Sistemas de Aquecimento Solar: De Soluções Passivas a Ativas para Aquecimento Residencial Sustentável

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Contexto

Em um segundo, o Sol emite 13 milhões de vezes mais energia do que os Estados Unidos inteiros consomem em um ano. Embora apenas uma minúscula fração alcance a Terra, essa quantidade confortavelmente alimentaria o planeta inteiro.

A energia solar provou seu potencial elétrico nos anos 1950, quando a NASA precisava de fonte de energia confiável para satélites espaciais. As pioneiras células de silício produzidas nos Bell Labs ainda convertem apenas cerca de 18 % da luz solar em eletricidade. Apesar desta eficiência modesta, a energia solar impulsionou com sucesso projetos de alto perfil como o Desafio Solar Internacional.

A captação de calor do Sol mostrou-se especialmente eficaz para água quente doméstica e controle climático de edifícios. Piscinas rotineiramente usam coletores solares. Para aquecimento residencial, dois principais tipos de sistema existem:

• Aquecimento solar passivo admite luz solar diretamente em um edifício através de janelas voltadas ao sul (hemisfério norte) ou via parede ou telhado que absorve, armazena e transfere calor para o interior. Uma variante — sistema de ganho isolado — armazena calor em câmara separada como leito de rochas.
• Aquecimento solar ativo usa água ou ar como meio de transporte de calor. Coletores em telhado voltado ao sul canalizam calor para leitos de rochas ou tanques de água. O calor armazenado pode então ser entregue através de dutos, unidades de ventilação ou circulação direta de ar.

Sistemas de resfriamento são também divididos em designs passivos e ativos, aproveitando fluxo de ar noturno e condensação para reduzir temperaturas internas.

Diferentes tipos de coletores combinam com aplicações específicas. Coletores de placa plana, com topo de vidro e placa absorvedora preta, servem uso doméstico. Coletores concentradores — formatados como calhas ou tigelas — servem aplicações industriais.

História

O Sol sempre foi a fonte primária de calor da humanidade, mas o primeiro coletor solar humano documentado data de 1776, quando o cientista suíço Horace de Saussure construiu uma simples "caixa quente".

Sir John Herschel posteriormente empregou caixas quentes para cozinhar alimentos durante sua expedição africana nos anos 1830. Cozimento solar térmico e destilação de água então se espalharam em partes da África.

Nos Estados Unidos, pioneiros no final dos anos 1800 usavam panelas e frigideiras pretas para aquecer água durante o dia, despertando adoção generalizada em regiões que dependiam de combustíveis importados. Em 1897, quase 30 % das casas em Pasadena, Califórnia, usavam aquecedores solares de água.

A tecnologia solar cresceu constantemente através do século XX, atingindo pico durante a crise energética dos anos 1970. Após a crise diminuir, o interesse recuou, apenas para subir novamente nos anos 1990 à medida que preocupações sobre emissões de combustíveis fósseis e segurança nuclear se intensificaram.

Matérias-Primas

Sistemas de aquecimento solar variam, mas o seguinte foca em configuração residencial básica passiva e ativa.

Um sistema passivo requer painel coletor de placa plana preta: placa absorvedora de aço coberta com duas folhas de vidro, cercada por isolamento de fibra de vidro ou espuma de poliuretano com barreira de umidade de folha de alumínio. A unidade é envolta em caixa rasa de madeira, aço galvanizado ou alumínio. Um recipiente de armazenamento de calor — preenchido com seixos ou rochas secas — captura calor excedente. Um termostato diferencial fornece controle manual de temperatura, e um módulo de tratamento de ar (dutos, filtros, ventilador, amortecedores automáticos) circula o ar aquecido.

Um sistema ativo que armazena calor em água precisa de coletor de placa plana com uma ou duas camadas transparentes, tubulação de metal preto e isolamento. O sistema também incorpora bomba de água, tanque de armazenamento, serpentinas de troca de calor, aquecedor auxiliar, ventilador, filtros e válvula de controle. Se armazenamento em rocha é usado em vez de água, um recipiente isolado contém as rochas e elimina a necessidade de bombas e serpentinas.

Todas as instalações de aquecimento solar usam calafetação, revestimento de alumínio e tiras de vedação de borracha, tinta ou madeira para selar juntas e proteger o sistema.

O Processo de Fabricação

Coletores

1. Coletores de placa plana são montados em telhados inclinados ou paredes verticais fixando bandejas de coletor de chapa rasa — assemelhando-se a grandes assadeiras — em cada extremidade e prendendo-as às caibros. Calafetação é aplicada ao redor da borda superior do coletor. Revestimento é então instalado, e todas as juntas são seladas com calafetação. Fendas do coletor são cortadas no revestimento, e bloqueios são fixados ao redor do perímetro.
2. A placa absorvedora é posicionada sobre o revestimento, estendendo-se até o bloqueio do coletor externo. Fechamentos de extremidade — geralmente borracha — vedam as extremidades, e as bordas superior e inferior são calafetadas.
3. Ripas são fixadas à placa absorvedora, e um sistema de envidraçamento — camada única de vidro em telhados ou dupla em paredes — é instalado.
4. Barras de envidraçamento de alumínio emolduram o perímetro do coletor.

Tratamento de Ar e Sistema de Controle

1. Em um sistema passivo, a unidade de tratamento de ar consiste apenas de dutos entre o coletor e espaço habitável, um ventilador e um interruptor manual. Um sistema de ganho isolado adiciona câmara de armazenamento separada e dutos conectando-a ao edifício.
2. Em um sistema ativo, um recipiente de armazenamento (rochas ou água) armazena calor excedente. Dutos com amortecedores ligam o coletor ao recipiente, o recipiente à casa e o coletor diretamente à casa. Dois ventiladores circulam ar.

Armazenamento

1. Um sistema de armazenamento em rochas usa recipiente isolado preenchido com pequenas rochas (2,5–12,7 cm / 1–5 pol) espaçadas para permitir passagem de ar através de conexões de dutos.
2. Um sistema de armazenamento em água espelha a configuração de rochas mas armazena calor em água em vez de rochas.

Controle de Qualidade

Para instalações residenciais, o ajuste de fechamentos de extremidade e integridade da calafetação são verificados com teste de bomba de fumaça antes do envidraçamento. Este teste detecta vazamentos e garante desempenho hermético.

O Futuro

À medida que protótipos de casas e edifícios comerciais aquecidos e alimentados por solar amadurecem, a energia solar está mudando de experimental para mainstream. ONGs ambientais, o Departamento de Energia dos EUA e corpos internacionais promovem ativamente adoção mais ampla e continuam inovando novas aplicações.

A Instalação de Pesquisa de Energia Solar do DOE mostra avanços fotovoltaicos, enquanto seu próprio edifício exemplifica os benefícios do design guiado por luz natural. Sua arquitetura com janelas e degraus demonstra como aquecimento solar pode ser integrado perfeitamente na arquitetura.

A Sociedade Americana de Energia Solar destaca projetos solares práticos através de seus tours anuais de casas solares e informa membros sobre desenvolvimentos legislativos. Por exemplo, em julho de 1996, a sociedade fez lobby por legislação de financiamento de energia renovável — esforço que, embora não promulgado, sinalizou interesse do congresso em energia solar. A Sociedade Internacional de Energia Solar persegue objetivos similares em escala global, advogando por maior dependência de energia solar mundialmente.