Sistemas de aquecimento solar de água: um guia completo sobre tipos e funcionamento.

Introdução à tecnologia de aquecimento solar de água

Sistema de aquecimento solar instantâneo de água por circulação sem energia

Componentes do sistema: Coletor de tubos evacuados, depósito de água conectável, suporte ajustável e permutador de calor.

Princípio de funcionamento do sistema de aquecimento solar instantâneo de água por circulação sem energia: a água no interior do tubo de vácuo começa a aquecer quando exposta à luz solar. À medida que a água aquece, a sua densidade diminui e circula naturalmente para o tanque, aquecendo-a gradualmente. A água aquecida é depois armazenada num tanque isolado com espuma de poliuretano. A água fria interior flui através de um canal de fole fixo no interior do tanque, elevando a água da torneira pressurizada a uma temperatura quase idêntica à da água no tanque (com uma diferença de temperatura inferior a 2 graus Celsius). Isto 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 reservatório de água para criar uma cabeça termossifão, que faz circular a água pelo sistema. Simultaneamente, a energia útil captada pelo coletor é armazenada continuamente no reservatório, aquecendo a água.

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

Existem dois métodos para obter água quente. Um deles utiliza um reservatório de reposição, que enche o fundo do reservatório com água fria, empurrando a água quente da camada superior para fora, para utilização. O nível da água é controlado por uma válvula de bóia no interior do reservatório de reposição. Este método é por vezes designado por método de reposição por nível. O outro método, sem reservatório de reposição, permite que a água quente desça do fundo do reservatório por gravidade. Este método é por vezes designado por método de queda livre.

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 tubagem entre o coletor e o reservatório para fazer circular a água no sistema. Simultaneamente, a energia útil captada pelo coletor é armazenada no reservatório através do aquecimento da água.

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

O controlo diferencial da temperatura utiliza a diferença entre a temperatura da água à saída do coletor e a temperatura da água no fundo do reservatório para controlar o funcionamento da bomba de circulação.

Após o nascer do sol, a água no coletor é aquecida pela radiação solar, aumentando gradualmente a sua temperatura. Quando a diferença de temperatura entre a saída do coletor e a água no fundo do reservatório atinge um valor predefinido (geralmente entre 8 e 10 °C), o controlador de temperatura gera um sinal para acionar a bomba de circulação e o sistema entra em funcionamento. Durante períodos de céu nublado ou no período da tarde, antes do pôr do sol, a irradiação solar diminui, fazendo com que a temperatura do coletor desça gradualmente. Quando a diferença de temperatura entre a saída do coletor e a água no fundo do reservatório atinge outro valor predefinido (geralmente entre 3 e 4 °C), o controlador de temperatura gera um sinal para desligar a bomba de circulação e o sistema deixa de funcionar.

Sistemas de aquecimento solar de água

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

O método de fluxo superior consiste em adicionar água fria (água da torneira) ao fundo do reservatório, empurrando a água quente da camada superior para a utilização. O método de fluxo descendente depende da própria água quente que desce do fundo do reservatório devido à gravidade. Sob circulação forçada, a água no reservatório é completamente misturada, evitando uma estratificação significativa da temperatura. Portanto, ambos os métodos, de fluxo superior e descendente, fornecem água quente desde o início. Comparado com o método de fluxo superior, a vantagem deste último é que o jato de água quente pressurizada melhora o conforto do utilizador e não há necessidade de se preocupar em reabastecer o reservatório. No entanto, a desvantagem é que a água fria que entra pelo fundo do reservatório pode misturar-se com a água quente. Embora o método de fluxo superior tenha a vantagem de evitar a mistura de água quente e fria, tem também a desvantagem de a água quente descer por gravidade, afetando o conforto do utilizador, e a necessidade de reabastecer o reservatório diariamente.

Num sistema de circulação forçada de circuito duplo, o permutador de calor pode ser um permutador de calor de imersão, instalado no interior do depósito de água, ou um permutador de calor de placas, instalado no exterior do depósito. Os permutadores de calor de placas oferecem muitas vantagens em relação aos permutadores de calor de imersão: em primeiro lugar, têm uma maior área de transferência de calor, menores gradientes de temperatura e um menor impacto na eficiência do sistema. Em segundo lugar, são instalados dentro da tubagem do sistema, oferecendo maior flexibilidade e facilitando o design e o layout do sistema. Em terceiro lugar, são comercialmente disponíveis e normalizados, o que facilita o controlo de qualidade e a fiabilidade.

Os sistemas de circulação forçada são adequados para sistemas de aquecimento solar de água de grande, média e pequena dimensão.

Os sistemas de aquecimento solar de água de fluxo contínuo aquecem a água até à temperatura desejada numa única passagem pelo coletor, sendo a água aquecida libertada no tanque de armazenamento num fluxo contínuo.

Durante o funcionamento do sistema, é normalmente utilizado um método de descarga a temperatura constante para garantir que a água quente satisfaz as necessidades do utilizador. O tubo de entrada do coletor está ligado à rede de água da torneira. A água no coletor é aquecida pela radiação solar, aumentando gradualmente de 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 o caudal de entrada do coletor com base na temperatura de saída do coletor, mantendo uma temperatura constante da água à saída. A fiabilidade deste sistema depende do desempenho da válvula elétrica de caudal variável e do controlador.

Para evitar requisitos rigorosos na válvula elétrica e no controlador, alguns sistemas instalam a válvula elétrica na saída do coletor, sendo que a válvula tem apenas dois estados: aberta e fechada. Quando a temperatura à saída do coletor atinge um valor predefinido, um controlador de temperatura abre a válvula elétrica, permitindo que a água quente flua da saída do coletor para o depósito de água. Simultaneamente, é adicionada água fria (água da torneira) ao coletor até que a temperatura à saída do coletor desça abaixo do valor predefinido. A válvula elétrica fecha e o processo repete-se. Embora este método de descarga de água a temperatura constante seja relativamente simples, devido à histerese no fecho da válvula elétrica, a temperatura da água quente resultante pode ser inferior ao valor predefinido.

Um sistema de fluxo direto apresenta muitas vantagens: em primeiro lugar, em comparação com os sistemas de circulação forçada, não necessita de bomba de água; segundo, em comparação com os sistemas de circulação natural, o reservatório de água pode ser instalado em ambiente interior; terceiro, em comparação com os sistemas de recirculação, a água quente está disponível mais cedo todos os dias, podendo ser obtida uma certa quantidade de água quente enquanto houver um bom período de tempo; quarto, é fácil implementar um projeto para a drenagem noturna do sistema, evitando o congelamento no inverno. Uma desvantagem do sistema de fluxo direto é a necessidade de válvulas e controladores elétricos de caudal variável fiáveis, o que complica o sistema e aumenta o investimento.

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