Resta-nos então, para a finalização das diretrizes para a autossuficiência energética de nosso projeto, inserir estudos referentes ao aquecimento solar ativo, que usa a energia solar para o possível aquecimento de superfícies sólidas ou líquidas sob forma de energia térmica. Tal procedimento já é bastante praticado nas residências de alto padrão da cidade de Natal/RN, onde a radiação solar é bastante favorável, assim como em todo o Rio Grande do Norte, aonde vem sendo aproveitada não apenas na sua conversão em energia elétrica, como vimos anteriormente, mas também para o aquecimento de águas residenciais destinadas, principalmente, a banhos, abluções e cozinhas.
A radiação solar pode ser absorvida por coletores solares, notadamente para aquecimento de água, armazenadas a temperaturas usuais relativamente baixas (45ºC em média). Esse sistema de aproveitamento térmico da energia solar, também denominado aquecimento solar ativo, envolve o uso de um coletor solar discreto que é instalado normalmente no teto das residências e edificações. (ANEEL 2005, p.88).
Não nos interessa estudar a quantidade de energia que um determinado corpo é capaz de absorver sob a forma de calor, proveniente da radiação solar incidente no mesmo ou as
78 propriedades físicas de cada matéria-prima do sistema. A aplicação dessa forma de energia resume-se para nosso projeto em saber captá-la e armazená-la, por meio da configuração de dois equipamentos específicos: os coletores solares e o reservatório térmico chamado de boiler. Ao entender que precisamos encontrar as condições ideais para o aquecimento passivo de água, fundamental para o conforto dos usuários e para eliminarmos os chuveiros elétricos de nossa casa, (segundo a figura 37, chega em média a 24% de sua demanda total), sendo o maior consumidor de energia elétrica de uma residência.
Figura 37 - Consumo elétrico médio residencial
Fonte: LabEEE 2005. Disponível em: <www.labee.com.br>. Acesso em: 12 fev. 2016.
Segundo Leonardo Cardoso (2008, p.12) "[...] as melhores oportunidades para economizar energia e água são obtidas ainda na fase de projeto e é geralmente neste estágio quando decisões fundamentais são tomadas no que diz respeito ao conceito energético da edificação”. Além disso, ele enfatiza que a devida configuração básica de instalações desse sistema deve ser prevista durante o processo de projeto de arquitetura, durante o qual o profissional deve inserir em seus desenhos as devidas considerações necessárias à máxima eficiência do sistema.
Sua recomendação é que devemos prever um local de instalação adequado ao boiler, que seja de fácil acesso às suas futuras manutenções e que o deixe bem acondicionado e protegido das intempéries para, assim, ter sua vida útil garantida e que este local possua resistência estrutural compatível com sua capacidade (CARDOSO, 2008). Devemos, também, especificar e projetar telhados que permitam a fixação dos coletores e que estes sejam locados onde não haja sombreamentos, além de considerar as prováveis orientações e inclinações para eles, definindo sua provável área de exposição necessária à demanda da residência.
79 Fizemos, anteriormente, o cálculo da demanda a partir do estudo de capacidade do boiler. Entendemos que é ele quem armazena a energia térmica convertida pela irradiação por meio dos coletores e a mantém sob a água aquecida até o seu destino final, mesmo durante o período sem irradiação solar – como é o caso das noites e de dias mais nublados. Seu material, sua forma e suas devidas dimensões foram estudados e definidos anteriormente, ficando estipulado um reservatório cilíndrico com volume de 400 litros (0,4 m³), confeccionado em aço, com diâmetro de 70 cm por 156,58 cm de comprimento, já exemplificado na figura 14.
Devemos, agora, nos concentrar nos coletores, suas dimensões e inclinação e para isso consultamos Cardoso (2008) que fornece as informações básicas em função do volume de armazenamento e das condições climáticas locais (demanda de irradiação). Para termos a área coletora, achamos a razão entre a Demanda Energética Mensal - DE (kWh/mês) da edificação e a Produção Específica de Energia Mensal - PE (kWh/m²/mês) disponível no sítio instalado. Assim, fizemos um balanço de energia que consistiu em levantar a demanda energética necessária para aquecer o volume dimensionado e a produção específica de energia do coletor solar dentro da condição de instalação levantada pela figura 38 abaixo e explicada pela equação:
Área Coletora (m²) = DE (kWh/mês) / PE (kWh/m²/mês)
A Demanda Energética Mensal - DE, pode ser calculada pela equação: DE = (V. ρ. Cp. (ΔT) x 30 dias) / 3600
No qual: V = 0,4 m³ = Volume de quente água armazenada (boiler); ρ = Peso específico da água = 1000 kg/m³;
Cp = Calor específico da água = 4,18 J/Kg°C;
ΔT = (Tq - Tf) = Diferença entre as temperaturas de armazenagem quente e a ambiente;
Tq = 45°C. Temperatura média de armazenamento (ANEEL, 2005); Tf = 15°C. Temperatura média ambiente. (EMPARN, 2015).
80 Logo, temos: DE = (V. ρ. Cp. ΔT x 30 dias) / 3600 - DE = 0,4 x 1000 x 4,18 x (45-15) x 30 / 3600 - DE = 418 kWh/mês.
Para obtermos a Produção Específica de Energia Mensal - PE em kWh/m²/mês, temos que ter disponível dados sobre a radiação global diária, disponíveis no Atlas de Energia Solar da ANEEL representado pelo mapa da figura 32 acima, que ilustra a média de irradiação típica do Brasil em Wh/m².dia. O ponto azul, marca a cidade de São Bento do Norte, inserida em uma região e radiação solar aproximada de 5800 Wh/m²/dia. Logo, nossa PE = 5800 x 30 / 1000 = 174 kWh/m²/mês.
Figura 38 - Mapa brasileiro de radiação solar diária.
Fonte: Atlas Brasileiro de Energia - Energia Solar, ANO. Nota: Editado pelo Autor.
81 De volta à equação, temos: Área Coletora = 418 kWh/mês / 174 kWh/m²/mês
Área Coletora = 2,40 m².
Ao ter, então, a área que precisamos para as placas coletoras, realizaremos mais adiante, no capítulo referente às aplicações técnicas, as devidas escolhas dessa placa solar, seu posicionamento e sua configuração vertical integrado com as caixas d´água e com o boiler.