Para que serve o isolamento térmico em um sistema de aquecimento solar?

Quem compra aquecimento solar costuma olhar o coletor, o telhado e o tamanho do reservatório. O isolamento térmico quase não entra na conversa, e é ele que determina quanto do calor gerado se perde pelo caminho. Este texto explica, sem fórmula complicada, para que ele serve e onde precisa estar.

O que é perda de calor?

O calor sempre anda do lugar mais quente para o mais frio. O café esfria na xícara porque entrega calor ao ar da cozinha. A água quente do seu sistema faz o mesmo: quanto maior a diferença entre a água e o ambiente, mais depressa ela entrega calor.

Os números do exemplo de cálculo vêm de um livro de transferência de calor, o Fundamentos de Transferência de Calor e de Massa, de Incropera e DeWitt.

Por que o reservatório e os canos esfriam à noite?

De dia, o coletor esquenta a água e o reservatório guarda esse calor. À noite não há sol para repor nada, o ar fica mais frio e a diferença de temperatura aumenta. O calor sai pelas paredes do reservatório e pelos canos.

Um estudo da UFRGS (Pozzebon e Krenzinger, CBENS 2008) lembra que essas perdas noturnas existem e costumam ser ignoradas nas análises. Em sistemas por termossifão, quando o coletor fica mal posicionado e a água circula ao contrário à noite, ele funciona como radiador. Outro trabalho (Siqueira, CBENS 2007) cita Smith (1997): as perdas do reservatório respondem por cerca de 10% a 15% do ganho útil dos coletores.

Um reservatório bem isolado esfria devagar. No ensaio de Siqueira (CBENS 2007, feito no laboratório da UFRGS), um reservatório horizontal de cerca de 180 litros (calculado a partir das medidas do artigo), com 22,5 mm de lã de vidro, parado e sem consumo, levou cerca de dois dias e meio para cair de 72 °C para cerca de 50 °C, com o ambiente em torno de 29 °C.

O que o isolamento faz de verdade?

Ele não esquenta nada. Ele só dificulta a saída do calor. Um isolante é cheio de ar parado preso em bolhas ou fibras, e o ar parado conduz calor muito mal.

A medida disso é a condutividade térmica: quanto menor, mais o material segura o calor. No livro de Incropera e DeWitt, o cobre dos canos tem 401 W/m·K. O ar a 27 °C tem 0,026. Uma espuma rígida de borracha tem 0,032, e uma espuma rígida de uretano, 0,026. O cobre conduz mais de dez mil vezes o que o isolante conduz.

Onde isolar em um sistema solar?

• Reservatório térmico. Já costuma vir com isolamento de fábrica. O cuidado é não danificar a camada e conferir que ela está inteira.
• Tubulação de água quente que sai do reservatório para os pontos de uso e, nos sistemas com circulação forçada, a ida e a volta entre coletor e reservatório.
• Trecho do telhado. É o pior lugar: fica ao ar livre, com vento, sol e chuva, e carrega a água recém-aquecida pelo coletor. Perder calor ali é devolver ao ar o ganho que o coletor acabou de conseguir.

No telhado, o isolante precisa de uma camada externa de proteção. Gordon Hart, na revista Insulation Outlook (2008), explica que a cobertura do isolante deve ser mantida para que ele fique seco e continue funcionando como foi projetado, e cita a chapa metálica, como o alumínio, entre as opções. Num estudo da ASHRAE (RP-721) feito com tubulações enterradas, o isolante molhado conduziu de 10 a 115 vezes mais calor. Hart lembra que a física é a mesma ao ar livre e que isolante molhado pode perder mais calor do que o tubo sem isolamento.

Que materiais existem?

Vale conhecer três famílias, sem marca: a espuma elastomérica (borracha sintética de células fechadas, flexível, em tubos prontos), o poliuretano (espuma rígida) e a lã mineral, de vidro ou de rocha (fibras em manta ou calha). O livro de Incropera e DeWitt lista valores típicos para fibra de vidro, espuma de borracha e espuma de uretano.

São valores de livro para materiais típicos: produtos reais variam, e a espessura pesa tanto quanto o material.

Quanto calor se perde em um metro de tubo?

Vamos a um exemplo com condições declaradas: tubo de cobre de 22 mm de diâmetro externo (parede de 0,9 mm), com água a 55 °C, ar a 20 °C sem vento, e isolante de espuma de borracha com condutividade de 0,032 W/m·K (Incropera e DeWitt, Tabela A.3). O calor enfrenta três resistências em fila: o cobre, o isolante e o ar em volta. A perda por metro é a diferença de temperatura dividida pela soma das três.

Para o ar, usamos a convecção natural em cilindro horizontal, pela correlação de Churchill e Chu (Incropera e DeWitt, eq. 9.34), com as propriedades do ar da Tabela A.4. Desprezamos a resistência da água dentro do tubo e não contamos o vento nem a radiação do tubo para as paredes. A radiação soma cerca de 10% a 20% à perda do tubo isolado, mais ou menos conforme o material e a cor da superfície (com revestimento metálico claro, ela pesa menos).

Água a 55 °C mantida o mês inteiro (30 dias), ar a 20 °C, sem vento, só condução e convecção natural.

Os primeiros 10 mm cortam 57% da perda. Dobrar para 20 mm corta 68%, e chegar a 30 mm, 73%. O começo rende muito e o fim rende pouco. Em 10 metros de cano no telhado, são cerca de 121 kWh por mês sem isolante contra 39 kWh com 20 mm de espuma. Multiplique pela tarifa da sua conta para ter a noção do custo.

A espuma de borracha do livro é rígida e vale a 300 K. Produtos flexíveis reais costumam ter condutividade um pouco maior. Com 0,036 a 0,040 W/m·K, a perda sobe cerca de 10% a 20%: 7,8 / 5,9 / 5,0 W/m com 0,036 e 8,4 / 6,4 / 5,5 W/m com 0,040, nas espessuras de 10 / 20 / 30 mm.

Este é um exemplo com essas condições, não uma previsão para a sua casa. Vento e radiação aumentam a perda, e a tabela é um valor de referência nessas condições, não um teto. Os kWh por mês supõem água quente o tempo todo, e num sistema solar ela costuma esfriar à noite, o que reduz a perda real. Para o lado técnico, com o mesmo princípio aplicado a um anel de recirculação, veja o artigo sobre o tempo de troca do anel.

O que acontece se ficar sem isolamento?

A água esfria durante a noite e a manhã seguinte começa com menos calor guardado. O que o sol não entregou, o apoio elétrico ou a gás precisa repor, e a conta sobe sem que ninguém perceba por quê.

A conta de área de coletor também depende disso. A área de coletor entra nessa conta, e explicamos como no artigo sobre a NBR 15569 na prática. Um sistema com o coletor certo e o isolamento errado entrega menos do que o papel prometia.

O que perguntar a quem vai instalar?

• Qual é o material e a espessura do isolante nos canos de água quente?
• O trecho do telhado tem proteção externa contra sol, chuva e pisadas?
• Algum trecho de água quente ficou sem isolante?
• Alguém estimou a perda de calor do conjunto? Segundo Uehara e Ferreira (2024), a NBR 5626:2020 (que cancelou a NBR 7198 em 29/06/2020, segundo a CBIC) diz que as perdas térmicas devem ser estimadas pelos projetistas em função dos materiais e da configuração do sistema.

Não citamos aqui uma espessura mínima porque não achamos uma fonte pública que a fixe. Pergunte ao projetista qual valor ele adotou e em que cálculo se baseou.

Fontes consultadas: Incropera, F. P.; DeWitt, D. P. Fundamentos de Transferência de Calor e de Massa (Tabelas A.1, A.3 e A.4; eq. 9.34, correlação de Churchill e Chu, 1975). Pozzebon, F.; Krenzinger, A. CBENS, 2008. Siqueira, A. M. O. CBENS, 2007. Hart, G. H. Insulation Outlook, jul. 2008. Uehara, T.; Ferreira, A. T. Paranoá, v. 17, 2024. CBIC, 13/07/2020.

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.