La calefacción solar por colectores de aire

La calefacción de viviendas con energía solar ha sido una de las aplicaciones que más interés ha despertado en los últimos tiempos. Hacerlo empleando exclusivamente aire es una opción aún muy poco usada pero con un potencial enorme

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.

Características de las instalaciones solares de calefacción por aire en comparación de las de agua.

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.

comparacion almacenamiento calor aire agua

Esquema comparativo del volumen de agua y aire necesario para transportar una misma cantidad de energía calorífica

 

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 sus 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.

Elementos que componen las instalaciones de calefacción solar de aire.

Los colectores

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 parrilla 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.

esquema colector solar aire colector1

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.

esquema colector solar aire colector2

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.

esquema colector solar aire colector3

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.

esquema colector solar aire colector4

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.

esquema colector solar aire colector5

Aerocirculador y conductos de aire

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.

Elementos automatizados de control

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.

Modelos de instalaciones:

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 frío proveniente del edificio. Para poder realizar este diseño, es preciso contar con una fachada de orientación al ecuador sobre el que colocar los colectores, donde no se proyecten sombras.

esquema colector solar aire termosifon

 

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.

esquema colector solar aire forzado

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.

colectores en el techo

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.

esquema colector solar aire suelo radiante

La acumulación de calor.

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.

 

Deja un comentario

Tu dirección de correo electrónico no será publicada. Los campos necesarios están marcados *


dos + = 9