Aquecimento solar de água: guia completo

Definição

Aquecimento solar de água é o uso da energia solar térmica para aquecer água de banho, de piscina ou de processos, sem gerar eletricidade. O equipamento central é o coletor solar, que absorve a radiação e a transfere à água; nos sistemas de banho, a água aquecida fica guardada num reservatório térmico. O guia do consumidor do Departamento de Energia dos Estados Unidos define os aquecedores solares como sistemas que coletam a energia do sol para aquecer um fluido e transferem esse calor, direta ou indiretamente, à casa, à água ou à piscina.

Em poucas palavras

O coletor é uma caixa com uma placa escura embaixo de um vidro. O sol esquenta a placa, a placa esquenta a água que passa por dentro, e a água quente sobe para o reservatório no telhado, onde fica guardada. No banho, a água sai quente dali; em dia sem sol, uma resistência elétrica ou o gás completa o aquecimento. Na piscina, não há reservatório: a bomba do filtro leva a água até coletores sem vidro e ela volta mais quente.

Explicação técnica

O coletor converte radiação em calor; o calor útil é o que ele absorve menos o que perde para o ambiente por convecção e radiação. Essa perda cresce com a diferença entre a temperatura da água e a do ar, como mostra o estudo de Bunea e colaboradores para o programa de aquecimento solar da Agência Internacional de Energia: por isso, para pequenas elevações de temperatura (piscina), o coletor aberto sem vidro rende mais, e para temperaturas de banho o coletor com vidro e isolamento é necessário.

O reservatório térmico armazena a água em camadas (estratificação): a mais quente em cima, a mais fria embaixo, o que mantém a temperatura de uso enquanto a água fria entra por baixo. A circulação entre coletor e reservatório pode ser natural, por termossifão, quando o reservatório fica acima do coletor e a água quente, menos densa, sobe sozinha; ou forçada, por bomba e controlador diferencial de temperatura, quando o reservatório fica abaixo ou longe do coletor. No Brasil, coletores, reservatórios e sistemas acoplados são ensaiados e listados nas tabelas do Programa Brasileiro de Etiquetagem do Inmetro, que informam a produção de energia e a eficiência de cada modelo; o catálogo térmico do Consultor Solar vem dessas tabelas, com a página e a linha de cada valor.

Como funciona

Banho, por termossifão

1. A água fria do reservatório desce para a parte inferior do coletor.
2. O sol aquece a água no coletor; mais leve, ela sobe pela tubulação de retorno.
3. A água quente entra na parte superior do reservatório e a circulação continua enquanto houver sol.
4. No uso, a água quente sai do topo do reservatório; a reposição fria entra por baixo.
5. Em dia sem sol, o apoio (resistência elétrica no reservatório ou aquecedor a gás na linha) completa a temperatura.

Piscina

1. A bomba do filtro envia a água aos coletores abertos no telhado.
2. A água absorve calor e volta à piscina; a própria piscina é o reservatório.
3. Um controlador desvia a água pelos coletores só quando eles estão mais quentes que a piscina. Detalhes em aquecimento solar de piscina.

Componentes

Componente	Função
Coletor solar	Absorve a radiação e aquece a água
Reservatório térmico (boiler)	Armazena a água quente, isolado termicamente; de alta ou baixa pressão, ou em nível
Tubulação isolada	Liga coletor, reservatório e pontos de uso, limitando perdas
Apoio (resistência elétrica ou gás)	Completa o aquecimento nos dias sem sol
Válvulas e registros	Quebra-vácuo, alívio, retenção e misturadora, conforme o projeto
Bomba e controlador (circulação forçada)	Movem a água quando o termossifão não é possível
Caixa d’água ou alimentação pressurizada	Define o tipo de reservatório e a pressão de trabalho

O guia do Departamento de Energia dos Estados Unidos separa os sistemas em ativos, com bombas e controles, e passivos, sem esse equipamento; e lembra que todos têm coletores e, exceto os de piscina, algum armazenamento.

Tipos

Tipo	O que é	Uso
Coletor de placa plana	Placa absorvedora escura sob vidro, em caixa isolada; o tipo mais comum segundo o guia do DOE	Banho e água sanitária
Coletor de tubos a vácuo	Fileiras de tubos de vidro com vácuo entre o tubo externo e o absorvedor	Temperaturas mais altas e climas frios
Coletor aberto	Placa absorvedora sem vidro, em geral de polímero	Piscina
Sistema acoplado	Coletor e reservatório num conjunto único, ensaiado em conjunto	Residências, instalação simplificada
Termossifão	Circulação natural, reservatório acima do coletor	A maioria das casas
Circulação forçada	Bomba e controlador; reservatório em qualquer posição	Prédios, hotéis, grandes volumes
Reservatório de alta ou baixa pressão	Conforme a alimentação de água	Definido pela instalação hidráulica

Vantagens

• Substitui o aquecimento elétrico ou a gás na maior parte do ano, usando o calor do sol.
• Equipamentos simples, sem eletrônica no coletor; o termossifão não tem partes móveis.
• Coletores e reservatórios ensaiados e listados pelo Inmetro, com produção de energia e eficiência por modelo.
• Para piscinas, o guia do Departamento de Energia dos Estados Unidos registra que o aquecimento solar é uma das aplicações amplamente custo-efetivas.

Limitações

• Depende do sol: dias nublados e inverno reduzem a produção, e o apoio precisa existir.
• O coletor perde calor para o ambiente; vento e frio reduzem o rendimento, em especial nos coletores sem vidro.
• Exige estrutura no telhado para o peso do reservatório cheio e espaço com orientação adequada.
• A instalação hidráulica (pressão, distância até os pontos de uso, caixa d’água) condiciona o tipo de sistema.
• Não gera eletricidade: quem procura reduzir a conta de luz por outros usos precisa da fotovoltaica.

Custos

O custo de um sistema de aquecimento solar soma coletores, reservatório, tubulação isolada, válvulas, apoio, estrutura e instalação; na circulação forçada entram bomba e controlador. O guia do Departamento de Energia dos Estados Unidos observa que os aquecedores solares custam mais no início que os convencionais, mas o combustível que usam é gratuito. Os valores dependem do volume, do tipo de coletor, da pressão de trabalho e da região; o Consultor Solar não publica preço sem fonte e data. A calculadora de água quente compara soluções de aquecimento pela energia consumida, com as premissas abertas.

Dimensionamento

O ponto de partida é a demanda de água quente: número de pessoas, banhos por dia, duração e temperatura de uso, mais usos como pia e lavatório. A partir dela:

1. Volume do reservatório: o que o uso de um dia exige, com margem para a temperatura de armazenamento ser maior que a de uso. A calculadora de reservatório térmico faz essa conta.
2. Área de coletor: depende da irradiação do município, da inclinação e orientação, da eficiência do coletor (tabela do Inmetro) e da fração da demanda que se quer cobrir pelo sol. A calculadora de aquecimento solar estima a área com os dados climáticos do local.

3. **Piscina:** o guia do Departamento de Energia dos Estados Unidos indica área de coletores entre 50% e 100% da superfície da piscina, conforme o clima e a temporada de uso; a [calculadora de aquecimento de piscina](/calculadoras/aquecimento-de-piscina/) refina com o balanço térmico.

O resultado é um pré-dimensionamento; o projeto hidráulico e estrutural é de um profissional habilitado.

Aplicações

• Residências: banho e água sanitária, por termossifão ou sistema acoplado.
• Piscinas: residenciais, de clubes e academias, com coletores abertos.
• Hotéis, hospitais, condomínios e lavanderias: grandes volumes com circulação forçada e reservatórios centrais.
• Indústria e agro: pré-aquecimento de água de processo, laticínios, abatedouros.
• Habitação social: redução do consumo elétrico do chuveiro.

Legislação e normas

• Inmetro, Programa Brasileiro de Etiquetagem: coletores para banho e piscina, reservatórios de alta e baixa pressão e em nível e sistemas acoplados são ensaiados e publicados nas tabelas de eficiência energética, com a etiqueta de cada modelo. É a fonte do catálogo térmico do Consultor Solar.
• ABNT NBR 15569: norma brasileira de projeto e instalação de sistemas de aquecimento solar de água; documento pago, não reproduzido aqui.
• Instalações hidráulicas e elétricas: o apoio elétrico e a estrutura do reservatório seguem as normas de instalação aplicáveis e os manuais dos fabricantes.
• A Lei 14.300 trata da geração distribuída de eletricidade e não se aplica ao aquecimento solar de água, que não injeta energia na rede.