Sistemas de Ar Refrigerado Assistidos por Energia Solar: Descrição e Vantagens, Notas de estudo de Engenharia Elétrica

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Este guia foi realizado por :

Marc Delorme, Reinhard Six : Rhônalpénergie-Environnement (França)

Daniel Mugnier, Jean-Yves Quinette : Tecsol (França)

Nadja Richler : O. Ö Energiesparverband (Áustria)

Frank Heunemann : Berliner Energieagentur GmbH (Alemanha)

Edo Wiemken, Hans-Martin Henning :

Fraunhofer Institute for Solar Energy Systems (Alemanha)

Theocharis Tsoutsos, Effie Korma : Centre for Renewable Energy Sources (Grécia)

Giuliano Dall’O, Paola Fragnito, Luca Piterà : Associazione Rete di Punti Energia (Itália)

Pedro Oliveira, João Barroso : Agência Municipal de Energia de Sintra (Portugal)

José Ramòn-Lopez, Santiago Torre-Enciso : Ente Vasco de la Energia (Espanha)

Com o apoio da Comissão Europeia

(Direcção - Geral para a Energia e Transportes)

da Região Rhône-Alpes e da Câmara Municipal de Sintra.

A reprodução do conteúdo desta brochura está sujeita à apreciação da

Comissão Europeia e do Rhônalpénergie-Environnement.

Nem a Comissão Europeia, nem qualquer outra pessoa agindo em seu nome, pode:

a) oferecer qualquer garantia ou representação, expressa ou implícita, no que respeita

à informação contida nesta publicação,

b) assumir a responsabilidade no que respeita ao uso de, ou prejuízos

resultantes desta informação.

A opinião expressa nesta publicação não é necessariamente a da Comissão Europeia.

I N T R O D U Ç Ã O

Na última década a procura de ar condicionado no sector terciário aumentou, resultado da procura de um melhor conforto e das elevadas temperaturas no Verão. As técnicas passivas e semi-activas utili- zadas durante séculos para manter as condições de conforto interior, parecem ter sido esquecidas em muitos dos novos edifícios. Este desenvolvimento da climatização em edifícios é responsável por um aumento da procura de ener- gia eléctrica durante o Verão, que por diversas vezes atinge os limites da produção e distribuição de electricidade. Associada à procura está o aumento das emissões de gases de efeito de estufa, quer devido à produ- ção de energia, quer pelo derrame dos fluídos refrigerantes, contribuíndo para o ciclo vicioso das mudanças climáticas. Como é demonstrado na primeira parte desta brochura, uma larga gama de soluções passivas dis- poníveis permitem melhorar as condições interiores tanto para novos edifícios em fase de projecto, como para edifícios já existentes, reduzindo o recurso a sistemas activos de ar condicionado. A tecnologia de arrefecimento de edifícios com energia solar já provou em alguns casos, perídos superiores a 10 anos, a sua eficiência e viabilidade. Estas tecnologias utilizam como fluído refrigeran- te um fluído inofensivo (água) e muito menos energia primária que os sistemas clássicos. Assim, porque não utilizar a energia solar para manter no Verão as condições de conforto interior acon- selhadas para os edifícios?

Apesar da utilização eficiente das técnicas solares passivas, é necessário um sistema de climatização, pelo que, o arrefecimento solar pode ser uma solução interessante. Com efeito, durante o Verão, a procura de energia eléctrica cresce fortemente devido à utilização intensiva de sistemas de climatiza- ção, sendo os picos de consumo a origem da maioria dos problemas de fornecimento de electricidade. Este problema é ainda mais grave nos anos “secos”, visto que as centrais hidroeléctricas são incapazes de corresponder a uma parte desses picos. Dentro deste contexto, a utilização de energia solar para o arrefeci- mento é um conceito atractivo, pois as necessidades de arrefeci- mento coincidem, na maior parte do tempo, com a disponibilidade de radiação solar.

Os sistemas de arrefecimento solar têm a vantagem de suprir a maioria das exigências de um sistema clássico: O consumo de energia eléctrica pode ser até 20 vezes inferior, quando comparado com um sistema clássico de compressão; Os fluídos refrigerantes utilizados são inofensivos, utilizando-se normalmente água e soluções salinas; O incómodo sonoro provocado pelo compressor é anulado;

Estes sistemas podem ser utilizados autonomamente ou em comple- mento com um sistema clássico de ar condicionado; o objectivo principal é o de utilizar tecnologias de “emissão zero” para reduzir o consumo energético e as emissões de CO 2.

1.1 - Porquê o arrefecimento solar?

CLIMATIZAÇÃO OU ARREFECIMENTO?

Em termodinâmica, o termo climatização refere-se a uma instalação que garante um valor pré-definido para a temperatura (e em alguns casos para a taxa de humidade). Uma instalação de arrefecimento solar permite baixar a temperatura, mas o valor pré-definido não pode ser sempre garantido (à noite por exemplo, ou durante um período sem radiação solar). Contudo é possível garantir um valor pré-definido com o apoio energético de um sistema auxiliar. Utilizar-se-à, portanto, o termo arrefecimento solar para uma instalação autónoma, e climatização solar quando tiver apoio energético auxiliar.

1.2 - As tecnologias de arrefecimento solar são competitivas?

Apesar de existir um grande potencial de mercado para as tecnologias de arrefeci- mento solar, os sistemas já existentes não são, ainda, economicamente competitivos quando comparados com os sistemas eléc- tricos ou a gás, principalmente devido ao elevado investimento que os sistemas de arrefecimento solares acarretam e ao baixo preço da energia utilizada nos sistemas clássicos. Reduzir os custos de diferentes compo- nentes (colectores solares, chiller ...) e me- lhorar a seu rendimento, mudará drastica- mente esta situação, mesmo apesar de se saber que ainda é difícil prever a data em que esta tecnologia solar atingirá a maturi- dade económica. Por outro lado, a comparação da tecnologia solar com a tecnologia clássica só pode ser feita se se incluir os custos externos (ambientais e sociais). O carácter imprevisí- vel do custo dos combustíveis convencio- nais, num futuro a médio/longo prazo, deverá, também, ser tido em linha de conta

numa análise económica. De um modo geral, pode-se observar que para as tecnologias solares: O seu custo diminui com a sua produção em grande série; Ao nível técnico, são já tecnologias maduras; São muito mais amigas do ambiente que os sistemas convencionais.

Estas diferentes vantagens mostram que estas tecnologias devem ser apoiadas, quer através de um incentivo financeiro, quer através de uma taxa energética que reflicta os custos ambientais face às energias convencionais. Em muitos países, o apoio financeiro a sistemas com energia solar per- mitem tornar esta solução economicamente mais atractiva.

1.3 - Optar por uma instalação de arrefecimento solar?

Está convencido que, para parar o ciclo vicioso das alterações climáticas, necessitamos de uma abordagem mais conscienciosa em termos ambientais ao nosso consumo de energia? Que a redução das necessidades de arrefecimento através de técnicas bioclimáticas ou passi- vas são a primeira etapa desta abordagem? E que, se necessitar de um sistema de arrefeci- mento, a tecnologia de arrefecimento solar pode ser uma boa solução? Então esta brochura é para si!

A primeira parte desta brochura apresenta as principais técnicas passivas e semi-activas para reduzir as necessidades de arrefecimento. Diferentes tecnologias de sistemas de arrefecimento assistidos por energia solar são descri- tas: sistemas de absorção, adsorção e exsicantes. A brochura apresenta, igualmente, um número importante de instalações em funcionamen- to em diferentes países Por fim, são dados conselhos para desenvolver o seu projecto de um sistema de arrefecimen- to solar.

Figura 5 Protecções solares com avançado horizontal e estores exteriores num edifício de escritórios em Dresden na Alemanha

Figura 4 Dispositivos de sombreamento exterior vertical num edifício de escritórios em Dresden, na Alemanha

Figura 3 Uma redução da carga térmica no Verão pode ser obtida, na fase de projecto de um edifício, recorrendo a estratégias bioclimáticas

Figura 6 Avançado horizontal com módulos fotovoltaícos integrados: (casas solares em Friburgo na Alemanha)

Figura 2 Escritórios da Câmara do Comércio e da Indústria de Friburgo na Alemanha: exemplo da redução da carga térmica no Verão (protecções solares, cobertura ventilada e ajardinada e dispositivos de sombreamento)

Materiais Orientação

Ventilaçãon

Aberturas

Cargas internas

Vegetaçãon

Protecções solares

As necessidades de arrefecimento de um edifício durante o Verão podem ser reduzidas, adoptando estratégias "bioclimáticas" (Fig. 3). Redução das cargas térmicas na fase de concepção do edifício: Uma protecções solares nas janelas, paredes e cobertura, utilizan- do barreiras artificiais ou naturais (Fig. 4 e 5); Uma forte inércia térmica conjuntamente com uma sobre venti- lação nocturna; Uma ventilação adequada;

Redução da temperatura exterior, intervindo nas proximidades do edifício, através de: Aumento da humidade relativa do ar com lagos, fontes e vegetação; Utilização de plantas para sombreamento; Redução do coeficiente de reflexão solar do meio-ambiente, por exemplo, através da criação de espaços verdes; Escolha de cores claras para as paredes exteriores.

PROTECÇÃO DO SOL

No Verão, a radiação solar atravessa as superfícies transparentes do edifício (portas e janelas) causando um ganho de energia imediato. Diferentes dispositivos de sombreamento permitem reduzir esse impacte: Estrutura de sombreamento vertical para as orientações Este e Oeste ou horizontal para a orientação Sul) (Fig.7); Estores exteriores fixos ou ajustáveis; Toldos exteriores ou cortinas internas; Vidros especiais.

As estruturas de sombreamento externo são as mais eficazes, pois impedem a radiação solar de atingir as superfícies envidraçadas.

2.2 - Estratégias

Calor sensível e latente

Calor sensível, é a soma do calor que resulta apenas no aumento da temperatura. É prove- niente do exterior e resulta da radiação solar e da diferença de temperatura entre o exterior e o interior do edifício (transmissão de calor por condução através da envolvente). E proveniente também das cargas internas, como as pessoas e todas as fontes de calor (iluminação, equipamen- to informático, máquinas, etc.).

Calor latente, é a soma do calor que conduz ao aumento da quantidade de vapor de água no ar. É proveniente da humidade emitida pelas pessoas através da respiração e transpiração e por todas as fontes geradoras de vapor. Sempre que é ventilado um local, o ar prove- niente do exterior traz calor sensível se a tempe- ratura externa é superior à temperatura ambien- te do local, e calor latente em função do teor de vapor de água.

Figura 8 Impacte térmico da radiação solar em função da cor do revestimento

Se os edifícios forem concebidos cuidadosamente, tendo em conta os aspectos referidos anteriormente, a necessidade de ar condicio- nado no Verão será reduzida drasticamente. Apesar de algumas das técnicas apresentadas poderem ser aplicadas eficientemente em edifícios em fase de projecto, muitas interven- ções que tenham como objectivo reduzir as necessidades de arrefe- cimento no Verão podem ser implementadas em edifícios já exis- tentes com custos aceitáveis.

ARREFECIMENTO PASSIVO

As técnicas de arrefecimento passivo podem ser divididas em dois grandes grupos: As que limitam as cargas térmicas: cargas solares, cargas internas,… As que contribuem para a remoção das cargas térmicas para outros ambientes: água, ar, solo... As soluções a adoptar estão claramente descritos na brochura "Natural and Low Energy Cooling in Buildings" (ver bibliografia).

2.3 - TÉCNICAS PARA A REDUÇÃO DA CARGA TÉRMICA NO VERÃO

Figura 9 A ventilação natural depende da configuração do edifício. Os locais que disponham de pelo menos duas aberturas exteriores, em fachadas opostas, permitem uma boa ventilação.

A protecção solar é também importante para as superfícies opacas, e em particular para os revestimentos exteriores, que são as super- fícies da envolvente mais expostas à radiação solar.

Mesmo que seja impossível utilizar dispositivos de sombreamento eficazes, é aconselhável escolher superfícies exteriores com baixo coeficiente de absorção.

INÉRCIA TÉRMICA

A inércia térmica de um edifício tem um elevado impacte na trans- ferência de calor com o ambiente interior. Um edifício caracterizado por uma massa térmica importante aque- ce lentamente, o que permite atenuar o sobreaquecimento provoca- do pela radiação solar através dos envidraçados. De facto, a envolvente exterior acumula a radiação directa e resti- tuem-na lentamente no ambiente interior, nas horas seguintes. Deste modo, uma elevada inércia térmica limita os picos da necessi- dade de arrefecimento.

VENTILAÇÃO

No Verão, a ventilação é uma das formas mais simples de garantir o conforto térmico dos ocupantes de um edifício. Existem duas estratégias possíveis:

• A primeira, que tem um impacte imediato no bem estar dos ocu- pantes, consiste em movimentar o ar no interior do edifício por agi- tação, com ventoinhas (de tecto, ou outras) ou então pela circula- ção de ar, eventualmente com a ajuda do ar exterior (correntes de ar), desde que não esteja mais quente que o ar interior.
• A segunda forma, direccionada para o arrefecimento do edifício, consiste em arejar fortemente as divisões com ar exterior, desde que este esteja a uma temperatura inferior à do ar interior: desta forma as estruturas arrefecem, prolongando o conforto dos ocupantes, mesmo durante as horas mais quentes do dia. Em ambos os casos, o objectivo pode ser atingido de forma mecâni- ca ou de forma natural (correntes de ar). Para tal é necessário: Divisões com dupla orientação (pelo menos duas paredes exte- riores e com direcções opostas); Paredes com aberturas para espaços pouco ruidosos (para permi- tir aberturas de tomada de ar); Controlar os três parâmetros: protecção solar, inércia térmica e ven- tilação, permite uma redução das temperaturas interiores médias no Verão.

Figura 7

superfície clara superfície escura

Ventilação difícil Ventilação fácil

Eficácia de diferentes sistemas de protecção solar, em função de:

• a geometria do dispositivo;
• a orientação da fachada;
• o período do ano.

S-E / S-W E / W S

S S-E / S-W

E / W

S S-E / S-W

E /W

Protecção solar horizontal

Protecção solar vertical

**Protecção solar combinada (1 horizontal

• 2 verticais)**

Mês

10%

20%

30%

40%

50%

60%

70%

80%

90%

100%

0% 0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12

10%

20%

30%

40%

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80%

90%

100%

0% 0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12

Factor de transmissão

Factor de transmissão

Factor de transmissão

Método

Ciclo do refrigerante

Princípio

Fase do sorvente

Mistura utilizada

Tecnologia disponível

no mercado

Gama de potência de

arrefecimento (kW frio)

COP nominal

Temperatura

de funcionamento

Colectores solares

água - sílica gel

Chiller adsorção

50 – 430 kW

0.5 – 0.

60 – 90 °C

Tubos de vácuo, colectores planos, CPC

Água - Brometo de lítio Amoníaco - água

Chiller absorção

15 kW – 5 MW

0.6 – 0.75 (single effect)

80 – 110 °C

Tubos de vácuo, CPC

Água - sílica gel Água - cloreto de lítio

Sistema exsicante

20 kW – 350 kW (por módulo)

0.5 – >

45 – 95 °C

Colectores planos, colectores a ar

Água - cloreto de cálcio Água - cloreto de lítio

Próximo de introdução no mercado

1

45 – 70 °C

Colectores planos, colectores a ar

sólido líquido sólido líquido

Ciclo fechado

Ciclo do refrigerante fechado

Água refrigerada

Ciclo aberto

O refrigerante (água) está em contacto com a atmosfera

Desumidificação do ar e arrefecimento evaporativo

Tabela 2: Tecnologias de arrefecimento solar mais utilizadas actualmente.

T É C N I C A S D E A R R E F E C I M E N T O S O L A R

Os sistemas mais comuns de arrefecimento que utilizam o solar térmico para produzir frio são apresenta-

dos no quadro 2. Estes sistemas podem ser classificados em duas grandes famílias:

• Sistemas fechados : Chillers térmicos que produzem água refrigerada (absorção e adsorção) para ali-

mentação de unidades de tratamento de ar (arrefecimento, desumidificação) ou para uma rede de água

refrigerada de alimentação de sistemas descentralizados (p.ex.: ventilo-convectores). As máquinas dis-

poníveis no mercado e adaptadas à energia solar são os chillers de absorção (mais comuns) e de adsor-

ção (poucas centenas de máquinas em todo o mundo, mas com um interesse crescente para os sistemas

de ar condicionado assistidos por energia solar);

• Sistemas abertos : O ar é directamente tratado (arrefecido e desumidificado) em função das condições

de conforto desejadas. O refrigerante continua a ser a água, dado que está em contacto directo com o ar

a arrefecer. Os sistemas mais comuns utilizam uma roda exsicante giratória.

Um parâmetro chave para descrever a eficiência de um chiller assis- tido termicamente é o COeficiente de Performance térmico (COP), definido como a razão entre o calor rejeitado do ciclo de arrefeci- mento de água e o calor requerido para o sistema funcionar: COP térmico= Qarref. /Q aquec.. O COPtérmico é diferente do COPconv. de um chiller de compressão clássico, definido por COPconv.= Qarref. /Eeléctrico, com Eeléctrico a representar o consumo de energia eléctrica do chiller.

Esta definição do COPtérmico não inclui nenhum consumo eléctrico adicional. Uma comparação realista das diferentes tecnologias requer que se considere o total de energia utilizada (térmica e ener- gia eléctrica das bombas e ventiladores). De realçar que quanto menor o COP, mais calor é requerido e mais calor terá que ser rejei- tado na torre de arrefecimento. Pelo contrário, um COP elevado tem a vantagem de reduzir tanto o calor requerido, como o consumo de energia eléctrica das bombas.

A temperatura da água refrigerada depende do sistema de distribui- ção instalado nos locais a arrefecer. No caso de ser necessário a desumidificação do ar, a temperatura da água refrigerada deverá ser inferior ao “ponto de orvalho”. Para o caso de se pretender apenas uma diminuição da temperatura, sem desumidificação, a tempera- tura da água refrigerada deverá estar entre 12ºC a 15ºC, o que per- mite uma melhor rendimento do chiller.

CHILLERS DE ABSORÇÃO

Os chillers de absorção são os mais utilizados em todo o Mundo. A compressão térmica do refrigerante é conseguida através da utili- zação de uma solução refrigerante/absorvente líquido, e uma fonte de calor, substituindo assim o consumo de electricidade de um com- pressor mecânico. Para água arrefecida acima dos 0ºC, tal como é utilizada na climatização, é usada normalmente uma solução água/brometo de lítio (H 2 O/LiBr), em que a água é o refrigerante.

No funcionamento de um chiller de absorção H 2 O/LiBr, é importan-

te evitar a cristalização da solução através de um controlo interno da temperatura do ciclo de rejeição de calor.

A "produção de frio" é baseada na evaporação do refrigerante (água) no evaporador a muito baixa pressão. O refrigerante vaporizado é “aspirado” no absorvedor, diluindo assim a solução H 2 O/LiBr. Para tornar o processo de absorção eficiente, é necessário arrefecer a solução. Ela é bombeada continuamente para o gerador onde é aquecida (calor “motriz”). O vapor de água gerado é então enviado para o condensador, onde, através da aplicação de água de arrefeci- mento, é condensado. A água líquida, após passar por uma válvula de expansão, é novamente reencaminhada para o evaporador. A potência de arrefecimento dos chillers de absorção são geralmen- te da ordem de várias centenas de kW. Geralmente, são alimentados por uma rede de calor ou por um sistema de co-geração. A tempe- ratura do calor necessária é, normalmente, acima dos 80ºC para chillers de efeito simples, com um COP de 0.6 a 0.8. Os chillers de duplo efeito, com dois níveis de gerador, requerem temperaturas acima dos 140ºC, e atingem um COP na ordem de 1.2.

Figura 10 Esquema de princípio do processo: Qfrio é a quantidade de calor extraido da água arrefecida no evaporador. Qcalor é a quantidade de calor requerido para fazer funcionar o processo (calor motriz). Q (^) rejeitado , soma de Qfrio e Q (^) calor, é a quantidade de calor a remover à temperatura média T (^) M. Q (^) calor pode ser fornecido pelos colectores solares ou por um sistema de apoio (rede de calor ou caldeira por exemplo).

Figura 12 Chiller de absorção - Hotel de Rethymnon - Creta (Grécia)

As máquinas de absorção e de adsorção podem ser caracterizadas por três níveis de temperatura:

• Nível de temperatura alta (TA), que corresponde ao calor forneci- do ao sistema (circuito de água quente);
• Nível de temperatura baixa (TB), que corresponde à temperatura de produção de frio (circuito de água refrigerada);
• Nível de temperatura média (TM), quando a temperatura do cir- cuito de água quente e do circuito de água refrigerada é rejeitada. A rejeição de calor, na maioria dos casos, é efectuada através de uma torre de arrefecimento.

3.1 - Produção de água fria por chiller de absorção ou de adsorção

Figura 11 Esquema de princípio de um chiller de absorção

Qcalor

TA

Tb

TM

Qfrio

Qrejeitado

Água quente (calor “motriz")

Água de arrefecimento

Água de arrefecimento

Água refrigerada

Condensador

Evaporador

Gerador

Absorvedor

Os sistemas de arrefecimento exsicantes são, basicamente, sistemas de ciclo aberto, que utilizam água como refrigerante em contacto directo com o ar. O ciclo de arrefecimento é uma combinação de arrefecimento evaporativo com uma desumidificação através de um exsicante, i.e.: material higroscópico, que pode ser tanto líquido como sólido. O termo "aberto" significa que o refrigerante é rejeitado do sistema depois de produzir o efeito de arrefecimento, e que uma nova quan- tidade de refrigerante seja injectada num circuito aberto. Assim, apenas é possível utilizar água como refrigerante, visto estar em contacto directo com o ar ambiente. A tecnologia mais actual usa rodas exsicantes rotativas, equipadas com gel de sílica ou com cloreto de lítio como material adsorvente.

SISTEMA COM UTILIZAÇÃO DE MATERIAL

DESIDRATANTE SÓLIDO EM RODA ROTATIVA

Os principais componentes do sistema são apresentados na figura

A: ARREFECIMENTO (Funcinamento no Verão) A circulação de ar no espaço a arrefecer, remove as cargas térmicas internas, calor sensível e calor latente, proveniente de computa- dores, pessoas, máquinas e ganhos solares/ambiente através de jane- las, envidraçados, paredes, tectos, etc. O ar ambiente do exterior é primeiro desumidificado adiabaticamente (1-2) numa roda que contém o elemento exsicante (p.e. silicagel), deixando-a sob a forma de ar quente e seco. É então arrefecido (arrefecimento sensível 2-3) num permutador (roda recuperadora) pelo ar mais frio proveniente do interior do edificio, que circula em contracorrente. Segue-se o processo de humidificação (arrefecimento adiabático 3-5) que pro- move um maior arrefecimento do ar antes deste entrar na conduta de distribuição de ar pelo espaço (5) a climatizar. As cargas internas e ganhos solares/ambiente atrás referidas levam ao aquecimento do ar e o vapor de água produzido levam a um aumento da humidade do ar (5-6). Ao mesmo tempo o ar é sugado para fora do edifício, é arrefecido por humidificação (6-7), aquecido na roda recuperadora (7-8), novamente aquecido ( 8-9) por uma fonte de calor externa ligada ao sistema térmico solar e atravessa a roda desumidificadora (9-10) para promover a regeneração do elemento exsicante.

Uma concepção particular do sistema exsicante é necessária no caso de condições climatéricas extremas, por exemplo, nas zonas costei- ras, devido à taxa de humidade elevada, uma configuração tipica do sistema exsicante não permite reduzir a humidade a um nível aceitá- vel para a aplicação de um arrefecimento evaporativo. Uma confi- guração mais complexa da central de tratamento de ar com a apli- cação, por exemplo, de mais uma roda de entalpia ou um grupo de frio complementar pode ser também utilizado.

B: AQUECIMENTO (Fucionamento de Inverno) O ar ambiente do exterior é aquecido em contracorrente com o ar pro- veniente do interior do edifício ; o desumidificador (1-2) pode estar activo funcionando como permutador de entalpia (humidificação rege- nerativa do ar na entrada.) ou inactivo o que diminui o consumo de electricidade pois ao desumidificador poderá ser feito um “bypass”: serão as condições climáticas que determinarão o seu estado de fun- cionamento. A roda recuperadora (2-3) estará geralmente activa e além disso o ar proveniente do exterior é aquecido (4-5) no permutador de calor água-ar, que está acoplado ao sistema térmico solar. Se a tempe- ratura do depósito solar for insuficiente a fonte de calor será então o apoio energético convencional. O humidificador (3-4) em geral está desactivado podendo ser usado na humidificação do ar proveniente do exterior se necessário. O ar arrefece ao longo do seu percurso no inter- ior do espaço a climatizar (5-6) devido às perdas térmicas (paredes, janelas, etc.), e ao atravessar a roda recuperadora (7-8) préaquecendo o ar proveniente do exterior e eventualmente transfere humidade e calor para o ar proveniente do exterior (9-10). O humidificador de ar (6-7) e o permutador de calor (8-9) estão desactivados.

SISTEMA COM UTILIZAÇÃO DE MATERIAL

DESIDRATANTE LÍQUIDO

Um novo desenvolvimento, perto de chegar ao mercado, utiliza para a exsicante do ar um sorvente líquido: solução água/cloreto de lítio. Por comparação com os sistemas exsicante que utilizam material um solvente sólido, este tipo de sistemas apresenta várias vantagens: maior taxa de desumidificação do ar para a mesma temperatura e a possibilidade de um grande nível de armazenamento de energia, sob a forma de solução concentrada. Esta tecnologia representa sem dúvida, um futuro prometedor para o arrefecimento solar.

3.2 - Sistemas de arrefecimento exsicantes

Figura Sistema que utiliza um material desidratante líquido, instalado no novo edifício do Centro de Inovação Solar (SOBIC) em Friburgo na Alemanha

Figura 15 Esquema de princípio de um sistema exsicante

Humidificadores

Apoio (calor)

Roda de desumidificação (exsicante)

Cargas térmicas: Ar quente e húmido

Ar fresco e seco

Roda permutadora

Os principais tipos de colectores solares disponíveis no mercado são apresentados na tabela 3. O arrefecimento solar diferencia-se da produção de água quente, pelo nível elevado de temperatura à qual o calor útil deverá ser for- necido. Para os chillers térmicos (de absorção e adsorção), a tempe- ratura é, normalmente, acima dos 80ºC, sendo o valor mais baixo admitido de 50ºC. Para sistemas de arrefecimento exsicantes, a tem- peratura necessária varia entre os 55ºC e os 90ºC. Tendo em conta os elevados caudais para alimentar o sistema, é difícil obter uma estra- tificação no armazenamento de água quente e a temperatura de retorno do colector solar é também ela relativamente elevada reflec- tindo uma limitação na escolha do tipo de colector a utilizar.

Consequentemente, colectores planos e colectores a ar adaptam-se bem aos sistemas exsicantes. Em sistemas que utilizem chillers de adsorção, a utilização de colectores planos selectivos está limitada a locais de elevada radiação solar. Para outros locais com menos radiação solar, ou para grupos de frio que necessitam de elevadas temperaturas, como os sistemas de absorção de efeito simples, devem ser utilizados colectores de alta eficiência. Para sistemas onde é necessário atingir temperaturas ainda mais elevadas, os colectores de tubo de vácuo com concen- tração óptica e os colectores tipo CPC podem ser considerados. Esta é uma opção interessante para sistemas que utilizem chillers de absorção de alta eficiência (duplo efeito).

3.3 - Colectores solares

Tipo de colector

Abreviatura

Princípio

Aplicações Principais

Aplicações principais

em arrefecimento solar

Colector a ar

CA

Aquecimento directo do ar

Pré-aquecimento do ar de

ventilação

Sistemas abertos

exsicantes

Colector plano

CP

Aquecimento de um líquido

(água, água+glicol)

Água quente sanitária

Sistemas exsicantes, adsorção, absorção (efeito simples) com colectores selectivos

Colector plano com concentrador parabólico

CPC

Aquecimento de um líquido

(água, água+glicol),

concentração da radiação

Água quente sanitária e

industrial

Adsorção e absorção

(efeito simples)

Colector de tubo de vácuo

CTV

Tubos a vácuo para reduzir

as perdas térmicas

Diferentes tecnologias:

• com “heat pipe”
• com fluxo directo
• com concentração,

tipo Sydney

Água quente sanitária

e industrial

• Adsorção, absorção
• Absorção (duplo efeito): Sydney

Cobertura de vidro

isolamento Absorvedor com canais de ar

caixa de colector

Cobertura de vidro

isolamento Absorvedorcom tubos para fluido

caixa de colector

Cobertura de vidro

reflector isolamento Absorvedor com tubos para fluido

caixa de colector

Tubo de vidroem vácuo

Absorvedor com2 tubos concêntricos (entrada e saída)

Tabela 3

Escritórios AB- 70 kWf VTC - 196 m^2 - 1995

SARL Wolfferts (^1) Colónia (A) LfU (^14) Augsburg (A)

Ecotec Bremen (A) Escritórios AD - 70 kWf CTV - 175 m^2 - 2000

16

Empresa Pública Bückeburg (A) Sala de conferências DEC - 30 kWf CA - 115 m 2 - 1998

17

ILK Dresden (A) Sala de reuniões DEC - 18 kWf CP - 20 m 2 - 1996

18

Gründerzentrum Riesa (A) Sala de reuniões DEC - 18 kWf CP - 23 m 2 - 1997

19

Escola Superior Técnica, Estugarda (A) Sala de exposições DEC - 18 kWf CA - 20 m 2 - 1999

20

Mayer Alt-Hengstett (A) Fábrica DEC - 108 kWf CA - 100 m 2 - 2000

21

Fraunhofer ISE Friburgo (A) Centro de testes DEC - 24 kWf CA+CP - 40 m^2 - 2000

22

NCSR "Demokritos“ Laboratório solar Atenas (GR) Éscritórios e laboratórios AB - 35 kWf CP - 160 m 2 - 2003

23

Sarantis SA Viotia (GR) Indústria cosmética AD - 700 kWf CP - 2700 m 2 - 1999

24

Lentzakis S.A. Creta (GR) Hotel AB - 105 kWf FPC - 450 m^2 - 2002

26

Hospital Malteser Kamenz (A) Hospital AD - 105 kWf CP - 140 m^2 - 2000

Ott & SpiesLangenau (A) 15

Escritórios AB - 35 kWf CTV - 45 m^2 - 1997

2

Escritório de imprensa federal Berlim (A) Escritórios AB - 70 kWf CTV - 348 m^2 - 2000

3

Hospital Universitário Friburgo (D) Laboratório AB - 70 kWf CTV - 230 m^2 - 1999

4

IHK Friburgo (A) Sala de reuniões DEC - 60 kWf CA - 100 m 2 - 2001

5

ZAE Bayern Garching (A) Escritórios, laboratórios AB - 7 kWf CTV - 30 m^2 - 1999

8

Zander Estugarda (A) Escritórios AB - 143 kWf CTV - 300 m^2 - 2000

9

Centro tecnológico Köthen (A) Escritórios AB - 15 kWf CTV - 100 m^2 - 2000

10

Empresa pública Remscheid (A) Escritórios AD - 105 kWf CP - 170 m 2 - 1999

11

Bautzener Str Dresden. (A) Escritórios AD - 71 kWf CP - 156 m 2 - 1996

12

Götz Würzburg (A) Escritórios AD - 70 kWf CP - 80 m 2 - 1996

13

Ministério dos Transportes, Berlim (A) Escritórios AB - 70 kWf CP - 229 m 2 - 2000

7

Fraunhofer Umsicht Oberhausen (A) Escritórios, laboratórios AB - 58 kWf CTV - 108 m^2 - 2001

6

Rethymno Village Hotel - Creta (GR) Hotel AB - 105 kWf CP - 450 m 2 - 2000

25

Tipo de colector CTV : Colectores de tubo de vácuo CP :Colectores planos CPC : Colectores planos concentradores CA: Colectores a ar

Tecnologia AB: Absorção AD: Adsorção DEC: Arrefecimento exsicante

Localização (País)

Tipo de edifício Tecnologia – Capacidade de arrefecimento (kW frio) Tipo de colector – Área bruta de colectores - Em funcionamento desde

N° (^) *

*com maior detalhe nas páginas seguintes As instalações assinaladas com asterisco são apresentadas

I N S TA L A Ç Õ E S D E

A R R E F E C I M E N T O

52

50

53

32 45

27 40

33 (^42 ) 29 34

36

43

37

28

35

3130

38

44

41

1

4 5

6

9

11

20 21

22

46

Guadalupe

Baleares

16

17

51

Escritórios, sala de conferências AD - 245 kWf CP - 2000 m 2 - 2000

Centro Clara Campoamor, Barakaldo (E) Centro social e cultural AB - 229 kWf CP - 163 m 2 - 2004

27 Hotel LaiaDerio (E)

Hotel AB - 105 kWf CP - 173 m 2 - 2002

40

Siemens Cornellá del Vallés (E) Escritórios AB - 105 kWf CPC - 214 m 2 - 2003

42

Inta El Arenosillo (E) Laboratórios AB - 10 kWf CP+CTV - 53 m^2 - 1994

43

Fontedoso El Oso (E) Indústria AB - 105 kWf CP - 528 m 2 - 2003

44

Stella-Feuga Santiago de Compostela (E) Escritórios AB - 115 kWf CP - 63 m 2 - 2003

45

Ineti, Lisboa (P)

Escritórios e laboratórios DEC - 36 kWf CPC - 48 m 2 - 1999

46

Agência do Desenvolvimento Sviluppo - Trento (I) Escritórios, sala de exposições AB - 108 kWf CP - 265 m 2 - 2004

47

Ökopark Hartberg Styria (A) Escritórios, Sala de conferências DEC - 30 kWf CTV - 12 m^2 - 2000

48

Cave Vitícola Peitler Leutschach Styria (A) Cave Vitícola AB - 10 kWf CP - 100 m 2 - 2003

49

CSTB Sophia Antipolis (F) Laboratórios AB - 35 kWf CTV - 58 m^2 - 2003

50

DIREN Guadeloupe (F) Escritórios AB - 35 kWf CTV - 100 m 2 - 2003

51

GICB Banyuls (F) Cave vitícola AB - 52 kWf CTV - 215 m 2 - 1991

52

ASDER Chambéry (F) Sala de conferências DEC - 7 kWf CP - 16 m^2 - 2004

53

Cartif Valladolid (E) Escritórios e laboratórios AB - 35 kWf CP+CTV - 99 m^2 - 2002

Departmento deEducação 41 Toledo (E) Escritórios AB - 252 kWf CTV - 1095 m 2 - 2004

28

Fábrica del Sol Barcelona (E) Escritórios AB - 105 kWf CTV - 175 m^2 - 2004

29

Fundación Metrópoli Alcobendas (E) Escritórios AB - 105 kWf CTV - 105 m^2 - 2004

30

Centro Desportivo Daoiz y Velarde Madrid (E) Centro Desportivo AB - 170 kW VTC - 740 m^2 - 2003

31

Universidade Rovira i Virgili - Tarragona (E) Escritórios AB - 35 kWf CTV - 140 m^2 - 2003

34

Sede de escritórios Viessmann Pinto (E) Escritórios AB - 105 kWf CP+CTV - 123 m^2 - 2001

35

Hotel Belroy Palace Benidorm (E) Hotel AB - 125 kWf CTV - 345 m^2 - 1992

36

Escola de Engenheiros Sevilha (E) Laboratórios AB - 35 kWf CP - 158 m 2 - 2001

37

Universidade Carlos III, Leganés (E) Laboratórios AB - 35 kWf CP+CTV - 128 m^2 - 2000

38

Biblioteca Pompeu i Fabra Mataró (E) Biblioteca DEC - 55 kWf CA - 105 m 2 - 2002

39

Casa de idosos Fustiñana (E) Casa de idosos AB - 105 kWf CTV - 149 m^2 - 2003

33

Inditex Arteixo (E) Escritórios, lojas AB - 170 kWf CP - 1626 m 2 - 2003

32

Este mapa indica os sistemas em funcionamento em edifícios "comerciais" (fábricas, escritórios, hóteis..., sem instalações de I&D) identificados nos países participantes no Projecto “ A Climatização Solar”.

S O L A R

47

23

24

48

49

2

3 7

(^108)

12

13 14

18 15

19

25 26

EDIFÍCIO

Escritórios, 2 salas de reuniões arrefecidas

CAPACIDADE DE

ARREFECIMENTO

60 kWf

TECNOLOGIA

Sistema de arrefecimento solar exsicante sem apoio

TIPO DE COLECTOR

CA - colector a ar

ÁREA BRUTA DE

COLECTOR

100 m 2

EM FUNCIONAMENTO

DESDE

NÚMERO NO MAPA: 5

PAÍS

Alemanha

LOCALIZAÇÃO

Freiburg, Estado Federal de Baden Württemberg

IHK (Câmara do Comércio)

Friburgo

A Câmara de Comércio (IHK Südlicher Oberrhein) de Freiburg está equipada com o primeiro sistema solar exsicante autónomo instalado na Alemanha. Este sistema permite arrefecer no Verão e pré-aquecer no Inverno duas salas de reuniões de 65 e 148 m^2. A capacidade total das salas é de 120 pessoas, e o seu volume total é cerca de 815m^3. As fachadas são totalmente envidraçadas mas equipadas com estores interiores e exteriores. O débito de ar do sistema de arrefecimento exsicante varia de 2.500 a 10.200 m^3 /h. Não está instalado nenhum sistema de arrefeci- mento de apoio, as necessidades de arrefeci- mento estão bastante bem correlacionadas

com a produção solar. No Inverno, um sistema de aquecimento de apoio é utilizado para obter a temperatura do ar desejada. Para reduzir os custos na construção da estru- tura de suporte, os colectores estão montados paralelamente ao telhado com uma inclinação de 15º. Devido à utilização dos colectores a ar e da forte correlação entre a produção solar e as necessidades de frio, nenhum sistema de acumulação de calor foi previsto. O funcionamento solar autónomo no Verão, conduz a desvios no conforto, dentro do inter- valo expectável e durante pequenos períodos de tempo de funcionamento.

Descrição :

Carsten Hindenburg, Fraunhofer Institute for Solar Energy Systems (ISE). e-mail: carsten.hindenburg@ise.fraunhofer.de More details: www.raee.org/climasol

Contactos :

Aspectos financeiros :

Devido à economia na instalação dos colectores a ar, o custo específico dos colectores, incluín- do as estruturas de suporte é de 210 €/m^2 de superfície bruta, equivalente a 10% do custo total de investimento do sistema (210.000 €).

O custo específico da unidade de ar condicio- nado é aproximadamente 9,50€/m^3 de débito nominal de ar (excluindo custos de instalação). O projecto foi financiado pela Comissão Europeia (contrato NNE5-1999-531).

Aspectos energéticos e ambientais :

Os benefícios para o ambiente e a economia de energia primária são estimados comparan- do os valores do consumo de calor e electrici- dade do sistema de arrefecimento exsicante assistido por energia solar, com os valores de consumo de uma unidade clássica de trata-

mento de ar com caldeira a gás para o Inverno e grupo de frio de compressão para o Verão. Os ganhos anuais de energia primária estão estimados em 30.000 kWh e são evitadas aproximadamente 8.800kg/ano de emissões de CO 2.

EDIFÍCIO

Armazém de produtos de cosmética da empresa Gr. Sarantis S.A.

CAPACIDADE DE

ARREFECIMENTO

700 kWf

TECNOLOGIA

Adsorção

TIPO DE COLECTOR

CP - Colector plano selectivo

ÁREA BRUTA DE

COLECTORES

2.700 m 2

EM FUNCIONAMENTO

DESDE

NÚMERO NO MAPA: 24

PAÍS

Grécia

LOCALIZAÇÃO

Oinofyta, Viotia

Gr. Sarantis S.A.,

Viotia

Aspectos financeiros :

O custo total do investimento foi de 1.305.943€, dos quais 50% financiados pelo Programa Nacional Operacional para a Energia (Ministério Grego do Desenvolvimento). O projecto foi premiado com o "Energy Globe Award 2001" como o terceiro melhor investi-

mento do Mundo para a energia sustentável em 2001 e pelo CRES ("Centre for Renewable Energy Sources") na Grécia como o melhor investimento de poupança de energia na Grécia no ano de 1999.

Período de observação: 12 meses Produção solar: 1.719.000 kWh onde 1.090. kWh para arrefecimento e 629.000 kWh para aquecimento.

Necessidade total de energia: 2.614.000 kWh. Fracção solar: 66%. Redução de emissão de CO 2 : 5.125 t/ano

Aspectos energéticos e ambientais :

Este projecto é chamado "PHOTONIO" e está relacionado com a instalação de um sistema central de ar condicionado usando energia solar para o aquecimento e arrefecimento de novos edifícios e armazéns da empresa de cos- méticos Sarantis S.A.. O espaço climatizado é de 22.000 m^2 (130. m^3 ). Um parque de 2.700 m 2 de colectores solares planos selectivos foi instalado pela sociedade SOLE, S.A.. As necessidades anuais de arrefecimento do edifício são de 2.700.000 kWh. Os colectores solares fornecem dois chillers de adsorção com água quente a uma temperatura de 70-75ºC que operam com um COP de 60%. Os dois chillers de adsorção usam a água quente como fonte de energia e produzem água fria à tem- peratura de 8-10ºC. Os chillers de adsorção

não necessitam de partes móveis e usam um mínimo de energia eléctrica para o funciona- mento das bombas de vácuo (1.5 kW). A potência útil de cada chiller é de 350kW sendo a potência total de 700 kW. Para cobrir os picos de consumo, foram instalados três chillers convencionais de 350 kW cada. Queimadores a gasóleo (1.200 kW) substituem os colectores solares durante os períodos sem sol. No Inverno, os colectores solares produ- zem regularmente água quente a 55ºC que é directamente utilizada nos ventilo-convec- tores instalados no edifício. A água, fria no Verão e quente no Inverno é direccionada para as unidades de dissipação que arrefecem ou aquecem o ar ambiente conforme as necessi- dades.

GR. SARANTIS S.A. (Proprietário do edifício) Atenas, Grécia e-mail: info@sarantis.gr Website: www.sarantis.gr

SOLE S.A. (projecto, fornecimento, instalação) Acharnes, Grécia e-mail: export@sole.gr/Website: www.sole.gr Mais detalhes: www.raee.org/climasol

Contactos :

Descrição :