Aprovechamientos térmicos de la Energía Solar
El aprovechamiento térmico de la energía
solar se basa en el calentamiento provocado por la radiación solar. Este
proceso puede ser potenciado en los propios criterios de diseño de las
edificaciones o a partir de la instalación de sistemas activos añadidos y
controlados por aplicaciones concretas.
Energía térmica: "Sistemas activos y Sistemas pasivos".
Los sistemas activos están formados por
elementos de captación, acumulación, transformación y distribución de la
energía solar que varían en función de la tipología y finalidad a que van
destinados.
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| Esquema sistema solar activo |
A diferencia de la fotovoltaica (para la
producción de electricidad) en la energía solar térmica no hay conversión
energética en otras formas diferentes a la pura transferencia de calor.
La energía solar térmica consiste en el
aprovechamiento de la radiación solar en forma de calentamiento (energía
calorífica) a los captadores solares, sean del tipo que sean, por efecto de la
absorción de las superficies captadoras.
Las aplicaciones de energía solar
térmica se pueden clasificar en tros grandes tipologías en función de la
temperatura de trabajo del campo de captación.
·
Baja
temperatura (donde los captadores trabajan por debajo de 100ºC)
·
Media
y alta temperatura (donde los captadores trabajan entre los 100 y 350ºC)
·
Alta
temperatura (donde los captadores trabajan por encima de los 350ºC)
En estos
apuntas nos centramos en las aplicaciones a baja temperatura y de entre ellas
las que utilizan captadores con agua como líquido caloportador por la
transferencia energética. A continuación haremos una breve descripción de estas
aplicaciones y posteriormente nos centraremos en la producción de agua caliente
que es la utilización más extendida.
Climatización de piscinas:
La mayoría de
las piscinas descubiertas se utilizan durante unos pocos meses al año debido a
la baja temperatura del agua.
Una forma
eficiente, económica y limpia de calentar el agua de las piscinas para alcanzar
temperaturas agradables, es mediante la energía solar. Con la utilización de
captadores solares se puede conseguir aumentar la temperatura del agua de
manera que se alcancen los 23°C – 28ºC (rango de confort). La energía solar es la
fórmula admitida por el RITE, Reglamento de Instalaciones Térmicas en los
edificios a través de la ITE 10.2, que al mismo tiempo prohíbe la utilización
de energías convencionales para esta aplicación.
Instalación solar para el calentamiento de una piscina descubierta:
Las
instalaciones de climatización de piscinas con energía solar utilizan una
tecnología muy sencilla, comprobada en multitud de instalaciones repartidas por
toda Cataluña. La gran fiabilidad y durabilidad de estos sistemas, la casi nula
necesidad de mantenimiento y el hecho que aprovechen una fuente energética
gratuita son las razones que hacen de este un sector en fuerte crecimiento.
El hecho que
las temperaturas de trabajo sean bajas y la época del año de uso muy favorable
hace posible que los captadores empleados en el calentamiento de piscinas sean el modelo más sencillo del
mercado, captadores planos no vidriados.
Un sistema
formado por unos captadores con únicamente un absorbedor (polipropileno,
caucho, etc.) Qué permiten el paso por
su interior del agua de la piscina, intercalados en el circuito de los filtros
de depuración y algunas válvulas de regulación, consiguen aumentar la
temperatura hasta el punto óptimo confortable. Una fórmula a menudo empleada es
la de crear un circuito cerrado en los captadores con intercambio de calor a la
piscina, bien sea a través del agua de filtrado o mediante un suelo radiante.
La superficie
de captación necesaria va en función de la superficie de la piscina a calentar,
dado que es por la superficie por donde el agua intercambia la mayor cantidad
de calor con el medio. En nuestras
latitudes hay que montar captadores con una superficie
aproximadamente del 30 % aumentando hasta al 50 % de la de la piscina. En función de si la instalación está en una zona
más o menos fría y de la temporada de baño que se desee cubrir.
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| Esquema sistema climatizador de piscina |
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| Climatizador piscina |
Mantenimiento:
El
mantenimiento de este tipo de instalación se reduce normalmente a labores muy
Sencillas que realiza el propio usuario: limpieza de los captadores,
verificación del correcto funcionamiento de las válvulas y vaciado del circuito
de placas en invierno en caso de riesgo de heladas si se utiliza el circuito
directo.
El coste de
estos equipos puede oscilar en función del tipo de montaje que se haga y varía
principalmente en función de dos parámetros (ubicación de captadores y sistema
de regulación). A título orientativo el coste para una piscina de 25 m2 puede estar entre 1.000 y 3.000 dolares.
En el caso de
piscinas cubiertas, de uso continuo durante todo el año, o de piscinas públicas
con muchos usuarios, generalmente se utilizan sistemas más complejos que
combinan aplicaciones y que incorporan otras fuentes energéticas de apoyo de
energía para el calentamiento de la piscina cubierta es suministrado por el sol.
Prácticamente todas las ordenanzas solares municipales aprobadas incorporan la
obligación que la energía solar suponga al menos un 60 % del consumo energético
de climatización de piscinas cubiertas con más de 100 m3 de volumen de vaso.
Producción de agua caliente sanitaria (ACS):
La producción
de agua caliente sanitaria es la aplicación de la energía solar térmica más
extendida, dada su utilización constante a lo largo del año y buena
rentabilidad. Al tratarse de un consumo regular al largo del año a una
temperatura media (38 – 45 C), la producción de ACS (agua caliente sanitaria)
es muy compatible con el aprovechamiento de la radiación solar.
La tecnología
más empleada en esta utilización gira entorno del llamado captador de placa
plana, formado por un absorbedor (generalmente una parrilla de tubos de cobre
con aletas soldadas) dentro de una caja estanca y aislada con una cubierta de
vidrio que produce en su interior el efecto invernadero. Estos captadores, a
diferencia de los de piscina trabajan a temperaturas superiores a las
ambiéntales llegando con facilidad a los 60 – 70 C.
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| Colector solar plano |
Las
temperaturas alcanzadas por los captadores permiten almacenar la energía
captada en acumuladores de agua caliente que después es suministrada a los
consumos cuando es requerida. Un buen aislamiento del acumulador así como de
las tuberías permite conservar el calor durante la noche, disfrutando de agua
caliente sin sol.
Actualmente
se instalan captadores solares para la producción de agua caliente en multitud
de situaciones: viviendas unifamiliares, bloques comunitarios, centros de
deporte, edificios sanitarios, industrias, etc.
En viviendas
unifamiliares se pueden utilizar los llamados “compactos”, que consisten en un
único equipo formado por captadores, acumulador y la valvulería necesaria.
Estos equipos son la manera más sencilla y económica de producir agua caliente
ya que tan solo hay que colocarlos y conectarlos a la toma de agua.
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| Esquema ACS |
Las
instalaciones solares con captadores planos no tienen límite por lo que se
refiere a las dimensiones, dado que es un sistema modular que permite
ampliaciones y/o modificaciones añadiendo más captadores y/o volumen de
acumulación.
Como valor
orientativo, una familia de cuatro miembros que tenga un consumo medio de agua
caliente necesita un equipo formado por 2 a 4 m2 y un acumulador de entre 150 Litros y
300 Litros. Este equipo proporcionará aprox.
Un 70 % del consumo de ACS anual. El resto del consumo es subministrado por
un sistema convencional de apoyo.
Las
instalaciones solares para la producción de agua caliente con el sol tienen
actualmente una buena relación precio/calidad/servicio, ya que permiten la
reducción de una parte muy importante del consumo energético convencional, que
puede significar un ahorro económico significativo.
Apoyo calefacción:
La
calefacción de una vivienda presenta peculiaridades que hacen qué resulte
posible, técnicamente, producir con energía solar, pero requiere de un análisis
más complejo que los casos anteriores.
En primer lugar hay que destacar la estacionalidad del consumo (invierno) que reduce el tiempo de aprovechamiento, por otro lado, la gran demanda puntual que se puede necesitar (puntas de consumo) y finalmente el sistema de emisores utilizado para calentar las habitaciones.
En lo que se
refiere a la estacionalidad de la demanda, provoca una baja utilización anual
del sistema solar, ya que tan solo funcionará a pleno rendimiento los meses de
invierno (2 o 3 meses en la franja costera y hasta 8 meses en la Cataluña
Central y Pirineos). Esta característica es puede minimizar dimensionando la
instalación para cubrir tan solo una pequeña parte de la calefacción (15 – 25
%) y dedicando el sistema durante el resto del año a la producción de agua
caliente sanitaria. El resto de necesidades para calefacción es proporcionada
por una caldera convencional de apoyo.
Una
instalación aún mejor adaptada sería aquella que combinase calefacción en
invierno con calentamiento del vaso de una piscina en verano y la producción de
ACS durante todo el año. Un equipo con estas prestaciones podría llegar a
cubrir el 60 % de todo el consumo energético para uso térmico de un edificio
residencial.
En lo referente a las puntas de consumo, el equipo solar
se dimensiona siempre teniendo en cuenta unas necesidades energéticas medias,
cubriéndose los déficits puntuales con una mayor aportación del sistema
convencional de apoyo.
Dado que los
captadores solares planos, tecnología empleada en la mayoría de instalaciones
solares para calefacción, trabajan con temperaturas bajas, es importante que el
diseño de la calefacción del edificio esté pensado para transmitir el calor a
este rango de temperatura.
En estos
casos los sistemas más empleados son:
· Suelo
radiante: Consistente en unos circuitos de tubería de material plástico
soterrada en el forjado del edificio.
· Radiadores
sobredimensionados: con un 50 % más de superficie del requerido para trabajar
con calderas a 80ºC
· Convectores
“fan-coil”: Ciclo convectores que emiten aire caliente a través de su paso por un serpentín.
Para mejorar
la eficiencia del sistema y la aportación solar hay que tener algunos criterios
en el momento de diseñar y construir la calefacción de una vivienda:
1.
diseño
arquitectónico adaptado a la zona geográfica
2.
aislamiento
del exterior y sistema de ventilación adecuados a la normativa
3.
buen sistema
de control y gestión de las temperaturas en función de la utilización de cada
estancia, la franja horaria y la climatología reinante.
4.
correcta
selección de los circuitos hidráulicos y de la regulación del caudal
(equilibrado).
5.
incorporar la
energía solar siempre a la zona de temperaturas más bajas del circuito para
optimizar el rendimiento de los captadores.
6.
emplear el edificio
como acumulador de calor (aumentando la masa térmica).
La denominada
arquitectura bioclimática busca un óptimo aprovechamiento de las condicionas
climáticas y de los recursos naturales existentes en cada emplazamiento, en
especial la energía solar incidente y los vientos predominantes, de hecho, a
menudo se denominada como energía solar pasiva.
Si un
proyecto contempla el máximo aprovechamiento de los recursos climáticos de la
zona y utiliza un sistema de baja temperatura como sistema de emisión de la
calefacción, la utilización de captadores solares puede cubrir una parte muy
importante del consumo.
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| Esquema suelo radiante |
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| Suelo radiante más radiadores |
Climatización de espacios:
La
combinación del sistema solar con una máquina de absorción está siendo
experimentada de forma satisfactoria, abriendo la posibilidad de dar servicio a
un mercado cualitativamente diferente y cuantitativamente importante. En estas
aplicaciones se da la plena coincidencia entre la demanda energética y la época
del año de máxima insolación, el verano. Las temperaturas de trabajo de las máquinas
de frío superiores a 80ºC, prácticamente obligan a emplear captadores de
concentración del tipo CPC o tubos de vacío.
Existen
oportunidades de aplicación de la energía solar térmica en sectores como los de
la industria y servicios para precalentamiento de fluidos, de secado, etc. En
cada caso las condicionas de operación marcan la tecnología más adecuada así
como el sistema a emplear y el ahorro producido que, en general, suele llegar a
cotas muy elevadas llegando a alcanzar plazos de regreso de inversión
sorprendentemente cortos.
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| Captadores solares |
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