FONTE: http://forum.aglobal.com/viewtopic.php?t=213Ineficácias técnicas nos sistemas solares térmicos Industriais
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PiorMelhor
Escrito por António Baptista
16-Fev-2006
Vinte anos de história de constatações reais
Em 1986, estando a trabalhar como técnico de manutenção no antigo Hospital de Portimão, fui solicitado pela firma A. Silva Matos de Sever do Vouga do distrito de Aveiro para arrancar com um sistema solar térmico industrial de tubos captadores em alto vácuo, da marca Thermomax, no hotel Avenida Praia, situado na Praia da Rocha. Na altura não tinha tido ainda qualquer contacto com este tipo de tecnologia, mas fiz o que me foi solicitado. Ao fim de três dias, os acumuladores cuja capacidade total era de 5500 litros, mantinham-se a uma temperatura de 40ºC, com um gerador solar térmico de 40m2.
Como a minha curiosidade me manteve no local algumas horas durante esses dias, comecei a ficar psicologicamente envolvido no fracasso da instalação, dado o meu bom relacionamento com o responsável técnico da área da firma acima descrita. Começando a procurar a possível avaria, inocentemente deparei que a água, entre a entrada e a saída de um painel, tinha uma diferença de 2ºC de temperatura, havendo também a mesma diferença de temperatura nas duas linhas gerais do grupo gerador. Concluí então que estava perante uma instalação totalmente em paralelo.
Resolução do problema só no gerador solar
1- Retirei todos os paralelos, ligando todos os painéis em série
2- 80% de tubagem foi eliminada
3- 80% de perdas térmicas foram eliminadas
4- Na altura da montagem economizar-se-iam 80% de mão-de-obra
No dia seguinte, pelas 15 horas da tarde de um dia de Primavera, os 5500 litros estavam a 55ºC. Fez-se um teste de consumo, imitando um dia normal de funcionamento do hotel, sendo o maior consumo das 17 às 20 horas, no regresso das praias. Abriram-se torneiras de 35% dos quartos. Depois de várias descargas, os acumuladores encontravam-se a 45ºC, por volta das 24 horas desse mesmo dia. Às 6 da manhã do dia seguinte, os mesmos estavam a 43ºC de temperatura. Por volta das 8 horas começou a haver algum consumo.
Praticamente de imediato ligou a energia de apoio, apesar do termóstato diferencial já retirar em períodos intermitentes energia do gerador solar. A energia de apoio só desligou por volta das 10:30 da manhã, e só tinha consumido 3800 litros de água, desde as 17 horas do dia anterior. Constatei que tinha 5500 litros a 55ºC, gastaram-se 3800 litros e a energia de apoio esteve ligada durante 2:30 horas.
Análise: os depósitos perdiam temperatura toda por igual, estando por isso os acumuladores a sofrer choques térmicos derivado à água da rede entrar simultaneamente em todos os depósitos. Detectei então que os acumuladores, tanto no circuito primário (captadores) como no circuito secundário, estavam ligados em paralelo.
Resolução do problema nos acumuladores
1- No circuito primário, na linha quente, a água aquecida pelo sistema solar, entra no depósito (1), deixando alguma energia neste. Sai e entra no depósito (2), deixando alguma energia neste. Sai e entra no depósito (3). Sai e regressa ao gerador.
2- No circuito secundário (água de consumo), a água fria entra no depósito (3) leva um pré-aquecimento, sai, entra no depósito (2), leva mais um aquecimento, sai e entra então no depósito (1), sendo totalmente aquecida, sai e entra no depósito da energia de apoio, e deste para a distribuição.
3- Retirou-se 50% da tubagem, tanto no circuito primário como no secundário.
4- Economizar-se-iam, na montagem, 50% de mão-de-obra.
Após a alteração dos paralelos para série nos acumuladores e gastando-se a mesma quantidade de água, a energia de apoio não ligou. Os três depósitos encontravam-se com temperaturas diferentes. O depósito (3), que recebe a água da rede, estava à temperatura da água da rede, o depósito (2), ainda com 30ºC, o depósito (1), depósito mãe, com 45ºC. A energia de apoio encontrava-se regulada para 44ºC, no depósito da energia de apoio (depósito de pequena dimensão). Constatei que as horas mais difíceis do dia para um sistema solar térmico seriam das 22 às 10 horas da manhã. Então deparei com um outro desequilíbrio. O termóstato diferencial começava a ligar por volta das 7:30 horas, mas ligava e desligava a bomba circuladora, visto que o depósito mãe (1), ainda se encontrava com uma temperatura considerável.
Resolução do problema da velocidade do circuito primário
Tomei como opção dar três velocidades ao circuito primário (painéis), pondo três bombas circuladoras em três pontos de distância e de perdas de carga sensivelmente iguais. Às 7:30, o termóstato diferencial autoriza a bomba (1) a circular. Às 10:30, liga o termóstato da bomba (2), regulado para 55ºC, aumentando a velocidade no circuito. Às 12:30, liga o termóstato da bomba (3), velocidade máxima, também regulado para 55ºC. Às 16.30 a temperatura da linha por falta de sol, diminui, desligando a bomba (3). Às 18 horas a bomba (2) desliga e ás 20.30 horas o circuito primário pára.
Atenção: o objectivo deste sistema era fornecer água a 44ºC. Actualmente, a temperatura é de 60ºC, derivado à legionella.
RESUMO
As principais inovações técnicas nesta filosofia são:
1- A ligação dos painéis de forma a poder elevar a temperatura da água com um diferencial de 45ºC entre a entrada e a saída dos painéis, para um sistema que tenha como objectivo um aquecimento de 60ºC;
2- A ligação dos depósitos acumuladores em série, relativamente à água da rede, e em série contra a corrente da água da rede, o circuito das águas quentes do gerador solar, de forma a anular os choques térmicos e garantir que a linha para o gerador solar esteja sempre à temperatura da água da rede, de modo a manter, durante todo o dia, o rendimento máximo nos captadores solares, e também com o objectivo de não ligar a energia de apoio nas horas críticas do dia (das 19:30 às 10:00);
3- A anulação de permutas através de uma adaptação simples aos painéis solares tradicionais, conforme esquema em anexo.
Hoje, passados 19 anos, é-me muito mais fácil fazer a análise e constatar que a tecnologia utilizada inicialmente neste sistema é exactamente a mesma que ainda hoje é usada mundialmente, nas ligações entre os geradores de calor (como por exemplo as caldeiras) e os depósitos de acumulação sendo a causa de existir, actualmente, um consumo a mais de 30 a 50% de gás ou outros.
Se todas as instalações de produção de calor do planeta, utilizassem o sistema de série-contra-corrente, economizar-se-ia combustível que é tão deficitário em Portugal e diminuir-se-iam substancialmente as emissões de CO2 para a atmosfera nos valores atrás indicados.
Nestes 19 anos, idealizei, patenteei, fabriquei e comercializei o primeiro captador solar concebido totalmente em vidro. Foi instalado, em vários hotéis, pensões e residenciais entre os quais a Residencial Sagres, Hotel Minichoro, em Albufeira, Residencial Lagos, com sucesso em termos energéticos, mas por razões monetárias e de ordem humana, este sistema pecava por falta de maturidade e investimento, apesar de ainda hoje ser fabricado e instalado.
Para que se veja que não há diferenças de filosofia de ligações entre geradores de calor e acumuladores, tanto na energia solar como em caldeiras, vou mencionar duas alterações.
Na Residencial Alvor foram feitas alterações na instalação solar passando de paralelo para série-contra-corrente, tendo o rendimento anual aumentado para 80%.
No hotel Prainha Clube, o sistema estava em paralelo com duas caldeiras de 250 KW cada. Depois da alteração para série-contra-corrente, houve uma economia de gás de 51,9%. As caldeiras foram substituídas por quatro esquentadores domésticos de 15 KW cada.
Este hotel vai instalar energia solar, que em princípio estará a funcionar no final de Março. Como responsável da manutenção e obras da Prainha, pedi orçamentos a fabricantes nacionais e estrangeiros, referindo que desejava orçamentos para 10.000 litros/dia de água a 60ºC.Tanto os orçamentos nacionais como os estrangeiros, segundo os cálculos energéticos vigentes, propunham a colocação de 90 painéis em média que, em números redondos, equivalem a 180m2, o que multiplicando por 700W/m2 nos daria uma potência de 126KW/h. No Algarve, a média solar anual/dia é de 9 horas.
Voltando ao que foi dito acima, os esquentadores instalados trabalham 9 horas/dia, na ocupação máxima do hotel. Se a potência instalada é de 60KW/h, e considerando-se a potência de 126 KW/h proposta pelos fabricantes para os painéis solares, depreende-se a dificuldade da venda de energia solar térmica que coloca a recuperação económica do investimento entre 6 a 7 anos.
Visto que nenhum orçamento reunia as condições técnico/ financeiras necessárias ao êxito do empreendimento, escolheu-se o fabricante mais flexível que concordou em fazer as alterações por mim propostas.
A primeira alteração será feita nos painéis, com concepção tecnológica vulgar, em que a alteração técnica inovadora consistirá em introduzir um tubo de cobre concêntrico ao já existente na parte superior do painel que fará de permutador e que pertencerá ao circuito secundário, ou seja, água de consumo, onde o painel ficará à pressão atmosférica. Na parte inferior do painel será também introduzido um tubo de cobre concêntrico que retirará água fria para arrefecimento do ambiente durante a noite, apesar da película captadora ser selectiva e ter pouca emissividade.
A segunda alteração é passar de 90 para 60 painéis, o que em números redondos representam 120m2, que multiplicando por 700W /m2, nos dá uma potência de 84KW/h.
Este trabalho tem também ao nível comercial a inovação de que o cliente não tem qualquer investimento inicial e efectuará o pagamento em prestações mensais do diferencial da economia da facturação da gás em relação ao mês do ano anterior, tendo em conta, como é óbvio, a percentagem da ocupação.
O valor do orçamento desta instalação é de 50.000 euros e vai ser recuperável em cerca de 18 meses. Os orçamentos recebidos andavam entre os 90.000 e os 140.000 euros.
Como deveria ser do conhecimento geral, 80% das instalações nas unidades hoteleiras e outros, como já foi referido nesta exposição, consomem a mais 30 a 50% de gás ou outros. Se as instalações fossem série-contra-corrente diminuiria o valor dos materiais e a mão-de-obra em cerca de 30%. Se os cálculos fossem baseados nestes números a energia solar térmica seria recuperável, no máximo em dois anos e meio. Se se propusesse ao cliente um orçamento nos valores do seu consumo anual de gás multiplicando este pelo número de anos normalmente utilizado nos cálculos (6 a 7 anos), seria um negócio de 200 a 300%, é evidente… sem qualquer investimento inicial do cliente.
Descrição do esquema série-contra-corrente
A água fria da rede entra no depósito (1), levando, eventualmente, algum aquecimento, entra no depósito (2), sendo pré-aquecida e entra no depósito (3), completando o seu aquecimento. Entra de seguida no depósito de apoio e, aqui será reaquecida ou não, conforme as necessidades, pela energia de apoio. A água aquecida sairá para a distribuição e desta fará retorno através da bomba circuladora (4) - que será comandada por um termóstato regulado para 42º- para o depósito (2). Ter em atenção que este sistema nos depósitos não tem nem primário nem secundário.
Do circuito gerador solar, sairá a água fria do depósito (1), através da bomba circuladora (1) que ligará através de um termóstato diferencial, estando a sonda quente no último painel e a sonda fria no depósito (3). Entrará nos painéis pelo interior do tubo concêntrico adaptado, seguindo sempre em série em todos os painéis. No meio do circuito encontrar-se-á a bomba circuladora (2) que é comandada por um termóstato regulado de modo a não permitir que a linha de aquecimento seja superior a 65ºC. Depois da água aquecida passará pela bomba circuladora (3) que é comandada por um termóstato regulado de modo a não permitir que a linha de aquecimento seja superior a 67ºC, e, desta forma, entrará no depósito (3).
Na parte inferior dos painéis, também com um tubo concêntrico, circulará durante a noite, a água quente do ambiente que passará por todos os painéis em série, sendo arrefecida.
Os painéis encontram-se á pressão atmosférica alimentados por um tanque de bóia.
Vantagens:
- Eliminação de choques térmicos nos depósitos acumuladores, visto que a água da rede não alimenta todos os depósitos, mas sim só um.
- Aumento de rendimento nos captadores, uma vez que, em paralelo, tal não acontece derivado á secção do tubo de entrada e saída em relação aos tubos absorvedores do calor.
Exemplo: Tubo de entrada e saída, 22 mm x 3.14 mm = 69.08 mm2
Tubos absorvedores, 10 x 10mm = 100 mm x 3.14 = 314 mm2
-Para se conseguir uma boa permuta num painel solar, os tubos de entrada e saída, teriam de ter uma secção de 314 mm2, o que torna bem evidente a impossibilidade técnica de o fazer. Como inovação, e fazendo parte da montagem de um sistema, introduz-se um tubo de 18 mm que fica concêntrico ao tubo do painel fazendo de permutador e, portanto, fazendo a divisão entre o primário que corresponde ao painel solar de baixa pressão e o secundário onde circula a água da rede, que corresponde à alta pressão. Portanto, os tradicionais 8 a 10 tubos que ficam na vertical, a receber a energia térmica da chapa absorvedora de energia radiante, funcionam por convecção natural, e estão sempre em série a alimentar o permutador, o tubo de18 mm.
-Diminuição de tubagem em 80%
-Diminuição de perdas
-Diminuição de mão-de-obra
-Aumento de rendimento solar, pelo menos em 30%
-Como inovação, a introdução de um tubo concêntrico no tubo colector, na parte inferior dos painéis para arrefecimento de águas, utilizadas no ambiente, diminui substancialmente o tempo de recuperação económica da instalação.
Filosofia de cálculo para instalação solar térmica - Exemplo
Aparthotel, 60 quartos, Algarve
60 Quartos x 2 pessoas = 120 pessoas
120 Pessoas x 75 Lt./dia =9000 Lt./dia
9000 Lt./dia: 8 horas (média solar por dia) =1125 Lt./hora
1125 Lt./hora: 60 min = 18,75 Lt./min
18,75 Lt./min =1875 gramas
1875 Gramas: 60 Seg. x 50ºCx 4.185 J = 65390 watts de potência
65390 Watts de potencia necessária: 700 watts/m2 solar = 93 m2
Cada painel solar a 2/ m2 cada = +/- 47 painéis
Materiais necessários:
3 Depósitos acumuladores de 2500 litros x 2000 € - 6.000€
1 Depósito de apoio de 1000 litros - 1.000€
4 Bombas circuladoras 4 m3/hora x 100€ - 400€
3 Caldeiras morais de 28 kW/12 kg/cm2 x 600€ - 1.800€
47 Painéis solar x 400€ . 18.800€
47 Suportes x 50€ - 2.350€
Tubagem, acessórios e mão-de-obra - 5.000€
Imprevistos - 5.000€
Total: 40.350€
Ter em conta que os depósitos são em chapa galvanizada sem permutador de fabrico nacional e no Algarve com provas dadas a 60º,70ºC com 20 anos de existência.
Era necessário também sensibilizar algum fabricante para se fazer caldeiras murais com as seguintes alterações:
1º Funcionamento para 12 kg/cm2, para se evitar permutadores
2º Montagem de 3 favos em série, aumenta o rendimento em pelo menos 20%
Nos sistemas solares térmicos domésticos não são recuperáveis economicamente exactamente pelos mesmos motivos (PERMUTAS), nos depósitos terão que ser divididos em três partes, com uma pequena passagem entre elas para anulação dos choques térmicos, e assim o série-contra-corrente.
È constatável através de inúmeros testes que cada vez que se tem que (PERMUTAR) para se obter os 97% é necessário três andares de permutadores, ou seja, se tivermos um com 90 placas, temos que dividi-lo em 30 placas cada passamos de 70% para o valor pretendido, e é claro ligados em série-contra-corrente.
Esta última constatação foi avalizada pela Firma Arsopi e Termal esta ultima fabricantes.
Politizando o assunto:
Como é bem evidente a solar térmica herdou a mesma tecnologia aplicada na caldeiraria em que a energia estava sempre disponível, pagando agora a factura os nossos filhos, a meu ver esta mentalidade só pode ser alterada por uma instituição em que o seu trabalho é reunir conhecimentos, despersonalizá-los e incrementá-los no mundo técnico, só assim é que será possível não se sentir a batata quente nas mãos.
Despersonalizar a inovação é a forma de contornar os nossos defeitos humanos e assim se consegue servir os outros, pessoalmente sei o quanto me é difícil controlar o meu ego, por isso tento ter muito respeito pelo sofrimento dos outros, mas entendo e sinto que tenho uma missão a cumprir, e esta, é entregar o que me foi permitido ver, a alguém que reúna outras qualidades que faça chegar a mensagem à humanidade.
Quando nos é permitido ver algo que ainda não foi visto, apesar do sofrimento devíamos sentir gratidão, a vidência não é nossa, nós apenas os veículos para a executar.
António Baptista
Sócio da SPES Nº 743
Janeiro 2006
Espero que tenham entendido a questão...
