águas quentes sanitárias – solar térmico versus solar fotovoltaico
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projetos renováveis águas quentes sanitárias – solar térmico versus solar fotovoltaico Neste artigo apresenta-se a comparação entre um sistema solar térmico e dois tipos de sistemas fotovoltaicos no processo de produção de Águas Quentes Sanitárias (AQS), para uma habitação do tipo T3 no concelho de Leiria. Edgar Franco – [email protected] Nuno Monteiro – [email protected] Partindo dos dados de insolação e das estimativas de energia térmica necessária para preparação de AQS, obtidos a partir do software SolTerm do Laboratório Nacional de Energia e Geologia (LNEG), procedeu-se ao dimensionamento de um sistema solar térmico do tipo “circulação forçada” e, com recurso ao software Homer®, de dois tipos de sistemas fotovoltaicos. No primeiro sistema fotovoltaico, as AQS são produzidas através da alimentação de uma resistência de aquecimento instalada no interior de um termoacumulador. No segundo sistema, esse processo é realizado através de um termoacumulador dotado de bomba de calor incorporada e de um permutador de calor do tipo “serpentina” no interior do mesmo, o qual procede à transferência de calor entre o fluído frigorígeno e as águas de consumo. Por fim, apresentam-se as estimativas orçamentais para cada um dos sistemas e as ilações a retirar da realização do presente estudo. • Piso térreo: Dotado de hall de entrada, cozinha, dispensa, casa de banho, escritório e garagem; • Andar: Dotado de três quartos, um closet e uma sala de estar; • Cobertura: Dotada de telha lusa com uma inclinação de 30º. As principais divisões do presente edifício encontram-se orientadas a Sul, sendo este situado numa zona que garante que a sua cobertura não é sujeita a sombreamentos. A preparação de AQS no presente edifício é realizada através de um esquentador antigo, não termostático, realizando o aquecimento instantâneo da água de consumo através da queima de gás butano. Na Figura 1 apresenta-se a seleção do concelho no SolTerm, bem como gráficos com os valores médios mensais de insolação e temperatura em cada um dos meses do ano. 1. Introdução Nos últimos anos tem-se assistido a uma tendência mais acentuada no decréscimo dos custos dos componentes para sistemas fotovoltaicos do que a dos componentes para sistemas solares térmicos. Tradicionalmente, tem-se verificado que a indústria tem vindo a adotar os sistemas fotovoltaicos para produção de energia elétrica para diversos fins que não a produção de AQS, restringindo esse âmbito aos sistemas solares térmicos. No entanto, verifica-se que é relativamente fácil proceder ao abastecimento desse tipo de cargas através de sistemas fotovoltaicos, pelo que no presente artigo se pretendem comparar os seus montantes de investimento inicial com os dos sistemas solares térmicos de circulação forçada, para uma habitação do tipo T3 em Leiria. 2. Determinação das necessidades energéticas para produção de AQS 2.1. Caraterização do edifício O edifício a que se refere este estudo localiza-se no concelho de Leiria e é constituído por: 1 Figura 1 Introdução da informação relativa ao concelho onde se localiza o edifício no software SolTerm. projetos renováveis 2.2. Tratamento dos dados de consumo O dimensionamento do sistema solar térmico foi realizado através do software SolTerm do LNEG, observando as disposições legais do Sistema de Certificação Energética (SCE) estabelecido pelo Decreto-Lei n.º 118/2013, de 20 de agosto e respetivas portarias e despachos complementares. Nesse sentido, segundo o Despacho n.º 15793-I/2013, de 3 de dezembro, deve-se considerar um consumo doméstico diário de referência a determinar através da aplicação da seguinte expressão: MAQS = 40 × n × f eh Em que: • MAQS é o consumo médio diário de AQS de referência, expresso em litros/dia; • n é o número convencional de ocupantes de cada fração autónoma, o qual se deverá considerar como sendo de 2 para edifícios dos tipos T0 e T1 e n+1 para tipologias Tn, com n ≥ 2; • feh é o fator de eficiência hídrica, o qual se deverá considerar como sendo de 0,9 para chuveiros ou sistemas de duche com rótulo A ou superior e 1 para os restantes casos. Por fim, selecionou-se a água da rede como origem de abastecimento, cujas temperaturas médias ao longo do ano constam da base de dados do SolTerm e se apresentam na Figura 2. É de referir que no manual do SolTerm é mencionado que os períodos horários apresentados no editor de consumos se referem à hora solar, mas que a simulação do desempenho do sistema é pouco sensível à diferença entre a hora solar e a legal [1]. No referido manual é ainda sugerido que os valores estimados para a hora legal sejam atribuídos à hora solar anterior, no entanto, dada a pequena dimensão do sistema em apreço, optou-se por não considerar essa recomendação. 2.3. Estimativa das necessidades energéticas Uma vez introduzidos os dados de consumo no SolTerm, é possível obter a estimativa da energia média mensal necessária para preparação de AQS, através do separador “Análise Energética”, cujos valores se apresentam na coluna “Carga” da Figura 3. Devido ao facto de o presente edifício ser unifamiliar e dispor de uma tipologia do tipo T3, a variável n+1 toma o valor de 4. Pelo facto de se tratar de um edifício existente e com sistemas de duche antigos, a variável feh toma o valor 1. Deste modo, o consumo diário de referência MAQS é de 40 × 4 × 1 = 160 litros/dia. Procedeu-se à repartição horária dos consumos de AQS da forma que se apresenta na Figura 2, a qual se pressupõe ser a mais próxima do consumo que se verifica atualmente na habitação. No Despacho n.º 15793-I/2013, de 3 de dezembro é referido que o aumento de temperatura necessário para a preparação das AQS toma o valor de referência de 35º C. Devido ao recente surto de Legionella, optou-se por não considerar essa regra, através da definição da temperatura média de 60º para as AQS acumuladas interior do termoacumulador1, conforme se pode verificar na Figura 2. Figura 3 Estimativa das necessidades de energia para produção de AQS realizada através do software SolTerm. Apagaram-se intencionalmente os restantes valores que se deveriam encontrar apresentados na Figura 3, dado que nesta fase ainda não se procedeu à conceção de nenhum sistema solar térmico, pelo que a sua apresentação poderia causar confusão ao leitor. Figura 2 Introdução dos consumos típicos de águas quentes no Editor de consumos de AQS do software SolTerm. 1 Devido ao facto da temperatura média da água tomar o valor de 15,42º C, o disposto no Despacho n.º 15793-I/2013, de 3 de dezembro levaria à adoção de uma temperatura de acumulação de, aproximadamente 50º C, a qual não é suficiente para eliminar o risco de contaminação com Legionella na utilização das AQS. 3. Conceção dos sistemas solares para produção de AQS Na presente secção apresenta-se o processo de dimensionamento do circuito primário do sistema solar térmico, bem como dos sistemas fotovoltaicos considerados. A realização dos dimensionamentos é imprescindível para a seleção dos componentes necessários para cada sistema e para permitir a realização das respetivas estimativas orçamentais – as quais se pretendem comparar para se determinar qual o sistema solar mais económico para preparação de AQS para a habitação em apreço. 3.1. Sistema solar térmico 3.1.1. Dimensionamento prévio dos componentes do circuito primário Devido ao facto de o dimensionamento de um sistema solar térmico se afigurar como um processo iterativo, verifica-se a necessidade de se realizar 2 projetos renováveis águas quentes sanitárias – solar térmico versus solar fotovoltaico um dimensionamento prévio com dados pré-estabelecidos (os quais, habitualmente, se aproximam significativamente dos resultados finais) e de otimizar a solução obtida, neste caso com recurso ao software SolTerm. Em termos de dimensionamento, o SolTerm permite essencialmente otimizar a quantidade de coletores solares e o volume do termoacumulador em função de vários critérios, bem como a orientação dos coletores solares térmicos. Este último parâmetro não será alvo de otimização pelo facto de se pretenderem assentar os coletores ou módulos fotovoltaicos diretamente sobre o telhado da habitação (a uma inclinação de 30º). Só após esse processo de otimização se encontrar concluído é que se poderá considerar que o dimensionamento preliminar (realizado uma ou várias vezes até se obter a “melhor” solução) se considerará como sendo o definitivo. max A ;A m in dimensionamento m in regulamentar = arred.excesso max 3,68;2,60 = Qt m in col = arred.excesso 2,37 Aab 3,68 ⇔ Qt m in col = arred.excesso 1,55 = 2 coletores = arred.excesso 2,37 ( ) Este será o valor a testar inicialmente no software, podendo sofrer alterações após o processo de otimização a que for sujeito. Por fim, introduziram-se os dados suprarreferidos no SolTerm da forma ilustrada na Figura 4. 3.1.1.1. Coletores solares Uma das formas possíveis para se proceder ao dimensionamento da área absorsora (processo iterativo2), é através da atribuição de um valor para o rendimento global do sistema solar térmico e outro para a fração solar pretendida para o sistema que, após o processo de dimensionamento, se verificará que não corresponderão aos obtidos. Neste exemplo assumiu-se um rendimento global de 35%, uma fração solar de 75% e os valores da insolação anual (que, para o ângulo de inclinação considerado, é de Ianual = 1761 kWh/m2/ano) e necessidades de energia para AQS (W = 3035 kWh/ano) obtidos através do SolTerm, conforme se podem verificar na Figura 3. Nestes termos, estimativa preliminar da área de captação é dada por: Amin dimensionamento = W × fs 3035 × 0,75 = = 3,65m2 Ianual × η global 1781× 0,35 No caso de se optar pela instalação de coletores solares planos, para efeitos de certificação energética é ainda requerido pela Portaria n.º 349B/2013 que se disponha de 0,65 m2 de área de captação por ocupante convencional. Como neste exemplo se dispõem de 4 ocupantes convencionais, a área mínima de captação regulamentar é dada por: Amin regulamentar = 0,65 × nocupantes _ convencionais = 0,65 × 4 = 2,60m2 O coletor solar térmico foi selecionado, de entre as marcas e modelos disponíveis na base de dados do SolTerm (a qual é frequentemente atualizada [2]), de modo cumprir as restrições dispostas na Portaria n.º 349B/2013, de 29 de novembro, designadamente: • Rendimento ótico: η0 ≥ 0,73; • Coeficiente primário de perdas: a1 ≤ 4,120 W/(m2.º C); • Coeficiente secundário de perdas: a2 ≤ 0,014 W/(m2.º C); • Coeficiente de modificação do ângulo transversal para 50º ≥ 0,91. A escolha recaiu sobre o coletor solar plano, sem concentradores, Baxiroca Mediterrâneo 250 [3], o qual dispõe dos seguintes parâmetros físicos: • Rendimento ótico: η0 = 0,772; • Coeficiente primário de perdas: a1 = 3,818 W/(m2.º C); • Coeficiente secundário de perdas: a2 = 0,014 W/(m2.º C); • Coeficiente de modificação do ângulo transversal para 50º = 0,93; • Área de abertura = 2,370 m2. Verificada a conformidade dos parâmetros anteriores com os requisitos solicitados pela Portaria n.º 349-B/2013, a quantidade de coletores necessários para perfazerem a área de captação mínima necessária é dada por: 2 Pelo facto dos outros componentes não terem sido ainda dimensionados e de o respetivo dimensionamento ser igualmente dependente da área absorsora e quantidade de coletores a instalar. 3 Figura 4 Introdução dos dados relativos aos coletores solares térmicos no software SolTerm. 3.1.1.2. Termoacumulador Conforme referido em 2.2, prevê-se que o consumo médio de água para preparação de AQS seja de 160 litros por dia. Existem diversos critérios para proceder ao dimensionamento do termoacumulador, sendo prática comum a seleção de um volume 1,5 vezes superior ao consumo médio diário. Pelo facto de o cliente pretender instalar uma caldeira a pellets como sistema de apoio, adotou-se um termoacumulador dotado de dupla serpentina, BAXI AS 300-2E [3]. A serpentina inferior procederá à permuta térmica do fluido proveniente do circuito primário do sistema solar térmico e a serpentina superior procederá à permuta térmica entre o fluido proveniente da caldeira e a água da armazenada no mesmo. Conforme se apresenta na Figura 5 introduziram-se as caraterísticas técnicas do termoacumlador (apresentadas em [3]) no SolTerm. Nas caraterísticas técnicas do termoacumulador selecionado (BAXI AS 300-2E [3]), não é indicado o respetivo valor do coeficiente de transmissão térmica, sendo apenas indicado que o seu isolamento é composto por espuma rígida de poliuretano injetado, livre de CFCs. De acordo com a referência [4], a condutividade térmica do Poliuretano é de 0,02 W/m.K, pelo que, sabendo que o termoacumulador selecionado dispõe de 0,05 m de espessura de isolamento, o respetivo coeficiente de transmissão térmica é de 0,02/0,05 = 0,4 W/m2.K. Esse dado foi igualmente introduzido no SolTerm, tal como se pode verificar na Figura 5. 3.1.1.3. Sistema de apoio No software SolTerm, as informações relativas ao sistema de apoio só são importantes para a análise económica e de benefícios ambientais (redução projetos renováveis dimensionamento é necessário, em primeiro lugar, conhecer o valor do caudal nominal recomendado nos coletores solares, existindo duas hipóteses para o efeito: • Utilizar o valor recomendado pelo fabricante – neste caso, do coletor Baxiroca Mediterrâneo 250, cujo valor não é apresentado no respetivo catálogo [3]; • Estimar o caudal recomendado através do conhecimento das propriedades físicas do coletor adotado. As propriedades físicas que se devem dispor em consideração são o produto entre o fator de eficiência na remoção do calor (F') e o coeficiente primário de perdas do coletor (a1 ou UL), cujos valores típicos se apresentam na Tabela 1. É ainda necessário o conhecimento da Massa Volúmica (ρ) e do Calor Específico (Cp) do fluido anticongelante utilizado no circuito primário do sistema (neste caso, assumindo que se trata de uma mistura de Água com Glicol), cujos valores em função da sua concentração volumétrica se apresentam na Tabela 2. Tipo de coletor solar Figura 5 Introdução das caraterísticas do termoacumulador no software SolTerm. de emissões de gases com efeito de estufa – fora do âmbito do presente estudo), e não para o desempenho do sistema solar térmico [1]. No presente sistema, o apoio será realizado através de uma caldeira a pellets. A seleção da caldeira dispôs não só em consideração a potência necessária para produção de AQS, mas também para aquecimento ambiente, o qual é realizado através de radiadores e se encontra fora do âmbito do presente estudo. Verificou-se que a potência total necessária para o efeito é de cerca de 30 kW, tendo-se adotado a caldeira com modelo PL35 da empresa Lusoqueima [5], a qual dispõe de 35 kW de potência e um rendimento médio de 85%. Estima-se que os pellets a utilizar serão dotados de um Poder Calorífico Inferior (PCI) médio de 17,64 MJ. Na Figura 6 apresenta-se a introdução dos referidos dados no SolTerm. Valor de F' × UL Sem cobertura 20 Não seletivo 8 Seletivo 5 Coletor Parabólico Composto (CPC) 4 Tubo de vácuo 2 Tabela 1 Parâmetros típicos de F'×UL para diversos tipos de coletores solares térmicos [6]. Concentração volumétrica de Glicol [%] Massa volúmica (ρ) da solução [kg/m3] Calor específico (Cp) da solução a 60º C [J/kg.ºC] 5 1004 4156 10 1008 4126 15 1012 4099 20 1016 4072 25 1021 4026 30 1025 3976 35 1030 3908 40 1034 3840 50 1042 3074 Tabela 2 Massa volúmica do fluído anticongelante em função da concentração volumétrica de Glicol na solução [6]. Figura 6 Introdução das caraterísticas do sistema de apoio no software SolTerm. Considerando que o fluído anticongelante disporá de uma concentração volumétrica de 25% de Glicol, que os 2 coletores solares adotados serão ligados em paralelo e a que a soma das suas áreas de abertura é de 4,74 m2, através da aplicação da seguinte expressão é possível determinar um valor recomendado para o caudal em circulação nas tubagens do circuito primário: Q = 3600000 × 3.1.1.4. Tubagens Para se proceder à circulação de fluído de transferência térmica entre o termoacumulador e os coletores solares térmicos (circuito primário), verifica-se a necessidade de se instalarem tubagens. Para proceder ao respetivo 10 × F '× UL 10 × 5 × Acol = 3600000 × × 4, 74 = 207,56 litros / hora CP × ρ 4026 ×1021 Para proceder ao dimensionamento das tubagens do circuito primário é ainda necessário definir a velocidade de circulação do fluído anticongelante através das mesmas. Vários autores recomendam que a respetiva 4 projetos renováveis águas quentes sanitárias – solar térmico versus solar fotovoltaico velocidade (vfluído1) seja de cerca de 0,7 m/s, pelo que, através da aplicação da seguinte expressão, se obtém o diâmetro interno mínimo das tubagens a instalar: Dmin tubo1 Q 1000 4× 3600 × v fluido1 = π = 207,56 1000 4× 3600 × 0, 7 = 0,01012 m π O tubo adotado para o circuito primário do sistema solar térmico será em cobre, com 15 mm de diâmetro externo, 13mm de diâmetro interno e condutividade térmica de 400 W/m.K. A tubagem será envolta em 30mm de isolamento externo com uma condutividade térmica de 0,03 W/m.K, em conformidade com as indicações apresentadas na secção 4.12.4. da referência [6]. Por fim, considerando que o circuito primário disporá de um comprimento total de 25 metros, dos quais 5 metros se encontrarão no exterior do edifício, introduziram-se os referidos dados no SolTerm da forma apresentada na Figura 7. Figura 7 Introdução das caraterísticas das tubagens do circuito primário no software SolTerm. 3.1.1.5. Estimativa dos caudais e da velocidade de fluído anticongelante no circuito primário O SolTerm requer ainda a introdução de parâmetros relativos ao caudal e velocidade de circulação do fluído anticongelante, embora não os utilize para efeitos de cálculo da produção de energia para preparação de AQS [1]. Mediante os pressupostos de cálculo considerados, os referidos parâmetros foram determinados através da aplicação das seguintes expressões: • Velocidade resultante nas tubagens do circuito primário: v res fluido1 = ( 4 × Q 1000 3600 ) = 4 × (207,56 /1000 / 3600) = 0, 434 π × 0,0132 2 π × Dtubo 1_ in Figura 8 Introdução dos dados referentes ao caudal e velocidade do fluído do circuito primário no software SolTerm. 3.1.2. Processo de otimização do sistema e determinação da contribuição do sistema solar para abastecimento das necessidades energéticas para AQS Após a introdução de todas as informações referidas nos pontos anteriores, o último passo consiste na otimização do sistema, tendo-se considerado apenas a hipótese de otimizar a quantidade de coletores solares térmicos. Na Figura 9 apresenta-se a janela de visualização que dispõe dos resultados energéticos finais, obtendo-se uma solução com as seguintes caraterísticas: • Coletores solares: 2 Baxiroca Mediterrâneo 250; • Termoacumulador: BAXI AS 300-E, de 300 litros; • Ângulo de inclinação dos coletores solares: 30º; • Ângulo de azimute de azimute dos coletores solares: Não foi alvo de otimização devido à orientação da empena da cobertura do edifício, encontrando-se orientados para sul geográfico; • Fração solar: 79,9%; • Rendimento global anual do sistema: 29%; • Energia térmica anualmente desperdiçada: 83 kWh; • Energia térmica útil fornecida pelos coletores solares para preparação de AQS: 2424 kWh; • Energia anualmente necessária para produção de AQS (Carga): 3035 kWh (já apresentada na Figura 3); • Energia anualmente necessária de fornecer pelo sistema de apoio: 611 kWh. m s • Caudal resultante nas tubagens do circuito primário: Qresultante = v resfluído × 1 2 π × Dtubo 1_ in 4 × 3600 = 0, 434 × π × 0,0132 × 3600 = 0,208 m3 hora 4 • Caudal volumétrico específico (por m2 de coletor solar) nas tubagens do circuito primário: Qesp tubagem1 ( ) = Qresultante Aab = 0,208 ×1000 4, 74 = 43, 79 litros hora m2 Por fim, introduziram-se os resultados anteriores no SolTerm da forma se apresenta na Figura 8. Conforme se pode verificar pela análise da Figura 8, o único valor que difere dos anteriores é a velocidade de circulação do fluido nas tubagens do circuito primário. Essa diferença deve-se ao facto de o software considerar um valor diferente de caudal em circulação nos coletores solares relativamente ao que foi estimado em 3.1.1.4 para dimensionamento das tubagens, desconhecendo-se qual o critério utilizado pelo SolTerm para esse efeito. 5 Figura 9 Resultados energéticos do sistema solar térmico, obtidos através do software SolTerm. projetos renováveis Após a realização dos processos de otimização as soluções alternativas obtidas foram: • Reduzir o desperdício de energia solar: Instalação de 1 coletor, resultando numa fração solar de 57,2% e num rendimento global do sistema de 42%; • Aumentar a fração solar: Instalação de 4 coletores, resultando numa fração solar de 90,5% e num rendimento global do sistema de 16%. • Reduzir o fornecimento de energia de apoio: Instalação de 6 coletores, resultando numa fração solar de 92,4% e num rendimento global do sistema de 13%. Perante os resultados obtidos, dada a redução da fração solar obtida aquando da instalação de apenas 1 coletor e a redução do rendimento do sistema muito abaixo de 30% aquando da instalação de 3 ou mais coletores solares, optou-se pela instalação de 2 coletores – em concordância com os cálculos preliminares anteriormente realizados. 3.1.3. Dimensionamento dos restantes componentes do circuito primário Após a realização do dimensionamento dos diversos componentes descritos em 3.1.1 e da realização do processo de otimização descrito em 3.1.2, procedeu-se ao dimensionamento dos componentes em falta, cujo processo se apresenta nas subsecções seguintes. 3.1.3.1. Válvula de segurança e Vaso de expansão Para acomodar as variações de pressão que vão ocorrendo no circuito primário do sistema solar térmico, verifica-se a necessidade de se proceder à instalação de um vaso de expansão. Quando tal deixa de ser possível e a pressão aumenta até a um valor que compromete a segurança do circuito, deve existir um equipamento que permita a abertura do mesmo, de modo a que o fluído seja retirado do sistema e a pressão desça. O componente que irá dispor dessa função será a válvula de segurança. A válvula de segurança deverá dispor de uma pressão de abertura mais baixa que a pressão suportada pelo componente mais frágil existente no circuito. Em sistemas de solares térmicos para pequenas residências, é prática comum a adoção de válvulas de segurança de 5 bar. Quando sujeita a essa pressão, a água dispõe de uma temperatura de ebulição (tebul_1) de 151,8ºC, tal como se pode verificar na Tabela 3. Pressão do circuito primário [bar] Temperatura de ebulição da água [ºC] 1,013 100 1,5 2 3 4 5 6 111,4 120,2 133,5 143,6 151,8 158,8 Tabela 3 Pressões de ebulição da água em função da pressão a que for sujeita. À medida que aumenta a concentração do fluido anticongelante, a respetiva temperatura de ebulição também aumenta, mas de forma pouco apreciável, pelo que a utilização dos valores apresentados na Tabela 3 para o presente efeito se torna perfeitamente aceitável. Considerando que o circuito primário disporá de uma diferença de cota entre os pontos mais alto e mais baixo de 6m (Hcirc1), a pressão de pré-carga que o vaso de expansão deverá dispor é dada por: ( ) ( ) Ppré-carga1 = Hcirc1 × 0,1 +1,5 ⇔ Ppré-carga1 = 6 × 0,1 +1,5 ⇔ Ppré-carga1 = 2,1 bar Considerando que a pressão recomendada para o circuito solar térmico quando se encontra frio e parado deverá ser 1,5 vezes superior à pressão de pré-carga do vaso de expansão, o respetivo valor será de 1,5 × 2,1 = 3,15 bar. O volume total de fluido armazenável no circuito primário é dado pela soma do volume armazenável nos coletores solares pelo volume armazenável no permutador de calor (que neste caso se trata da serpentina inferior do termoacumulador) e pelo volume armazenável nas tubagens. Segundo os dados apresentados nos respetivos catálogos de fabricantes, os coletores solares dispõem de um volume de 1,7 litros/cada, a serpentina inferior do termoacumulador dispõe de um volume (Vperm_calor) de 10,1 litros [3]. Conforme se apresenta na Figura 7, as tubagens do circuito primário dispõem de um comprimento total (Lcirc1) de 25m e de uma capacidade de armazenamento dada por: 2 Dtubo 1_ in Vlinear _ tubos1 = π × ×1000 = π × 4 0,013 ×1000 = 0,133 litros / m 4 Deste modo, o volume total de fluído armazenável no circuito primário (excluindo o vaso de expansão) é dado por: ( ) ( ) Vcirc1 = Vlinear _ tubos1 × Lcirc1 + Vcoletor × ncoletores + Vperm _ calor = ( ) ( ) = 0,133 × 25 + 1,7 × 2 +10,1 =16,825 litros Por fim, pelo facto de o fluído em circulação ser uma mistura de água com glicol, o parâmetro k a considerar na equação seguinte toma o valor de 0,09 (tomaria 0,07 no caso da água), pelo que o volume mínimo necessário para o vaso de expansão será de: ( k × t ) − 2,5 × V ebul _1 Vmin vaso _ exp1 = ( (P ) ( valv _ seg1 Vmin vaso _ exp1 = ( ) P +1 circ1 100 × 1nom Pvalv _ seg1 +1 − P1nom +1 Ppré-carga1 +1 ) +1 ) ( (0,09 ×151,8) − 2,5 ×16,825 100 5 +1 − 3,15 +1 ( ) ( (5 +1) ) × ) (3,15 +1) = 8,15 litros (2,1+1) Deste modo, necessitar-se-á de um vaso de expansão de 10 litros e uma válvula de segurança com uma pressão de abertura de 5 bar para proteção do circuito primário contra sobrepressões. 3.1.3.2. Bomba circuladora Para forçar a circulação de fluido entre o termoacumulador de AQS e os coletores solares térmicos, verifica-se a necessidade de se instalar uma bomba circuladora. Para a realização desse passo, necessita-se de se dispor do conhecimento das perdas de carga introduzidas por cada componente do circuito primário (tubagens, válvulas de corte e antirretorno, curvas, tês, coletores solares e a serpentina do termoacumulador). Para o presente caso, devido ao facto de o circuito não dispor de derivações por onde habitualmente circule o fluído anticongelante, optou-se por assumir um valor de 3,5 m.c.a., o qual, ao ser somado à altura do circuito primário, resulta numa altura equivalente de elevação de 9,5 m. Considerando que o caudal em circulação no circuito primário (determinado em 3.1.1.5) é de 0,208 m3/hora e que se pretenderá instalar uma bomba circuladora Wilo-Stratus, a determinação do modelo mais adequado é realizada graficamente da forma apresentada na Figura 10. Analisando o gráfico da Figura 10, verifica-se que a bomba circuladora mais adequada para o presente caso é a Wilo-Stratus 25(30,32,40,50)/1-10. 6 projetos renováveis águas quentes sanitárias – solar térmico versus solar fotovoltaico De um modo geral, deverá considerar-se que todos os componentes a empregar no circuito primário do sistema solar térmico deverão obedecer aos seguintes requisitos: • Diâmetro do bocal de ligação à tubagem do circuito primário: Sempre que possível deverá dispor do mesmo diâmetro interior do que os tubos do circuito primário (13 mm). Caso não tal não seja possível, verifica-se a necessidade de se utilizarem acessórios de redução; • Pressão máxima de trabalho: Deverá ser superior à pressão de abertura da válvula de segurança, que no presente caso é de 5 bar; • Temperatura máxima de trabalho: Deverá ser superior à prevista para a zona do circuito onde será instalada. Deverá considerar-se como sendo não inferior a 90º C à saída do bocal inferior do permutador de calor inferior do termoacumulador e 200º C à saída dos coletores solares. Figura 10 Procedimento gráfico para seleção de uma bomba circuladora Wilo-Stratus. 3.1.3.3. Restantes componentes e esquema do circuito primário Para garantir o correto funcionamento do circuito primário do sistema solar térmico, verifica-se a necessidade de se empregarem os restantes componentes apresentados na Figura 11. N.º Componente 1 Coletores solares 2 Termoacumulador 3 Permutador de calor 4 Vaso de expansão 5 Bomba circuladora 6 Termóstato diferencial 7 Purgador de ar 8 Sonda de temperatura 9 Sistema de aquecimento de apoio (caldeira) 10 Válvula de segurança 11 Válvula de retenção (antirretorno) 12 Válvula de corte/passagem 13 Contador de água 14 Esgoto sifonado Não assinalados Outros componentes, tubagens, isolamento das tubagens, curvas, tês, etc Figura 11 Esquema genérico dos componentes a empregar no circuito primário, no termoacumulador e na tomada de água fria do circuito secundário do sistema solar térmico. 7 3.2. Sistemas solares fotovoltaicos Na presente secção apresenta-se o processo de dimensionamento de 2 sistemas fotovoltaicos para abastecimento das necessidades de energia para produção de AQS para a habitação em apreço. Para que os pressupostos de comparação entre os sistemas fotovoltaicos e o sistema solar térmico sejam os mais próximos possíveis optou-se por, tanto quanto possível, proceder ao dimensionamento dos sistemas fotovoltaicos de modo a que a fração solar se aproxime da resultante do sistema solar térmico proposto. 3.2.1. Caraterização da carga a abastecer O software SolTerm procede à estimativa da quantidade final (útil) de energia entregue pelos coletores solares térmicos à carga [1], “descontando-lhe” as perdas nas tubagens e no termoacumulador. Para efeitos de dimensionamento dos sistemas fotovoltaicos, verifica-se assim a necessidade de se considerar o fornecimento da energia que será dissipada sob a forma de calor pelas paredes do termoacumulador de AQS. Para que os pressupostos de cálculo se mantenham coerentes com os considerados para o dimensionamento do sistema solar térmico, deverá considerar-se que o termoacumulador se encontra numa divisão do edifício sob uma temperatura ambiente média de 21º C, tal como assumido pelo software SolTerm [1]. Deste modo, considerando que o coeficiente de transmissão térmica (λtermo) do termoacumulador é de 0,4 W/m2.K (conforme já referido em 3.1.1.2), que a sua área externa (Atermo) é de 4,03 m2 (conforme já apresentada na Figura 5), que a água de consumo armazenada se encontrará sob uma temperatura média anual (Tágua_termo) de 60ºC, que a temperatura ambiente média anual da divisão do edifício em que se este encontrará (Tamb_termo) é de 21ºC, a energia anual dissipada sob a forma de calor é dada por: ( Wanual _ perdas = λtermo × Atermo × Tágua Wanual _ perdas = 0, 4 × 4,03 × 60 − 21 × termo termo ( termo ) − Tamb termo 8760 ) × 1000 8760 ≈ 550kWh / ano 1000 A energia dissipada deverá ser somada à quantidade de energia necessária para preparação das AQS (que é de 3035 kWh, tal como suprarreferido em 2.3), resultando num valor anual (Wanual) de, aproximadamente, 3585 kWh. Deste modo, a energia dissipada no termoacumulador corresponde a cerca de 15,35% da energia que necessita de ser produzida pelo sistema fotovoltaico para igualar a fração solar do sistema solar térmico proposto em 3.1. Para efeitos de dimensionamento dos sistemas fotovoltaicos, introduziram-se os consumos de energia para AQS no componente “Deferrable Load” do software Homer®, o qual requer os valores médios diários de energia para produção de AQS em cada mês. Nesse sentido, verifica-se projetos renováveis a necessidade de se acrescentar a quantidade de energia perdida no termoacumulador aos valores médios apresentados pelo software SolTerm. Deste modo, considerando a que energia média necessária para preparação de AQS para o mês de janeiro é de 8,8 kWh/dia (conforme apresentado na Figura 3) e que cerca 15,35% da energia se destina a cobrir as perdas no termoacumulador, temos que a carga térmica a considerar para cada dia esse mês é de: WPV1_ janeiro = 8,8 ≈ 10, 40kWh / dia 1 − 0,1535 ( ) Por outro lado, o sistema fotovoltaico que procede à produção de energia para AQS através de bomba de calor necessitará de produzir cerca de 1/3,63 desse valor, correspondendo a cerca de 2,(8) kWh/dia. Carga térmica sem consideração das perdas no termoacumulador [kWh/dia] Carga a considerar para o sistema fotovoltaico que procede à produção de energia para AQS através de resistência de aquecimento [kWh/dia] Carga a considerar para o sistema fotovoltaico que procede à produção de energia para AQS através de bomba de calor [kWh/dia] janeiro 8,8 10,40 2,89 fevereiro 8,7 10,28 2,86 março 8,6 10,16 2,82 abril 8,4 9,92 2,76 maio 8,2 9,69 2,69 junho 8,0 9,45 2,63 julho 7,8 9,21 2,56 agosto 7,8 9,21 2,56 setembro 7,9 9,33 2,59 outubro 8,1 9,57 2,66 novembro 8,6 10,16 2,82 dezembro 8,8 10,40 2,89 Mês Tabela 4 Cargas térmicas a considerar no dimensionamento dos sistemas fotovoltaicos para produção de AQS. O raciocínio a considerar para os restantes meses é análogo ao anterior, apresentando-se na Tabela 4 os respetivos resultados e na Figura 12 a introdução da carga considerada para o sistema fotovoltaico que procede à produção de energia para AQS através de resistência de aquecimento. 3.2.2. Caraterização do recurso solar De modo a manter a coerência entre o dimensionamento do sistema solar térmico e dos sistemas fotovoltaicos, utilizaram-se os registos de insolação e temperatura que constam da base de dados do SolTerm. Para aceder a esses valores, basta selecionar a opção “Guardar Climatologia Mensal” do separador “Clima e Local” já apresentado na Figura 1. 3 Devido ao facto da bomba de calor selecionada (a qual se apresenta em 3.2.4.2) dispor de um Coeficiente de Performance (COP) de 3,6. Figura 12 Introdução da carga a considerar para o sistema fotovoltaico que procede à produção de energia para AQS através de resistência de aquecimento no software Homer®. Na Figura 13 apresenta-se a introdução desses dados no software Homer®, juntamente com as coordenadas geográficas do local. 3.2.3. Introdução dos dados relativos aos módulos fotovoltaicos e respetivas gamas de teste No presente caso de estudo pretende-se determinar a quantidade de módulos fotovoltaicos cuja produção de energia elétrica se aproxime da fração solar do sistema solar térmico proposto, afigurando-se como um processo não dependente de parâmetros económicos. Deste modo, não se verifica a necessidade de se introduzirem os preços nem os custos de operação e manutenção do sistema fotovoltaico para efeitos de dimensionamento, pelo que se optou pela não introdução desses valores no software Homer®. Todavia, a escolha dos módulos fotovoltaicos a utilizar dispôs em consideração a respetiva relação preço/qualidade. Assim, após um processo de pesquisa de soluções e preços, optaram-se pelos módulos fotovoltaicos Sharp ND-R250A5 de 250W, cujas caraterísticas técnicas constam da referência [7]. Na Figura 14 apresenta-se a introdução das grandezas elétricas dos módulos fotovoltaicos adotados, bem como a opção de não se dispor de sistema de seguimento solar. O ângulo de inclinação definido é de 30º e o ângulo de orientação azimutal é de 0º relativamente ao sul geográfico, em concordância com a disposição da cobertura do edifício onde serão instalados os módulos. Os restantes parâmetros foram deixados com os respetivos valores padrão. Para ambos os sistemas fotovoltaicos (para produção de AQS por resistência ou por bomba de calor), o intervalo de teste definido foi de 0,25 a 10 kW de 0,25 em 0,25 kW (ou seja, testando de 1 a 40 módulos fotovoltaicos em passos de 1 unidade). 3.2.4. Resultados obtidos do processo de dimensionamento dos sistemas fotovoltaicos Devido ao facto de se ter procedido ao ajuste dos consumos de energia térmica para que as perdas de calor no termoacumulador fossem igualmente consideradas, verifica-se a necessidade de se determinarem as quantidades de 8 projetos renováveis águas quentes sanitárias – solar térmico versus solar fotovoltaico Figura 14 Introdução dos dados relativos aos módulos fotovoltaicos e respetivas quantidades a testar no software Homer®. Figura 13 Introdução dos dados relativos à insolação e temperatura no software Homer®. energia necessária de fornecer por cada um dos sistemas fotovoltaicos que igualem o valor da fração solar do sistema solar térmico dimensionado em 3.1. Esse valor é obtido através do produto da carga anual (Wanual ≈ 3585 kWh) pelo fator solar obtido aquando do dimensionamento do sistema solar térmico (fs ≈ 79,9%, tal como referido em 3.1.2) para o sistema fotovoltaico em que se procederá à produção de energia para preparação de AQS através de resistência de aquecimento, correspondendo a uma produção de energia de aproximadamente 2865 kWh/ano. No caso do sistema fotovoltaico em que se procederá à produção de energia para preparação de AQS através de bomba de calor, esse valor será de cerca de 1/3,6 do determinado anteriormente, correspondendo a cerca de 795 kWh/ano (pelo facto de o consumo anual previsto para a bomba de calor ser de cerca de 996 kWh/ano). 3.2.4.1. Sistema fotovoltaico para produção de AQS através de resistência de aquecimento No presente sistema fotovoltaico, mediante o cumprimento determinados níveis de tensão e corrente máximos suportados pelo isolamento dos terminais da resistência de aquecimento a alimentar, pode-se proceder à alimentação da mesma através da ligação direta dos terminais (+) e (-) de uma string de módulos fotovoltaicos aos seus terminais. 9 Para evitar que em dias de muita insolação (e/ou de baixo consumo), a água de consumo armazenada no termoacumulador aqueça em demasia, deverá instalar-se um termostato num dos condutores de alimentação da resistência. O objetivo desse dispositivo é o de proceder à abertura de um contacto elétrico e à consequente interrupção do circuito que alimenta a resistência de aquecimento, evitando assim que a água acumulada atinja temperaturas acima do limite máximo suportado pelo termoacumulador. O referido termóstato deverá dispor de um determinado intervalo de histerese (recomendando-se 5º C para o efeito), para evitar que a alimentação à resistência seja consecutivamente estabelecida e interrompida com pequenas oscilações de temperatura em torno da máxima que se pretende que não seja ultrapassada pela água de consumo. Deste modo, a configuração do sistema a simular no software Homer® é a apresentada na Figura 15. Figura 15 Diagrama do sistema fotovoltaico para produção de AQS através de resistência de aquecimento, em teste no software Homer®. Após a realização do processo de simulação verificou-se que com 8 módulos fotovoltaicos (2 kWp) o sistema produziria cerca de 2719 kWh/ ano de energia, não sendo suficientes para assegurar a mesma fração solar do sistema solar térmico apresentado em 3.1. Deste modo, será necessária a instalação de 9 módulos fotovoltaicos (2,25 kWp), os quais se preveem vir a produzir cerca de 3060 kWh/ano, correspondendo a uma fração solar de cerca de 85%, conforme se pode verificar na Figura 16. projetos renováveis Figura 16 Resultados elétricos mensais e anuais do sistema fotovoltaico para produção de AQS através de resistência de aquecimento, obtidos através do software Homer®. Considerando que a tensão em circuito aberto de cada um dos módulos fotovoltaicos adotados é de 37,6 V [7], a tensão máxima entre os terminais (+) e (-) da string proposta é de 5 × 37,6 = 338,4 VDC. A intensidade de corrente elétrica máxima que poderá ser fornecida pela string corresponde à corrente de curto-circuito dos módulos fotovoltaicos (dado que se encontram todos eles ligados em série), e cujo valor é de 8,68 A. Devido ao facto de que as resistências de aquecimento com que tipicamente são equipados os termoacumuladores de AQS são concebidas para operar a 230 VAC (sendo indiferente que a sua alimentação seja realizada em corrente contínua ou alternada), verifica-se que o nível de tensão máximo da string se encontra acima desse valor. No presente caso, devido ao facto de apenas se necessitar de um permutador de calor4, o termoacumulador a adotar será o BAXI AS 300-E (igual ao apresentado em 3.1.1.2, mas apenas dotado de uma única serpentina), o qual é equipado com uma resistência de 2,4 kW. A intensidade de corrente elétrica necessária para se fornecer 2,4 kW a 230 V é de cerca de 10,5 A, sendo superior ao valor da corrente de curto-circuito dos módulos fotovoltaicos propostos. Nestes termos, verifica-se a conformidade ao nível da corrente entregue à resistência de aquecimento por parte do sistema fotovoltaico proposto, mas na necessidade de preparar a resistência de aquecimento para suportar níveis de tensão caraterísticos das strings de módulos fotovoltaicos (750 a 1000 V). 3.2.4.2. Sistema fotovoltaico para produção de AQS através de bomba de calor Contrariamente ao sistema fotovoltaico proposto na subsecção anterior, em que se utilizou um termoacumulador idêntico ao do sistema solar térmico proposto em 3.1 mas apenas dotado de um única serpentina para permuta térmica, no presente caso verifica-se a necessidade de se optar por um outro tipo de termoacumulador, o qual dispõe de bomba de calor incorporada. Para tal, selecionou-se o termoacumulador com bomba de calor KAYSUN Compak KHP 35 300L, o qual dispõe de um depósito com capacidade de 300 litros para armazenamento da água de consumo e de uma bomba de calor com uma potência térmica de 3 kW e potência elétrica de 833 W, correspondendo a um Coeficiente de Performance (COP) de 3,6 [8]. 4 Devido ao facto de a função desempenhada pelo sistema solar térmico ser assegurada pela resistência de aquecimento alimentada pelos módulos fotovoltaicos. Devido ao facto de a documentação técnica do termoacumulador com bomba de calor incorporada não dispor de informações acerca do material e espessura de isolamento do depósito, assumiram-se que as perdas térmicas são idênticas às determinadas em 3.2.1. Existem diversas formas para alimentar a bomba de calor através de um sistema fotovoltaico, sendo necessário realizar o abastecimento da mesma em corrente alternada. Para tal, poder-se-ia optar por sistemas fotovoltaicos com as seguintes configurações: • Sistema dotado de módulos fotovoltaicos, baterias de acumuladores, regulador de carregamento baterias e inversor (ou inversor com regulador de carregamento incorporado); • Sistema dotado de módulos fotovoltaicos e um inversor análogo aos utilizados para abastecimento de bombas solares para elevação de água. Devido ao facto de este tipo de equipamentos tipicamente dispor de um Variador Eletrónico de Velocidade (VEV) incorporado, seria necessário desativá-lo5 (ou programa-lo para operar sob frequência fixa de 50 Hz) e que o inversor apenas funcionasse acima de um determinado nível de irradiância tal que a potência de saída fosse superior à potência elétrica de entrada da bomba de calor 6; • Sistema dotado de módulos fotovoltaicos e inversor do tipo Grid-Tie, que injetasse a energia produzida na instalação elétrica da habitação. Nesse caso a bomba de calor seria abastecida a partir de uma tomada de corrente da instalação elétrica, sendo que o presente sistema se afiguraria como uma Unidade de Produção para Autoconsumo (UPAC) enquadrada pelo Decreto-Lei n.º 153/2014, de 20 de outubro. Perante as hipóteses disponíveis, optou-se pela terceira opção devido ao facto de a primeira dispor da desvantagem de necessitar de baterias7 e, tal como a segunda opção, de um inversor dedicado para o efeito. A segunda opção também dispõe da desvantagem de não serem encontradas facilmente soluções comerciais disponíveis no mercado, pelo que o controlo do sistema se torna algo complexo e eventualmente dispendioso. Por fim, na terceira opção não é garantido que a energia para abastecimento da bomba de calor seja sempre gerada pelo sistema fotovoltaico, mas realizando um dimensionamento que resulte numa produção de energia elétrica próxima do seu consumo anual, o saldo global desta solução acaba por equivaler ao caso em que o abastecimento tenha sido realizado pelo mesmo. Por outro lado, esta solução dispõe ainda de 2 outras vantagens, nomeadamente: • Caso a água acumulada no termoacumulador atinja a temperatura máxima de armazenamento, a energia possível de gerar pelo sistema fotovoltaico poder ser utilizada para abastecimento das restantes cargas (recetores elétricos) da habitação e até vendida à rede pública; • Caso a instalação de consumo disponha de um contrato bi-horário para compra da eletricidade à rede, o sistema fotovoltaico poderá gerar energia para abastecimento das cargas da habitação durante o 5 Exceto se o motor do compressor da bomba de calor possibilite um modo de operação sob frequência variável, variando igualmente a respetiva potência de saída. 6 Tal seria possível através da programação do inversor para funcionar apenas se a tensão disponível nas strings de módulos fotovoltaicos se encontrasse acima de um determinado valor. Em alternativa, essa funcionalidade poderia ser assegurada através de um controlador externo que interrompa ou estabeleça os condutores que se situam no troço entre o gerador fotovoltaico e o inversor, mediante a garantia de um determinado nível de irradiância que, ao ser multiplicado pela área total dos módulos fotovoltaicos e da respetiva eficiência, garantisse que a potência de saída do gerador fotovoltaico dispusesse de um valor superior ao da potência elétrica de entrada bomba de calor. 7 As quais ainda são algo dispendiosas e pouco duradouras. 10 projetos renováveis águas quentes sanitárias – solar térmico versus solar fotovoltaico período diurno (em que a tarifa de compra de eletricidade é superior), resultando em poupanças em termos de eletricidade adquirida à rede, e de proceder ao abastecimento da bomba de calor durante o período noturno (em que a tarifa de compra de eletricidade é inferior). Deste modo, a configuração do sistema a simular no software Homer® é a apresentada na Figura 17. Figura 18 Verificação da compatibilidade entre as gamas de tensões e de correntes elétricas de saída do gerador fotovoltaico e de entrada do inversor. Figura 17 Diagrama do sistema fotovoltaico para produção de AQS através de bomba de calor, em teste no software Homer®. Conforme se pode verificar pela análise da Figura 17, a carga encontra-se agora ligada a um barramento AC, tendo-se ainda considerado que a mesma pode ser abastecida a partir da Rede Elétrica de Serviço Público (RESP). Considerou-se ainda a instalação de um inversor da família Sunny Boy da SMA, cuja potência a instalar depende do resultado do processo de dimensionamento. Neste estudo, o único parâmetro necessário de introduzir no software Homer® é a eficiência do inversor, a qual se assumiu com sendo de 90%, encontrando-se abaixo do valor mais baixo de entre os modelos da família Sunny Boy da SMA. Após a realização do processo de simulação verificou-se que com 2 módulos fotovoltaicos (0,5 kWp) o sistema produziria cerca de 679 kWh/ ano de energia, não sendo suficientes para assegurar a mesma fração solar do sistema solar térmico apresentado em 3.1. Para tal, verifica-se a necessidade de proceder à instalação de 3 módulos fotovoltaicos (0,75 kWp), os quais se preveem vir a produzir cerca de 1019 kWh/ano. Este valor corresponde a uma fração solar de cerca de 102,5%, ou seja, a energia elétrica produzida pelo sistema fotovoltaico é superior ao consumo global previsto para a bomba de calor. No entanto, ao realizar a verificação da compatibilidade entre o gerador fotovoltaico (composto por uma única string dotada de 3 módulos ligados em série) e os modelos disponíveis de inversores da família Sunny Boy da SMA, verificou-se que a apenas seria possível compatibilizar as gamas de tensões e correntes de saída da string com as gamas de tensões e correntes de entrada de 3 inversores SMA SB 240-10. Pelo facto de se considerar que, em termos técnicos, esse sistema não é adequado para o efeito que se pretende, optou-se por uma solução dotada de 4 módulos fotovoltaicos e um inversor SMA SB 1300TL-10, cuja compatibilidade se verificou através da plataforma Sunny Design Web8 e se apresenta na Figura 18. Na presente solução, o software Homer® estima que sejam gerados cerca de 1389kWh de energia elétrica, correspondendo a uma fração solar de cerca de 140%, tal como se pode verificar na Figura 19. 8 www.sunnydesignweb.com 11 Figura 19. Resultados elétricos mensais e anuais do sistema fotovoltaico para produção de AQS através de bomba de calor, obtidos através do software Homer®. É importante realçar que o Homer® assume que a energia que abastece a bomba de calor é proveniente da rede e que a energia gerada pelo sistema fotovoltaico será toda vendida à rede, tal como se pode verificar na Figura 19. Tal facto deve-se a não se configurado devidamente os custos de cada um dos sistemas nem da energia comprada e vendida à rede, pelos motivos que os suprarreferidos em 3.2.3. Além disso, conforme se pode verificar nas Figuras 17 e 19, também não se considerou a carga da habitação em apreço no presente estudo, pelo que se deverá considerar que os 40% de excedente de produção relativamente à energia necessária para abastecimento da bomba de calor serão destinados primeiramente ao abastecimento da mesma, sendo que a percentagem de energia efetivamente vendida à rede será inferior a esse valor. 4. Estimativas orçamentais dos sistemas propostos De modo a se poder realizar uma comparação entre os montantes de investimento necessários para se proceder à instalação de cada um dos sistemas dimensionados na secção anterior, verificou-se a necessidade de se elaborarem as estimativas orçamentais que se apresentam nas subseções seguintes. Devido ao facto de se estimar que os custos de mão-de-obra para instalação de cada um dos sistemas não diferirem consideravelmente, optou-se apenas por se proceder à comparação apenas entre os custos globais sem IVA dos componentes necessários para cada um dos sistemas. projetos renováveis 4.1. Sistema solar térmico Aquando realização do dimensionamento do sistema solar térmico apresentado ao longo da secção 3.1, verificou-se a necessidade de se proceder à seleção de alguns dos elementos do sistema. Considerou-se o disposto em 3.1.3.3 na seleção dos restantes componentes necessários para estabelecer e proteger o circuito hidráulico, os quais se apresentam na Tabela 5 e cujo custo global se estima que seja de cerca de 5100€. Componente Marca / Modelo Qt. [un] ou [m] Custo unitário [€/un] 4.2. Sistemas solares fotovoltaicos Nas subsecções seguintes apresentam-se as estimativas orçamentais para ambos os sistemas fotovoltaicos propostos na subsecção 3.2. 4.2.1. Para produção de AQS por resistência Considerando os elementos já selecionados no processo de dimensionamento apresentado em 3.2.4.1, bem como dos restantes componentes necessários para proceder ao abastecimento e comando e proteção da respetiva instalação elétrica, na Tabela 6 apresentam-se os componentes propostos, cujo custo global se estima ser de cerca de 3500€. Custo [€/conj] Componente Marca / Modelo Qt. [un] ou [m] Custo unitário [€/un] Custo [€/conj] Coletores solar térmicos Baxi Mediterrâneo 250 2 727,00 € 1454,00 € Estrutura de suporte dos coletores solares à cobertura do edifício Suportes SOL 250 H 1 289,00 € 289,00 € Módulos fotovoltaicos Sharp ND-R250A5 5 165,97 € 829,85 € Termoacumulador BAXI AS 300-2E 1 1587,00 € 1587,00 € Estrutura de apoio p/cobertura inclinada Sunfer KVT 915 1 129,00 € 129,00 € Bomba circuladora Wilo-Stratos 25(30,32,40,50)/ 1-10 1 697,00 € 697,00 € Cabo Solar FLEX - 1×4 mm² Atron 40 1,73 € 69,20 € Vaso de expansão de 10 litros Caleffi Solar N 10/2,5 1 60,05 € 60,05 € Quadro Elétrico Hager VE118SN 18 mod 1 64,71 € 64,71 € Válvula de segurança Caleffi 527 3/4” 1 37,60 € 37,60 € Porta Fusíveis Hager 1 11,76 € 11,76 € Válvula misturadora termostática CALEFFI - SOLAR 252150 3/4”(2,6) 1 90,82 € 90,82 € Fusíveis de 10 A tipo PV Hager 10 2 6,13 € 12,26 € Tubos (de cobre) Tubo de 15mm 25 7,50 € 187,50 € Descarregador de sobretensões Tipo2 p/1000VDC Up=4kV 1 250,03 € 250,03 € Isolamento dos tubos Armaflex HT 30×15mm SWH 25 12,10 € 302,50 € Interruptor DC Hager 32 A Hager SB432PV 1 193,22 € 193,22 € Controlador térmico diferencial + sondas de temperatura Central de regulação CS1 1 131,00 € 131,00 € Termóstato de comando da resistência de aquecimento Termóstato Contacto 0/90 C 1 12,00 € 12,00 € Válvulas de corte em esfera BAXI Série 850 8 16,10 € 128,80 € Termoacumulador BAXI AS 300-1E 1 1408,00 € 1 408,00 € Purgadores de ar Caleffi solar 250 1 23,03 € 23,03 € Vaso de expansão de 10 litros Caleffi Solar N 10/2,5 1 60,05 € 60,05 € Válvulas de retenção BAXI - Válvula retenção 3/4” 2 6,10 € 12,20 € Válvula de segurança Caleffi 527 3/4” 1 37,60 € 37,60 € Válvulas de enchimento automático Caleffi 126 3/4” 1 66,91 € 66,91 € Válvula misturadora termostática CALEFFI - SOLAR 252150 3/4”(2,6) 1 90,82 € 90,82 € Filtros de água (em Y) OFA EG.T0502 1 6,05 € 6,05 € Válvulas de corte em esfera BAXI Série 850 4 16,10 € 64,40 € Fluido anticongelante Líquido solar FAC 10 4 6,20 € 24,80 € Resistência 2,4 kW BaXI RC-31/25 1 221,00 € 221,00 € TOTAL 3453,90 € TOTAL 5098,26 € Tabela 5 Estimativa orçamental dos componentes propostos para o sistema solar térmico. Tabela 6 Estimativa orçamental dos componentes propostos para o sistema fotovoltaico para produção de AQS através de resistência de aquecimento. 12 projetos renováveis águas quentes sanitárias – solar térmico versus solar fotovoltaico 4.2.2. Para produção de AQS por bomba de calor Considerando os elementos já selecionados no processo de dimensionamento apresentado em 3.2.4.2, bem como dos restantes componentes necessários para proceder ao abastecimento e comando, proteção e condicionamento da energia gerada na respetiva instalação elétrica, na Tabela 7 apresentam-se os componentes propostos, cujo custo global se estima ser de cerca de 4000€. Componente Marca / Modelo Qt [un] ou [m] Custo unitário [€/un] Custo [€/conj] Módulos fotovoltaicos Sharp ND-R250A5 4 165,97 € 663,88 € Inversor SMA Sunny Boy 1300 TL 10 1 706,29 € 706,29 € Bomba de calor + Termoacumulador KAYSUN Compak KHP 35 300L 1 1674,80 € 1674,80 € Estrutura de apoio p/ cobertura inclinada Sunfer KVT 915 1 129,00 € 129,00 € Cabo Solar FLEX – 1×4 mm² Atron 40 1,73 € 69,20 € Cabo XV 3G4mm² – 10 1,37 € 13,70 € Quadro Elétrico DC Hager VE118SN 18 mod. 1 64,71 € 64,71 € Porta Fusíveis Hager 1 11,76 € 11,76 € Fusíveis de 10 A tipo PV Hager 10 2 6,13 € 12,26 € Descarregador de Sobretensões Tipo2 p/1000VDC Up=4kV 1 250,03 € 250,03 € Interruptor DC Hager 32 A Hager SB432PV 1 193,22 € 193,22 € Vaso de expansão sanitário Vasoflex/S 8 litros 1 59,00 € 59,00 € Válvula de segurança Caleffi 527 3/4” 1 37,60 € 37,60 € Válvula misturadora termoestática CALEFFI - SOLAR 252150 3/4”(2,6) 1 90,82 € 90,82 € Válvulas de corte em esfera Baxi Série 850 2 16,10 € 32,20 € TOTAL 4 008,47 € Tabela 7 Estimativa orçamental dos componentes propostos para o sistema fotovoltaico para produção de AQS através de Bomba de Calor. Conforme se pode verificar pela análise da Tabela 7, não se considerou o custo do Quadro AC – o qual se assume ser o mesmo da instalação elétrica da habitação, bem como do contador bidirecional e da cablagem para alimentação da bomba de calor do termoacumulador (a qual se encontra incluída no kit). Considerando ainda o custo de licenciamento da UPAC com injeção de potência na rede, o qual, segundo o artigo 19.º da Portaria n.º 14/2015, de 23 de janeiro, toma o valor de 30€ para potências inferiores a 1,5 kW, o montante global de investimento toma um valor de cerca de 4050€. 13 5. Conclusões Nos últimos anos tem-se assistido a uma tendência mais acentuada no decréscimo dos custos dos componentes para sistemas fotovoltaicos do que a dos componentes para sistemas solares térmicos. No sentido de avaliar se ainda se justifica o atual paradigma em que é pouco habitual a utilização de sistemas fotovoltaicos para abastecer necessidades energéticas para produção de AQS, procedeu-se ao dimensionamento de um sistema solar térmico e de 2 sistemas fotovoltaicos, para um edifício do tipo T3, e compararam-se os respetivos custos iniciais. O primeiro passo consistiu na averiguação dos consumos nominais de AQS, tendo-se observado as disposições do SCE. Na presença desses valores, utilizando como base os registos da temperatura média mensal da água da rede que constam da base de dados do software SolTerm, procedeu-se à estimativa das necessidades energéticas para elevar a temperatura da mesma até 60º C. Procedeu-se ao dimensionamento e otimização do sistema solar térmico através do método apresentado ao longo da secção 3.1 e do software SolTerm, tendo-se obtido uma solução composta por 2 coletores solares térmicos Baxiroca Mediterrâneo 250, um termoacumulador BAXI AS 300-2E e os restantes componentes apresentados na Tabela 5. Para realizar o dimensionamento dos sistemas fotovoltaicos, verificou-se a necessidade de se considerarem as perdas de energia do termoacumulador, pelo facto de o algoritmo de cálculo do SolTerm as “descontar” da estimativa de energia produzida pelos coletores solares. Por forma a manter a coerência entre os pressupostos de dimensionamento do sistema solar térmico e dos sistemas fotovoltaicos, optou-se por realizar o dimensionamento dos últimos com base nos mesmos dados de insolação e de modo a se obter uma fração solar próxima da resultante no primeiro sistema. No entanto, em ambos os sistemas fotovoltaicos, a solução proposta dispõe de uma fração solar superior à do sistema solar térmico. No caso do primeiro sistema fotovoltaico proposto, a quantidade de energia resultante corresponde à que deverá ser entregue à resistência de aquecimento, enquanto no segundo sistema, devido à utilização de uma bomba de calor, a energia elétrica necessária é obtida pelo quociente entre os valores obtidos para o primeiro sistema e o COP da bomba de calor. Tal facto resulta na necessidade de se produzir uma quantidade inferior de energia elétrica, quando comparada com a do primeiro sistema. Devido ao facto de a resistência de aquecimento poder operar em corrente contínua ou alternada, é possível ligar diretamente os terminais do gerador fotovoltaico à mesma, juntamente com os órgãos de proteção da instalação elétrica e os elementos de comando que garantem que a temperatura da água armazenada no termoacumulador não ultrapasse o valor máximo suportado pelo mesmo. O gerador fotovoltaico para abastecimento da resistência de aquecimento dispõe de um nível de tensão em circuito aberto que excede a tensão nominal da mesma, pelo que seria de considerar que os fabricantes preparassem as resistências para serem abastecidas através de níveis de tensão caraterísticos das strings de módulos fotovoltaicos (até 750 ou 1000 V). Contrariamente ao que se verifica na alimentação da resistência de aquecimento, para proceder à alimentação da bomba de calor é necessário garantir que esta seja sempre abastecida à sua potência nominal, existindo várias hipóteses para que tal seja possível – tais como as referidas em 3.2.4.2. Por questões técnico-económicas, optou-se por conceber um sistema fotovoltaico com ligação à instalação elétrica da habitação e, por conseguinte, à RESP. Embora não seja garantido que a energia consumida pela bomba de calor esteja a ser gerada no mesmo instante pelo gerador fotovoltaico, o respetivo dimensionamento foi realizado de modo a que a energia anual produzida pelo sistema fotovoltaico seja suficiente para cobrir a fração renovável pretendida para a produção de AQS. projetos renováveis É de salientar que se poderia igualmente ter optado pela ligação da resistência de aquecimento à instalação elétrica da instalação e de se ter procedido ao dimensionamento de um sistema fotovoltaico com ligação à RESP. No entanto, por questões económicas e pelo facto de essa ser a configuração mais adequada ao segundo caso, optou-se por não se realizar nesses termos. Considerando que o custo do sistema solar térmico proposto é superior ao de ambos os sistemas fotovoltaicos, verifica-se por si só que os sistemas fotovoltaicos se afiguram com opções economicamente mais favoráveis. Por outro lado, devido ao facto de este tipo de sistemas se poderem enquadrar como UPACs segundo o regime conferido pelo Decreto-Lei n.º 153/2014, de 20 de outubro, quando a água armazenada no termoacumulador atinge o respetivo valor máximo, o excedente de energia gerada pelos mesmos poder igualmente vir a ser utilizado para abastecimento das restantes cargas elétricas de uma instalação, enquanto no caso dos sistemas solares térmicos, tal não é possível. Nestes termos, aquando da seleção entre sistemas solares térmicos e fotovoltaicos, poder-se-á considerar a instalação de uma UPAC que gerará a energia necessária para abastecimento não só dos consumos elétricos de uma instalação, mas também das respetivas necessidades energéticas para preparação de AQS, contribuindo assim não só para se obter uma economia de custos quando comparada com a aquisição de um sistema solar térmico, mas também para viabilizar o próprio investimento na UPAC. Referências bibliográficas [1] R. Aguiar e R. E. Coelho, Manual SolTerm, versão 1.11 (relativo à versão 5.1.4 do software), Laboratório Nacional de Energia e Geologia, I.P., 2012; [2] “Solterm do LNEG, banco de dados de colectores solares, www.lneg.pt/iedt/projectos/370/ paginas/37, acedido em 12 de março de 2015”; [3] “Catálogo general de calefaccion” BAXI, 2014; [4] Thermal Conductivity of common materials, http://hyperphysics.phy-astr.gsu.edu/hbase/tables/ thrcn.html, acedido em 12 de março de 2015; [5] Lusoqueima - Caldeira a Pellets, www.lusoqueima.pt/pt/products/detail/19, acedido em 13 de março de 2015; [6] E. P. Lebeña e J. C. Costa, Curso de Instalador de Equipamentos Solares Térmicos, INETI, 2006; [7] “SHARP Polycrystalline silicon photovoltaic modules, http://eng.sfe-solar.com/wp-content/ uploads/2012/05/SunFields_SHARP_Datasheet_ND-R-230-235-240-245-250A5_EN.pdf, acedido em 13 de março de 2015”; [8] Kaysun Bombas de Calor (KHP - ACS), http://kaysun.es/es/productos/detalle/compak-khp-35300-acs1, acedido em 15 de março de 2015. Apresentação dos autores Edgar Filipe da Silva Franco [email protected] É licenciado em Engenharia Eletrotécnica – Ramo de Energia e Automação e mestre em Engenharia Eletrotécnica – Sistemas de Automação, pela Escola Superior de Tecnologia e Gestão do Instituto Politécnico de Leiria, obtendo respetivos graus em 2009 e 2011. Concluiu em janeiro de 2013 o Curso de Doutoramento (não conferente de grau) em Engenharia Eletrotécnica e de Computadores pela Faculdade de Engenharia da Universidade de Porto. Foi projetista de instalações elétricas em 2010 e bolseiro de investigação do INESC Coimbra em 2011. É docente do Curso de Especialização Tecnológica de Energias Renováveis do Instituto Politécnico de Leiria desde janeiro de 2011. Nuno Pedro Ferreira de Carvalho Monteiro [email protected] É licenciado pré-Bolonha em Engenharia Eletrotécnica – Ramo de Energia e Automação e mestre em Energia e Ambiente, pela Escola Superior de Tecnologia e Gestão do Instituto Politécnico de Leiria, obtendo os respetivos graus em 2003 e 2010. Iniciou a sua atividade profissional em 1999 no setor cerâmico, onde desempenhou funções de responsável de manutenção, gestor de energia e diretor de produção. É consultor energético e ambiental de empresas industriais e técnico reconhecido do Sistema de Gestão de Consumos Intensivos na Indústria (SGCIE) desde 2011. É formador nas áreas da eletrotecnia, eficiência energética e energias renováveis e docente do Curso de Especialização Tecnológica de Energias Renováveis do Instituto Politécnico de Leiria desde 2011. 14
