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Zak Vetter contribuiu para este artigo, que originalmente apareceu na revista Home Energy. É reimpresso com permissão.

Até em 1978, eu instalei meu primeiro sistema de aquecimento solar de água. Continuei com o solar térmico, instalando novos sistemas até que os créditos fiscais expiraram em 1986, e mantive quase todos os sistemas locais em funcionamento durante anos depois disso. Tornou-se dolorosamente óbvio para mim que a simplicidade é essencial para a durabilidade e longevidade de qualquer sistema solar-térmico. Sistemas complexos simplesmente morrem jovens. Naquela época, o Santo Graal do solar térmico era criar um sistema que custaria 1.000 dólares – o que ninguém realmente conseguiu fazer. Hoje em dia, você espera pagar de $6.000 a $10.000 por um sistema solar de água quente, instalado.

O meu amigo Martin Holladay publicou um artigo em março de 2012, intitulado “Solar Thermal Is Dead”. Ele gerou muita discussão com esse artigo, incluindo alguma dissidência, então ele publicou outro artigo em dezembro de 2014, intitulado “Solar Thermal Is Really, Really Dead”. Martin olhou para os preços da energia solar térmica e comparou-os ao uso da energia fotovoltaica e de um aquecedor de água com bomba de calor para fazer o mesmo trabalho. Depois de fazer as contas, o FV e uma bomba de calor pareceram bater o solar térmico para aquecimento de água.

Mas muitas vezes a resposta que você recebe depende de suas suposições, e no projeto e construção deste sistema nós escolhemos desafiar algumas daquelas suposições comumente mantidas. Para um, os aquecedores de água com bombas de calor são suficientemente novos para não sabermos realmente quanto tempo durarão. Por outro lado, há grandes vantagens em instalar um sistema que, embora não esteja protegido contra o congelamento, não será danificado pelo congelamento. Estas são razões para continuar a explorar como fazer o simples trabalho solar térmico.

O projecto

Enter Zak Vetter. Zak me pediu para ajudar a projetar e instalar um sistema solar de água quente para sua casa perto de Carmel, Califórnia. É um sistema montado no telhado de um edifício que combina espaço de habitação e loja. Ele tinha estabelecido um conjunto simples de metas para o projeto:

• Diminuir ou eliminar a necessidade de energia fora do local para fornecer toda a água quente desejada.
• Build um sistema que funciona bem em condições menos ideais. Isto significa que mesmo em um dia nublado, a maioria (ou mesmo toda) da demanda de água quente é atendida pela energia solar coletada e armazenada no sistema.
• Build um sistema que requer manutenção quase zero.

Eu nunca tinha trabalhado com uma lista tão exigente. Muitas suposições vão para a concepção e construção de um sistema solar-térmico tradicional, e estas foram desafiadas pelos objectivos da Zak. Aqui estão algumas das suposições que normalmente trabalhamos de:

• Solar pode fornecer, na melhor das hipóteses, 75% do seu aquecimento de água.
• Com proteção contra congelamento, o solar é complexo.
• O sobreaquecimento é um grande problema para o solar.
• Instalar o solar térmico é complicado.
• Sistemas solares térmicos necessitam de manutenção anual.

As regras de concepção também envolvem suposições:

• Queremos os colectores mais eficientes.
• Dimensionar um sistema para o inverno causará superaquecimento no verão.
• A tubulação paralela reúne o máximo de Btu.
• Depósitos de armazenamento não devem ser superdimensionados, pois isso criará problemas de estagnação.
• Proteção contra congelamento dita o projeto do sistema.

Claramente, os objetivos da Zak não se alinham com as suposições padrão. Mas estou feliz que ele desafiou a convenção, porque no final das contas nós construímos um sistema que custa menos e tem um desempenho melhor do que qualquer sistema solar térmico que eu conheça. O sistema custou cerca de 4.000 dólares e fornece 95% das necessidades anuais da família Zak de água quente. Alguém bom com as mãos poderia fazer o mesmo trabalho por cerca de 3.000 dólares, se construíssem os seus próprios colectores.

Os colectores

O seguimento é o pensamento que nos levou até lá. Querer colecionadores eficientes teria nos forçado a construir um sistema mais complexo e caro, para evitar o congelamento e o superaquecimento. Então, ao invés disso, usamos coletores realmente ineficientes! São apenas bobinas de tubo de polietileno ¾ polegadas sob um vidro acrílico (ver Imagem #2, abaixo).

Não há isolamento nos coletores, portanto, eles não podem superaquecer e é improvável que sejam danificados pelo congelamento. A temperatura máxima que medimos no verão sem fluxo de água é de 170°F nos coletores, e eles congelaram muitas vezes sem problema. Este tipo de colector tem sido testado em San Jose, Califórnia, durante 16 anos e não surgiram problemas. Essencialmente, são colectores de piscinas, modificados para produzir água quente doméstica simplesmente adicionando vidros. São fabricados comercialmente pela Gull Industries em San Jose, Califórnia.

Each coil mede 26 pés quadrados. Outro benefício de usar coletores “ineficientes” é que eliminamos a necessidade de fazer correr tubos de cobre de e para eles, ao invés de correr tubos PEX. Com os coletores de cobre tradicionais, que podem estagnar ao sol no verão a até 400°F, a tubulação PEX derreteria bem rápido. Mas pudemos usar tubos de poli e PEX para quase tudo, simplificando ainda mais o trabalho (ver Imagem #3, abaixo). Nós superdimensionamos propositadamente o sistema, para que ele pudesse passar por períodos sem sol e recuperar rapidamente quando o sol retornasse.

O tanque

O tanque foi outra consideração. Normalmente, com qualquer tanque revestido de vidro (quase todos os aquecedores tipo tanque nos Estados Unidos são revestidos de vidro), você quer virar o volume do tanque diariamente para evitar estagnação e problemas de odor. Acontece que o ânodo que vem com todos os tanques revestidos de vidro gera gás hidrogênio, que algumas bactérias realmente gostam. Conseguimos contornar isto instalando um tanque Marathon de 105 galões da Rheem (ver Imagem #4, abaixo). Este é um tanque não metálico que não precisa de ânodo, para que a água não envelheça, ou se contamine, por uma lenta rotação. O benefício deste grande armazenamento é que o sistema pode continuar a fornecer água quente durante dias sem sol.

Um outro benefício do tanque Marathon é o seu isolamento. Ele tem 3 polegadas de espuma, e a literatura diz que ele perde apenas 5°F em 24 horas. Nosso registro de dados sugere que é mais como 6-8°F em nossa situação, mas ainda assim, nada mal. O isolamento foi algo mais com que brincamos.

Solamento da tubulação raramente vem realmente grosso, mas manter a perda de calor baixa aumenta a fração solar real e reduz a quantidade de energia de reserva necessária. Por isso, decidimos duplicar o isolamento sempre que possível.

Este é o tubo PEX ¾-inch com duas camadas de isolamento, para uma espessura total de parede de 1½ polegadas. Parece um tubo grande quando instalado.

Aquecedores de água solares são normalmente concebidos como sistemas de um ou dois tanques. Um tanque é melhor, se você puder fazê-lo funcionar, pois há menos equipamento a partir do qual se perde calor. Hoje em dia, isso só pode ser feito prontamente com backup elétrico. Então outra coisa que fizemos foi desligar o elemento inferior no nosso tanque único e usar apenas o elemento superior para backup. Isto evita que a fonte de calor eléctrica possa competir com a solar. Ligámo-la a 120 volts em vez de 240, por isso não havia necessidade de fazer mais nada do que ligá-la à corrente. Leva 4 vezes mais tempo para aquecer com metade da voltagem, mas o Zak queria um bom teste do solar. O sistema foi instalado em Novembro de 2014, e ele ainda tem de usar o backup!

O controlador

O sistema é gerido simplesmente com um controlador solar GL-30 Goldline fora da prateleira (ver Imagem #5, abaixo). Ele mede a temperatura no colector solar e no fundo do tanque. Ele compara os dois e, quando o colector está suficientemente quente, liga a bomba. O controlo tem ajustes para afinar este set point. Felizmente, não precisamos do controle que protege contra congelamento ou superaquecimento.

O sistema foi simples de instalar. Se você olhar apenas para o tempo de instalação, levou apenas seis horas-homem, o que é muito rápido. Nos bons velhos tempos, uma instalação rápida costumava ser de três caras e um dia longo, ou cerca de 24 horas-pessoa. Este sistema entrou tão rapidamente por várias razões:

• Usamos tubos PEX e polietileno.
• Montámos as ligações expostas com acessórios Sharkbite push.
• O fabricante do colector forneceu-nos uma estação de controlo pré-construída.
• Os colectores foram instalados no telhado usando apenas um parafuso central.
• Tivemos fácil acesso à parte inferior do telhado.
• Os colectores são um pouco flexíveis e leves.
• O tanque de 105 galões é leve e fácil de mover.

Rendimento do sistema

Desempenho até agora tem sido bom. Temos dados registrados em vários pontos do sistema para entender como funciona.

O termo fração solar é usado para indicar que porcentagem da água quente é aquecida pelo sol. Feito corretamente, determinar a fração solar envolveria medir o uso total de água quente e subtrair a porção de aquecimento de água não fornecida pelo sol.

Optamos, em vez disso, simplesmente por notar quando a água aquecida pelo sol estava quente o suficiente para tomar banho. Se a água armazenada estiver em torno de 105°F, é boa para o banho. Quando dizemos que o sistema está a produzir 95% da água quente, significa que o Zak consegue temperaturas de banho aceitáveis 95% do tempo. É uma forma rápida e não matemática de entender geralmente como o sistema está a funcionar. Se tomássemos medidas precisas para determinar a fração solar, provavelmente seria superior a 95%. Mas porque consideramos qualquer coisa abaixo de 105°F inadequado, não estamos a receber créditos por água que não é suficientemente quente mas que certamente está bem acima da temperatura da água subterrânea.

O gráfico na Imagem #6, abaixo, mostra o sistema durante os primeiros dias de primavera, quando o sistema está a fazer uma contribuição admirável para o abastecimento de água quente da casa.

O gráfico na Imagem #7 mostra o sistema no seu pior. As barras verticais amarelas representam períodos de sol, e as barras verticais azuis representam a noite. Entre o 21º e o 22º você verá até chuva! Mas note como apenas algumas horas de sol de inverno no dia 23 aumenta o tanque em quase 20°F.

Os outros dois gráficos, mostrados na Imagem #8, ilustram as diferenças entre dezembro e março. Nesses gráficos, medimos as saídas de cada coletor para ver se todos os quatro forneciam saída útil. Acontece que os dois primeiros coletores reuniram mais Btu, mas os segundos dois coletores subiram a temperatura, então eles realmente ajudaram – particularmente durante os períodos mais frios do ano.

A relevância deste projeto

Claramente existem limitações sobre onde este tipo de sistema pode ser instalado com sucesso. Se esses coletores estiverem cobertos de neve, eles podem não funcionar muito bem, então faria sentido evitar áreas que ficam abaixo do congelamento por longos períodos de tempo. Mas como não há tubulação metálica neste sistema, ele pode suportar congelamento ocasional. E se os créditos fiscais são a principal motivação para instalar água quente solar, este sistema não serve, porque ainda não está certificado pela Solar Rating and Certification Corporation. Ainda assim, este sistema deve custar menos do que a maioria dos outros sistemas, mesmo sem o benefício de créditos fiscais.

É claramente uma coisa boa para trazer novas perspectivas ao aquecimento solar de água. Ao questionar inteligentemente ideias antigas e ao usar materiais e hardware mais recentes – como o tanque Marathon, tubagens PEX e colectores de polietileno – o Zak pressionou-nos a fazer melhor do que eu acreditava ser possível.

Larry Weingarten foi criado na Península de Monterey na Califórnia e tem trabalhado por conta própria durante a maior parte da sua vida profissional. Ele obteve a sua licença de empreiteiro geral em 1982. Larry escreveu artigos sobre aquecimento de água e energia para várias revistas comerciais; ensinou sobre estes tópicos para PG&E, California State Parks, Affordable Comfort, e outros; e recentemente ajudou a criar DVDs sobre estes e outros tópicos relacionados. Em 2006, ele terminou a construção de uma casa fora da rede; projetada para ser muito eficiente, confortável e barata, foi a 13ª casa a vencer o 1000 Home Challenge, uma competição para a criação de casas super eficientes. Ele gosta de gatos.

Zak Vetter contribuiu para este artigo. Ele também foi criado na costa de Monterey, e é autônomo há mais de dez anos, reparando e ensinando sobre computadores. Desde 2008, Zak tem vindo a aprender sobre o vasto mundo da eficiência energética, ao mesmo tempo que melhora a sua própria propriedade. O sistema de água solar neste artigo foi inspirado por uma visita à casa fora da rede de Larry, que demonstrou o quanto era possível com a energia solar.