Visão Geral do Aquecimento Solar Contemporâneo

Atualmente, nos setores residencial e comercial, o aquecimento solar é basicamente utilizado em piscinas e para obtenção de água quente doméstica (AQD). A comercialização de tais

sistemas continua a crescer lentamente mas de forma constante pelo menos 5% por ano. Estes sistemas serão analisados na próxima seção. O aquecimento solar de ambientes residenciais, apesar de ainda não amplamente difundido por causa de seus elevados cus- tos, é abordado mais adiante neste capítulo.

O aquecimento solar experimentou um grande crescimento no final da década de

1970 e no início da década de 1980 em função do embargo do petróleo em 1973 e dos sub- seqüentes aumentos nos preços do petróleo e da eletricidade. Um programa de finan- ciamento forneceu o incentivo adicional para que as pessoas instalassem sistemas de

aquecimento solar. Este programa dava às pessoas a oportunidade de deduzir diretamente de seus impostos, até um máximo especificado, a quantia que elas investissem em sis- temas solares. Contudo, o fim do programa, em 1985, provocou uma repentina interrupção no crescimento desta indústria. Por volta de 1987, o mercado de AQD solar diminuiu mais de 95% do que era no início dos anos 1970. Um benefício do grande crescimento das ven- das na primeira metade da década de 1980 foi o grande reconhecimento público da ener- gia solar e dos importantes avanços ocorridos no desempenho e na confiabilidade dos sistemas de aquecimento solar. Muitos Estados norte-americanos têm retomado seus pro- gramas de incentivo à instalação destes sistemas. Por exemplo, a Califórnia oferece um desconto nas taxas igual a 10% do custo de um sistema solar; a Dakota do Norte, 15%; e a Carolina do Norte, 25% do custo de um sistema ativo ou passivo (até o limite de mil dólares). Algumas instalações oferecem vantagens e descontos a seus consumidores que

substituam seus sistemas de aquecimento elétrico por solares. A Sacramento Municipal

Utility District está trabalhando para substituir 12.000 aquecedores de água elétricos por solares. Isto é encorajado pelos descontos (de 600 a 1.400 dólares) e pelo financiamento a juros baixos. A experiência deles até agora tem demonstrado que aproximadamente 67% da carga de água quente pode ser atendida, de maneira economicamente viável, por sis- temas solares. A economia de eletricidade tem sido bem próxima dos pagamentos de em- préstimos feitos mensalmente pelos consumidores. O incentivo para a empresa participar do programa vem dos custos que ela evita na geração de eletricidade, ou seja, o investi- mento que teria que ser feito para aumentar a sua capacidade geradora.

FIGURA 5.15

Cap. 5 Energia Solar: Características e Aquecimento 123 Todos os sistemas solares de aquecimento possuem algumas características em comum — um aparato de coleta, uma estrutura de armazenamento e um sistema de dis- tribuição (Figura 5.15). O aquecimento solar tanto de residências quanto para a obtenção de água quente pode ser realizado de duas formas diferentes: ativamente ou passiva- mente. Um sistema solar ativo é aquele no qual o fluido (água ou ar) que o Sol aqueceu é

circulado por um ventilador ou por uma bomba. O coletor solar para o aquecimento de ambientes é similar àquele usado em um sistema de AQD. Um sistema solar passivo não

utiliza uma fonte externa de energia, mas permite que o fluido (normalmente, ar) aquecido pelo Sol circule por meios naturais. Um sistema passivo tem importantes vantagens econômicas, especialmente quando utilizado para o aquecimento de ambientes. Casas so- lares passivas construídas hoje em dia podem economizar em torno de 50% dos custos de aquecimento com um aumento de apenas 1% a 5% nos custos de construção. Todavia, as características solares passivas têm que ser integradas ao projeto da edificação desde o iní- cio. Atualmente, 7% das novas residências construídas nos Estados Unidos são projetadas com características solares passivas.

E. Água Quente Solar Residencial

Hoje em dia, o uso mais popular dos sistemas solares de aquecimento é no forne- cimento de água quente para propósitos e usos domésticos (AQD) ou para piscinas. Na verdade, atualmente, 7% dos coletores vendidos são utilizados para AQD e 93% para piscinas. Os coletores para piscinas geralmente operam em temperaturas inferiores a 110°F, enquanto que os para AQD operam na faixa de 140°F a 180°F. O número de residências com sistemas solares de AQD instalados aumentou de aproximadamente 3.500 em 1970 para 2 milhões nos dias de hoje. Os preços variam de 3.000 a 5.000 dólares, mas os incentivos governamentais e empresariais reduzem os preços reais para o consumidor final. (Veja o Quadro 5.2. "Desempenho de Aquecedor de Água Solar" mais adiante nesta seção.)

FIGURA 5.16

Corte lateral de um coletor de placa plana (CPP) mostrando as perdas e os ganhos de calor.

FIGURA 5.17

Placas absorvedoras de coletor de placa plana.

Os sistemas de AQD podem ser divididos em três tipos: sistemas ativos que uti- lizam coletores de placas planas, aquecedores de água em lotes e sistemas passivos (ou de termossifão). Os sistemas mais comuns para AQD ou aquecimento de piscinas uti- lizam um "coletor de placa plana" (CPP). O componente básico deste coletor é uma placa de metal fina e plana que absorve a radiação solar. A água nas tubulações entra em contato com a placa absorvedora e é posta em circulação por uma bomba para levar em- bora o calor. A placa é pintada de preto para aumentar a sua capacidade de absorção e geralmente é coberta por uma ou duas placas de plástico ou vidro transparentes. No caso do aquecimento de piscinas, normalmente a placa absorvedora não é coberta, já que temperaturas mais baixas da água são aceitáveis. O aquecimento da água em um reci- piente coberto com vidro é similar ao que acontece em uma situação como a de uma estufa agrícola ou de um carro estacionado com todas as janelas fechadas. Mesmo em um dia frio de inverno, quando o Sol brilha, um carro pode ter sua temperatura interna elevada a níveis desconfortáveis. O vidro serve a dois objetivos no coletor: ele atua como um es- cudo de radiação que aprisiona o calor emitido pela placa absorvedora e como uma tampa que reduz a perda de calor através de convecção vertical simples. O vidro é opaco para a radiação de comprimento de onda longo emitida pela placa aquecida, mas pode transmitir 90% da radiação incidente. Isolamento térmico atrás e dos lados da placa ab- sorvedora reduz as perdas por condução. Um corte lateral de um coletor de placa plana convencional é mostrado na Figura 5.16, indicando as perdas de calor. Temperaturas da água de 160°F a 180°F podem ser atingidas, apesar de os coletores serem usualmente operados em temperaturas inferiores, nas quais eles são mais eficientes.

Cap. 5 Energia Solar: Características e Aquecimento 125

Existem muitos desenhos de placa absorvedora, alguns dos quais são mostrados na Os tubos que transportam a água são soldados dentro da placa absorvedora

ou "ensanduichados" entre duas placas de metal. A água também pode correr livremente sobre a placa sem tubos, no que é chamado coletor do tipo "escoamento lento". É ex- tremamente importante que os tubos condutores de água façam um bom contato térmico com a placa absorvedora. Uma união fraca entre tubos e placa pode ser cem vezes menos eficiente que boas conexões soldadas. Outro tipo de placa absorvedora utiliza uma manta

PRETA Sintética emborrachada que consiste em tubos e rebarbas muito próximos formando

UMA SEDE ou malha (webbing). Este tipo é utilizado basicamente para aquecimento, a baixas

temperaruras. de piscinas.

O coletor solar deve ser instalado voltado para o sul (no Hemisfério Norte); seu ân-

gulo de inclinação vai depender da utilização que se pretende dar a ele. A insolação má- xima sobre o coletor irá ocorrer quando ele estiver perpendicular aos raios solares. Para

demandas domésticas de água quente, é importante que haja insolação durante todo o

ANO. Sendo assim, a inclinação horizontal ótima do coletor deve ser em um ângulo pró-

ximo ao da latitude do local.

A figura 5.18 é um diagrama de um sistema solar de AQD que poderia ser utilizado dos climas mais ao norte. O CPP é montado no telhado, com os outros compo- nentes ficando dentro da casa. A utilização de anticongelante e de um trocador de calor fornecem proteção contra o congelamento. O sistema utiliza um tanque reserva para aque-

agua (com eletricidade ou gás natural) até a temperatura desejada caso o sistema solar não seja capaz de fornecer uma quantidade de água quente suficiente. A área do CPP depende da insolação e das demandas por água quente. Veja o Exemplo para uma ilus- tracão do dimensionamento.

FIGURA 5.18

ATIVIDADE 5.2

Experimente, com diferentes materiais transparentes para um coletor solar, desenvolver atividade "energia solar em uma lata".

1. Comece obtendo duas latas de café de 3-lb e de 1-lb, ambas com tampas plásticas.

2. Corte fora o centro da tampa da lata menor, deixando uma beirada de 1 centímetro mais uma pequena área na qual uma fenda para inserção do termômetro possa ser feita (veja a figura).

3. Pinte de preto a parte interna da lata menor.

4. Escolha um material transparente (folha plástica, papel vegetal, polietileno, vidro) e estique-o na boca da lata menor, fixando-o com a tampa plástica.

5. Coloque a lata menor dentro da maior, preencha o espaço entre elas com material isolante (fibra de vidro, celulose, jornal amassado) e insira o termômetro.

6. Coloque o coletor solar à luz do Sol de tal forma que os tampos das latas fiquem voltados para ele. Marque a temperatura a cada minuto durante 30 minutos. 7. Repita os passos 4, 5 e 6 utilizando vários materiais

transparentes, incluindo pelo menos um opaco e um vidro. 8. Plote a temperatura versus o tempo para cada tentativa.

De acordo com seus gráficos, qual material transparente funcionou melhor?

Cap. 5 Energia Solar: Características e Aquecimento 127

E X E M P L O

Calcule o tamanho do coletor necessário para aquecer, de 50°F para 130°F, 80 galões de água por dia no mês de março em Los Angeles. Pressuponha uma insolação de 1.700 B t u / d i a / p é2

e uma insolação do coletor de 50%.

S o l u ç ã o

Recorde do Capítulo 4 que onde m é a massa e c o calor específico da distância. Sendo assim, o calor Q necessário é

Q = 80 gal x 8,3 lb/gal x 1 Btu/lb-°F x (130 - 50)°F = 53.100 Btu/dia.

O calor fornecido pelo coletor será Q = insolação X área X eficiência ou

53.100 Btu/dia = 1.700 B t u / d i a / p é2 _{X área X 0,5}

Desta forma, a área do coletor = 62 pés2_.

Aquecedores de água por lote ou batelada ou aquecedores bread-box são sistemas

baratos e populares utilizados para pré-aquecer água usando o Sol. Eles têm sido utiliza- los nos últimos cem anos. O projeto é bastante simples: um tanque preto, dentro de uma caixa termicamente isolada e com uma cobertura de vidro absorve a energia solar para aquecer a água doméstica. A água fria vinda do sistema municipal de abastecimento subs- zrui a que está no tanque à medida que uma torneira de água quente é aberta. O conteúdo do tanque preto normalmente flui para dentro de um aquecedor de água convencional,

onde pode ser mais aquecido, se necessário. A Figura 5.19 mostra um sistema de dois tan- ques que pode suprir as necessidades de uma família de quatro pessoas. Coberturas termi- camente isoladas são colocadas sobre o vidro durante a noite. O investimento de 500 dólares em um sistema deste tipo pode ser amortizado em cinco a dez anos.

Além deste tipo de aquecedor de água, existe um outro, que usa uma abordagem baseada em um termossifão, através do qual a água flui do coletor para o tanque por cir-

culação natural. Neste método, o tanque de armazenamento é localizado acima do coletor. A água aquecida no coletor é menos densa que a água fria que entra no sistema e irá subir para dentro do tanque (Figura 5.20). Com o Sol a pino, a temperatura da água pode au- mentar de 15°F para 20°F em apenas uma passagem pelo coletor. Estes sistemas são muito populares no Oriente Médio e normalmente são montados sobre o telhado. Existem 800.000 destes sistemas em Israel, abastecendo 70% da população.

Neste momento, em que discutimos a utilização doméstica de água quente, torna- se importante enfatizar a conservação de energia. Os custos de energia para AQD

podem ser reduzidos por meio tanto da minimização da utilização de água quente quanto pela mudança para uma fonte renovável de energia, como a solar. Algumas coisas podem ser feitas:

• Reduzir o termostato do aquecedor de água para 120°F

• Isolar termicamente o aquecedor de água com fibra de vidro R-19; isto pode reduzir as perdas de energia em aproximadamente 15%. Estes "cobertores" de aquecedor de água são facilmente encontrados no mercado por cerca de 10 dólares e são fáceis de instalar.

• Usar restritores de fluxo nos chuveiros ou aeradores de baixo fluxo nas pias. Estas ações reduzem o uso de água quente em aproximadamente 50%.

FIGURA 5.19

Aquecedor de água por lote ou batelada (bread-box) para obtenção de água quente doméstica.

• Instalar um sistema graywater de recuperação de calor. Este sistema pré-aquece a água que entra utilizando uma parte do calor da água residual de chuveiros e da lavanderia que normalmente seria descartada pelo ralo.

• Instalar um timer automático nos aquecedores elétricos para ligá-los apenas durante os momentos de uso.

• Considerar a utilização de um aquecedor "por demanda" ou sem tanque para aquecer a água apenas quando necessário, quando ela passa por ele. Estas unidades podem aumentar a temperatura da água a ser utilizada, por exemplo, na lavadora de pratos, permitindo que se ajuste o termostato do aquecedor convencional para uma temperatura mais baixa.

FIGURA 5.20

Sistema de aquecimento doméstico de água por termossifonamento. A lata (tanque) deve estar acima dos coletores.

Cap. 5 Energia Solar: Características e Aquecimento 129

| Quadro 5.2

D E S E M P E N H O D E A Q U E C E D O R D E Á G U A S O L A R

O Florida Solar Energy, o Estado da Flórida e o Department of Energy (DOE) lançaram um programa para instalar aquecedores solares de água nas casas de pessoas de baixa renda. Aproximadamente 800 unidades foram instaladas e tiveram seus desempenhos monitorados. Coletores planos com placas de 24 3es quadrados foram instalados junto aos aquecedores elétricos de 50 galões

já existentes. Este pequeno sistema forneceu mais ou menos a metade da água quente necessária por residência, mas a um custo 40% menor que o

sitema maior, de 40 pés2_{. Inspeções realizadas após a instalação foram uma}

parte crítica do sucesso deste programa.