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Solar Térmico: sistemas e sua constituição

Departamento de Formação e Suporte Técnico da Vulcano

24/02/2020
Qual o sistema solar térmico a escolher, o de circulação natural (termossifão) ou o de circulação forçada? Embora pareça fácil, a escolha pode não ser tão evidente quando queremos escolher um sistema solar térmico para reduzir os custos com os combustíveis fósseis. Ambos captam a energia gratuita do Sol, mas existem vários fatores que podem fazer pender a escolha por um tipo de sistema em detrimento de outro.
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Sistemas diretos e indiretos

A permuta de calor pode realizar-se por transferência direta ou indireta. No primeiro caso não existe separação hidráulica entre o circuito primário e o circuito secundário, isto é, a água é aquecida nos coletores e enviada diretamente para consumo. No segundo caso, existe uma separação entre os dois circuitos, realizada por um permutador de calor.
No sistema direto, o circuito é mais simples e tem um bom rendimento térmico, mas apresenta diversos inconvenientes que, na maior parte dos casos, o tornam desaconselhável:
  • Maior restrição a nível da variedade de materiais a utilizar, dado que a água que irá percorrer todo o circuito hidráulico será a água de consumo;
  • Risco de congelamento e consequente dano do equipamento no caso de regiões em que as temperaturas mínimas sejam muito baixas;
  • Risco elevado de corrosão, devido a uma constante oxigenação no interior da instalação;
  • Risco elevado de incrustação de calcário.
Todos estes inconvenientes fazem com que, atualmente, os sistemas mais utilizados sejam indiretos.
Fig.1 - Exemplo de sistema direto
Fig.1 - Exemplo de sistema direto
Fig.2 - Exemplo de sistema indireto
Fig.2 - Exemplo de sistema indireto

Tanto os sistemas diretos como indiretos podem ter a configuração hidráulica em circulação natural como circulação forçada.

Tipos de sistemas diretos e indiretos

Para o aquecimento de água, no que diz respeito à captação de energia proveniente da radiação solar, existem dois sistemas possíveis:
  • Circulação Natural (termossifão);
  • Circulação Forçada.
A opção de escolha entre estes dois tipos de sistemas solares térmicos dependerá da carga energética que se pretenda cobrir, do tipo de hidráulica e das condicionantes do local destinado à instalação.

Sistema termossifão (circulação natural)

O sistema de circulação natural, denominado de termossifão, é aplicado a instalações de dimensões mais reduzidas e na produção de águas quentes sanitárias, pois é um sistema limitado em termos de produtividade solar, de capacidade de armazenamento de energia e de área de captação.
De qualquer forma, é um sistema com uma maior facilidade de instalação e não depende de meios mecânicos (para a circulação de fluido) ou controlos eletrónicos para o seu funcionamento.
Quando a radiação solar incide no coletor existe um aumento da temperatura do fluido solar que percorre a tubagem do circuito primário. Este, com o aumento da temperatura, diminui a densidade, favorecendo o seu movimento, ou seja, a circulação faz-se por convecção natural. Quando a densidade do fluido diminui devido ao seu aquecimento, este ascenderá do coletor para o depósito e o fluido mais frio descenderá para o coletor.
Este processo é contínuo, desde que exista uma diferença de temperatura entre o acumulador e o coletor suficiente para criar movimento no fluido térmico.
Quando o fluido solar sobe e atinge o permutador do acumulador, transmite energia na forma de calor, aquecendo a água que se encontra no interior do mesmo. Quanto maior for a radiação solar disponível, maior será o caudal de fluido térmico e, se não houver radiação ou a temperatura no coletor não for superior à do depósito, não haverá circulação e, consequentemente, não será aquecida a água do acumulador, havendo necessidade de prever um sistema de apoio. Na figura 3 está representado o princípio de funcionamento do sistema solar térmico do tipo termossifão.
Como já foi referido anteriormente, um sistema solar térmico, independentemente do tipo de instalação, deverá ter um acumulador, para aprovisionar toda a energia da radiação solar que atinge o coletor a cada momento.
Fig.3 - Princípio de funcionamento de um sistema termossifão
Fig.3 - Princípio de funcionamento de um sistema termossifão
Para se aproveitar ao máximo a eficiência do sistema, tal como representado na figura 4, é importante garantir que as ligações do fluido solar no circuito primário estejam cruzadas (no caso de coletores solares térmicos com absorsor construído em harpa), ou seja, que o retorno do acumulador seja ligado na parte inferior do coletor de um dos lados e a ida ao acumulador que saia do coletor na parte superior do lado oposto.
Das quatro ligações disponíveis (para flexibilizar a instalação, dependendo da sua geometria) aquelas que não forem utilizadas têm de ser tamponadas, de modo a garantir a estanquidade do sistema.
Fig.4 - Exemplo de ligação hidráulica coletor depósito termossifão
Fig.4 - Exemplo de ligação hidráulica coletor depósito termossifão

Opções de instalação

Mediante as características das diversas instalações, é necessário escolher e adaptar as soluções existentes. É possível instalar este tipo de sistemas termossifão em superfícies inclinadas e em superfícies de cobertura plana.
Contudo, é necessário que antes do início dos trabalhos, se dê prioridade máxima ao planeamento e estudo da instalação, uma vez que os acessórios de montagem divergem dependendo do tipo superfície.
Fig.5 - Instalação em superfície plana e inclinada

Fig.5 - Instalação em superfície plana e inclinada

Composição

Normalmente, um sistema solar termossifão, seja compacto ou não, é constituído pelos seguintes elementos:
  • Coletor(es) solares térmicos;
  • Estruturas de fixação;
  • Depósito acumulador de água;
  • Tubagem;
  • Acessórios (isolamento térmico, vaso de expansão, grupo de segurança, válvula misturadora termostática).
As estruturas de fixação para os coletores e para o depósito devem ser resistentes mas ao mesmo tempo leves. Esta pode ser usada para montagem em superfícies planas ou superfícies inclinadas, para um ou dois coletores tipicamente.
Fig.6 - Exemplo estrutura de Termossifão para superfície inclinada
Fig.6 - Exemplo estrutura de Termossifão para superfície inclinada
Fig.7 - Exemplo estrutura de Termossifão para superfície plana
Fig.7 - Exemplo estrutura de Termossifão para superfície plana
O depósito de água quente é um elemento essencial num sistema solar. Nos sistemas Termossifão compactos encontram-se no exterior e são disponibilizados na vertente horizontal por forma a não ter uma influência muito grande no aspeto arquitetónico. Internamente este depósito é constituído por dupla parede e inclui os órgãos de segurança utilizados numa instalação solar, o vaso de expansão e as válvulas de segurança. Os volumes dos depósitos variam entre os 150L e os 300L.
Fig.8 - Exemplo de um depósito de água quente sanitária de um Termossifão compacto
Fig.8 - Exemplo de um depósito de água quente sanitária de um Termossifão compacto

Como os termossifões compactos são sistemas solares limitados quanto ao volume de acumulação e área de captação, o número de coletores que normalmente se utiliza é de um a dois coletores com uma área aproximada de 2,1 m2 por coletor.

Fig.9 - Exemplo de um coletor térmico usado num Termossifão compacto
Fig.9 - Exemplo de um coletor térmico usado num Termossifão compacto

Sistema de circulação forçada

Num sistema de circulação forçada o transporte de energia através do fluido térmico entre os coletores e o depósito é garantido por uma bomba circuladora. Uma instalação solar de circulação forçada, pelo facto de potenciar diversos tipos de instalações, permite aquecer um maior volume de água e, por isso, pode também conter uma maior área de coletores solares térmicos.
Este tipo de instalação, como envolve mais componentes, é mais exigente comparativamente com a circulação natural, pois envolve uma série de cálculos e dimensionamentos para que todo o sistema funcione correta e eficientemente.
Neste tipo de instalação o acumulador poderá ser instalado a um nível inferior aos coletores e sem limite de distância, uma vez que o princípio de funcionamento do sistema permite o escoamento do fluido térmico através da bomba circuladora (previamente dimensionada considerando o traçado de tubagem e os restantes acessórios hidráulicos). Desta forma, quando existir uma diferença de temperatura, entre o fluido térmico nos coletores e o volume de água na zona inferior do depósito acumulador, o controlador irá fornecer energia elétrica à bomba circuladora, que por sua vez movimentará o fluido entre o coletor e o acumulador. Por conseguinte, a energia é transmitida do interior da serpentina do acumulador para a água de consumo que se encontra no seu interior.
Os sistemas de circulação forçada são a solução ideal para habitações, unifamiliares e multifamiliares, com espaço interior para o depósito, permitindo igualmente a possibilidade de ampliação futura da instalação.
Fig.10 - Exemplos de dois sistemas forçados domésticos unifamiliares
Fig.10 - Exemplos de dois sistemas forçados domésticos unifamiliares
Fig.11 - Exemplo de um sistema forçado doméstico multifamiliar
Fig.11 - Exemplo de um sistema forçado doméstico multifamiliar

Opções de instalação

Tal como nos sistemas solares térmicos termossifão, as características das diversas instalações é que vão ditar qual a melhor solução de instalação a adotar. Para este tipo de sistemas, as opções são maiores uma vez que para além das típicas superfícies plana horizontal e inclinada podemos optar também por superfícies planas verticais.
Fig.12 - Três opções de instalação de coletores em sistemas de circulação forçada
Fig.12 - Três opções de instalação de coletores em sistemas de circulação forçada

Composição

Um sistema solar térmico de circulação forçada tem uma maior quantidade de acessórios instalados no circuito hidráulico face ao sistema solar por termossifão, devido à sua maior complexidade e opções de instalação:
  • Coletor(es) solar(es) térmico(s);
  • Estruturas de fixação;
  • Depósito acumulador de água;
  • Permutador (placas, tubulares);
  • Grupo hidráulico de circulação;
  • Controlador solar;
  • Tubagem;
  • Acessórios (isolamento térmico, vaso de expansão, grupos de segurança).
Fig.13 - Depósito e coletor de um sistema de circulação forçada
Fig.13 - Depósito e coletor de um sistema de circulação forçada
Fig.14 - Acessórios utilizados num sistema de circulação forçada (controlador e grupo hidráulico)
Fig.14 - Acessórios utilizados num sistema de circulação forçada (controlador e grupo hidráulico)

Conclusão

Existem várias opções de instalação para se aproveitar a energia gratuita cedida pelo Sol. Assim, é necessário encontrar qual a melhor opção a tomar para melhor aproveitar essa energia. Não existe sistema solar térmico melhor ou pior, nem o sistema de circulação forçada é melhor do que o sistema de circulação por termossifão ou vice-versa.
A seleção do sistema solar térmico a utilizar depende de muitos fatores, entre eles o económico, mas sempre com o objetivo final da poupança e eficiência energética.
A marca Vulcano, sempre na vanguarda de Soluções de Água Quente que visem melhorar a eficiência energética e minimizar o impac¬to ambiental, tem uma vasta gama de equipamentos para sistemas solares térmicos por termossifão e de circulação forçada, assim como de equipamentos de apoio a estes quando existe uma escassa radiação solar.

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