ASBC – Conceitos técnicos

Apresentação do projeto  |  Conceitos básicos  |  Estrutura e aplicação
Impacto ambiental e econômico  |  Vídeo-aula  |  Conceitos técnicos
Informações técnicas  |  ASBC e aquecedor solar tradicional
Comparações aquecedor Solar e Elétrico  |  FAQ

Esta página traz as ideias originais do ASBC sobre as quais os cooperadores e leitores poderão se debruçar. Os conceitos expostos resultam de longo tempo de análises teóricas. Quem estudar os conceitos expostos nesta página obterá boa base de conhecimentos em aquecedores solares e fenômenos associados, hidráulicos, energéticos, de conforto, entre outros.

+1 - Isolamento da caixa d´água

Conceito do Equilíbrio térmico
Qualquer objeto quente procura equilibrar sua temperatura com a temperatura do ambiente no qual ele se encontra. Ex.: uma barra de ferro com 100o presente numa sala que está a 20o. Passados alguns minutos encontraremos a seguinte situação: a barra passa todo o seu calor para o ambiente. A sala passou de 20 para (por exemplo) 25o. A barra de ferro também passou de 100 para 25o. As temperaturas se equilibraram. Aconteceu um reequilíbrio térmico.

Transferência de calor
O corpo quente entrega o seu calor ao ambiente menos quente de três formas básicas:
- por irradiação,
- por convecção,
- por transmissão/difusão.

Tomando uma lâmpada incandescente como exemplo. Chegue perto dela e você vai sentir calor. Esta é a transmissão de calor por irradiação. Pegue uma folha de papel de seda (papel leve) e coloque-a acima da lâmpada. Ela se movimenta devido a um vento vertical originado na lâmpada. O ar que entra em contato com o vidro da lâmpada é imediatamente aquecido. Ao se aquecer este ar fica mais leve e sobe muito.

Este processo, o contato, o aquecimento e consequente movimentação do fluido (neste caso o ar), é chamado de convecção.

Agora encoste sua mão no vidro da lâmpada. O calor que é passado para a sua mão equivale ao processo de transmissão/difusão.

A partir do local aquecido, o calor vai se distribuir pelo corpo mais frio até que a temperatura deste corpo esteja igual em todos os seus pontos. A transmissão/difusão ocorre por meio de movimentação molecular.

+2 - Dutos anti-turbulência

Estratificação
Vem de estrato, camada, disposição em camadas. Exemplo: em uma sala com muitas pessoas, sem ar condicionado, nota-se que no teto se acumula ar quente e embaixo, junto às pessoas, presença de ar menos quente. Termicamente falando, o ar está estratificado, praticamente em repouso. O ar quente é mais leve que o ar frio, ficando assim naturalmente acima do ar frio. Usaremos o potencial de estratificação térmica dos fluidos, como os gases e os líquidos, como ferramenta que permitirá colocar água quente e fria na mesma caixa de água fria.

Camada de transição: Espessura
Chamamos de camada de transição a camada de água existente na caixa de água, que separa a camada de água mais quente superior da camada de água mais fria, inferior. Ela começa tendo a temperatura da camada superior e termina tendo a temperatura da camada inferior. Sua espessura, no caso do ASBC, deve ser a menor possível. Se fosse possível não haver transição nenhuma, a camada de água quente seria consumida pelo banho até o fim sem variação de temperatura. Na prática existe transição. O certo seria não chegar a usar esta camada para o banho, deixando-a para ser aquecida pelo sol no dia seguinte.

Pelas últimas experiências, o processo da difusão térmica, de cima para baixo, é mais rápido do que o imaginado, de forma que no final de 24 horas a temperatura da água da caixa está praticamente homogeneizada.

Mistura das camadas estratificadas
A pergunta que mais se escuta é a seguinte: cmo é possível que as camadas de água quente e fria não se misturem? A resposta está relacionada à forma com que as águas, de temperaturas diferentes ou iguais, são juntadas:

Água quente que vem dos coletores solares – se a velocidade da água que provém dos coletores, ao entrar na água da caixa, for tão lenta que deixe de carregar consigo, por arrasto, a água presente na caixa, evitando o início de uma turbulência ou então mistura pela movimentação de todas as massas líquidas, teremos a possibilidade da criação ou manutenção de uma estratificação térmica da água.

Água fria que vem da (torneira de) boia – vale o mesmo pensamento para a boia, que completa a água da caixa sempre que desta caixa for solicitada água e o seu nível baixar. Como esta água é fria, ela não deve se misturar com a água quente da camada superior. Isto é, ela deve ser depositada cuidadosamente no fundo da caixa, novamente com velocidade de entrada tão lenta que se evite turbulências ou arrastos.

Kit de dutos para a caixa de água
O que se pretende desenvolver é um conjunto de dutos, provavelmente de PVC, que, ao entregarem água à caixa de água, não resultem em turbulências na mesma.

+3 - Coletor térmico solar simplificado

Conceitos
O coletor de energia solar térmico é o componente mais estudado dos aquecedores solares. Existe farta literatura sobre o assunto para quem quiser se aprofundar no assunto.

Aproveitaremos este espaço exclusivamente para a formalização conceitual de alguns tipos de coletores que possam ser montados pela população em geral, individualmente ou em grupo, com porta aberta para que empresas locais também desenvolvam seus modelos de coletores, oferecendo-os a bons preços aos usuários menos dispostos à manufatura.

Introdução ao coletor – princípio de operação
Da física, sabemos que qualquer tipo de irradiação eletromagnética (luz visível, luz infra vermelha, luz ultra violeta, raios X, ondas de rádio, entre outros), ao incidir sobre uma superfície negra é transformada em energia térmica. Quem já se expôs ao sol trajando um agasalho preto conhece o efeito.

O coletor é basicamente uma superfície negra, que ao ser exposta à luz do dia, se aquece. Por construção, esta superfície fica junto a dutos cheios de água. Por transmissão, o calor gerado é levado à água presente nos dutos. Esta água aquecida é então levada a um reservatório (e no nosso caso, à uma caixa de água isolada termicamente), aonde ela fica disponível para o banho.

O Coletor Térmico Solar Tradicional
Tal como é fabricado no Brasil hoje, pela maioria dos fabricantes de aquecedores solares, o coletor entrega ao reservatório de água algo como 45% da energia solar que incide nele durante o dia.

O Coletor Térmico Solar Simplificado
É o que será estudado pelos cooperadores/voluntários do projeto. Ele não tem o vidro transparente na parte superior, logo é menos eficiente que o Coletor Tradicional, contando, porém, com custo inferior. O Simplificado deverá entregar à água algo como 35% da energia solar que nele incide no decorrer de um dia.

Produção energética de um coletor – veja Irradiação Solar no Brasil.  (hiperlink para Irradiação Solar no Brasil)

+4 - Coletor térmico solar integrado

1 – Parede lateral de alvenaria
2 – Isolamento térmico inferior do coletor
3 – Filme plástico negro para aquecer e sustentar a água
4 – Cobertura plástica transparente da água
5 – Registro de reenchimento após o uso da água quente
6 – Ducha
7 – Cobertura opcional para manter o calor durante a noite (isopor)
8 – Laje superior da casa

Apresentação e produção térmica
Há regiões no Brasil que são mais quentes e que simultaneamente comportam populações de menor renda que a média nacional. Para eles talvez o projeto do ASBC com coletores individualizados ainda esteja acima de suas capacidades financeiras. Estamos propondo um aquecedor simplificado, que não devea custar mais do que R$ 20,00 a 30,00 se bem desenvolvido. A ideia é simples (por sinal também sendo utilizada por empresa de tecnologia alemã para fins de pasteurização de água ) composta de uma caixa rasa (de paredes baixas), forrada com plástico preto no piso, contendo uma lâmina de 10 a 15 cm de espessura de água.

A luz do sol cruza a água e é transformada em calor no fundo da caixa através do plástico preto. É este calor que aquece toda a água da caixa por igual. Admitindo-se que continuem, valendo as porcentagens de eficiência dos coletores simplificados de 35%, uma caixa com 1,5 metros quadrados de área, com uma camada de 10 centímetros de água, teremos: volume de 1,5 m2 x 0,1m = 0,15 metros cúbicos = 150 litros energia entregue (mês de maio, em Água Branca), 4,03 KWh/dia, recebido pelo coletor integral – 1,5 m2 x 4,03 KWh x 0,35 ( 35% ) = 2,11 KWh, aquecimento – 5,7 graus por KWh em 150 litros x 2.11 KWh por dia = 12,0 graus.

Como a água fria em regiões tropicais fica entre 25 e 27 graus, a temperatura final estará perto de 40 graus. Pergunta: porque algo tão simples não pode ser usado em São Paulo, por exemplo?

1 – Em São Paulo, em boa parte do ano, a irradiação solar vem inclinada, reduzindo assim a quantidade de energia térmica produzida pelo filme preto de plástico.

2 – A temperatura média também é mais baixa, de forma que esta camada fina, de 10 cm de espessura, perderá ainda mais rapidamente seu calor do que o faria em regiões mais quentes.

Evaporação e perda térmica
A maior fonte de perdas térmicas em águas expostas é a evaporação da água. Aqueçam uma panela com uma camada de 10 cm de água até 40 graus. Isolem-na embaixo e lateralmente com papel de jornal e a exponham com tampo aberto ao tempo, vento, ao ambiente externo. É só verificar em quantos minutos sua temperatura decresce para a temperatura ambiente. Logo, o filme externo não poderá estar em contato com o ar. Disto decorre que deverá ser usado material transparente na superfície da água.

Mesmo contando com uma coberta transparente, que evita a geração de vapor, a água não se manterá aquecida até o dia seguinte. Do que decorre que eventual banho matinal será feito com uso integral do chuveiro elétrico. Isto nos leva à necessidade do desenvolvimento de um material para cobrir a lâmina de água que permita a passagem da luz, mas que impeça a perda de calor.

Este tipo de material já existe, chama-se THI (Transparent Heat Insulation), Isolamento transparente, desenvolvido na Europa, que neste momento ainda é caro para usos econômicos como o nosso. Temos todos os dados deste material para quem desejar conhecê-lo. Uma segunda solução seria a de simplesmente, no final da tarde, cobrir a caixa com uma tampa isolante (Isopor com 3 cm de espessura).

Impermeabilização
É uma das variáveis que devem ser bem pensadas para atender à população carente. Isolamentos tradicionais para caixas de água não são baratos e nunca se tem a absoluta certeza de que eles vão aguentar a água por anos a fio. Existem filmes plásticos muito econômicos que podem realizar esta função. Um dos cuidados a serem tomados é o de evitar que o plástico fique muito tempo exposto ao sol, sem água para não aquecer demais, reduzindo seu período de vida.

Acessos e saídas de água
Pela provável rusticidade do aquecedor, o acesso de água, sua saída para o consumo, a implantação de um dreno para retirada da água, entre outras variáveis típicas de reservatórios de água, deverão ser bem pensadas e desenvolvidas.

Resumindo – o coletor integrado, se bem elaborado, poderá vir a ser um dos bons desafios do projeto. Logo, vale debruçar-se nele.

+5 - Aquecimento auxiliar pelo chuveiro elétrico

Como a intensidade de irradiação solar varia do dia a dia, valendo o mesmo para as necessidades de consumo do de água de banho do usuário, fica evidente que a temperatura da água de banho solar dificilmente será aquela desejada pelo usuário.

Faz-se necessária uma dose adicional de energia térmica, positiva com a energia do chuveiro ou então negativa, com a adição de água fria para temperá-la a gosto.

A ferramenta para realizar esta adição de energia térmica está presente em cada lar brasileiro. É o chuveiro elétrico.
Este econômico componente, conta hoje com um produto de mercado chamado “Controlador de chuveiro elétrico”. Com este controlador, pode-se adicionar à água passante pelo chuveiro qualquer intensidade de potência, permitindo o controle exato da temperatura desejada para o banho.

Mais detalhes do chuveiro elétrico na página aquecimento da água (hiperlink para página abaixo Aquecimento de água).

+6 - Válvula de retenção light

Válvula de retenção para circulação natural

Prática 
Segredo: o êmbolo.

Toda vez em que o coletor solar estiver na mesma altura do reservatório térmico de água, acontece o seguinte fenômeno:

Circulação Inversa
Durante o dia, ou enquanto houver irradiação solar, a água circula da parte de cima do coletor para a caixa de água, entregando calor solar ao reservatório.

À noite, ou na falta de irradiação, a água da caixa tenderá a um equilíbrio conforme desenho. A camada de água quente do reservatório irá se refletir, na mesma altura, no coletor. Até aí, não existiria problema se o coletor não reconduzisse o calor nele armazenado para o ambiente por irradiação e convecção. Neste processo a água do coletor fica mais fria e mais pesada. Ao pesar mais ela desce coletor abaixo, puxando água quente da parte superior do reservatório, reiniciando o processo da perda térmica. Isto é, gerou-se um circuito hidráulico inverso, que reduz a temperatura da água na caixa durante todo o período vespertino, da noite e do período matutino. Vespertino, depois que o sol deixou de iluminar bem o coletor. Durante todo o período da noite. Matutino, até o sol iluminar bem o coletor.