bem como ausência de bomba para forçar a circulação da água, o custo deste tipo de instalação é, geralmente, menor que o sistema de circulação forçada. Além disso, são sistemas onde a pressão de trabalho é muito baixa podendo trabalhar a partir da pressão atmosférica. Nesses sistemas não se utiliza trocador de calor entre os coletores solares e o reservatório.

Manual de Instalações – Sistema de Aquecimento Solar & Gás Natural

Julho 2009 – 25

Um ponto a ser considerado neste tipo de instalação é que o reservatório, geralmente, está situado em ambiente descoberto, sem proteção contra intempéries, o que pode reduzir a durabilidade do equipamento, mesmo com a presença de capa protetora. Na Figura 20 pode ser observado um esquema de instalação onde a placa coletora está situada no telhado de uma residência e o reservatório está situado em nível acima dos coletores solares.

Figura 20 – Sistema de circulação por termossifão

5.4.2

Circulação forçada

O sistema de circulação forçada é utilizado na impossibilidade de construção de uma instalação com sistemas de circulação por termossifão. Neste sistema, a circulação da água pelos coletores solares é feita através de uma bomba, acionada normalmente por dispositivos e sensores que indicam quando a temperatura dos coletores solares está maior que a temperatura do reservatório. A necessidade de bombas de circulação, equipamentos de monitoramento de temperatura e controles de acionamento das bombas, agrega custos na utilização deste tipo de sistema. Com o sistema de circulação forçada é possível instalar o reservatório distante dos coletores solares, permitindo uma maior flexibilidade de utilização do sistema. Neste sistema as pressões de trabalho são maiores, necessitando assim de reservatórios, coletores solares e demais componentes que suportem tais pressões. A Figura 21 apresenta um sistema de circulação forçada, com alguns equipamentos e sistemas acoplados, como a bomba de recirculação e controles.

Manual de Instalações – Sistema de Aquecimento Solar & Gás Natural

Julho 2009 – 26

Figura 21 – Sistema de circulação forçada

5.5

Referências normativas

Os sistemas de aquecimento solar de água devem observar os requisitos dispostos na NBR15569 Sistemas de aquecimento solar de água em circuito direto – Projeto e instalação, sempre que aplicável.

Manual de Instalações – Sistema de Aquecimento Solar & Gás Natural

Julho 2009 – 27

6 Sistemas de aquecimento solar & gás natural 6.1

Introdução

Os sistemas de aquecimento solar nem sempre são projetados para atender toda a demanda de água quente durante o ano inteiro, por questões econômicas ou técnicas. Para completar esta demanda de água quente não suprida pelo sistema de aquecimento solar há a opção de se utilizar sistemas de aquecimento de água a gás natural. Diversas configurações podem ser estabelecidas para o funcionamento complementar entre sistemas de aquecimento solar e gás natural. Este Manual trata as principais soluções que foram identificadas através da análise dos sistemas disponíveis atualmente junto ao mercado brasileiro, considerando adicionalmente aspectos técnicos e tendências observadas.

6.2

Aquecimento solar associado a aquecedor de passagem individual

Esta configuração consiste no conjunto composto por coletores solares, reservatório de água quente e aquecedor de passagem individual instalado em cada unidade habitacional. O reservatório tem por objetivo atender a demanda coletiva de água quente, e o aquecedor de passagem individual é utilizado para aquecer a água, quando a temperatura da água proveniente do sistema solar está abaixo da desejável. Para que os aquecedores de passagem sejam acionados com temperaturas pré-determinadas, fornecendo apenas a quantidade de energia necessária para atingir uma temperatura desejada, devem ser instalados dispositivos de controle de temperatura e potência modulável. Nestes casos, sensores identificam quando a temperatura da água do sistema solar encontra-se abaixo da especificada pelo usuário, acionando o aquecedor de passagem a gás natural. Neste tipo de configuração não se elimina a necessidade de um reservatório térmico para acumular a água quente gerada no horário com maior intensidade solar. O reservatório possibilita aos usuários usufruir da água quente gerada somente pelo sistema de aquecimento solar, mesmo nos períodos em que não há disponibilidade de sol. A Figura 22 apresenta um esquema de funcionamento do sistema de aquecimento solar associado aos aquecedores de passagem individuais.

Manual de Instalações – Sistema de Aquecimento Solar & Gás Natural

Julho 2009 – 28

pontos de consumo

Figura 22 – Esquema sistema solar com aquecedores de passagem a gás natural Fonte: Apostila de Treinamento – Eng° Jorge Chaguri

Além do controle de temperatura do aquecedor individual de passagem é importante que o sistema tenha dispositivos adicionais para monitorar a temperatura nos coletores solares e na rede de distribuição de água quente, evitando que haja circulação de água quente no sistema quando a temperatura dos coletores estiver mais baixa que a temperatura de água da rede. A eficiência deste sistema está associada à sensibilidade e o comportamento dos dispositivos de controle dos aquecedores a gás natural. O controle da temperatura de entrada de água não deve permitir que o aquecedor funcione quando a temperatura da água está dentro dos parâmetros préestabelecidos, e a válvula de controle do aquecedor deve possuir sensibilidade tal que forneça apenas a quantidade de energia necessária, sendo que qualquer acréscimo pode ser considerado como desperdício.

6.2.1

Sistemas de recirculação das unidades habitacionais

Existem detalhes que devem ser considerados em situações específicas como, por exemplo, quando da necessidade de sistemas de recirculação interna nas unidades habitacionais. Nestes casos devem ser introduzidos dispositivos que gerenciem a alimentação de água quente no interior da unidade habitacional e o sistema de recirculação interno, conforme apresentado na Figura 23.

Manual de Instalações – Sistema de Aquecimento Solar & Gás Natural

Julho 2009 – 29

Legenda:

Rede de distribuição edifício

AQ – aquecedor a gás natural M – medidor de consumo V – válvula de controle B – bomba de recirculação T – painel termostático

Rede de distribuição interna à unidade habitacional

Figura 23 – Detalhe de sistema de recirculação interna

A válvula de controle monitora a temperatura da água quente e água disponível na rede de distribuição do edifício na entrada da unidade habitacional, e encaminha para consumo caso essa temperatura seja igual ou superior a temperatura definida pelo usuário. Caso a temperatura esteja abaixo do desejado, é desviada parte da água de entrada para o aquecedor de passagem a gás natural, que vai fornecer aquecimento adicional ao sistema. O retorno da rede interna de água quente também se conecta à válvula para que seja analisada a necessidade de aquecimento adicional realizado também através do aquecedor de passagem. A válvula de controle na entrada da rede de alimentação de água quente da unidade habitacional pode ser instalada conforme a Figura 24.

Figura 24 – Detalhe da válvula de controle de temperatura

Uma alternativa para os sistemas de recirculação internos das unidades habitacionais consiste na instalação de aquecedores de fluxo balanceado próximos aos pontos de consumo, conforme mostra a Figura 25. Dessa forma é possível não instalar o sistema de recirculação, sendo que o aquecimento inicial no ponto de consumo, que normalmente encontra-se a baixa temperatura, é feito pelo aquecedor instalado próximo ao ponto de consumo. A medida que o consumo de água da rede se estabelece, a chegada da água quente do sistema de distribuição do edifício permite o desligamento deste aquecedor.

Manual de Instalações – Sistema de Aquecimento Solar & Gás Natural

Julho 2009 – 30

consumo

Rede de recirculação

Rede de distribuição edifício

consumo

Legenda: AQ – aquecedor a gás natural M – medidor de consumo V – válvula de controle B – bomba de recirculação R – redutora de pressão

consumo

Figura 25 – Sistema de aquecimento com aquecedor de fluxo balanceado

6.2.2

Níveis de pressão da rede de distribuição hidráulica

Rede de distribuição edifício

Para edifícios altos, onde a pressão na rede de água quente pode superar o limite da Norma de instalação de sistemas de hidráulicos (NBR 5626:1998), de 4kgf/cm², deve-se instalar válvulas redutoras de pressão, adequando a pressão da rede à pressão de consumo. Uma alternativa para este sistema é a introdução de uma válvula redutora de pressão individual para cada apartamento, conforme Figura 26, evitando a divisão do sistema de distribuição em diversos níveis de pressão.

consumo

Legenda: AQ – aquecedor a gás natural M – medidor de consumo V – válvula de controle B – bomba de recirculação T – painel termostático R – redutora de pressão

consumo

Figura 26 – Detalhe da introdução de válvula redutora de pressão

Manual de Instalações – Sistema de Aquecimento Solar & Gás Natural

Julho 2009 – 31

Rede de distribuição edifício

Rede de recirculação

Outra opção para o sistema de redução de pressão é a instalação de uma válvula redutora de para cada nível de pressão. Com isso, é necessária a introdução de redes de recirculação independentes para cada nível de pressão, com sistemas de controle também independentes, conforme Figura 27.

consumo Legenda: AQ – aquecedor a gás natural M – medidor de consumo V – válvula de controle B – bomba de recirculação T – painel termostático R – redutora de pressão

consumo

Figura 27 – Sistema de distribuição com redutoras coletivas

Para esta solução é necessária a utilização de bombas de recirculação com potências elevadas para recircular a água até o reservatório de água quente. Contudo, como os níveis de pressão devem ser os mesmos no reservatório de água quente, é necessário que todas as redes de água quente, dos diferentes níveis, estejam com a mesma pressão no ponto de interligação com o reservatório.

6.3

Aquecimento solar associado a sistema de acumulação individual a gás natural

No sistema de aquecimento solar associado sistema de acumulação individual a gás natural não há necessidade de um reservatório coletivo para o sistema de aquecimento solar. Neste sistema os coletores solares aquecem a água de um circuito fechado de recirculação, que através de trocadores de calor aquecem a água contida nos diversos reservatórios individuais dentro de cada unidade habitacional. Dessa forma, em vez de existir um único reservatório central para todo o edifício, existem pequenos reservatórios individuais. O aquecimento complementar deve ser feito, preferencialmente, através de um sistema conjugado de aquecimento a gás natural. Não se aconselha a utilização de aquecedor de acumulação individual com queimador incorporado em função da eficiência e dificuldade para controles.

Manual de Instalações – Sistema de Aquecimento Solar & Gás Natural

Julho 2009 – 32

Neste caso deve-se prever sistema de recirculação individual, que identificam se a temperatura do reservatório encontra-se abaixo de um valor pré-selecionado, acionando a captação de água quente do sistema de aquecimento solar até que seja atendida a temperatura desejada. No caso do sistema de aquecimento solar não ter água em temperatura superior que a do reservatório, é acionado o sistema de aquecimento a gás natural, responsável pelo aquecimento suplementar do reservatório. Na Figura 28 há um esquema típico deste tipo de sistema.

Consumo

Figura 28 – Esquema sistema solar com sistemas conjugados individuais Fonte: Apostila de Treinamento – Eng° Jorge Chaguri

Neste sistema, como o aquecimento dos reservatórios é feito através de serpentinas, não há a mistura de pressões da rede, o que evita a necessidade de redutoras de pressão no sistema de distribuição coletivo de água quente (não dispensando, no entanto, a redução da pressão de água fria), conforme Figura 29.

Manual de Instalações – Sistema de Aquecimento Solar & Gás Natural

Julho 2009 – 33

consumo

Legenda:

continuação sistema baixo

AQ – aquecedor a gás natural M – medidor de consumo B – bomba de recirculação R – redutora de pressão

Figura 29 – Detalhe a redução de pressão no sistema de água fria

Como a alimentação de água quente privilegia as unidades habitacionais mais próximas da central de aquecimento solar (coletores), o que pode provocar um consumo maior de gás nas unidades habitacionais de andares mais baixos, o rateio do consumo de água fria e gás deve ser feito através de software de medição remota ou outro mecanismo considerado adequado.

6.4

Aquecimento solar associado a sistema conjugado coletivo a gás natural

Esta configuração é a que mais se aproxima do sistema convencional de aquecimento solar. Nela os coletores aquecem a água que é armazenada em um reservatório central, de dimensão tal que permite o abastecimento de água quente para toda a edificação. Devido às variações no suprimento de água quente e capacidade de recuperação do sistema de aquecimento solar, o tamanho do reservatório necessário para atender a demanda prevista do edifício pode tornar a solução inviável do ponto de vista prático. Nesses casos, é possível a adoção de reservatórios independentes, um para armazenamento de água quente proveniente do sistema de aquecimento solar e outro para o sistema de aquecimento central a gás natural. Dessa forma, o sistema de aquecimento a gás natural aquece apenas o reservatório destinado e dimensionado para este apoio, otimizando o funcionamento de todo o sistema.

Manual de Instalações – Sistema de Aquecimento Solar & Gás Natural

Julho 2009 – 34

O sistema de aquecimento solar é responsável pelo pré-aquecimento da água a ser utilizada na edificação. O sistema central a gás natural se utiliza dessa água pré-aquecida e complementa seu aquecimento à temperatura desejada, sempre que considerado necessário. A Figura 30 ilustra um sistema de aquecimento solar associado a um sistema de aquecimento central a gás natural.

Aquecedor (gás natural)

pontos de consumo

Figura 30 – Esquema sistema solar com sistema conjugado coletivo Fonte: Apostila de Treinamento – Eng° Jorge Chaguri

Nesta configuração, quando incorporado um sistema de recirculação de água quente interno ao apartamento, é necessário considerar sistemas de medição de consumo compatíveis, prevendo-se as margens de erros dos medidores ligados na entrada e na saída.

6.5

Componentes do sistema de aquecimento solar associado ao gás natural

A Tabela 1 apresenta os principais componentes encontrados nos sistemas de aquecimento solar e gás natural, bem como as suas respectivas funções. Tabela 1 — Componentes dos sistemas de aquecimento Item 1.

Componente Coletor solar

Função Converter energia radiante em energia térmica

Reservatório térmico

Acumular energia térmica na forma de água aquecida

3. 4.

Controlador diferencial temperatura Sensor de temperatura

Reservatório de expansão

Válvula de alívio de pressão

Válvula de retenção

Proteger o sistema contra variações de pressão e expansão volumétrica durante o funcionamento do sistema Aliviar automaticamente a pressão do sistema caso a pressão máxima seja atingida Não permitir o movimento reverso da água

Válvula eliminadora de ar

Permitir a saída de ar do sistema

de Controlar o funcionamento da moto-bomba hidráulica do sistema de aquecimento (possui funções de segurança) Medir a temperatura da água em pontos específicos

Manual de Instalações – Sistema de Aquecimento Solar & Gás Natural

Julho 2009 – 35

Item 9.

Componente Válvula quebra-vácuo

10.

Dreno

Função Aliviar pressões negativas formadas durante o funcionamento do sistema, permitindo a entrada de ar Possibilitar o escoamento ou drenagem da água do sistema

11.

Moto-bomba

Promover a circulação forçada da água pelo sistema

12.

Tubos e conexões

Interconectar os componentes e transportar água aquecida

13.

Isolamento térmico

14. 15. 16. 17.

6.5.1

Minimizar perdas térmicas dos componentes e acessórios do sistema Respiro Equalizar pressões positivas e negativas do sistema e permitir a saída de ar e vapor Aquecedor de passagem a gás Suprir a demanda térmica complementar do sistema natural Central de aquecimento a gás Suprir a demanda térmica complementar do sistema natural Sistema conjugado de aquecimento Suprir a demanda térmica complementar do sistema a gás natural

Reservatório

Os reservatórios podem ser de três tipos: simples, com serpentina interna e com camisa. No reservatório simples a água de consumo é a mesma que passa pelo sistema de aquecimento, chamado de sistema direto de aquecimento. O reservatório com serpentina e o reservatório com camisa são sistemas de aquecimento indireto, onde a água quente circula pela serpentina, ou pela camisa externa, e troca calor por condução, sem contato direto com a água destinada ao consumo. Esses modelos são mostrados na Figura 31.

Figura 31 – Tipos de reservatórios

Com o reservatório simples também é possível trabalhar com um circuito indireto, quando utilizado um trocador de calor externo ao reservatório.

6.5.2

Trocador de calor

Os trocadores de calor são equipamentos que promovem a troca de calor entre dois fluídos sem que estes se misturem. Para isto existem diversos modelos, podendo ser do tipo serpentina, placa,

Manual de Instalações – Sistema de Aquecimento Solar & Gás Natural

Julho 2009 – 36

aletas etc. Na Figura 32 são apresentados dois exemplos de trocadores de calor, do tipo placa e serpentina.

Figura 32 – Detalhe do trocador de placa A instalação de um trocador de calor entre os coletores solares e o reservatório, ou o sistema de distribuição, permite que se utilize um fluído circula pelos coletores que tenha características que propiciem uma maior durabilidade dos equipamentos e que impeça formação de gelo no interior dos coletores solares. Na Figura 33 é apresentado um exemplo de trocador de calor instalado entre o coletor solar e o sistema de distribuição hidráulica.

Figura 33 – Detalhe da incorporação de trocador de calor

6.6

Aquecimento de piscinas

Além da geração de água quente para uso sanitário, o sistema de aquecimento solar com apoio a gás natural pode atender a diversas outras demandas de calor que podem ser incorporadas aos sistemas hidráulicos apresentados neste capítulo. Um exemplo de aplicação é o aquecimento de piscina, que pode ser aquecida aproveitando o mesmo sistema hidráulico projetado para o aquecimento de água. As alternativas para a incorporação são diversas e dependem das configurações da edificação, das dimensões da piscina a ser aquecida, entre outros fatores.

Manual de Instalações – Sistema de Aquecimento Solar & Gás Natural

Julho 2009 – 37

Na Figura 34 há um exemplo de como incorporar o aquecimento de piscina ao sistema de aquecimento central coletivo a gás natural e solar. Porém, a utilização do sistema de aquecimento central para aquecimento de piscina exige a incorporação do dimensionamento da piscina no dimensionamento do sistema de aquecimento solar e gás, bem como a introdução de sistema de controle que possibilite selecionar o uso da energia solar para os diferentes usos.

Figura 34 – Incorporação de aquecimento de piscina

Manual de Instalações – Sistema de Aquecimento Solar & Gás Natural

Julho 2009 – 38

7 Dimensionamento dos sistemas de aquecimento solar & gás natural 7.1

Introdução

O dimensionamento dos sistemas de aquecimento solar com apoio a gás natural deve contemplar as diversas particularidades de cada um dos sistemas independentes, além das características da edificação, projeto, demanda de água quente dos usuários, entre outros fatores. Neste capítulo apresentamos uma metodologia padrão de dimensionamento dos sistemas de aquecimento solar, do sistema de aquecimento a gás natural e a sua composição como sistema unificado, o que não impede que outras formas de cálculo possam ser utilizadas, principalmente visando as especificidades de cada instalação.

7.2

Cálculo da demanda de água quente

Existem diversas metodologias para o cálculo da demanda de água quente ou fria, disponíveis na literatura. Os métodos que apresentamos a seguir são considerados válidos dentro do escopo deste Manual. Considera-se que o consumo de água quente seja feito à 40ºC.

7.2.1

Método das vazões dos pontos de consumo

Uma das formas de se obter o volume diário de água quente a ser disponibilizado para consumo é através de levantamento dos consumos individuais de cada aparelho sanitário que possui previsão de consumo de água quente. Nesse levantamento devem ser verificadas as vazões de funcionamento desses aparelhos, considerando principalmente a pressão de trabalho da rede. A somatória da vazão de cada aparelho multiplicada pelo tempo médio de sua utilização e pela freqüência que esses aparelhos são utilizados determina o volume de água quente a ser disponibilizada para consumo, conforme fórmula a seguir:

Vconsumo   m pu  Tu  f  N onde: Vconsumo mpu Tu f N

volume total de água quente consumido diariamente na edificação (l/dia) vazão do peça de utilização (l/min) tempo médio de uso diário da peça de utilização (min) número total de utilização da peça por dia quantidade de pessoas residentes na edificação

Manual de Instalações – Sistema de Aquecimento Solar & Gás Natural

Julho 2009 – 39

Dados informativos - Vazão das peças de utilização

Aparelho sanitário

Peça de utilização

Vazão de projeto (l/min)

Banheira

18 Misturador

Bidê Chuveiro ou ducha

6 12

Lavadora de pratos ou de roupas Lavatório

Registro de pressão Torneira ou misturador

Pia

18 9 15

Fonte: adaptado da Norma ABNT NBR 5626

7.2.2

Método do volume médio

Uma alternativa para a determinação do volume total de água quente consumido diariamente na edificação é utilizar uma estimativa do consumo per capta. O valor a ser adotado para o consumo por pessoa tem que estar fundamentado em diversas variáveis, tais como: localização geográfica (cultura, temperatura ambiente, etc.), características de uso, perfil dos usuários, classe social, entre outras. Além disso, a determinação do número de usuários é imprescindível para a determinação do volume diário de água quente. Com isso, podemos definir o volume total de água quente consumida diariamente na edificação como:

Vconsumo  Vdia  N Onde: Vconsumo Vdia N

volume total de água quente consumido diariamente na edificação (l/dia) consumo de água quente por dia por pessoa (l/dia) quantidade de pessoas residentes na edificação

O volume diário de água consumida pela edificação pode também ser avaliado a partir do volume diário consumido por cada unidade habitacional multiplicado pelo número de unidades da edificação. A determinação do volume de água quente consumido diariamente na unidade habitacional pode ser determinada pela expressão:

Vindividual  Vdia  N apartamento Onde: Vindividual Vdia Napartamento

volume de consumo diário por unidade habitacional (l/dia) consumo de água por dia, por pessoa (l/dia) quantidade de pessoas residentes na unidade habitacional

Manual de Instalações – Sistema de Aquecimento Solar & Gás Natural

Julho 2009 – 40

Dados informativos – Consumo diário de água quente por pessoa

Fonte

Região/País

Peça de utilização

Volume (l/dia)

chuveiro

66 - 120

lavatório

6 - 9,6

Norma NBR 12269 - Anexo C (Informativo) (ABNT)

Brasil

chuveiro

Recomendações técnicas para sistema solar (Abrasip/Abrava)

São Paulo/Brasil cozinha

lavatório 5 NOTA: O volume de água por dia quando não é especificado o aparelho é de uso geral. Quando especificado refere-se apenas o consumo diário do aparelho.

Dados informativos – Número de pessoas na edificação

Estudo realizado com pesquisa de mercado

Jorge Chaguri

São Paulo

Pessoas por apartamento 2 por dormitório

Dados estimados com dados IBGE

Abrava

Brasil

3,6

Recomendações técnicas para sistema solar

Abracip/Abrava

São Paulo

1 por dormitório + 1 (máximo 5 pessoas) (1)

Fonte

Autor

Região/País

(1)

NOTA : Nesse caso multiplica-se o total de pessoas por um fator de ocupação, que varia conforme a quantidade de apartamentos no edifício, sendo F =1 para edifícios com menos de 10 apartamentos, F = 1,2 – 0,02 x (apartamentos) para edifícios de 10 a 25 apartamentos e F = 0,7 para edifícios com mais de 25 apartamentos.

7.2.3

Método das vazões máximas

Para o cálculo da vazão máxima de água a ser consumida instantaneamente é preciso somar as vazões dos pontos de consumo que podem ser utilizadas instantaneamente, da seguinte forma:

mmáxima   Pconsumo  Q pontos onde: mmáxima Pconsumo

Qpontos

7.3

vazão máxima de água quente demandada na unidade habitacional pontos de consumo de água quente vazão de água quente no ponto de consumo (l/min)

Cálculo das perdas térmicas no trajeto

As redes de distribuição de água quente, independente de seu comprimento, possuem perdas térmicas que são quantificadas em função da diferença de temperatura, material aplicado, qualidade da instalação, etc. No sistema de distribuição de água quente da edificação, a água quente está em contato com a parede da tubulação, embutida ou aparente, a temperaturas mais baixas. Consequentemente

Manual de Instalações – Sistema de Aquecimento Solar & Gás Natural

Julho 2009 – 41

haverá perda de calor da água para as tubulações, reduzindo a temperatura requerida no ponto de consumo. A literatura técnica (Mariotoni, Ilha 1993) apresenta detalhes sobre o cálculo de perda de calor em tubulações aparentes e embutidas do sistema de distribuição de água quente, e extrapola as intenções deste Manual. No entanto, recomenda-se que essas perdas sejam consideradas em todos os cálculos de dimensionamento do sistema de aquecimento.

7.4

Dimensionamento do sistema de aquecimento solar

O dimensionamento do sistema de aquecimento solar pode ser realizado através das etapas apresentadas a seguir, conforme estabelecido na ABNT NBR 15569.

7.4.1

Cálculo do reservatório do sistema central coletivo

O reservatório do sistema central coletivo é calculado para atender a todas as unidades de consumo, sendo que o seu dimensionamento é feito da seguinte forma:

Varmaz. 

Vconsumo  Tconsumo  Tágua. fria 

T

armaz

 Tágua. fria 

onde: Vconsumo Varmaz Tconsumo Tarmaz Tágua fria

7.4.2

volume total de água quente consumido diariamente na edificação (l/dia) volume de armazenamento do sistema de aquecimento solar (l) (sugere-se que Varmaz.  75% Vconsumo) temperatura de consumo de utilização (ºC) (sugere-se que seja adotado 40ºC) temperatura de armazenamento da água (ºC) (Tarmaz  Tconsumo) temperatura da água fria do local de instalação (ºC)

Cálculo do reservatório do sistema central privado

O reservatório do sistema central privado é utilizado para suprir as necessidades de consumo de cada unidade habitacional, sendo o dimensionamento executado da seguinte forma:

Varmaz.ind 

Vindividual  Tconsumo  Tágua. fria 

T

armaz

 Tágua. fria 

onde: Varmaz ind Vindividual Tconsumo Tarmaz Tágua fria

volume armazenado de água quente por unidade habitacional (l/uda) volume de consumo diário por unidade habitacional litros (l) temperatura de consumo de utilização (ºC) temperatura de armazenamento da água (ºC) temperatura da água fria do local de instalação (ºC)

Manual de Instalações – Sistema de Aquecimento Solar & Gás Natural

Julho 2009 – 42

7.4.3

Cálculo da área de coletores

A área de coletores é calculada em função da energia necessária para promover o aquecimento do volume de armazenamento para atendimento do consumo previsto. Os cálculos são realizados através das equações apresentadas a seguir. Cálculo da demanda de energia útil

Eútil  Varmaz    Cp  Tarmaz  Tágua. fria  onde: Eutil Varmaz  Cp Tarmaz Tágua fria

energia útil (kWh/dia) volume de armazenamento do sistema de aquecimento solar (l) (sugere-se que Varmaz.  75% Vconsumo) massa específica da água (igual a 1 kg/l) calor específico da água (igual a 11,63 x 10-4 kWh/(kg.ºC)) temperatura de armazenamento da água (ºC) (Tarmaz.  Tconsumo) temperatura da água fria do local de instalação (ºC)

Cálculo da área coletora

Acoletora 

( Eútil  E perdas)  FC instal  4,901 PMDEE  I G

onde: Acoletora IG Eutil Eperdas PMDEE

área coletora (m²) valor da Irradiação Global horizontal média diária, incidente no plano horizontal, para o local de instalação (kWh/m².dia) (Sugere-se consultar o atlas brasileiro de energia solar) energia útil (kWh/dia) somatória das perdas térmicas dos circuitos primário e secundário (KWh/dia), calculada através da equação: E perdas  0,15  Eútil produção média diária de energia específica do coletor solar (kWh/m²), calculada através da equação:

PMDEE  4,901 Fr  0,0249  FrU  Fr,α, τ e U são os parâmetros definidos no capítulo 5. FCInstal

fator de correção para inclinação e orientação do coletor solar dado pela equação:

(para 15º <  < 90º)

(para  ≤ 15º)

Fc Instal 

1  [1,2 10     ótimo   3,5 10 5   2 ] 4

1 2 1  [1,2  10     ótimo  ] 4

Manual de Instalações – Sistema de Aquecimento Solar & Gás Natural

Julho 2009 – 43

Onde:

 ótimo 

7.5

inclinação do coletor em relação ao plano horizontal (º) inclinação ótima do coletor para o local de instalação (º) (sugere-se adotar o valor de módulo da latitude local + 10º) ângulo de orientação do coletor solar em relação ao norte geográfico (º)

Dimensionamento dos aquecedores de passagem a gás natural

Existem vários tipos de aquecedores de água a gás natural com diferentes potências, fornecendo diferentes vazões de água quente. A definição do aquecedor adequado será em função da vazão máxima a ser atendida.

7.5.1

Determinação das vazões instantâneas

Para o levantamento das vazões instantâneas máximas deve-se levar em consideração o perfil dos usuários e a quantidade de pessoas de uma unidade habitacional. Recomenda-se que a vazão do aquecedor seja igual ou maior que a somatória das vazões dos pontos de consumo que podem estar em funcionamento simultaneamente.

7.5.2

Determinação da potência de aquecedores de passagem

A potência dos aquecedores de passagem pode ser calculada de acordo com a seguinte expressão:

Q  mmáxima  c  (Tconsumo  Tágua. fria ) onde: Q mmáxima c Tconsumo Tágua fria

potência útil do(s) aquecedor(es) (kcal/h) vazão máxima de água demandada simultaneamente (l/h) calor específico da água (igual a 1 kcal/kg.°C) temperatura de consumo de utilização (ºC) (sugere-se que seja adotado 40ºC) temperatura da água fria do local de instalação.

As vazões dos pontos de consumo podem ser determinadas através de consulta aos fabricantes das peças (duchas, torneiras, etc) a serem instaladas nas dependências da unidade habitacional, ou através de referências de Normas ou estudos técnicos. Dados informativos encontram-se disponíveis em 7.2.1.

7.6

Dimensionamento do sistema de acumulação individual

O dimensionamento do sistema de acumulação individual é realizado com base no volume de água quente solicitado durante o período de maior consumo, conforme as etapas apresentadas a seguir.

Manual de Instalações – Sistema de Aquecimento Solar & Gás Natural

Julho 2009 – 44

7.6.1

Cálculo do volume de água quente em uma hora do período de maior consumo

O cálculo do volume de água quente necessário no período de maior consumo (para efeito prático considera-se o período de 1 hora) é realizado adotando-se fator de simultaneidade aplicado ao volume de consumo diário, conforme a seguinte expressão:

Vpico  Vindividual FSindividual onde: Vpico Vindividual FSindividual

volume de água quente máximo consumido em uma hora (l); volume de consumo diário por unidade habitacional (l) fator que representa a simultaneidade de uso, em uma unidade habitacional; Dados informativos

Para a determinação do Fator de Simultaneidade do consumo de água quente de cada unidade habitacional pode ser utilizado o valor de 0,45. Fonte: Apostila de treinamento – Eng° Jorge Chaguri

7.6.2

Cálculo do volume mínimo de água quente armazenada

Determinado o volume de água necessária para suprir a hora de maior consumo, define-se o volume mínimo do reservatório de água quente através de um fator de armazenamento, conforme seguir:

Varmaz. gás  V pico  Farmaz Onde, Varmaz gás Vpico Farmaz

volume mínimo de armazenamento do sistema de aquecimento a gás (l) volume de água quente máximo consumido em uma hora (l) fator de minoração para determinar o volume mínimo de armazenamento Dados informativos – Fator de armazenamento

Volume na hora de maior consumo (l)

Fator de armazenamento (Farmaz)

0 a 1.500

1.501 a 6.000

6.001 a 12.000

12.001 a 20.000

20.001 -

Fonte: Apostila de treinamento – Eng° Jorge Chaguri

Manual de Instalações – Sistema de Aquecimento Solar & Gás Natural

Julho 2009 – 45

7.6.3

Determinação da potência dos aquecedores a gás natural

Para determinar a potência dos aquecedores a gás natural é necessário definir a capacidade de recuperação do reservatório no instante mais crítico, determinado anteriormente como sendo a hora de maior consumo. Calcula-se o volume de recuperação do sistema como sendo a diferença entre o volume de água quente demandado e o volume armazenado, calculado pela seguinte expressão:

Vrecup  V pico  Varmaz. gás Onde: Vrecup Vpico Varmaz gás

volume necessário para recuperação do sistema na hora mais crítica (l/h) volume de água quente máximo consumido em uma hora (l) volume de armazenamento do sistema de aquecimento a gás (l)

Definido o volume necessário de recuperação do sistema é preciso calcular a potência do aquecedor que atende a estas condições, de acordo com a seguinte expressão:

Q  Vrecup.  c  Tarmaz  Tágua. fria  Onde: Q Vrecup c Tarmaz Tágua fria

7.7

potência útil do(s) aquecedor(es) (kcal/h) volume necessário para recuperação do sistema na hora mais crítica (l/h) calor específico da água (igual a 1 kcal/kg.°C) temperatura de armazenamento da água (ºC) temperatura da água fria do local de instalação (ºC)

Dimensionamento do sistema central coletivo a gás natural

7.7.1

Cálculo do volume diário de água quente

Para o cálculo do volume de água quente necessário na primeira hora deve-se utilizar o volume de água quente máximo possível consumido durante uma hora, corrigido pelas temperaturas de banho e ambiente, utilizando-se a seguinte expressão:

Vdiário. 

Vconsumo  Tconsumo  Tágua. fria 

T

armaz

 Tágua. fria 

onde, Vdiário Vconsumo Tconsumo Tarmaz Tágua fria

volume diário consumido de água quente (l) volume total de água quente consumido diariamente (l/dia) temperatura de consumo de utilização (ºC) (sugere-se que seja adotado 40ºC) temperatura de armazenamento da água (ºC) (Tarmaz.  Tconsumo) temperatura da água fria do local de instalação (ºC)

Manual de Instalações – Sistema de Aquecimento Solar & Gás Natural

Julho 2009 – 46

7.7.2

Cálculo do volume de água quente em uma hora do período de maior consumo

O cálculo do volume de água quente necessário no período da hora de maior consumo é realizado adotando-se fator de simultaneidade aplicado ao volume de consumo diário, conforme a seguinte expressão:

V pico  Vdiário  FS Onde: Vpico Vdiário FS

volume de água quente máximo consumido em uma hora (l) volume diário consumido de água quente (l) fator que representa a simultaneidade de uso em uma hora

Alternativamente, o valor de pico pode ser obtido diretamente de levantamentos práticos ou de gráficos de simultaneidade disponíveis no mercado.

Dados informativos – Volume de pico

Fonte: Apostila de treinamento – Eng° Jorge Chaguri

7.7.3

Cálculo do volume mínimo de água quente armazenada

Determinado o volume de água necessária para suprir a hora de maior consumo, define-se o volume mínimo do reservatório de água quente através de um fator de armazenamento, conforme seguir:

Varmaz. gás  V pico  Farmaz

Manual de Instalações – Sistema de Aquecimento Solar & Gás Natural

Julho 2009 – 47

Onde, Varmaz gás Vpico Farmaz

volume de armazenamento do sistema de aquecimento a gás (l) volume de água quente máximo consumido em uma hora (l) fator de minoração para determinar o volume mínimo de armazenamento

Dados informativos – Fator de armazenamento

Volume na hora de maior consumo (l)

Fator de armazenamento (Farmaz)

0 a 1.500

1.501 a 6.000

6.001 a 12.000

12.001 a 20.000

20.001 -

Fonte: Apostila de treinamento – Eng° Jorge Chaguri

7.7.4

Determinação da potência dos aquecedores a gás natural

Vrecup  V pico  Varmaz. gás Onde: Vrecup Vpico Varmaz gás

volume necessário para recuperação do sistema na hora mais crítica (l/h) volume de água quente máximo consumido em uma hora (l) volume de armazenamento do sistema de aquecimento a gás (l)

Definido o volume necessário de recuperação do sistema é preciso calcular a potência do aquecedor que atenda a estas condições, de acordo com a seguinte expressão:

Q  Vrecup.  c  Tarmaz  Tágua. fria  Onde: Q Vrecup c Tarmaz Tágua fria

potência útil do(s) aquecedor(es) (kcal/h) volume necessário para recuperação do sistema na hora mais crítica (l/h) calor específico da água (igual a 1 kcal/kg °C) temperatura de armazenamento da água (ºC) temperatura da água fria do local de instalação (ºC)

Manual de Instalações – Sistema de Aquecimento Solar & Gás Natural

Julho 2009 – 48

7.8

Dimensionamento dos sistemas de aquecimento solar e gás natural

Para o dimensionamento de um sistema de aquecimento solar com apoio a gás natural é importante compatibilizar os dimensionamentos dos sistemas individualmente, e deve ser realizado em função de cada alternativa analisada neste Manual, conforme descrito a seguir: ▫

Alternativa 1: Aquecimento solar com aquecedor de passagem individual

O dimensionamento deste tipo de sistema deve contemplar os seguintes cálculos: - Área dos coletores solares - Volume de armazenamento do reservatório térmico central coletivo - Potência do aquecedor de passagem a gás natural ▫

Alternativa 2: Aquecimento solar com sistema de acumulação individual

No caso do dimensionamento deste sistema, deve-se contemplas os seguintes cálculos: - Área dos coletores solares - Volume de armazenamento dos reservatórios térmicos “central privado”1 - Potência do aquecedor a gás natural Nota 1 - O volume de armazenamento de acumulação a gás deve ser considerado incorporado ao volume de armazenamento central privado solar – o reservatório é único nesta alternativa

▫

Alternativa 3: Aquecimento solar com sistema conjugado coletivo

O dimensionamento desta alternativa contempla aos seguintes dados de cálculos: - Área dos coletores solares 2 - Volume de armazenamento do reservatório térmico central coletivo “solar” - Volume de armazenamento do reservatório térmico central coletivo “gás” - Potência do aquecedor a gás natural Nota 2 - Do volume do reservatório térmico solar deve ser subtraído o volume de armazenamento central coletivo a gás – os reservatórios devem ser independentes

O anexo A apresenta exemplos de dimensionamento de sistemas de aquecimento solar com apoio a gás natural, nas três alternativas apresentadas neste Manual.

Manual de Instalações – Sistema de Aquecimento Solar & Gás Natural

Julho 2009 – 49

Anexo A – Exemplo de dimensionamento Para demonstrar as etapas de dimensionamento foi utilizado como exemplo um edifício de apartamentos residenciais de 28 andares, com quatro apartamentos por andar, totalizando 112 apartamentos, sendo que a configuração de cada apartamento contempla quatro dormitórios e três banheiros.

A.1

Cálculo da demanda de água quente

Método do volume médio Parâmetros utilizados: ▫ ▫ ▫

População: 1 pessoa por dormitório, mais 1, limitado a 5 pessoas; Fator de ocupação: 70%; Consumo de água: 80 litros de água quente para banho, 10 litros para torneiras e 5 litros para pias, totalizando 95 litros por dia por pessoa;

A população residente no edifício é calculada da seguinte forma:

N total  N apto  N pessoas onde: Ntotal Napto Npessoas

número total de pessoas no local; número de apartamentos do edifício; número de pessoas por apartamento;

N total  28andares  4 aptos. por.andar  5 pessoas. por.apto  560 pessoas Multiplicada a população pelo fator de ocupação, teremos:

N  N total  FO onde: N Ntotal FO

população total da edificação; número total de pessoas no local; fator de ocupação do edifício;

N  560  0,70  392 pessoas O volume de água consumido diariamente na edificação é calculado por:

Vconsumo  Vdia  N Manual de Instalações – Sistema de Aquecimento Solar & Gás Natural

Julho 2009 – 50

Vconsumo  95litros. por.dia. por. pessoa  392 pessoas  37.240litros. por.dia

O volume de água consumido diariamente na unidade habitacional é:

Vindividual  Vdia  N apartamento Vindividual  95litros. por.dia. por. pessoa  5 pessoas  475litros. por.dia

A.2

Dimensionamento dos sistemas de aquecimento solar

A.2.1 Reservatório do sistema central coletivo Parâmetros utilizados: ▫ ▫ ▫

Temperatura de armazenamento: 45 °C; Temperatura da água fria: 20 °C; Temperatura de consumo: 40 °C;

O volume de armazenamento é:

Varmaz. 

Vconsumo  Tconsumo  Tágua. fria 

T

armaz

Varmaz. 

 Tágua. fria 

37.240  40  20  29.792 litros 45  20

A.2.2 Reservatório do sistema central privado Parâmetros utilizados: ▫ ▫ ▫

Temperatura de armazenamento: 45 °C; Temperatura da água fria: 20 °C; Temperatura de consumo: 40 °C;

Varmaz.ind 

Vindividual  Tconsumo  Tágua. fria 

T

armaz

Varmaz.ind. 

 Tágua. fria 

475  40  20  380litros 45  20

Manual de Instalações – Sistema de Aquecimento Solar & Gás Natural

Julho 2009 – 51

A.2.3 Determinação da área de coletores Calcular a demanda de energia útil. Parâmetros utilizados: ▫ ▫

▫

Irradiação Global média diária no plano horizontal (IG): 3,2 kWh/m².dia Dados de instalação: o  = ótimo; o  = 0, considerando os coletores direcionados para o Norte Geográfico; Dados do coletor mais eficiente (obtidos em www.inmetro.gov.br) o Fr = 0,755; o FrUL = 4,716;

Eútil  Varmaz    Cp  Tarmaz  Tágua. fria  Eútil  29.792  1  0,001163  45  20  866,20 kWh / dia Calcular a área coletora Para o cálculo da área coletora inicialmente calcula-se a Produção Média Diária de Energia (PMDEE) dos coletores escolhidos como referência.

PMDEE  4,901 Fr  0,0249  FrUL  PMDEE  4,901 0,755  0,0249  4,716  3,1247

Após o cálculo do PMDEE calcula-se o Fator de Correção conforme as características de instalação dos coletores. FCInstal

fator de correção para inclinação e orientação do coletor solar dado pela equação :

Fc Instal 

(para 15º <  < 90º)

Fc Instal 

1  [1,2 10     ótimo   3,5 10 5   2 ] 4

1 1 2 1  [1,2  10  33  33  3,5  10 5  0 2 ] 4

Em seguida calcula-se a área necessária de coletores.

Acoletora 

( Eútil  E perdas)  FC instal  4,901 PMDEE  I G

Manual de Instalações – Sistema de Aquecimento Solar & Gás Natural

Julho 2009 – 52

Acoletora 

A.3

(866,20  0,15  866,20)  1 4,901  488,25 m ² 3,1247  3,20

Dimensionamento dos sistemas de aquecimento a gás natural

A.3.1 Dimensionamento dos aquecedores de passagem Parâmetros utilizados: ▫ ▫ ▫ ▫

Temperatura da água fria: 20 °C; Temperatura de consumo: 40 °C; Número de pontos de consumo simultâneos: 3 chuveiros Vazão de cada ponto de consumo: 12 l/min

Determinação das vazões

mmáxima  Pconsumo  Q pontos

mmáxima  (3 12)  36l / min Determinação das potências de uso

Q  mmáxima  c  (Tconsumo  Tágua. fria )

Q  36l / min  60 min/ h 1 (40  20)  43.200 kcal / h

A.3.2 Dimensionamento do sistema de acumulação individual ▫ ▫ ▫

Temperatura ambiente: 20 °C; Temperatura de consumo: 40 °C; Temperatura de armazenamento: 45 °C;

Cálculo do volume de água quente em uma hora do período de maior consumo

V pico  Vindividual  FS individual Considerando o Fator de Simultaneidade igual a 0,45, conforme item 7.6.2, teremos:

V pico  475  0,45  214l itros Cálculo do volume mínimo de água quente armazenada

Varmaz. gás  V pico  Farmaz

Manual de Instalações – Sistema de Aquecimento Solar & Gás Natural

Julho 2009 – 53

Considerando o Fator de armazenamento igual a 1/3, conforme item 7.6.3, temos:

1 Varmaz. gás  214   71l itros 3 O volume do reservatório é o dimensionado em A.2.2 (380 litros), porém para o sistema de aquecimento a gás natural devem ser efetivamente aquecidos 71 litros. Determinação da potência dos aquecedores a gás natural

Vrecup  V pico  Varmaz. gás

Vrecup  214  71  143litros/ hora Definido o volume necessário de recuperação do sistema é preciso calcular as potências dos aquecedores que atendem a estas condições, da seguinte forma:

Q  Vrecup.  c  Tarmaz  Tágua. fria  Q  143 1 (45  20)  3.575kcal / h

A.3.3 Dimensionamento do sistema central coletivo Parâmetros utilizados: ▫ ▫ ▫

Temperatura ambiente: 20 °C; Temperatura de consumo: 40 °C; Temperatura de armazenamento: 45 °C;

Cálculo do volume diário de água quente

Vdiário. 

Vconsumo  Tconsumo  Tágua. fria 

T

armaz

Vdiário. 

 Tágua. fria 

37.240  40  20  29.792litros 45  20

Cálculo do volume de água quente em uma hora do período de maior consumo Para o cálculo do volume de água quente necessário na primeira hora deve-se utilizar um fator de simultaneidade para se obter o volume de água quente máximo possível consumido durante uma hora.

V pico  Vdiário  FS Com o volume diário de 29.792 litros, conforme item 7.7.2, temos:

Manual de Instalações – Sistema de Aquecimento Solar & Gás Natural

Julho 2009 – 54

V pico  6.500litros Cálculo do volume mínimo de água quente armazenada

Varmaz. gás  V pico  Farmaz 1

Considerando o Fator de armazenamento igual /5, conforme item 7.7.3, temos:

1 Varmaz. gás  6.500   1.300 litros 5 Determinação da potência dos aquecedores a gás natural

Vrecup  V pico  Varmaz. gás

Vrecup  6.500  1.300  5.200litros/ hora Definido o volume necessário de recuperação do sistema é preciso calcular as potências dos aquecedores que atendem a estas condições, da seguinte forma:

Q  Vrecup.  c  Tarmaz  Tágua. fria  Q  5.200 1 (45  20)  130.000kcal / h

A.4

Dimensionamento do sistema de aquecimento solar com apoio a gás natural

Dimensionados todos os parâmetros teremos para a tipologia em questão a configuração das três alternativas, conforme apresentado a seguir: ▫ ▫ ▫

Alternativa 1: Aquecimento solar com aquecedores de passagem individuais Alternativa 2: Aquecimento solar com sistemas de acumulação individual Alternativa 3: Aquecimento solar com sistema conjugado coletivo

A Tabela 2 apresenta resumo dos resultados das alternativas consideradas no dimensionamento. Tabela 2 – Resumo de alternativas de dimensionamento

Coletor solar (m²) Alternativa 1 Alternativa 2 Alternativa 3

Reservatório térmico coletivo solar (l) 29.792

Reservatório térmico coletivo gás (l)

28.492

1.300

488,25

Reservatório térmico individual gás (l) 380

Manual de Instalações – Sistema de Aquecimento Solar & Gás Natural

Potência aquecedores de passagem (kcal/h) 43.200 3.575 130.000

Julho 2009 – 55

Bibliografia consultada 1. ABRAVA. Manual de capacitação em projetos de sistemas de aquecimento solar, Abril de 2008. 2. ACKOFF, R.L. Redesigning the future. Wiley-Interscience publication, 1974. 3. AITA, F; Estudo do desempenho de um sistema de aquecimento de água por energia solar e gás. Dissertação de Mestrado em Engenharia. Porto Alegre, 2006. 4. ASSOCIAÇÃO BRASILEIRA DE NORMAS TÉCNICAS (ABNT). Instalação predial de água fria: NBR 5626. Rio de Janeiro, 1998. 5. ASSOCIAÇÃO BRASILEIRA DE NORMAS TÉCNICAS (ABNT). Projeto e execução de instalações prediais de água quente: NBR 7198. Rio de Janeiro, 1993. 6. ASSOCIAÇÃO BRASILEIRA DE NORMAS TÉCNICAS (ABNT). Aquecedor de água a gás tipo instantâneo - Requisitos e métodos de ensaio: NBR 8130. Rio de Janeiro, 2004. 7. ASSOCIAÇÃO BRASILEIRA DE NORMAS TÉCNICAS (ABNT). Aquecedores de água a gás tipo acumulação - Ensaios: NBR 10542. Rio de Janeiro, 1988. 8. ASSOCIAÇÃO BRASILEIRA DE NORMAS TÉCNICAS (ABNT). Instalação de aparelhos a gás para uso residencial – Requisitos dos ambientes: NBR 13103. Rio de Janeiro, 2006. 9. ASSOCIAÇÃO BRASILEIRA DE NORMAS TÉCNICAS (ABNT). Redes de distribuição interna para gases combustíveis em instalações residenciais e comerciais – Projeto e execução: NBR 15526. Rio de Janeiro, 2009. 10. ASSOCIAÇÃO BRASILEIRA DE NORMAS TÉCNICAS (ABNT). Sistema de aquecimento solar de água em circuito direto - Projeto e instalação: NBR 15569. Rio de Janeiro, 2008. 11. BORGES, Thomaz; Síntese Otimizada de Sistemas de Aquecimento Solar de Água. Tese de Doutorado. Campinas, 2000. 12. CONSEIL INTERNATIONAL DU BATIMENT. The performance concept and its terminology. S. 1. 1975. (CIB-Report 32). 13. EDIC. Centro Español de Información Del Cobre. Manual de energia solar. Espanha, 2005. 14. GÁS NATURAL. Manual de cálculo y diseño de instalaciones de producción de água caliente sanitária en edificaciones de viviendas mediante energia solar y apoyo individual a gas natural. Espanha, 2004; 15. GONÇALVES, O.M.; Oliveira, L.H. Sistemas Prediais de Águas Pluviais. Texto Técnico / PCC / 18, 1998. Departamento de Engenharia de Construção Civil. Escola Politécnica – Universidade de São Paulo. 16. GONÇALVES, O.M. Qualidade de Sistemas Prediais – Escola Politécnica – Universidade de São Paulo / Notas de aula da Disciplnia PCC-5715, São Paulo, 1999. 17. GONÇALVES, O.M. Sistemas Prediais I – Escola Politécnica – Universidade de São Paulo / Notas de aula da Disciplnia PCC-2465, São Paulo, 2007.

Manual de Instalações – Sistema de Aquecimento Solar & Gás Natural

Julho 2009 – 56

18. GRAÇA, M.E.A. Formulação de modelo para avaliação das condições determinantes da necessidade de ventilação secundária em sistemas prediais de coleta de esgotos sanitários. São Paulo, 1985. Tese (Doutorado). Escola Politécnica – Universidade de São Paulo. 19. ILHA, M.S.O; Gonçalves, O.M; KAVASSAKI, Y. Sistemas Prediais de Água Quente. Texto Técnico / PCC / 09, 1994. Departamento de Engenharia de Construção Civil. Escola Politécnica – Universidade de São Paulo. 20. INTERNATIONAL COUNCIL FOR BUILDING RESEARCH STUDIES AND DOCUMENTATION. Working with the performance approach in building. 1982 (CIB-Report Publication 64). 21. INTERNATIONAL ORGANIZATION FOR STANDARDIZATION, Guidance on the preparation of performance Standards in buildings. London. 1979. (ISO-Draft Proposal 6241). 22. MINISTÉRIO DE MINAS E ENERGIA. Balanço Energético Nacional 2006: Ano Base 2005: Resultados Preliminares. Empresa de Pesquisa Energética. Rio de Janeiro. 2006.

Manual de Instalações – Sistema de Aquecimento Solar & Gás Natural

Julho 2009 – 57