Cálculos_Sistema de Aquecimento Solar

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INSTITUTO FEDERAL DE EDUCAÇÃO, CIÊNCIA E TECNOLOGIA DO RIO GRANDE DO NORTE – IFRN.
CAMPUS JOÃO CAMARA
DISCIPLINA: ENERGIA SOLAR TÉRMICA
ALUNA: JACKELINE CLEMENTINO DA SILVA
AQUECIMENTO SOLAR DE ÁGUA - SAS
Para o dimensionamento de um sistema de um aquecedor solar, é necessário efetuar cálculos do volume de água quente que será consumido diariamente na residência, a partir da quantidade de pessoas, pontos de consumo, hábitos familiares (frequência de banho, por exemplo), entre outros fatores. Após todos os cálculos, tem-se a capacidade do reservatório térmico e a área necessária para os coletores solares, assim como a classificação destes coletores. 
Cálculo de consumo energético
Sabendo que a família é composta por seis moradores e o abastecimento de água quente deve suprir os três chuveiros e a pia da cozinha. No geral, são quatro pontos para distribuição de água quente. 
O cálculo de consumo de água é dado a partir da equação:
, expresso em m³.
Essa equação é para informar o volume total de água quente consumida por dia.
Onde é a vazão do ponto de utilização (Unidade ); é o tempo médio de uso (expresso em segundos (s)); é a quantidade de pessoas na residência e é a frequência de uso, isto é, o número total de utilizações por dia. 
De acordo com a NBR 15569:2008, a figura a seguir mostra uma tabela com dados de consumo de pontos de utilização de água quente:
Fonte: ABNT NBR 15569:2008
A partir das informações citadas na figura acima, a tabela a seguir mostra os dados necessários para calcular o volume de consumo de água quente dos moradores:
Tabela 1 - Dados para o cálculo do volume de consumo.
A vazão foi calculada como sendo a média entre a vazão de consumo máximo e mínimo mostrado na figura anterior. Os valores foram convertidos para as unidades de acordo com a NBR 15569. 
De acordo com a tabela citada acima, o volume de consumo de cada ponto de distribuição é: 
Tabela 2 - Volume de consumo de cada ponto de distribuição de água quente.
A tabela mostra o consumo individual para cada peça (ponto de distribuição), a quantidade de pontos de distribuição e o volume total que leva em consideração a quantidade a ser utilizados na residência. Deste modo, fazendo o somatório dos valores da coluna do volume de consumo total, tem-se que os moradores consomem o seguinte: 
Este volume de consumo equivale a 3330 litros.
Dimensão do reservatório térmico (Volume de armazenamento)
Para dimensionar o sistema de armazenamento, isto é, reservatório térmico ou boiler, usa-se a seguinte equação:
Expresso em m³ e deve ser maior ou igual ao volume de consumo diário.
Onde, é o volume de consumo por dia (m³); é a temperatura de consumo de utilização (ºC); é a temperatura média anual do ambiente no qual será feita a instalação (ºC) e é a temperatura de armazenamento da água (ºC), sendo que deve ser maior ou igual a temperatura de consumo, isto é, . 
Fazendo um levantamento de dados, a temperatura ambiente média anual em Natal/RN equivale a 28 ºC de acordo com o mapa de temperatura média anual nas regiões brasileiras mostrado na NBR 15569 (p. 34). 
Quanto à temperatura de armazenamento, esta deve ser 50 °C para evitar a proliferação de uma espécie de bactéria. E a temperatura de consumo, serão adotados 40 °C como sugere a NBR 15569. 
Tabela 3 - Dados para o cálculo do volume de armazenamento.
Conforme pode ser visto na tabela acima, o dimensionamento do reservatório térmico para esta residência é de:
O volume de armazenamento é equivalente a 1820 litros.
Demanda de energia utilizada e as perdas térmicas
O cálculo para saber a quantidade de energia utilizada no sistema é dado por:
Expressa em kWh/dia.
Onde, é o volume do sistema de armazenamento (m³); é a massa específica da água equivale a 1000 kg/m³; é o calor específico da água igual a 4,18 kJ/kgK; é a temperatura de armazenamento da água (ºC) e é a temperatura média anual do ambiente no qual será feita a instalação (ºC). Conforme a tabela tem-se:
Tabela 4 - Quantidade de energia útil.
 Como pode ser analisado na tabela acima, a energia utilizada é igual:
Para conhecer as perdas de energia térmica do sistema, a equação utilizada é: , expressa em kWh/dia. Dessa forma temos que a perda nesse sistema é de:
Área necessária para alocar os coletores solares
A área dos coletores solares é dada por:
Expresso em (m²).
Onde, é a energia útil (kWh/dia); é a energia de perdas térmicas (kWh/dia); é o fator de correção para inclinação e orientação do coletor solar; é a produção média diária de energia especifica do coletor solar (kWh/m²) e é a irradiação global média anual para o local de instalação (kWh/m²dia).
Antes de definir a área coletora, devem-se conhecer os valores para a produção média diária de energia específica (PMDEE) e o fator de correção para inclinação e orientação () dos coletores solares. 
Primeiramente, o valor de é dado pela equação:
Sabendo que é o ângulo de orientação dos coletores; é a inclinação do coletor em relação ao plano horizontal e é o valor da inclinação recomendada para o local de instalação, sendo esta igual ao valor de modulo da latitude local somado 10°. Para o caso em questão, o ângulo de orientação dos coletores é e têm-se os seguintes valores de inclinações: (inclinação de instalação dos painéis para o local em questão). Conhecendo que a latitude de Natal/RN é 5°, a inclinação recomendada é . Dadas as informações de inclinação e orientação, o fator de correção para instalações dos painéis é . 
Para o valor de produção média diária de energia específica (PMDEE), a equação utilizada é:
, expresso em kWh/m².
Onde, é o coeficiente de ganho do coletor solar e é o coeficiente de perdas.
As características dos coletores solares são: coeficiente global de perdas de calor do coletor () equivalente a e rendimento óptico () igual a . Com essas informações, a produção média por dia de energia específica dos coletores solares é .
Tabelando os resultados obtidos, a área do coletor é:
Tabela 5 - Dados para o cálculo da área coletora.
Como pode ver na tabela, a área coletora para o Sistema de Aquecimento Solar (SAS) é:
Especificações e custos dos equipamentos para aquecimento da água
A localidade da residência em questão é em Natal-RN com orientação geográfica a 20º Leste, o ângulo de inclinação no ato da instalação dos painéis é 32º. A partir dos valores e dos cálculos de consumo, armazenamento e área coletora tem-se que os componentes básicos para o SAS que será utilizado da residência são especificados a seguir:
Características comerciais do reservatório térmico
Marca: Boyler 
Preço: R$ 5.900,00
Empresa: Silmar Aquecedores
Em aço inox 304 com capacidade de armazenamento de 2000 litros.
Produto para trabalho em baixa pressão
Tamanho 2500x1100mm
Isolamento térmico em espuma de poliuretano
Capa externa para baixa pressão em alumínio 
Tampões na cor vermelha confeccionados com fibra de vidro.
Produto com 5 anos de garantia contra defeito de fabricação.
Características comerciais do coletor solar
Preço unitário: R$ 510,00
Empresa: Silmar Aquecedores
Placa medindo: 2x1m com chapa de absorção em alumínio 10 tubos na serpentina.
Placa com garantia de 5 anos contra defeitos de fabricação.
	Para a residência em questão, serão utilizadas 9 placa solares, pois a área coletora necessária é de, aproximadamente 18 m². Isso estabelece um custo total de R$ 4.590,00 em coletores.
	Por fim, serão gastos R$ 10.490,00 para o sistema de aquecimento de água.
REFERÊNCIAS
ASSOCIAÇÃO BRASILEIRA DE NORMAS TÉCNICAS. NBR 15569: Sistema de Aquecimento Solar de Água em Circuito Direto - Projeto e Instalação. 1 ed. Rio de Janeiro – RJ: 2008. 36 p.
SOLAR ENERGY. Tabela de Radiação Solar. Disponível em: < http://www.solarenergy.com.br/energia-solar/tabela-radiacao-solar/>. Acesso em 1 fev. 2014.
EMPRESA Silmar Aquecedores. Equipamentos para aquecimento de água. Disponível em: <http://www.silmaraquecedores.com.br/aquecedores-solar/boyler/boyler-reservatorio-termico-2000-litros/>. Acesso em 1 Fev. 2014.
Plan1
	Pontos de distribuição	Vazão	Tempo de uso (s)	Frequência de uso (por dia)
	Chuveiro	0,00015 m³/s	600	2
	Pia (cozinha)	0,00008 m³/s	180	1
Plan1
	Pontos de distribuição	Volume de consumo individual (m³)	Quantidade de pontos	Volume de consumo total (m³)
	Chuveiro	1.08	3	3.24
	Pia (cozinha)	0.086	1	0.086
Plan1
	Volume de consumo (m³)	Temperatura de consumo (°C)	Temperatura ambiente média anual (°C)	Temperatura de armazenamento (°C)	Volume de armazenamento (m³)
	3.33	40	28	50	1.82
Plan1
	Volume de armazenamento (m³)	Massa específica da água (kg/m³)	Calor específico da água (kJ/kgK)	Temperatura de armazenamento (°C)	Temperatura ambiente média anual (°C)	Energia utilizada (kWh/dia)
	1.82	1000	4.18	50	28	46.49
Plan1
	Energia útil (kWh/dia)	Perdas térmicas (kWh/dia)	Fator de correção	Constante	Produção média diária de energia (kWh/m²)	Irradiação global média anual (kWh/m²dia)	Área coletora (m²)
	46.49	6.97	1.02	4.901	2.720	5.66	17.36