Sistemas solares passivos: o que são e como funcionam na eficiência energética e conforto térmico

Os sistemas solares passivos são soluções arquitetônicas e tecnológicas que aproveitam a energia solar passiva (radiação solar + componentes da envoltória) para aquecer ou resfriar os ambientes sem sistemas mecânicos dedicados.

Funcionam graças a três ações: captar o sol (vidros/coletor integrados), acumular calor (massa térmica) e distribuí-lo no edifício por meio de processos naturais como irradiação, condução e convecção.

Na construção civil, essa estratégia bioclimática requer um equilíbrio entre captação no inverno e sombreamento no verão, especialmente em latitudes médias e altas. Entre os sistemas mais difundidos está a estufa bioclimática, que pode contribuir para a redução da demanda energética se projetada e dimensionada corretamente.

O que é a energia solar passiva e como é utilizada nos edifícios?

A energia solar passiva é a utilização da radiação solar para aquecer ou resfriar um edifício sem sistemas mecânicos dedicados, aproveitando exclusivamente orientação, envoltória do edifício, massa térmica e sombreamentos.

A partir do projeto solar passivo, criam-se os chamados sistemas solares passivos, ou seja, soluções arquitetônicas integradas no edifício capazes de controlar as dinâmicas de troca térmica entre o exterior e o interior, utilizando a radiação solar como fonte energética primária.

Como funcionam os sistemas solares passivos?

Os sistemas solares passivos empregam a irradiação solar incidente nas superfícies da envoltória do edifício e mecanismos naturais (ou seja, sem o auxílio de energia produzida por sistemas térmicos ou importada da rede) para o transferência do calor absorvido para o interior do edifício.

Os sistemas solares passivos contribuem para reduzir significativamente as demandas energéticas, especialmente em edifícios com envoltória eficiente e bem isolada.

Como não são utilizados sistemas mecânicos, o consumo de energia associado ao seu funcionamento é nulo, embora deva ser lembrado que devem ser projetados como parte integrante da arquitetura, prevendo um dimensionamento correto e uma orientação ideal.

Assim, os sistemas solares passivos permitem coletar, armazenar e distribuir energia térmica por meio de processos naturais, como radiação, condução e convecção, com o objetivo de regular o nível termo-higrométrico do ambiente.

Os sistemas solares passivos baseiam-se em 3 princípios fundamentais, que constituem os pilares da arquitetura bioclimática:

• captação da energia através do efeito estufa: este princípio aproveita a capacidade dos vidros de deixar passar a radiação solar, enquanto impedem a passagem das radiações de onda longa (cerca de 11.000 nm) emitidas pelas superfícies aquecidas. O calor fica preso e pode ser utilizado de várias formas, seguindo o mesmo princípio que regula a vida na Terra;
• acúmulo: a energia é armazenada em estruturas pesadas com alta inércia térmica, como paredes e lajes, com um atraso temporal e uma atenuação da onda térmica;
• distribuição: o calor acumulado é então distribuído e liberado no ambiente circundante, reduzindo assim as demandas energéticas do edifício.

Elementos que compõem os sistemas solares passivos

Os elementos essenciais dos sistemas de captação passiva da energia solar são:

• coletores: constituídos por uma superfície transparente ou translúcida, integrada nas fachadas bem expostas do edifício ou no telhado, e por um absorvedor, uma superfície opaca escura, exposta à radiação solar que penetra a superfície transparente;
• massas de acúmulo: compostas por materiais de diferentes tipos e destinadas a armazenar calor para depois liberá-lo mesmo na ausência de radiação solar;
• componentes de controle: podem ser fixos ou móveis, acionados manualmente ou automaticamente e são sombreamentos para regular a entrada da radiação solar, refletores para aumentar a radiação que atinge as aberturas, válvulas de vários tipos que atuam no movimento natural dos fluidos térmicos entre os elementos, aberturas reguláveis para o controle do ar externo, etc.

Exemplos de sistemas solares passivos

Os sistemas solares passivos podem ser de diferentes tipos, cada um com suas próprias características específicas.

Com base na relação existente entre o ponto onde o calor é captado e o local efetivo de seu uso, os sistemas passivos podem ser classificados em:

• sistema de ganho direto: a troca térmica predominante é do tipo radiativa direta;
• sistema de ganho indireto: a troca térmica predominante é do tipo convectivo, sendo a radiativa indireta, através da parede de acumulação;
• sistema de ganho isolado: a superfície de captação é separada do acúmulo térmico, a troca é do tipo radiativa indireta com uma massa que acumula sem introduzir ar aquecido diretamente no ambiente.

A tabela comparativa a seguir classifica os sistemas solares passivos com base na relação entre captação, acúmulo e modos de transferência de calor para o ambiente interno; nos parágrafos seguintes, serão aprofundadas as especificidades construtivas e de desempenho de cada solução.

Sistema de ganho direto

Os sistemas de ganho direto são a aplicação mais simples da energia solar passiva. Permitem que a energia radiante entre diretamente no ambiente a ser aquecido. Essa energia é geralmente armazenada por elementos que têm também outras funções, como paredes e pisos, e depois liberada dentro do edifício para aquecimento por adução.

O sistema prevê a instalação de amplas superfícies envidraçadas nas fachadas voltadas para o sul, enquanto as paredes cegas, especialmente as voltadas para o norte, devem ser bem isoladas. As radiações solares atravessam as superfícies envidraçadas e são retidas internamente graças ao efeito estufa. As estruturas de construção, como muros e pisos, devido à sua massa, são particularmente eficazes como acumuladores de calor. Portanto, é recomendável posicionar o isolamento do lado externo das superfícies murárias, para que estas possam funcionar como um volante térmico interno.

As superfícies envidraçadas devem ser projetadas para minimizar a dispersão de calor. Além disso, é fundamental que lajes, pisos e paredes internas tenham massa suficiente para agir como acumuladores, o que nem sempre ocorre devido ao uso frequente de materiais leves como drywall, pisos sintéticos e madeira na construção moderna.

Ganho direto

Sistema a ganho indireto

Per quanto riguarda, invece, o ganho indireto, o calor é gerado em um espaço adjacente ao habitado: a luz do sol é absorvida por uma parede exposta ao sul, a qual armazena calor e, graças aos movimentos de ar do ambiente posterior, o transfere para o espaço interno.

Para um maior controle da temperatura interna, além disso, é frequentemente incluído um sistema de ventilação acima e abaixo da parede, de modo a ajudar na regulação da temperatura.

Ganho indireto

I principais sistemas a ganho indireto são representados por:

• muro solar;
• muro de Trombe;
• roof pond (sistemas a cobertura solar).

Muro solar

Este sistema prevê o ganho térmico mediante a captação da energia solar através de superfícies envidraçadas especialmente projetadas, colocadas à frente de uma parede de acumulação, conhecida como muro solar, que absorve, acumula e irradia a energia térmica para o interior do edifício. O sistema é constituído principalmente por uma superfície envidraçada captadora situada à frente de um muro de acumulação (muro solar).
A superfície envidraçada cria um espaço de intercapedine à frente do muro solar, gerando um efeito estufa que aumenta a temperatura da parede de acumulação, a qual absorve e armazena a radiação solar capturada. Durante a fase de distribuição, o muro solar irradia a energia acumulada para o interior através de sua face interna. A distribuição do calor pode ser potencializada por movimentos convectivos, ativados por aberturas localizadas nas zonas inferiores e superiores do muro, que conectam o espaço entre a superfície envidraçada e o muro com o ambiente interno.

Muro de Trombe

No muro de Trombe, o elemento de acumulação é constituído por uma parede feita com materiais de alta inércia térmica, orientada para o sul e pintada de um cor escuro para absorver melhor as radiações. Na parede estão adequadamente posicionadas aberturas de ar superiores e inferiores que podem ser abertas ou fechadas conforme a necessidade e, à distância, à frente de seu lado externo, é instalada uma superfície envidraçada que funciona como elemento captador.

Roof pond

Sistema isolado

O sistema a ganho solar isolado utiliza o calor gerado em um ponto distante do ambiente que se deseja aquecer, movendo-o em seguida por convecção natural ou forçada. A vantagem do uso deste último tipo é sua fácil adaptabilidade a edifícios existentes.

Ganho isolado

Tra os sistemas isolados, existem:

• coletores de ar com leito de pedras;
• chaminés solares Barra-Costantini;
• coletores solares de ar;
• estufas solares.

Coletores de ar com leito de pedras

Este sistema é particularmente adequado para edifícios unifamiliares ou edifícios de um ou dois andares. Os coletores de ar, posicionados externamente ao edifício, são inclinados e mais baixos, enquanto um leito de pedras sob o piso do térreo funciona como um volumoso acumulador de calor.

Não é geralmente recomendado para a reforma, mesmo para edifícios baixos, pois exigiria modificações significativas na estrutura do piso do térreo, se não a sua completa demolição. Isso poderia desencorajar a adoção do sistema, a menos que haja graves deficiências nos requisitos estáticos ou de conforto da base do edifício ou grandes alturas entre andares que poderiam ser reduzidas com a inserção da massa de acumulação e de um novo piso de calçada.

Chaminés solares

O sistema descrito prevê o uso de uma alvenaria isolada para o interior com um coletor envidraçado e uma placa metálica preta na cavidade que absorve calor e aumenta a velocidade do ar quente. O ar quente sobe, atravessa canais na partição horizontal, entra no ambiente interno, esfria liberando calor e retorna à cavidade.

Este sistema oferece desempenho superior ao de uma parede Trombe, mas a um custo de instalação maior. Esteticamente, requer atenção devido às amplas superfícies envidraçadas diante de elementos escuros. O fluxo de ar é controlado por comportas ou válvulas. No entanto, na construção residencial recente, com alturas mínimas entre andares, a adoção deste sistema é impraticável sem isenções.

Coletores solares de ar

Os coletores solares de ar são instalados ao longo do perímetro do edifício e aproveitam os movimentos convectivos naturais para facilitar a circulação do ar entre o coletor e os ambientes internos.

Estufas solares

As estufas solares (ou bioclimáticas) combinam as características do ganho direto com as de uma parede de acumulação. Funcionam como um sistema de ganho direto, pois são aquecidas diretamente pelos raios solares e o calor é transferido para o ambiente adjacente através de uma parede termo-acumuladora. A radiação solar é absorvida pela parede traseira da estufa, convertida em calor e uma parte dela é transmitida para o edifício.

O funcionamento de uma estufa bioclimática baseia-se no conceito do efeito estufa: utiliza-se a radiação solar para elevar a temperatura interna da estrutura.

Especificamente, a energia da luz visível atravessa o vidro que envolve a estufa, é absorvida pelos objetos contidos na própria estufa e depois reemitida com comprimento de onda maior (luz infravermelha) que não é transmitida para o exterior pelo vidro. O resultado é o aquecimento dentro da estufa.

Como uma estufa solar passiva apoia o aquecimento sustentável

Uma estufa solar apoia o aquecimento sustentável porque captura e armazena naturalmente o calor solar, reduzindo ou até eliminando a necessidade de aquecimento externo.

Feita predominantemente de material transparente como o vidro, tem a capacidade de maximizar a captação solar e, superada a superfície envidraçada, a radiação solar se transforma em calor, graças ao conhecido efeito estufa.

Aproveitando o efeito estufa, acumula a energia térmica durante o dia e a libera lentamente dentro da casa, por isso é útil inserir elementos massivos que acumulam o calor e depois o dispersam gradualmente no ambiente.

Elas são uma ferramenta de alta sustentabilidade porque são projetadas para se adaptar às diferentes estações:

• na estação invernal funcionam como um verdadeiro acumulador de calor, a radiação solar penetra através das superfícies envidraçadas, se transforma em calor e é retida internamente. A energia térmica absorvida durante o dia é liberada lentamente dentro da casa, por isso é útil inserir elementos massivos que acumulam o calor e depois o dispersam gradualmente no ambiente. Isso contribui para aquecer e iluminar a habitação de forma sustentável e a custo quase nulo;
• na estação estival, por outro lado, utilizam-se sistemas de sombreamento, vidros seletivos, brises ou aberturas para ventilação natural para impedir o superaquecimento interno e garantir a manutenção de um bom nível de conforto, favorecendo a troca de ar e aproveitando as correntes naturais.

Comparação entre sistemas solares passivos e ativos: principais diferenças

Um sistema ativo se diferencia de um sistema passivo pelo uso de dispositivos mecânicos ou tecnológicos que consomem energia, empregando, de fato, instalações e dispositivos mecânicos para coletar e transportar o calor.

As instalações mecânicas de um sistema ativo são responsáveis pela captação, armazenamento e distribuição da energia térmica, que desempenham suas funções de maneira independente em relação à forma e tecnologia da arquitetura propriamente dita.

Diferem dos sistemas solares passivos pelas seguintes especificidades:

• o sistema de captação, seja ele de água ou ar, é, geralmente, um componente modular (coletor solar), de produção industrial, composto por uma placa transparente (geralmente, vidro), por uma câmara de ar, por uma placa negra absorvente com uma camada isolante subjacente e por uma estrutura metálica que tem a função de manter os camadas mencionadas unidas;
• o sistema de distribuição é um verdadeiro circuito de instalação, de bombas e tubos (água) ou ventiladores e dutos (ar), que transporta o fluido para os terminais de troca térmica, que podem ser radiadores tradicionais ou serpentinas de baixa temperatura (no piso ou no teto), no caso de fluido água, ou ventiloconvectores ou aberturas de ventilação no caso de fluido ar.

Geralmente, os edifícios que incorporam soluções passivas em sua arquitetura não são autossuficientes: isso significa que não são capazes de garantir as condições de conforto do projeto durante todo o tempo.

Portanto, é necessário prever um sistema auxiliar para cobrir as necessidades e demandas que não podem ser atendidas passivamente.

Entre os principais sistemas ativos que aproveitam a energia do sol, podemos lembrar os coletores solares planos ou de concentração e os sistemas de armazenamento.

As vantagens do projeto solar passivo para a eficiência energética

O projeto solar passivo é mais do que um simples conceito: é uma abordagem holística que integra elementos arquitetônicos, materiais e ambiente natural para otimizar a energia solar para o aquecimento doméstico.

Durante o processo de projeto, é bom ter sempre em mente os pilares da arquitetura bioclimática e considerar:

1. o posicionamento das aberturas envidraçadas: é bom que não estejam obstruídas ou sombreadas por outros edifícios e que estejam orientadas para o SUL (dentro de 30°);
2. o inserção do absorvedor: o absorvedor é a superfície que cobre o elemento de armazenamento térmico e que absorve a luz transmitida e a transmite ao armazenamento térmico; pode ser, por exemplo, o revestimento de uma parede ou de um piso;
3. o inserção de um elemento com alta massa térmica: representa o material, abaixo do revestimento absorvedor da luz solar, que armazena o calor;
4. a distribuição do calor: é importante, durante a fase de projeto, considerar a forma como o calor circula e se distribui nos espaços. Condução, convecção e irradiação são os métodos de transmissão natural, mas isso pode ser facilitado também com o auxílio de ventiladores ou difusores;
5. o inserção de elementos de controle solar: cortinas, persianas e beirais são elementos utilizados para sombrear as superfícies envidraçadas durante os meses de verão.

Seção do edifício com elementos chave do design passivo

Uma concepção solar passiva precisa, acompanhada pelo uso inteligente dos materiais, permite:

• reduzir significativamente os consumos energéticos;
• reduzir as emissões de carbono;
• obter uma construção de qualidade superior;
• aumentar o conforto habitacional;
• melhorar a qualidade de vida.

FAQ sobre sistemas solares passivos

O que é a energia solar passiva?

A energia solar passiva é a utilização da radiação solar para aquecer ou resfriar um edifício sem sistemas mecânicos dedicados. Baseia-se na integração entre orientação, superfícies envidraçadas, massa térmica e sombreamentos, permitindo que a própria arquitetura capte, acumule e distribua o calor através de processos naturais.

O que são os sistemas solares passivos?

Os sistemas solares passivos são soluções arquitetônicas integradas no edifício que aproveitam a energia solar passiva para aquecer ou resfriar os ambientes sem o uso de sistemas mecânicos dedicados. Utilizam superfícies envidraçadas para captar a radiação solar, materiais de alta inércia térmica para acumular o calor e processos naturais como irradiação, condução e convecção para distribuí-lo dentro do edifício.

Seu funcionamento depende de uma correta orientação, de um dimensionamento adequado e da integração com elementos de controle solar, como sombreamentos e aberturas reguláveis.

Quais são os principais sistemas solares passivos?

Os sistemas solares passivos se classificam em três categorias principais com base na relação entre captação e utilização do calor:

• Ganho direto, onde a radiação entra diretamente no ambiente através de superfícies envidraçadas.
• Ganho indireto, onde o calor é acumulado em uma parede ou massa intermediária antes de ser liberado para o interior.
• Ganho isolado, onde a captação ocorre em um espaço separado e o calor é transferido posteriormente para o ambiente habitado.

Como funciona um sistema de ganho direto?

No sistema de ganho direto, a energia solar atravessa superfícies envidraçadas orientadas preferencialmente para o sul e é absorvida por paredes e pisos com alta massa térmica. O calor acumulado é então liberado gradualmente para o interior do edifício, contribuindo para o aquecimento natural dos ambientes.

O que é uma parede de Trombe?

A parede de Trombe é um sistema de ganho indireto constituído por uma parede maciça de alta inércia térmica, orientada para o sul e protegida por uma superfície envidraçada externa. A parede absorve a radiação solar, acumula calor e o libera para o interior, também através de movimentos convectivos regulados por aberturas superiores e inferiores.

Os sistemas solares passivos são suficientes para garantir o conforto durante todo o ano?

Geralmente não. Os edifícios que integram sistemas solares passivos não são completamente autossuficientes e necessitam de um sistema auxiliar para cobrir as necessidades energéticas nos períodos em que a contribuição solar não é suficiente para garantir as condições de conforto projetadas.

Qual é a diferença entre sistemas solares passivos e sistemas solares ativos?

Os sistemas solares passivos integram captação, acumulação e distribuição do calor diretamente na arquitetura do edifício e funcionam através de processos naturais. Os sistemas solares ativos, por outro lado, utilizam componentes de instalação como coletores modulares, bombas, ventiladores e circuitos de distribuição para coletar e transportar a energia térmica.