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La
calefacción solar por colectores de aire |
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La calefacción por
energía solar ha sido una de las aplicaciones que
más interés ha despertado en los últimos
tiempos. La calefacción de edificios requiere de
importantes cantidades de energía y y por lo tanto
de dinero. Es por ello por lo que ha suscitado gran interés
la idea de poder calefactar edificios través de la
energía gratuita y ecológica del Sol.
Sin embargo en invierno cuando
más se necesita la energía solar es cuando
menos llega ( causa por la que se produce el propio invierno)
Existen dos sistemas fundamentales
de calefacción que utiliza la energía solar,
aquel que emplea colectores de agua y aquel que emplea colectores
de aire. El método que mejores resultados ha mostrado
hasta ahora ha sido el que emplea aire, debido a que este
tipo de instalaciones ofrece ciertas ventajas con respecto
a las instalaciones que utilizan agua.
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Características
de las instalaciones solares de calefacción por aire
en comparación de las de agua. |
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La
primera y principal diferencia entre ambos sistemas radica
en la sustancia que hace de fluido transportador de calor
y sus diferentes propiedades físicas
El agua presenta ciertas ventajas en cuanto a su capacidad
para transportar calor. Ya que puede llevar hasta 5 veces
más calor por unidad de masas que el aire ( Su calor
especifico es de 1 cal/gr frente a la del aire que es de
0.24 cal/gr) Por otro lado la densidad del agua es también
mayor que la del aire siendo de 1000 kg/ m3 frente a los
1,225 kg /m3 ( valor para aire seco a nivel del mar a temperatura
de 15 grados a presión atmosférica estándar).
De acuerdo con estos datos, significa que necesitaremos
aproximadamente 3 400 veces más volumen de aire que
de agua para transportar la misma cantidad de calor.
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Esquema comparativo del
volumen de agua y aire necesario para transportar una misma
cantidad de energía calorífica |
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Sin embargo el aire presenta
determinadas ventajas con respecto al agua para las instalaciones
de calefacción por energía solar. Por un lado
es inmune al congelamiento y a la ebullición por lo
que se hacen innecesarios determinados dispositivos y estrategias
que se adoptan en las instalaciones de agua para evitar estos
nocivos efectos. Además, al trabajar en circuito abierto
con la atmósfera, no existen problemas de fugas.
Las instalaciones solares por
aire son más sencillas y simples que las de agua. Dado
que la finalidad última de la calefacción es
calentar el aire resulta mucho más sencillo que el
fluido que se hace pasar por los colectores solares sea directamente
el aire que se quiera calentar por lo que sólo se hace
necesario los colectores, los conductos y un aerocirculador.
Las instalaciones de calefacción
por agua requieren en cambio de otros muchos elementos. Dado
que la instalación esta expuesta a sufrir de bajas
temperaturas nocturnas, se hará necesario un circuito
primario con agua y anticongelante que evite la congelación
en los colectores y la ruina de éstos. Al tener un
elemento tóxico como es el anticongelante se hace necesario
instalar un circuito secundario, con su respectivo intercambiador
de calor, que comunique con el depósito acumulador
de agua. Las instalaciones de calefacción solar por
agua caliente sólo son efectivas en combinación
con suelo radiante, con lo que se requiere una instalación
compleja que ha de ser tenida en cuenta en el momento de la
construcción del edificio. En cambio las instalaciones
de calefacción por aire son posibles de realizar en
edificios ya construidos.
La calefacción, al requerir
importantes cantidades de energía, obliga a la instalación
de un número significativo de colectores. En las instalaciones
de agua estas grandes áreas captadoras plantean importantes
problemas al llegar el verano, ya que la energía que
se capta es mucho mayor que en invierno, y la demanda nula,
con lo que contaremos con un gran excedente de calor que si
no es convenientemente tratado, puede arruinar la instalación.
Esto no ocurre con los colectores de aire ya que son inmunes
al exceso de calor.
Si la única finalidad
de una instalación de energía solar por agua
es la calefacción, entonces resulta más interesante
hacerla de calentamiento de aire. En cambio sí es interesante
realizar una instalación de agua que englobe obtención
de agua caliente sanitaria, apoyo a calefacción en
invierno y que en verano emplee el gran exceso de producción
de agua caliente en la climatización de una piscina.
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Elementos
que componen las instalaciones de calefacción solar de
aire. |
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Los
colectores
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Exteriormente
no es posible distinguir un colector de aire de uno de agua
ya que ambos están montados sobre caja y cuentan con
un vidrio para provocar el efecto invernadero.
Es en el absorbedor donde se
encuentran las mayores diferencias. En los colectores solares
de aire el absorbedor presenta una forma rugosa y carece de
la clásica parilla de conductos de los colectores de
agua. El aire circula libremente por la superficie del absorbedor
recogiendo el calor que éste transforma. Por otro lado
partiendo de que los conductos de aire son más grandes
que las tuberías de agua debido a la distinta naturaleza
en la fluidez de ambos elementos, la entrada y la salida del
colector son también más grandes en los colectores
de aire que en los de agua.
Al ser una aplicación
poco difundida hasta ahora, no existe un modelo estandarizado
de colector solar de aire, realizando cada fabricante su propio
modelo. Por la misma razón, no existen pruebas oficiales
que midan el rendimiento de estos colectores, existiendo diversas
concepciones en cuanto a su rendimiento. Mientras algunos
le otorgan valores de hasta el 90 % otros afirman que su rendimiento
es en un 10 % inferior a los colectores de agua para cualquier
temperatura e intensidad de la radiación. Gran parte
del resultado en el rendimiento depende del caudal de aire
que le suministre cada diseñador. Hasta que no existan
unas pruebas específicas para los colectores de aire
de igual modo de los que existen para los colectores de agua,
no se podrá realizar una correcta comparación
entre ambos modelos.
Existen distintos tipos de
colectores en función de la forma en que está
dispuesto el absorbedor y los vidrios, entre los que podemos
destacar:
Colector simple
de circulación delantera.- La placa absorbedora
se encuentra al fondo de la caja, sobre el aislante y la circulación
del aire se realiza entre el vidrio y la placa. Es en principio
el modelo que menor rendimiento tendría.
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Colector
de placa intermedia-
En este modelo la placa se encuentra situada en medio de la
caja, realizándose la circulación de ida por
detrás y la de retorno por delante del absorbedor o
viceversa. |
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Colector
de placa intermedia con doble vidrio-
Modelo sugerido por algunos fabricantes en el que el absorbedor
aparece agujereado circulando el aire libremente entre los
espacios por delante y por detrás del absorbedor. Se
asegura que para lograr eficiencia es necesario dotarle de
un doble cristal y que se mantenga una cámara aire
estanco entre ellos. |
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Colector de circulación
trasera- En
ellos el absorbedor se dispone también en una altura
intermedia dentro de la caja, con la diferencia de que la
circulación se realiza exclusivamente por detrás
de ella existiendo en el espacio entre el absorbedor y el
vidrio una cámara de aire estanco. Como se comentó
para el modelo anterior, según algunos fabricantes,
para que los colectores de aire sean eficientes, es necesario
dotarlos de una cámara de aire estanca.
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Colector
de aire sin vidrio-
Estos son simplemente una plancha de metal negro mate toda
ella calada con pequeños agujeros colocada sobre un
muro. El aire calentado por éste es absorbido por un
aerocirculador y llevado al interior del edificio. Es un modelo
también encuadrable dentro de la arquitectura solar
pasiva. |
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Aerocirculador
y conductos de aire |
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Los
aerocirculadores y los conductos de aire son los mismos que
los empleados en ventilación, Es conveniente que los
conductos aparezcan aislados térmicamente para evitar
pérdidas de calor, sobretodo en los tramos externos al
edificio. Para su correcto dimensionado es recomendado contar
con gente capacitada para ello. |
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Elementos
automatizados de control |
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Es
importante disponer de elementos que paren o activen la instalación
en función de la presencia o ausencia de la radiación
solar sobre los colectores y de la temperatura del aire en
el interior del edificio. De esta manera se evita hacer funcionar
el aerocirculador en momentos que no hay Sol o seguir forzando
aire caliente en momentos en que la temperatura en el interior
del edificio y en los elementos acumuladores ya es la requerida.
Los elementos de regulación son similares a los empleados
en las instalaciones térmicas de agua y aire convencionales
y constan básicamente de unos sensores térmicos
adecuadamente dispuestos en colectores, acumuladores e interior
del edificio y de un termostato diferencial que activa o paraliza
el aerogenerador en función de la información
recibida desde los sensores.
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Modelos
de instalaciones: |
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De
acuerdo a la configuración de los distintos elementos,
podemos encontrar tres modelos básicos de instalaciones:
- Instalación
por termosifón: Aquella que emplea para lograr
la circulación del aire la propiedad natural del aire
de ascender cuando se calienta desplazando en ese movimiento
al aire frío. El colector se sitúa en vertical
sobre la superficie externa del muro. De esa manera el aire
calentado en el colector asciende y entra al edificio y el
espacio dejado por este es remplazado por aire frio proveniente
del edificio. Para poder realizar este diseño, es preciso
contar con una fachada de orientacion al ecuador sobre el
que colocar los colectores, donde no se proyecten sombras. |
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-
Instalación con ventilación forzada-
Su funcionamiento es básicamente igual al modelo anterior
solo que en este caso se emplea un extractor para hacer más
eficiente la circulación del aire. Los requisitos son
los mismos que en el caso anterior. |
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-
Con colectores independientes y circulación forzada-.
En este modelo de instalación, los colectores se hacen
independientes al muro pudiéndose colocar en tejados
o sobre el suelo en lugares de condiciones favorables. Así
una toma de aire del interior de la casa se dirige hacia los
colectores por medio de un aerocirculador donde se calienta
para volver a llevarlo al interior de la casa. Es importante
que la toma de aire se coloque lo más cercana posible
al suelo ya que solo se calentara el espacio de habitación
que va desde la toma de aire hasta el techo. Este tipo de
instalaciones son las mas complejas de realizar, necesitándose
de personal cualificado y de empresas con experiencia para
poder llevarlas a cabo. |
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Suelo radiante por aire caliente-.
En este modelo se emplea el aire calentado por energía
solar por el modelo anterior para hacerlo circular por conductos
bajo el suelo desde donde se irradia el calor al aire del
interior del edificio. Este modelo de instalación
necesita ser realizado desde la construcción de la
casa, ya que resulta excesivamente caro instalarlo una vez
construida la casa.
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En las instalaciones de energía
solar, dada la naturaleza de la radiación solar que
sólo llega a la tierra en determinados momentos,
no siempre uniformes y rara vez coincidente con la demanda
energética, es recomendable contar con un elemento
de acumulación que almacene la energía para
los momentos en que no la proporciona el Sol. Existe un
cierto debate sobre la naturaleza de cómo debe ser
la acumulación en este tipo de instalaciones que
nos ocupa. Entre los distintos modelos de acumulación
destacan:
Acumulación
en pilas de cantos rodados- En este modelo el acumulador
está conformado por una tina con cantos rodados o
grava en su interior. Es en estas piedras donde se almacena
el calor que pasa al ambiente cuando la temperatura del
aire baja. Existen dos utilizaciones de este modelo de acumulador;
la que fuerza el aire a través de la tina y aquella
que la emplea como masa térmica sin que el aire pase
directamente por las piedras.
Acumulación
de las paredes del edificio como elemento de acumulación-
Algunos profesionales de este tipo de instalaciones proponen
los muros, el suelo y los componentes de mobiliario del
interior del propio edificio como elemento de acumulación,
para que hagan de masa térmica. Señalan que
el forzar el aire a través de la tina de piedras
es excesivamente difícil de controlar dado lo complicado
de la circulación del aire maximizado por lo irregular
de la disposición y de las superficies de las piedras.
Todo ello complica el correcto dimensionado del aerocirculador.
Acumulación
en conductos masivos en suelo radiante- En el diseño
de suelo radiante por aire caliente, se instalan unos conductos
masivos que acumulan el calor procedente del aire caliente
haciendo de masa térmica y liberándolo cuando
la temperatura del aire desciende.
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