Como funciona um sistema de aquecimento solar por termossifão?

No telhado há um painel e, logo acima dele, um cilindro. Do cilindro vem a água quente do chuveiro. Entre os dois não existe bomba, e a água circula mesmo assim. O nome técnico é termossifão (ou circulação natural), e a explicação cabe em uma frase: água quente é mais leve que água fria.

Por que a água quente sobe sozinha?

Quando a água esquenta, ela se expande e fica menos densa, ou seja, mais leve. Um litro pesa cerca de 998 gramas a 20 °C e cerca de 983 gramas a 60 °C. A diferença é de uns 1,5%. Parece pouco, e basta.

No coletor, a água esquenta ao sol e fica mais leve. A água fria do fundo do reservatório, mais pesada, desce em direção ao coletor e empurra a quente para cima. Siqueira e Cortez (2003) descrevem o ciclo assim: a água aquecida segue para a parte alta do reservatório, a água mais fria da parte baixa volta para o coletor, e o percurso se repete várias vezes ao dia. Ele só acontece enquanto há radiação solar, como lembra o manual de aquecedor solar de baixo custo publicado pela Celesc.

A força que move a água é pequena. A velocidade final resulta do equilíbrio entre essa força e o atrito nos tubos, segundo os mesmos autores. Por isso a montagem da tubulação pesa tanto.

Quais são as peças de um sistema por termossifão?

• Coletor solar. A placa que fica ao sol. É nela que a água esquenta.
• Reservatório térmico. Um cilindro isolado que guarda a água quente. Na descrição dos mesmos autores, a água quente sai pela parte alta dele e a água fria entra pela parte baixa.
• Tubulação. Dois caminhos: um leva a água fria do reservatório ao coletor, outro devolve a água quente. O manual de um fabricante nacional de reservatórios pede tubulação própria para água quente.
• Caixa d'água fria. Abastece o reservatório. Quando você abre o chuveiro, a água fria entra por baixo e ocupa o lugar da quente que saiu. O manual do fabricante pede uma caixa exclusiva para essa função.
• Apoio elétrico ou a gás. Uma resistência (ou um aquecedor a gás) com termostato, para dias de pouco sol. Siqueira e Cortez apontam esse apoio como necessário em dias nublados.

A água dilata quando esquenta, e essa dilatação precisa ter para onde ir. Nos sistemas de baixa pressão, ela sai por um respiro ligado à caixa d'água. Nos sistemas pressurizados, sem esse respiro aberto, entram o vaso de expansão e a válvula de segurança.

Por que o reservatório precisa ficar acima do coletor?

O primeiro motivo vale de dia. Sem bomba, a força que move a água vem da diferença de altura entre os dois pontos: a água quente é mais leve e só sobe até o reservatório se ele estiver acima do coletor. O manual da Celesc diz que essa diferença de altura é necessária para garantir a circulação da água no coletor pela diferença de densidade entre a água quente e a fria.

Na literatura técnica, essa força é chamada de carga de termossifão. Pozzebon e Krenzinger (2008), com base no modelo clássico de Close (1962), a calculam a partir das alturas do circuito e da diferença de densidade da água.

O segundo motivo vale à noite. Sem sol, o coletor perde calor para o ar e para o céu, e a água dentro dele esfria. Com o reservatório no mesmo nível ou abaixo do coletor, a circulação pode se inverter: a água quente guardada passa pelo coletor frio e perde calor para o ambiente.

Pozzebon e Krenzinger chamam isso de circulação reversa. Nela o coletor age como um radiador, e o sistema perde parte da energia acumulada durante o dia. Por isso a regra de montagem que eles registram é que o coletor fique sempre abaixo do reservatório.

Mesmo com o reservatório no alto, a circulação reversa não some por completo. Os mesmos autores concluem que a perda noturna diminui quanto maior for a distância entre o topo do coletor e o fundo do reservatório, e que ela pode ser desprezada quando o sistema está bem isolado e o reservatório fica acima do coletor.

E qual deve ser essa distância? Segundo eles, manuais de instalação pedem uma separação mínima entre esses dois pontos que vai de 200 mm a 1.000 mm, conforme o fabricante. Por isso o número certo para a sua casa é o do manual do equipamento e do projeto.

Há ainda o caso oposto, em que o coletor precisa ficar mais alto que o reservatório. O manual da Celesc cita o aquecimento de piscina como exemplo e diz que esse arranjo usa um sensor de temperatura e uma motobomba. Aí o sistema deixa de ser termossifão.

Qual é a diferença para o sistema com bomba?

O outro jeito de mover a água é a circulação forçada: uma bomba faz o trabalho que, no termossifão, a diferença de altura faz. Segundo o manual da Celesc, um sensor de temperatura liga a bomba quando o coletor produz água quente e a desliga depois, e uma válvula de retenção evita o fluxo inverso nas horas sem sol. Siqueira e Cortez observam que a circulação natural é típica de sistemas pequenos, enquanto em sistemas maiores o escoamento costuma ser gerado por uma bomba elétrica.

O termossifão regula a si mesmo: enquanto há sol, a própria diferença de temperatura mantém a água circulando, sem peças que precisem de comando. É a descrição de Siqueira e colaboradores (2010). A bomba tem a vantagem de liberar o projeto da exigência de altura, e o reservatório pode ficar em outro lugar da casa. Em troca, soma bomba, sensor e eletricidade ao sistema.

Quais são os limites do termossifão?

• Altura. A casa precisa permitir o reservatório acima do coletor, com o desnível pedido pelo fabricante. Sem isso, o caminho é a circulação forçada.
• Espaço e peso. O manual do fabricante pede verificar se o local tem espaço suficiente e resistência estrutural compatível com o peso dos equipamentos cheios de água.
• Tubulação. O mesmo manual pede inclinação mínima de 3%: a tubulação que leva água ao coletor desce, e a que retorna sobe. O objetivo é evitar bolhas de ar que interrompem a circulação entre coletor e reservatório. As perdas à noite também dependem de tubulação e reservatório bem isolados, como apontam Pozzebon e Krenzinger.
• Dias nublados. Em dia nublado ou chuvoso o coletor rende pouco, e o apoio completa o aquecimento.

E o tamanho do coletor?

Escolher entre termossifão e bomba define como a água circula. Quanto de coletor sua casa precisa é outra conta, que depende do consumo e do sol da cidade. A ABNT NBR 15569, que trata de requisitos de projeto e instalação de sistemas de aquecimento solar em que o fluido de transporte é a água, é o ponto de partida para essa conta. Há um resumo do método em NBR 15569 na prática.

O modelo de cálculo que o Dimensol usa foi desenvolvido por Luciano Torres Pereira (CREA-MG), um dos responsáveis pelo desenvolvimento da NBR 15569, a norma brasileira de aquecimento solar.