Aquecimento de água - solar + lenha

Aqui descrevemos um sistema de aquecimento de água através de serpentina no fogão a lenha e coletor solar com circulação forçada. Isto foi possível com o uso de controladores de temperatura e de micro eletro bombas que gastam pouca energia.

De acordo com diferenças de temperaturas, pré programadas nos controladores, as bombas são acionadas e lançam a água aquecida na serpentina ou no coletor solar para o interior do reservatório. Foi adicionado ao sistema um apoio elétrico para dias de chuva ou pouco sol.

Podemos observar no desenho que a água aquecida pelo coletor solar e serpentina é direcionada para a parte de cima do reservatório, favorecendo a circulação natural conhecida como termo sifão. A água quente, por ser mais leve, sobe, enquanto a água fria, mais pesada, desce. Consequentemente a água que é destinada para o consumo (chuveiros e etc..) sai pela parte de cima do reservatório. A alimentação do reservatório é feita por baixo, para não esfriar a água aquecida pelo coletor e serpentina destinada ao consumo. A água a ser aquecida, que vai em direção ao coletor e serpentina, sai pela parte de baixo do reservatório para favorecer a circulação natural. O respiro foi colocado na parte de cima atingindo uma altura de 20cm acima do nível superior da caixa d'água de alimentação. A intenção deste é evitar o aumento de pressão no reservatório por excesso de aquecimento.

Como o sistema se localiza no hemisfério sul, o coletor deveria ser orientado para o norte. A inclinação deste em relação ao horizonte depende da latitude do local. No caso, estando no estado de São Paulo, Brasil, o valor ideal para esta inclinação seria de +- 30°, no entanto seguindo a orientação do telhado, o coletor foi colocado numa inclinação de 36° e voltado para noroeste.

Até aqui descrevi o sistema classico de aquecimento de água, tanto solar, como de serpentina no fogão a lenha. Sistema que para funcionar corretamente dependia de fatores como: tamanho e materiais usados no coletor solar, posição deste em relação ao reservatório e quantidade de obstaculos a serem vencidos pela água ao ir e sair do coletor ou serpentina. Os materiais usados na fabricação do coletor tradicional, cobre, alumínio e vidro encarecem muito o sistema, dificultando seu uso em habitações de baixa renda. O coletor de PVC desenvolvido pela Sociedade do Sol resolveu este problema, no entanto a posição deste em relação ao reservatório continua sendo um problema, porque na maioria dos casos, principalmente nas construções populares, o reservatório deve ficar em cima do telhado para que o piso deste fique ao menos 40cm acima do topo do coletor, do contrario não acontece a circulação. Isto é ruim, porque existe muita perda de calor para o ambiente, sobretudo em regiões frias no inverno aonde é mais necessário a água quente, maior gasto com isolamento térmico e construção especifica para apoiar o reservatório. Existe a opção de colocar o coletor no nível do chão, mas desse jeito a insolação é prejudicada pela sombra da propria construção, muros, vizinhos etc. No caso da serpentina, o maior problema esta no excesso de obstaculos, curvas, que a água é obrigada a fazer, dificultando muito a circulação.

A circulação forçada vence todos esses empecilhos. O coletor pode estar na mesma altura ou mesmo acima, respeitando a altura da caixa d'água de alimentação e ainda distante do reservatorio, podendo este ficar protegido do frio em lages ou estruturas de madeira já existentes, embaixo do telhado. A quantidade de obstaculos, curvas, já não é mais problema.

O sistema descrito aqui é feito com coletores de tubos de cobre acondicionados numa caixa feita de alumínio e vidro, reservatório de aço inoxidável e serpentina feita com tubos de cobre. Para um aquecimento adicional, em dias de chuva, o reservatório do sistema descrito possui uma resistência eletrica ligada a um timer analogico simples, aonde é ligada e desligada de acordo com horarios pre estabelecidos. Em caixas d'água, usadas como reservatório, a resistência é proibida, porque o excesso de aquecimento danifica o material. Nesse caso o uso de chuveiros inteligentes divulgados pela sociedade do sol é a melhor opção.

As micro eletro bombas usadas na circulação forçada são péças de maquinas de lavar. Simples e baratas essas mini bombas eletricas lançam água até uma altura de 1,5m e gastam menos energia do que uma lampada de 30W. O controlador digital usado é especifico para esse fim, inclusive com programação anti congelamento. De acordo com temperaturas informadas por sensores localizados no reservatório, coletor e serpentina, as bombas são acionadas e desligadas, circulando a água quente que possivelmente estaria parada em sistemas convencionais.

Acredito ser imprescindível o uso de valvulas de retenção nos lugares indicados no desenho para que a água aquecida, tanto no coletor solar, como na serpentina, não faça o percurso errado, sendo lançada debaixo do reservatório ou indo da serpentina para o coletor e vice versa.

Acho muito importante instalar os sensores no final e imediatamente após o coletor e serpentina para que toda a água quente reservada nos mesmos seja circulada e o controle de temperaturas seja mais efetivo. Com o sensor muito afastado, a temperatura medida só vai alterar quando o coletor ou serpentina estiverem muito quentes, perdendo tempo e energia no processo. Do mesmo modo quando a temperatura começar a baixar nesse ponto, a serpentina e o coletor vão ter esfriado muito. Além disso, corre-se o risco de mandar água fria para cima do reservatório. Os sensores precisam estar em contato com a água, rosqueados em conexões T e não encostados na tubulação. Com o sensor encostado, a bomba só para de funcionar quando o tubo esfria, mandando novamente muita água fria para a parte superior do reservatório.

Como opção ao controlador foi experimentado o uso de "cebolinha" de radiador de veiculos comuns. A "cebolinha" é um termostato bimetalico que a uma determinada temperatura fecha o circuito acionando a ventoinha, impedindo o aquecimento do motor. Ao esfriar, abre novamente o circuito, desligando a ventoinha. Não funcionou, porque a temperatura de acionamento é muito alta, 80-100°C. Como os tubos que alimentam a serpentina passam dentro da chaminé do fogão a lenha, acabei colocando o termostato muito distante para o fogo não danifica-lo, não atingindo desse modo a temperatura para o acionamento, mas acho perfeitamente viável o desenvolvimento de termostatos especificos para o aquecimento solar. inclusive anticongelamento dos coletores, tornando essa tecnologia acessível a populações de baixa renda. Mais simples ainda seria instalar a cebolinha bem perto da fornalha, com algum prolongamento para não danificar a fiação eletrica. Desisti dessa opção para não ter que quebrar parede, fogão, etc.

Na minha opinião a circulação forçada é essencial no aquecimento solar tradicional. Só pelo fato dela evitar o congelamento das placas com as geadas, já se justifica o uso. Ela também evita os estouros nas tubulações, que ocorrem quando a água deixa de circular e entra em ebulição na serpentina do fogão a lenha. É lógico que um sistema sem "artificios" é muito melhor, mas eu não desprezaria a circulação forçada, o uso de eletricidade é desprezível quando a bomba é acionada com pouca freqüência e os benefícios valem a pena.