Um Guia Abrangente sobre Tipos e Funcionamento de Sistemas de Aquecimento Solar de Água

Introdução à Tecnologia de Aquecimento Solar de Água

Sistema de Aquecimento Instantâneo de Água Solar por Circulação Não Motorizada

Componentes do sistema: Coletor de tubos a vácuo, tanque de água conectável, suporte ajustável e trocador de calor.

Princípio de Funcionamento do Sistema de Aquecimento Solar Instantâneo de Água por Circulação Não Motorizada: A água dentro do tubo evacuado começa a aquecer quando exposta à luz solar. À medida que a água aquece, sua densidade diminui e ela naturalmente circula para o tanque, aquecendo gradualmente a água. A água aquecida é então armazenada em um tanque isolado com espuma de poliuretano. A água fria do interior flui através de um canal de fole fixo dentro do tanque, elevando a água pressurizada da torneira a uma temperatura quase idêntica à da água no tanque (com uma diferença de temperatura de menos de 2 graus Celsius). Isso resulta em água quente estável, pressurizada e limpa.

Sistema de Aquecimento Solar de Água por Circulação Natural

Um sistema de aquecimento solar de água por circulação natural utiliza a diferença de temperatura entre o coletor e o tanque de água para criar uma cabeça termossifônica, que faz com que a água circule pelo sistema. Simultaneamente, a energia útil obtida do coletor é continuamente armazenada no tanque através do aquecimento da água.

Durante a operação do sistema, a água no coletor é aquecida pela radiação solar, aumentando sua temperatura e diminuindo sua densidade. A água aquecida sobe gradualmente dentro do coletor, fluindo através do tubo de circulação superior do coletor para a parte superior do tanque de armazenamento de água. Simultaneamente, a água fria do fundo do tanque de armazenamento de água flui através do tubo de circulação inferior para a parte inferior do coletor. Com o tempo, forma-se uma estratificação térmica distinta no tanque de armazenamento de água, com a camada superior da água atingindo primeiro uma temperatura utilizável, e isso continua até que todo o tanque esteja totalmente operacional.

Existem dois métodos para obter água quente. Um deles utiliza um tanque de reposição, que repõe água fria no fundo do tanque de armazenamento, empurrando a água quente da camada superior para fora para ser utilizada. O nível da água é controlado por uma válvula flutuante dentro do tanque de reposição. Este método é às vezes chamado de método de recarga. O outro método, sem tanque de compensação, permite que a água quente caia do fundo do tanque de armazenamento por gravidade. Este método é às vezes chamado de método de queda.

Sistema de Aquecimento Solar de Água por Circulação Forçada

Um sistema de aquecimento solar de água por circulação forçada utiliza uma bomba de água instalada na tubulação entre o coletor e o tanque de armazenamento de água para fazer circular a água no sistema. Simultaneamente, a energia útil obtida do coletor é armazenada no tanque de armazenamento de água através do aquecimento da água.

Durante a operação do sistema, a ativação e desativação da bomba de circulação devem ser controladas, caso contrário, tanto a energia elétrica quanto a energia térmica serão desperdiçadas. O controle por diferencial de temperatura é geralmente o método mais popular, e às vezes tanto o controle por diferencial de temperatura quanto o controle fotovoltaico são usados simultaneamente.

O controle de diferencial de temperatura utiliza a diferença de temperatura entre a temperatura da água na saída do coletor e a temperatura da água no fundo do tanque de armazenamento de água para controlar a operação da bomba de circulação.

Após o nascer do sol pela manhã, a água no coletor é aquecida pela radiação solar, aumentando gradualmente de temperatura. Assim que a diferença de temperatura entre a saída do coletor e a água no fundo do tanque de armazenamento atinge um valor definido (geralmente 8-10 ° C), o controlador de temperatura gera um sinal para iniciar a bomba de circulação e o sistema começa a operar. Durante períodos de céu nublado ou na tarde antes do pôr do sol, a irradiação solar diminui, fazendo com que a temperatura do coletor caia gradualmente. Assim que a diferença de temperatura entre a saída do coletor e a água no fundo do tanque de armazenamento atinge outro valor definido (geralmente 3-4 ° C), o controlador de temperatura gera um sinal para desligar a bomba de circulação, e o sistema para de funcionar.

Sistemas de Aquecimento Solar de Água

Existem também dois métodos para obter água quente: fluxo superior e fluxo inferior.

O método de fluxo superior envolve a adição de água fria (água da torneira) na parte inferior do tanque de armazenamento, empurrando a água quente para fora da camada superior para uso. O método de queda de água depende da própria água quente que cai do fundo do tanque por gravidade. Sob circulação forçada, a água no tanque é bem misturada, evitando uma estratificação significativa da temperatura. Portanto, tanto o método de fluxo ascendente quanto o de fluxo descendente fornecem água quente desde o início. Comparado ao método de água superficial, a vantagem do método de água superficial é que o jato de água quente pressurizada melhora o conforto do usuário e não há necessidade de se preocupar com o reabastecimento do tanque de água. No entanto, a desvantagem é que a água fria que entra pela parte inferior do tanque de água pode se misturar com a água quente no tanque. Embora o método de abastecimento pela parte superior tenha a vantagem de evitar a mistura de água quente e fria, também tem a desvantagem de que a água quente cai por gravidade, afetando o conforto do usuário, e a necessidade de reabastecer o reservatório de água diariamente é imprescindível.

Em um sistema de circulação forçada de circuito duplo, o trocador de calor pode ser um trocador de calor de imersão colocado dentro do tanque de água ou um trocador de calor de placas colocado fora do tanque de água. Os trocadores de calor de placas oferecem muitas vantagens em relação aos trocadores de calor de imersão: Primeiro, os trocadores de calor de placas possuem uma área de transferência de calor maior, gradientes de temperatura de transferência de calor menores e um impacto menor na eficiência do sistema. Em segundo lugar, os trocadores de calor de placas são colocados dentro da tubulação do sistema, oferecendo maior flexibilidade e facilitando o projeto e o layout do sistema. Terceiro, os trocadores de calor de placas estão disponíveis comercialmente e são padronizados, o que facilita a garantia de qualidade e a confiabilidade.

Sistemas de circulação forçada são adequados para sistemas de aquecimento solar de água de grande, médio e pequeno porte.

Sistemas de aquecimento solar de água por passagem única aquecem a água até a temperatura desejada em uma única passagem pelo coletor, e a água aquecida é então liberada no tanque de armazenamento em um fluxo contínuo.

Durante a operação do sistema, um método de descarga a temperatura constante é normalmente utilizado para garantir que a água quente atenda às necessidades do usuário. O tubo de entrada do coletor está conectado à linha de água da torneira. A água no coletor é aquecida pela radiação solar, aumentando gradualmente a sua temperatura. Um sensor de temperatura está instalado na saída do coletor. Um controlador de temperatura controla a abertura de uma válvula elétrica instalada na entrada do coletor. Este controlador de temperatura ajusta a taxa de fluxo de entrada do coletor com base na temperatura de saída do coletor, mantendo uma temperatura constante da água de saída. A confiabilidade deste sistema depende do desempenho da válvula elétrica de fluxo variável e do controlador.

Para evitar requisitos rigorosos em relação à válvula elétrica e ao controlador, alguns sistemas instalam a válvula elétrica na saída do coletor, e a válvula possui apenas dois estados: aberto e fechado. Quando a temperatura de saída do coletor atinge um valor definido, um controlador de temperatura abre a válvula elétrica, permitindo que a água quente flua da saída do coletor para o tanque de armazenamento de água. Simultaneamente, água fria (água da torneira) é adicionada ao coletor até que a temperatura de saída do coletor caia abaixo do valor definido. A válvula elétrica fecha e o processo se repete. Embora este método de descarga de água com temperatura constante seja relativamente simples, devido à histerese no fechamento da válvula elétrica, a temperatura da água quente resultante pode ser inferior ao valor definido.

Um sistema de fluxo direto tem muitas vantagens: Primeiro, em comparação com sistemas de circulação forçada, ele não necessita de uma bomba d'água; segundo, em comparação com sistemas de circulação natural, o tanque de armazenamento de água pode ser localizado em ambientes fechados; terceiro, em comparação com os sistemas de recirculação, a água quente utilizável está disponível mais cedo em cada dia, e uma certa quantidade de água quente utilizável pode ser obtida, desde que haja um período de clima claro; Quarto, é fácil implementar um projeto para drenar o sistema à noite para evitar o congelamento no inverno. Uma desvantagem de um sistema de fluxo direto é que ele exige válvulas elétricas e controladores de fluxo variável confiáveis, o que complica o sistema e aumenta o investimento.

Um sistema de fluxo direto é principalmente adequado para sistemas de aquecimento solar de água em grande escala.