Relatório térmica Climatização e Sistema Solar Térmico

PROJETO TÉRMICA

Sistemas Solar Térmico e Climatização Síntese

Relatório sobre o projeto de um sistema solar térmico e um de climatização para um bloco de apartamentos.

Ricardo Rodrigues A18374@ualg.pt

Projeto 2017 – a18374

Engenharia Mecânica -Térmica

UAlg - ISE

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Relatório do Projeto de Térmica Introdução Este trabalho tem como objetivo mostrar duas soluções de engenharia mecânica, ramo de térmica mostrar alguns dos conhecimentos adquiridos ao longo do curso.

Aqui vão ser abordados dois temas essenciais o fornecimento de água quente através de um sistema Solar Térmico com tubos de vácuo com acumulação de água quente e a Climatização por ar condicionado com um sistema de VRV (Volume de refrigerante variável).

Com o sistema solar térmico procuramos garantir o fornecimento de água quente sanitária recorrendo a uma área de coletores solares e com apoio a esquentador solar a gás, dando prioridade á água quente solar, ao longo de todo o ano. Em geral, os equipamentos solares não garantem a totalidade do consumo energético, sendo, por isso, necessário o apoio de uma instalação convencional, que assegure as necessidades energéticas não cobertas pelo sistema solar. Contrariamente ao critério de dimensionamento seguido para os equipamentos convencionais, os sistemas solares não se dimensionam para as condições extremas (inverno, baixa radiação solar) de certos dias do ano, mas sim para as necessidades energéticas médias anuais. Para este tipo de equipamentos não se considera a ponta máxima previsível de consumo energético, mas sim o balanço médio anual. A análise da rentabilidade económica dos equipamentos solares, baseia-se na poupança de energia ou combustível, obtida num ano médio de funcionamento.

Com o sistema de ar condicionado procuramos garantir o conforto térmico das divisões de cada apartamento recorrendo a unidades interiores que debitam frio ou calor conforme a estação do ano. Em geral, os equipamentos de ar condicionado são dimensionados para as alturas mais desfavoráveis do ano e funcionam segundo um perfil de utilização traçado para a ocupação e períodos de tempo predefinidos ao longo do dia o que facilita na programação do funcionamento das máquinas de ar condicionado.

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Resumo O projeto tem como localidade o distrito de Faro, Portugal, numa zona de albedo médio, com poucas habitações/obstruções em redor.

As várias etapas de projeto serão descritas abaixo de forma resumida.

Em primeiro lugar foi necessário olhar para os desenhos que continham plantas, alçados e cortes do edifício em estudo que contem 12 apartamentos do tipo T2 com garagem e terraços com orientação a sul.

Para o sistema solar térmico foi utilizada uma folha de cálculo disponibilizada pela Direção Geral de Energia denominada por SCE.ER. Foi desenhado um esquema de principio e retirados os dados relativos ao comprimento de tubagens e demais acessórios da instalação. Segundo um perfil de utilização para espaços residenciais foram retirados valores de consumo médio de água quente por cada habitante. Foi calculado o volume do vaso de expansão. Foi tido em conta a montagem dos coletores solares em combinado de série com paralelo assim como a distância entre as baterias de coletores solares.

Para o sistema de ar condicionado, procedeu-se ao levantamento das áreas das paredes, envidraçados e das portas de modo a obter dados para a seguinte etapa, o cálculo das cargas térmicas, indispensável para o dimensionamento.

Para o cálculo das cargas térmicas utilizou-se o método dos coeficientes globais de transmissão de calor. As cargas térmicas da envolvente opaca (paredes, cobertura, pavimento e portas), envidraçados, ventilação e as internas do tipo iluminação e ocupação, foram calculadas para Verão/Arrefecimento e Inverno/Aquecimento para o dia mais quente e o dia mais frio respetivamente. Desta forma obtemos a quantidade de calor que é necessário vencer para obter o conforto térmico.

Com os valores obtidos das cargas térmicas para as divisões em estudo (Quarto 1, Quarto 2 o espaço partilhado sala de estar-cozinha-hall-zona de circulação) do apartamento com maior carga térmica (Apartamento 3A) e para as condições mais desfavoráveis (Inverno) pudemos selecionar o equipamento necessário do tipo VRV de 2 tubos (líquido e gás).

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Painéis Solares de Tubos de Vácuo.

Imagem 1: Funcionamento dos coletores solares por tubos de vácuo O efeito de estufa criado nos painéis solares pode ser muito melhorado se entre o absorsor e o vidro se fizer o vácuo, pois desta forma se anulam as perdas por convecção e condução.

O vácuo pode ser parcial, mas nesse caso o ar é substituído por gases (nobres). Neste caso as perdas por condução e convecção não são anuladas, mas são fortemente reduzidas. Quanto à manutenção do vácuo há dois tipos de tubos:  

A solução do tipo “termo” de vidro em que toda a câmara de vácuo é em vidro, não havendo partes metálicas (tipo Sidney).

Soluções com vedação entre o vidro e o metal (soldadura, vedantes)

Quanto à extração da energia existem duas soluções:  

Circulação forçada (ligação húmida) Circulação “tubo de calor” (ligação seca) (heat pipe ou díodo térmico). Esta tecnologia permite definir uma temperatura de segurança (corte). Os tubos de vácuo poderão ter, ou não, dispositivos para reforço de radiação (concentradores cilíndricos, CPCs, etc).

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________________________________________________________________________________ Vantagens Elevada temperatura de funcionamento, interessante para processos que necessitem de temperaturas elevadas, arrefecimento solar, processos industriais; Reduzidas perdas térmicas; Construção compacta, sem problemas de humidades, impurezas, etc.; Maior flexibilidade de integração arquitetónica (fachadas verticais).

Desvantagens Elevada temperatura de estagnação (podendo ultrapassar os 300 ºC), o que requer particular atenção com os materiais e acessórios utilizados no circuito primário; Investimento inicial elevado (custo por m² de área de absorção); O elevado investimento dificilmente se justifica para temperaturas baixas (ex.

AQS);

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Sistemas com expansão direta dum fluído refrigerante (VRV) O aquecimento ou o arrefecimento dum escoamento de ar pode ser obtido através do contato com a superfície de baterias alimentadas diretamente por um fluído refrigerante ou frigorigeneo.

Estes sistemas são designados por sistemas de expansão direta dum fluido refrigerante em que os elementos principais que compõem o ciclo frigorifico são o evaporador, o compressor, o condensador e o dispositivo de expansão. O compressor é normalmente acionado por motor elétrico, contudo recentemente estão a surgir no mercado sistemas com compressão mecânica acionada por motor a gás.

Para realizar alternadamente os processos de arrefecimento e de aquecimento no mesmo sistema é necessário que este tenha uma válvula de inversão do circuito do fluído refrigerante. Caso contrário o sistema só consegue operar em arrefecimento ou só em aquecimento.

Imagem 2: Sistema de expansão direta de um fluído frigorigenio O ciclo de refrigeração ou ciclo frigorífico é um ciclo termodinâmico que constitui o modelo matemático que define o funcionamento das máquinas frigoríficas e das bombas de calor.

A diferença entre uma bomba de calor e uma máquina frigorífica normal consiste em esta última apenas poder ser usada para arrefecimento enquanto que a primeira pode ser usada tanto para arrefecimento como para aquecimento. No seu processo de aquecimento, a bomba de calor também utiliza um ciclo de refrigeração. Para tal, a bomba de calor tem a possibilidade de escolher qual das serpentinas é que deve funcionar como condensador, funcionando a outra como evaporador. Nos climas mais frios, é comum a utilização, em residências, de bombas de calor que apenas permitem o aquecimento - tornando-as mais simples e baratas - uma vez que o arrefecimento raramente é necessário. ________________________________________________________________________________ Pág. 6

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Ventilação - Qualidade do Ar Interior e a necessidade de ventilação

Nos últimos anos tem-se assistido a uma crescente preocupação por parte da população em relação à qualidade do ar interior. As preocupações energéticas levaram a uma atuação para reduzir as infiltrações. Antigas habitações de média qualidade apresentavam taxa de renovação do ar da ordem de 1 ren/h. A melhoria das caixilharias reduziu esta taxa de infiltração em cerca de 50%. Edifícios com boa estanquicidade podem apresentar uma taxa de infiltração que resulta num valor de 0,3 ren/h.

Esta redução das infiltrações, no entanto, leva a que o caudal de ar novo que efetua a renovação do ar interior seja inferior ao recomendável, sendo desta forma necessário recorrer a meios mecânicos de ventilação de forma a garantir a taxa de renovação de ar pretendida. A melhoria da qualidade do ar interior obriga ao tratamento do ar exterior, o que não pode ser conseguido através de processos de ventilação natural. Desta forma muitos edifícios têm vindo a utilizar sistemas de ventilação mecânica, frequentemente associados a sistemas de climatização. Estes sistemas de ventilação efetuam a “limpeza” do ar novo a introduzir no edifício, de forma a garantir a qualidade do ar interior pretendida.

A entrada de ar através de frinchas de janelas e portas é uma infiltração de ar não controlada. A entrada de ar através de orifícios colocados propositadamente na fachada para a entrada de ar (e cuja abertura pode ser controlada), corresponde a uma renovação de ar por processo de ventilação natural.

(Neste projeto as únicas medidas para colmatar este ponto são a instalação de um bom exaustor de cozinha e a colocação de grelhas que são usuais nas instalações sanitárias.)

Imagem 3: Orifícios de entrada de ar, France Air

Imagem 4: Campânula de exaustão, Siemens ________________________________________________________________________________ Pág. 7

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Dados climáticos e de projeto Localização: Faro

Alinhamento do Telhado: Sul Longitude: -7.9333333º Latitude: 37.0166667º Elevação: 12 m Verão

Temperatura Exterior: 31.8 ºC Amplitude térmica: 11.2 ºC HR exterior: 40%

W exterior: 13.8 g/Kg Temperatura do corredor: 28 ºC Temperatura interior: 25ºC HR interior: 50 %

W interior: 9 g/Kg Inverno Temperatura Exterior: 6.2 ºC HR exterior: 90%

W exterior: 5.4 g/Kg Temperatura do corredor: 10 ºC Temperatura interior: 20 ºC HR interior: 50%

W interior: 7.4 g/Kg Em anexo diagrama psicrométrico para condições de inverno para a Sala/Cozinha/Hall ________________________________________________________________________________ Pág. 8

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Pormenores construtivos Parede exterior

Reboco com 0,02m de espessura, com condutividade térmica de 1,3 w/mk, resistência térmica de 0,015 m2ºC/w + Alvenaria de tijolo com 0,15 m de espessura, resistência térmica de 0,39 m2ºC/w

+ Isolamento térmico em poliestireno expandido extrudido (XPS) com 0,05 m de espessura, com condutibilidade térmica de 0,037 w/mk, resistência térmica de 1,351 m2ºC/w + Alvenaria de tijolo com 0,11 m de espessura, resistência térmica de 0,27 m2ºC/w

+reboco com 0,02m de espessura, com condutividade térmica de 1,3 w/mk, resistência térmica de 0,015 m2ºC/w Resistência térmica superficial – sentido do fluxo horizontal – Rsi (interior) U=0,43 W/m2ºC

Espessura=0,35 m Pavimento

Revestimento cerâmico com 0,02 m de espessura, com condutibilidade térmica de 1,3 W/mk, resistência térmica de 0,015 m2ºC/w

+ Argamassa de assentamento com 0,04 m de espessura com condutibilidade térmica de 1,3 w/mK, resistência térmica de 0,031 m2ºC/w + Betonilha de regularização com 0,04 de espessura com condutibilidade térmica de 0,037 w/mk, resistência térmica de 1,081 m2ºC/w

+ Reboco com 0,1 m de espessura, com condutibilidade térmica de 1,3 w/mk, resistência térmica de 0,077 m2ºC/w + Betão armado com 0,18m de espessura, com condutibilidade térmica de 2,3 w/mk, resistência térmica de 0,078 m2ºC/w

+ Reboco com 0,02 m de espessura, com condutibilidade térmica de 1,3 w/mk, resistência térmica de 0,015 m2ºC/w Resistência térmica superficial – sentido do fluxo vertical ascendente Rsi (interior) U=0,67 w/m2ºC

Espessura=0,4 m

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________________________________________________________________________________ Cobertura horizontal Areia, Seixo, Brita com 0,03 m de espessura com condutibilidade térmica de 2 w/mk, resistência térmica de 0,015 m2ºC/w

+ Reboco com 0,08 m de espessura com condutibilidade térmica de 1,3 w/mk, resistência térmica de 0,062 m2ºC/w + Betão normal com 0,04 m de espessura com condutibilidade térmica de 2 w/mk, resistência térmica de 0,02 m2ºC/w

+ Isolamento térmico em poliestireno expandido extrudido (XPS) com 0,06 m de espessura com condutibilidade térmica de 0,037 w/mk resistência térmica de 1,622 m2ºC/w

+ Betão armado com 0,2 m de espessura com condutibilidade térmica de 2,3 w/mk, resistência térmica de 0,087 m2ºC/w

+ Reboco com 0,02 m de espessura com condutibilidade térmica de 1,3 w/mk, resistência térmica de 0,015 m2ºC/w Resistência térmica superficial – sentido do fluxo ascendente Rsi (interior) U=0,51 W/m2ºC

Espessura=0,43 m Envidraçados Vãos envidraçados verticais

Caixilharia metálica com corte térmico

Vidro duplo – 16mm espaçamento da lâmina de ar Janela de correr

U sala de estar=3,3 W/m2ºC U quartos=2,9 W/m2ºC Porta U madeira= 1,9 W/m2ºC Em anexo encontram-se desenhos (desenho nº3) sobre os pormenores construtivos da Parede Exterior, Pavimento e Cobertura. ________________________________________________________________________________ Pág. 10

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Cargas Térmicas A carga térmica duma determinada zona dum edifício é a quantidade de calor que deve ser retirada ou colocada nessa mesma zona para que as condições interiores, temperatura e humidade relativa, não sofram variações significativas relativamente aos valores pretendidos. A carga térmica é, pois, influenciada pelas condições climáticas exteriores e pelas condições interiores verificadas no espaço.

A componente externa da carga térmica está associada às trocas de calor através da envolvente exterior da zona do edifício em questão: transmissão de calor através de paredes, tetos, pavimentos, envidraçados e ás infiltrações de ar.

Por outro lado, a componente interna da carga térmica depende do calor gerado internamente na zona. Tipicamente, estes fluxos de calor estão associados à utilização de equipamento diverso, à necessidade de iluminação artificial e à própria permanência das pessoas.

Verão/Arrefecimento Quarto 1

Q total Q1

222 w

Q equipamento

200 w

Q iluminação Q ocupação Q ocupação latente

70 w 140 w 90 w

Q ventilação sensivel Q ventilação latente

137,4 w 156,8 w

Somatório Q1 sensível Somatório Q1 latente

769,1 w 246,8 w

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________________________________________________________________________________ Quarto 2

Q total Q2

120

w

Q equipamento

200

w

Q iluminação

53

w

Q ocupação Q ocupação latente

140 90

w

Q ventilação sensivel Q ventilação latente

137,4 156,8

w w

Somatório Q2 sensível Somatório Q2 latente

650 246,8

w w

Sala de estar/Cozinha/Hall Q total sala

Q equipamento

315,452 w 1300 w

Q iluminação

200 w

Q ocupação sensível Q ocupação latente

210 w 135 w

Q ventilação sensivel Q ventilação latente

206,04 w 235,2 w

Somatório Sala sensível Somatório Sala latente

2231 w 370,2 w

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________________________________________________________________________________ Q total apartamento verão = 3650.5 W 53 W/m2

Inverno/Aquecimento Quarto 1

Q envolvente Q1 Q equipamento Q iluminação Q ocupação Q ocupação latente

450,4 w 200 w 70 w 140 w 90 w

Q ventilação sensivel Q ventilação latente

278,6 w 156,8 w

Somatório Q1 Somatório Q latente

1139,0 w 246,8 w

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________________________________________________________________________________ Quarto 2

Q envolvente Q2

242,6

w

Q equipamento

200

w

Q iluminação

53

w

Q ocupação Q ocupação latente

140 90

w

Q ventilação sensivel Q ventilação latente

278,6 156,8

w w

Somatório Q2 Somatório Q2 latente

914,2 246,8

w w

Sala de estar/Cozinha/Hall Q envolvente sala

651,5 w

Q equipamento

1300 w

Q iluminação

200 w

Q ocupação Q ocupação latente

210 w 135

Q ventilação sensivel Q ventilação latente

Somatório Sala Somatório Sala latente

418,1 w 235,2 w

2779,6 w 370,2 w

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________________________________________________________________________________ Q total apartamento Inverno = 4832.8 W 70 W/m2

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Sistemas Sistema Solar Térmico Circuito solar O calor gerado nos coletores é transportado para os tanques de armazenamento solar, através do circuito solar. Este é constituído pelos seguintes elementos:  tubagens: permitem a ligação dos coletores aos tanques de armazenamento que muitas vezes são instalados na cave;  fluído de transferência térmica: transporta o calor do coletor para o tanque de armazenamento;  bomba solar: faz circular o fluído de transferência térmica no circuito solar;  permutador de calor do circuito solar: transfere o calor para a água potável no tanque de armazenamento;  equipamento e acessórios para enchimento, esvaziamento e drenagem;  equipamento de segurança: vaso de expansão e válvula de segurança que protegem o sistema de danos (perdas) devido à expansão do fluído térmico.

Tubagens Os materiais mais frequentemente utilizados, em instalações solares térmicas são o aço inox, o cobre, o aço galvanizado, o aço negro e os materiais plásticos. Para o transporte de calor em condutas entre o coletor e o tanque de armazenamento o cobre é o material mais utilizado, por ser tecnicamente adequado e economicamente competitivo. O cobre resiste à corrosão, tanto dos líquidos que circulam no seu interior como dos agentes exteriores, a sua maleabilidade e ductilidade permitem uma cómoda manipulação e uma grande facilidade para realizar traçados complicados. Muitos tipos de acessórios feitos de cobre, bronze vermelho ou latão estão disponíveis para ligações Cu/Cu e transição para outros sistemas de componentes com conexões roscadas. Relativamente aos tubos de aço inox a sua utilização tem sido crescente nos últimos anos, devido à sua boa resistência à corrosão, facilidade de corte e gama completa de acessórios para montagem rápida.

Apresenta a vantagem de ter menos perdas de carga em linha, permitindo o uso de diâmetros menores. Em contraposição com o cobre não é aconselhável fazer dobragens no aço inox, o que implica a utilização de acessórios que aumentam as perdas de carga singulares. Os outros materiais apresentam problemas de corrosão e oxidação, o que limita a sua utilização em circuitos com menores temperaturas ou apenas para o circuito primário.

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________________________________________________________________________________ Montagem do campo de coletores Como os coletores estão ligados formando uma superfície contínua, a questão do principio de ligação deve ser levantada. O objetivo é encontrar uma taxa de fluxo uniforme por todo o campo. Uma taxa de fluxo não uniforme causa diferentes temperaturas no campo dos coletores, com efeitos negativos no controlo do comportamento e produção dos coletores.

O tipo de ligações pode diferenciar-se entre ligações em série e em paralelo. Ambos os princípios podem ser combinados.

Ligações em paralelo: neste caso todos os coletores estão instalados entre dois tubos principais –um distribui e o outro recolhe. Para estabelecer uma taxa de fluxo uniforme os tubos principais devem ter uma baixa resistência ao fluxo (i.e. um tubo de grande secção) em relação ao coletor. Todos as ligações de escoamento devem ter o mesmo comprimento (ligação Tichelmann).

Ligação em série ou em linha Como o nome indica, com este tipo, os coletores são ligados sucessivamente. A taxa de fluxo, que é necessária, no sentido de retirar o calor aumenta em proporção com o número de coletores, contudo a resistência aumenta. Por causa da necessidade de aumentos significativos da potência da bomba, o número de linhas com esta ligação é limitado. Este arranjo de circuitos assegura um fluxo uniforme através dos coletores.

Combinação de ligações em série e em paralelo Tais combinações tornam possível combinar as vantagens de ambas as ligações. Através de sucessivas ligações entre coletores, a resistência do fluxo em linhas individuais é significativamente aumentada acima da linha de tubagem principal. O objetivo da combinação de ligações é manter um fluxo uniforme através do campo de coletores com uma baixa resistência de fluxo (bomba de baixa potência).

Imagem 5: Ligação de coletores em série e paralelo

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________________________________________________________________________________ Para o sistema solar térmico destinado ao aquecimento de águas sanitárias do bloco de apartamentos em estudo é necessário fazer o cálculo das necessidades em função do perfil de utilização. Neste perfil residencial o consumo de água quente anda á volta dos 40 litros por pessoa. Sendo a lotação de cada apartamento igual a 3 pessoas perfaz-se o valor de 120 litros por apartamento. Para o total de 12 apartamentos obtemos o valor de 1440 litros.

O sistema será centralizado quanto á área de coletores e distribuído quanto á acumulação de água quente.

O sistema escolhido é o seguinte: Coletores de tubos de vácuo aquecem o circuito primário que por sua vez vai aquecer água nos 12 depósitos de 145 litros com permutador de serpentina. A água que irá ser consumida poderá ser aquecida no esquentador de controlo modulante (apoio a gás natural) onde atingirá a temperatura de consumo se assim for necessário.

Imagem 6: Folha de cálculo de energias renováveis da DGE Simulação e relatório do programa SCE.ER disponibilizado no site da DGE (em anexo) Sistema solar por medida, em circulação forçada, com 17,2 m² de coletores com inclinação 35° e orientação 0°, e armazenamento de água sanitária distribuído com capacidade total 1740 litros, apoio de montagem ao depósito com controlo temporizado.  Para diferentes ângulos de incidência do sol ao longo do ano, a uma determinada latitude, existe um valor máximo de radiação produzida que poderá ser obtido se a ________________________________________________________________________________ Pág. 18

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________________________________________________________________________________ superfície recetora estiver inclinada a um determinado ângulo. O ângulo de inclinação ótimo, para os meses de Inverno (menor radiação) é maior que no Verão por causa da menor altura solar. De acordo com a média anual a irradiação ótima encontra-se no alinhamento com a meridional (D = 0°) e tendo uma inclinação de E = 30º. É claro que os valores mais elevados de irradiação, cerca de 70% (1.300 KWh/m2), estão disponíveis no semestre de Verão (Abril a Setembro).

Circuito primário com 24 m de comprimento, sem permutador externo, tubagens de calibre 18 mm, isolamento em poliuretano com 20 mm de espessura.  Nas instalações convencionais é dada pouca importância ao isolamento térmico das tubagens, contudo a utilização da melhor tecnologia de aquecimento não deve ser desperdiçada desnecessariamente no transporte e no tanque de armazenamento.

Em tecnologia solar a tubagem deve ter um isolamento térmico que permita uma eficiência elevada, sendo de referir que para tubagens de cobre até 18 x 1 deve haver no mínimo 30 mm de espessura de isolamento, para dimensões superiores um mínimo de 40 mm. O material de isolamento usado deve ter uma condutividade térmica de K d 0,035 W/mK. A inexistência de falhas no isolamento é muito importante. Isto significa que os acessórios, válvulas, ligações ao tanque de armazenamento, bujões, flanges e outros devem estar bem isolados. Nos circuitos solares deve usar-se material de isolamento temperatura à temperatura (150 – 170°C). Condutas externas devem ser resistentes aos UV, às intempéries e à corrosão da água, p.e. revestindo-os com uma cobertura metálica.

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________________________________________________________________________________ Bombas de 50 W, garantindo um caudal nominal de 15 l/m² por hora, fluido circulante com 25% de anticongelante.

Imagem 7: Bomba solar circulante 

Quando a circulação por termossifão não é possível – ou porque os coletores estão colocados a um nível superior ao do depósito, ou porque a diferença de densidades não é suficiente para vencer a resistência do atrito nas tubagens – recorre-se à circulação forçada do fluído por intermédio de uma bomba.

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________________________________________________________________________________ 8 coletores Baxi AR 20 - certificado 011-7S2385 R de DIN CERTCO (DE), dados inseridos por DGEG (válido até 2019-08-29).

Imagem 8: Tubos de vácuo, Baxi Área de abertura 2,15 m², coeficientes de perdas térmicas a1 = 1,36 W/m²K e a2 = 0,005 W/m²K², rendimento ótico = 77%.  Os coletores ensaiam-se geralmente fazendo-os funcionar num banco de ensaio sob condições estáveis de radiação solar, velocidade do vento, temperatura do fluido à entrada e temperatura ambiente. Os resultados obtidos nos ensaios, de acordo com a Norma EN 12975, em laboratórios acreditados, dão-nos o rendimento do coletor, η, definido pela relação entre a potência captada e a recebida.

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________________________________________________________________________________ 12 depósitos de modelo TiSun THSY 160, com capacidade 145 litros, em posição vertical; coeficiente de perdas térmicas global = 2,7 W/K, paredes em INOX, temperatura máxima de operação 95°C.  Ao sistema de armazenamento devemos exigir-lhe as seguintes condições: alta capacidade calorífica, volume reduzido, temperatura de utilização de acordo com a necessidade energética, rápida resposta ao consumo, boa integração no edifício, baixo custo, segurança e longa duração.

Imagem 9: Depósito de acumulação TiSun

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________________________________________________________________________________ Apoio energético fornecido por sistema térmicoS (gás natural) com eficiência nominal 86%.  A estratégia de controlo do subsistema de apoio é muito importante para maximizar o aproveitamento da energia solar. Apoio em série: aquece-se a água já quente que sai do depósito de consumo desejada (controlo modulante); é a estratégia mais eficiente.

Imagem 10 e 11 : Kit Solar + esquentador miniMAXX WRDB da Junckers 

Nas alturas do ano com piores condições climáticas, onde se verificam muitos dias de céu encoberto, a energia solar para a produção de água quente pode ser insuficiente. Assim é necessária a existência de um aparelho de apoio (Esquentador, Caldeira ou Termoacumulador) que permita aquecer a água quando os coletores solares não têm sol para o fazer.

Água quente distribuída por tubagens de calibre 15 mm isoladas por polietileno com espessura 10 mm, com 12 m entre depósito e ponto de consumo. Ver anexo da Armacel.

Princípios para controlo da diferença de temperatura São necessários dois sensores de temperatura para proceder ao controlo da diferença de temperatura. Um deles mede a temperatura na zona do circuito solar, onde se atinge a maior temperatura, antes do fornecimento de calor e depois do coletor, o segundo mede a temperatura no tanque à altura do permutador de calor. O sinal de temperatura do sensor (válvula de resistência) é comparado numa unidade de controlo. A bomba é ligada através de um processo auxiliar quando o diferencial de temperatura é atingido. O diferencial de temperatura para acionar a bomba depende de vários fatores. Valores de 5-8 K são standard. Em princípio quanto maior o comprimento da tubagem entre o coletor e o tanque ________________________________________________________________________________ Pág. 23

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________________________________________________________________________________ de armazenamento maior deve ser a diferença de temperatura. O diferencial de temperatura para desligar a bomba anda normalmente à volta de 3K. Um terceiro sensor pode ser ligado para medição de temperatura na área superior do tanque de armazenamento, que permite a medição da temperatura de recolha de água aquecida. Uma função adicional deste controlador é desligar o sistema quando se atinge a temperatura máxima do tanque de armazenamento.

Vaso de expansão O recipiente de expansão é ajustado para absorver o aumento de volume no fluído de transferência térmica quando este é aquecido e reencaminhá-lo novamente para o sistema quando arrefecer. Deve ter as dimensões suficientes para receber o volume máximo de fluído. O vaso de expansão deve ser instalado num ramal do circuito solar sem isolamento térmico, por forma a reduzir a carga térmica na membrana. A parte inferior do vaso, que contém uma válvula deve estar acessível para controlo e definição da pressão de admissão.

Os vasos de expansão com volumes superiores a 12 litros são fixados com os seus próprios acessórios. Antes da instalação no sistema deve ser definida a pressão de admissão (padm).

Exemplo: A altura do sistema é hsis = 2 m (distância entre o vaso de expansão e o topo do coletor) portanto padm = 2 m x 0,1 bar/m + 0,5 bar = 0.7 bar. Uma pressão de admissão de 3 bar é usualmente pré-definida pelo fabricante por forma a que o vaso de expansão possa ser testado com um gás padrão.

Foi utilizada uma folha de cálculo para determinar a capacidade do vaso de expansão.

Vaso de Expansão Capacidade Total do Circuito Primário

40,1

Litros

Temperatura Máxima Possível

143

ºC

Pressão Relativa no Sistema

2,5

bar

Pressão Inicial no Depósito

1,5

bar

Volume Útil do Vaso de Expansão

14,6

Litros

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Imagem 12: Vaso de expansão, Caleffi O sistema deve libertar a pressão através da válvula de segurança, reduzindo a pressão do sistema rapidamente. A pressão de resposta da válvula de segurança deve ser de 4 - 6 bar.

O vaso de expansão deve estar preparado para esta pressão.

Imagem 13: Válvula de segurança, Caleffi As condições de operação acima mencionadas significam que o sistema de energia solar está muito carregado. Se por exemplo, as condições de evaporação do fluído acontecerem com muita frequência, este fluído perderá rapidamente as suas características.

Fez-se um esquema de principio do sistema solar térmico (desenho nº1) assim como a integração do sistema nas plantas de arquitetura (em anexo) ________________________________________________________________________________ Pág. 25

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________________________________________________________________________________ Climatização VRV 2 tubos O VRV é um sistema de expansão direta onde o fluxo de gás refrigerante é variável. Usado há mais de 20 anos, a sua sigla significa “volume de refrigerante variável” ou também pode ser chamado de VRF (do inglês “variable refrigerant flow“). As instalações deste sistema necessitam de alguns aspetos criteriosos, tais como: ar condicionado multisplit, elaboração de um projeto de climatização assinado por um engenheiro e necessita de manutenção especializada. A utilização do VRV traz redução no consumo de energia e também proporciona uma melhor relação com o meio ambiente, pois o VRV não prejudica a camada de ozono.

A grande característica do VRV é a variação da velocidade do compressor, ou seja, é como se o utilizador tivesse um acelerador para arrefecer mais ou menos conforme o seu gosto.

A eletrónica embarcada nos sistemas VRV faz uso da eletrónica de cada unidade evaporadora e condensadora. Esta tecnologia possibilita que o sistema central de controle otimize a operação do sistema, adequando a produção de frio ou calor e suas distribuições para os diversos ambientes, o que reduz o consumo do sistema em cargas parciais.

Após o cálculo das cargas térmicas podemos apresentar um valor sobre as necessidades de aquecimento e arrefecimento do edifício, seja a potência da unidade exterior e das unidades terminais. Os valores utilizados são relativos á estação de Inverno onde obtivemos potências mais altas. Depois de obtidas as medidas de comprimento das tubagens, das potências e do número de unidades interiores prosseguimos para a utilização do software fornecido pela Daikin para o dimensionamento e seleção do equipamento adequado.

Para a seleção foram considerados vários fatores que vale a pena mencionar como sendo a arquitetura, as áreas e as potências. Estes são três fatores que podem influenciar a utilização de uma solução diferente. A arquitetura não apresenta um layout que prejudique em demasia a difusão de ar, o rácio de potência por m2 está dentro de valores normais neste tipo de edifício (80 W/m2 para o Aquecimento e 120 W/m2 para o Arrefecimento).

Existe também a norma EN378 que limita a quantidade de fluído frigorigeneo nos sistemas de expansão direta, para determinados tipos de edifícios/utilização. Em suma a quantidade máxima é de 0,44 kg/m3. Para este caso, o quarto mais pequeno tem 10,6m2 de área e um pé direito de 2,6m, ou seja, chegamos a um volume de 27,6m3 de volume. Multiplicando este valor por 0,44 kg/m3 chegamos a uma carga máxima de fluido frigorigeneo de 12,1kg.

Como tal a seleção cumpre a norma, visto que a carga de fluído é de 6.2 Kg para o sistema escolhido. No relatório da seleção que se encontra em anexo encontramos a seleção para 6 apartamentos sendo os outros 6 uma cópia deste mesmo. Foram selecionadas 2 unidades exteriores (4 no total) e 18 unidades interiores (36 no total).

Na imagem abaixo vemos a ligação de 1 unidade exterior a 9 unidades interiores que equivale á instalação para 3 apartamentos. Teremos, portanto, mais 3 instalações iguais a esta. ________________________________________________________________________________ Pág. 26

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Imagem 14: Ligação de tubos, unidade exterior, caixas BP, unidades interiores (programa da Daikin)

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________________________________________________________________________________ Unidade exterior

Imagem 15: Unidade exterior RXYSQ8TY Características do produto           

Design de poupança de espaço para uma instalação flexível Abrange todas as necessidades térmicas de um edifício através de um único ponto de contacto: controlo preciso da temperatura, ventilação, unidades de tratamento de ar e cortinas de ar Biddle Vasta gama de unidades interiores: ligue unidades VRV ou unidades interiores elegantes, tais como Daikin Emura, Nexura, etc.

Vasta gama de unidades (4 a 12 HP) adequadas a projetos até 200 m² com limitações de espaço Incorpora as normas e tecnologias; VRV IV: temperatura variável do fluido frigorigéneo e compressores totalmente inverter Personalize o seu VRV para a melhor eficiência e; conforto com a função de temperatura variável do fluido frigorigéneo dependente da temperatura exterior.

Aumento da eficiência sazonal até 28%. Acabaram-se as correntes de ar frio através do fornecimento de elevadas temperaturas de saída Software configurador do VRV para a mais rápida e precisa colocação em funcionamento, configuração e personalização 3 escalões no modo noturno silencioso: fase 1: 47dBA, fase 2: 44 dBA, fase 3: 41 dBA Possibilidade de limitar o consumo de energia pico entre 30 e 80%, por exemplo, durante períodos com requisitos elevados de energia Pode ligar-se a todos os sistemas de controlo VRV Mantenha o seu sistema em bom estado através do nosso serviço i-Net: Monitorização 24 horas por dia, 7 dias por semana para eficiência máxima, vida útil prolongada, assistência imediata graças à previsão de avarias e a uma compreensão da operacionalidade e utilização

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________________________________________________________________________________ Unidade interior

Imagem 16 e 17: FTXS35K e FTXS20K + Comando Características do produto   

   

Funcionamento silencioso: quase não se ouve a máquina em funcionamento. O nível de pressão sonora chega aos 19 dBA !

Ideal para instalação em quartos (gama de capacidades inferior) e áreas de convívio maiores ou com formas irregulares (gama de capacidades superior) Sensor inteligente de 2 áreas: o caudal de ar é enviado para uma área que não aquela em que a pessoa se encontra de momento; caso não sejam detetadas pessoas, a unidade irá comutar automaticamente para a definição de eficiência energética. (área de capacidade maior) O caudal de ar em 3D combina a oscilação automática vertical e horizontal para circular um fluxo de ar quente ou fresco diretamente para os cantos, mesmo em espaços de grandes dimensões (área de maior capacidade) Controlador online (opcional): controle a sua unidade interior a partir de qualquer lugar com uma aplicação, através da sua rede local ou Internet e disponha de uma descrição geral do consumo energético Acabamento branco cristal mate de alta qualidade Valores de eficiência sazonal até A++ em arrefecimento e aquecimento

Fizeram-se desenhos esquemáticos (desenho nº2) e a integração do sistema VRV (unidade exterior, a BP box, a instalação de tubagens e das unidades interiores) nas plantas de arquitetura. ________________________________________________________________________________ Pág. 29

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Conclusões – Sugestões

Sistema Solar Térmico A fração solar neste dimensionamento é de 80% o que é elevado, visto que os sistemas devem ser projetados para terem frações solares não superiores a 60% (para consumos contínuos), este sobredimensionamento está relacionado com o fato de o programa não permitir reduzir a área de coletores em função do armazenamento de água, também pelo fato de os coletores solares de tubo de vácuo terem um rendimento mais elevado o que para a localização em caso, no sul de Portugal se traduz numa fração solar acima do normal.

O ângulo de inclinação ótimo, para os meses de Inverno (menor radiação) é maior que no Verão por causa da menor altura solar.

Sobreaquecimento no Verão devido ao sobredimensionamento: o problema pode ser solucionado através de um correto dimensionamento, nomeadamente através do aumento do ângulo de inclinação dos coletores (E > 50°), p.e. em fachadas ou telhado inclinados.

Desta maneira o excesso de calor é reduzido e o tempo de estagnação durante o período de verão. No entanto a eficiência diminui e consequentemente a produção no inverno diminui também; o se possível, o excesso de calor no verão deve ser usado para aquecimento de piscinas.

Sobreaquecimento durante longos períodos de tempo com elevada irradiação ou durante as férias, o problema pode ser resolvido através do comportamento dos utilizadores: o aumento de consumo de água quente com ligação a máquina de lavar roupa e máquina de lavar loiça.

Tanques de armazenamento de calor, a energia fornecida pelo sol não pode ser controlada e raramente coincide com a variação das necessidades de energia térmica. Desta forma é necessário armazenar o calor solar gerado para ser utilizado quando necessário.

Idealmente deveria ser possível armazenar a energia térmica gerada durante o verão para ser utilizada no inverno (armazenamento sazonal). Na Suíça este armazenamento está a ser feito há vários anos, em casas que consomem pouca energia, com tanques de armazenamento de água quente de diversos m3 de volume e áreas de superfície coletora de diversas dezenas de metros quadrados. Existem tanques que armazenam calor através de processos químicos, neste momento apenas disponíveis como protótipos, que deverão estar disponíveis no mercado dentro de 1-2 anos. Continuam a ser feitos desenvolvimentos tecnológicos para minimizar o problema das variações climáticas para armazenamentos de 1-2 dias. Algumas das inovações neste campo são introduzidas na secção dos novos conceitos de tanque de armazenamento.

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________________________________________________________________________________ Sistema VRV A ASHRAE define o VRV da seguinte forma: "É um sistema multi-split expansão direta (DX), que incorpora pelo menos um compressor de capacidade variável, que distribui refrigerante através de uma rede de tubos para várias unidades interiores de ar condicionado, cada um dos quais é capaz de controlar a temperatura das zonas separadas, através de dispositivos de controlo da temperatura da zona integral e rede de comunicações comum. VRV usa três ou mais etapas no controle compartilhado e intercomunicantes pipe ".

Foram utilizadas caixas BP que não são mais que caixas de distribuição para as unidades interiores que alojam as válvulas de expansão A definição dos pormenores construtivos como as paredes, cobertura e pavimentos assim como a eficiência energética que hoje em dia observamos nos equipamentos e tipos de iluminação, tornou o edifício sólido quanto ás variações de temperatura consequentemente aos ganhos e perdas térmicas traduzindo-se em baixas potências de funcionamento das unidades de ar condicionado.

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Bibliografia

Climatização – Edições Orion – 2007 – Luis Roriz

Introdução à Mecânica dos Fluídos – Guanabara Koogan – 1995 – Robert W. Fox e Alan T. McDonald Instalações Solares Térmicas – INETI – 2007 – Eduardo Perez Lebena e Jorge Cruz Costa Condicionamento de Ar – Volume 3 Capítulos 7 e 8 - Disciplina: Ar Condicionado – Universidade do Algarve – 2000 – Celestino Ruivo

Coeficientes de Transmissão Térmica de elementos da Envolvente dos Edifícios – ITE 50 – LNEC – 2006 - Carlos A. Pina dos Santos, Luís Matias http://www.dgeg.pt http://www.lnec.pt/ www.daikin.pt www.baixi.pt http://pt.grundfos.com https://www.junkers.pt http://www.siemens-home.bsh-group.com/pt/catalogo/cozinha/exaustores/campanulas-deparedes/LC21BA582?breadcrumb=cookerhoods#/tab=cms-tabitem-0 http://www.rapidtables.com/calc/light/lux-to-watt-calculator.htm

http://www.portal-energia.com/manual-e-guia-tecnico-de-projecto-e-instalacao-da-energiasolar-termica/ http://www.armacell.pt/C1256AF100412A28/F/NT019B1EC2/$FILE/Tarifa2017_PT_WEB.p df ________________________________________________________________________________ Pág. 32

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Software utlizado Excel 

Cálculo de Cargas Térmicas



SCE.ER da DGE



Cálculo das distâncias solares, perdas de carga e vaso de expansão.

Daikin VRV selection

Daikin Psychrometrics Diagram Viewer 3.3.5 Agradecimentos ao Prof. Celestino Ruivo da UAlg-ISE, ao Eng. Miguel Ferreira da Certiterm, ao Eng. Filipe Passos da Daikin, ao Daniel Leiria colega de turma.

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