Tipos de termotanques solares para agua caliente sanitaria (ACS)

Introducción: 

El agua caliente constituye un consumo energético importante en una casa teniendo diversos usos como la higiene personal y la limpieza de la casa. A nivel internacional existen algunos estudios de medida de este consumo. En general se considera que un consumo medio típico es del orden de los 40 a 50 litros por día y por persona. En los países en desarrollo este consumo constituye entre el 30 y el 40% del consumo de energía de un hogar, este porcentaje es mayor que en los países desarrollados, donde el consumo de energía para producir agua caliente sanitaria (ACS) se supone del 26% del consumo total de la vivienda. Pero, en general, a nivel mundial, se ha convertido en el segundo uso energético doméstico más importante después de la calefacción y la refrigeración. Por esta razón, el calentamiento de agua mediante energía solar, más allá de ser una alternativa ecológica, se ha convertido en una tecnología económicamente atractiva y competitiva en muchos países. En los últimos años se está produciendo un aumento notable de instalaciones de energía solar térmica en el mundo; los avances tecnológicos permitieron la fabricación de sistemas de mejor calidad y a menor costo y la sociedad está entendiendo la necesidad de sustituir los combustibles fósiles.

En Argentina el uso de colectores solares con este fin es muy bajo en contraste con otros países como los europeos y China Para calentar agua a temperatura media, para calefacción de espacios y para procesos industriales, las aplicaciones más utilizadas son los colectores planos, en los cuales el área de la superficie absorbedora es la misma que el área total del colector; o tubulares, en los que el absorbedor se encuentra dentro de un tubo de vidrio al vacío. Estos últimos pueden incluir, ya sea dentro o fuera del tubo, espejos cilindro-parabólicos para centrar la energía solar en el absorbedor. Temperaturas de 40 a 70°C son alcanzadas fácilmente por los colectores planos; el uso de superficies selectivas y reflectores junto a la retención de calor, hace que los colectores de tubos de vacío alcancen temperaturas significativamente más elevadas. Un colector necesita ser seleccionado cuidadosamente de acuerdo a la temperatura del fluido que debe proporcionar, para la aplicación prevista y de acuerdo al clima del lugar en el cuál va a estar emplazado. Un colector diseñado para aplicaciones en las que se necesitan fluidos a alta temperatura no resulta más eficiente cuando operan a bajas temperaturas.

Tipos de colectores solares:

• Colectores de placa plana con cubierta.
• Colectores concentradores parabólicos compuestos estacionarios.
• Colectores de placa plana sin cubierta.
• Colectores de tubo de vacío.

Colectores de placa plana con cubierta:

Los colectores de placa plana son los más utilizados para calentar agua en los hogares y para los sistemas de calefacción. Un colector de placa plana se compone básicamente de una caja metálica con aislamiento, una cubierta de vidrio o de plástico (la ventana) y de una placa absorbedora de color oscuro. La radiación solar es absorbida por la placa que está construida de un material que transfiere rápidamente el calor a un fluido que circula a través de tubos en el colector. Este tipo de colectores, calientan el fluido que circula a una temperatura considerablemente inferior a la del punto de ebullición del agua y son los más adecuados para aplicaciones donde la demanda de temperatura es de 30-70 °C. Son los más utilizados para calentar agua en sistemas domésticos y comerciales y en piscinas cubiertas. Un colector de placa plana consiste en un absorbedor, una cubierta transparente, un marco, y aislación. La cubierta  transmite una gran cantidad de la luz de onda corta del espectro solar y al mismo tiempo, sólo deja pasar muy poca radiación de onda larga (calor emitido por el absorbedor) produciendo un efecto invernadero. Además, la cubierta transparente evita que el viento y las brisas se lleven el calor colectado (convección). Junto con el marco, la cubierta protege el absorbedor de las condiciones meteorológicas adversas. Normalmente, el marco está fabricado de materiales de aluminio y de acero galvanizado, también se utiliza plástico reforzado con fibra de vidrio. La aislación en la parte posterior del absorbedor y en las paredes laterales reduce las pérdidas de calor por conducción. Esta aislación es por lo general de la espuma de poliuretano, lana mineral, fibra de lana de vidrio, etc. Estos colectores demostraron poseer una muy buena relación precio/calidad y tienen una amplia gama de posibilidades para su montaje.

Colector solar placa plana - corte

Termotanque solar placa plana 

Colectores concentradores parabólicos compuestos estacionarios:

Su funcionamiento e instalación es exactamente la misma que los colectores de placa plana convencionales. Estos colectores poseen un sistema de concentración de radiación solar tipo Concentradores Parabólicos Compuestos, para obtener temperaturas más elevadas y un mayor rendimiento. Estas características se deben a que el área de pérdidas es menor al área de colección logrando una minimización de las pérdidas y alcanzando un rendimiento cercano al 50%. Son colectores concentradores, de alto rendimiento y alta calidad, de patente portuguesa.

Concentrador solar 

Colector - Concentrador

Colector de placa plana sin cubierta:
 

Este tipo de colectores, sencillos y baratos, consisten en un absorbedor pero carecen de la cubierta transparente. No incluyen ningún aislamiento adicional, de manera que la ganancia de temperatura queda limitada a unos 20°C sobre la del aire del ambiente, son los más adecuados para aplicaciones de baja temperatura. Actualmente, son utilizados para la calefacción de piscinas al aire libre, pero existen otros mercados, incluidos los de calefacción de temporada en las piscinas cubiertas, calefacción de agua para lavar coches, y calefacción del agua utilizada en piscicultura. También existe un mercado potencial de estos colectores para calentamiento de agua en lugares remotos, como campamentos de verano. Los absorbedores de estos colectores son generalmente de plástico negro tratado para resistir la luz ultravioleta, o están construidos por tubos de metal o plástico recubiertos de pigmentos ennegrecidos por los que circula el agua. Dado que estos colectores no tienen cubierta, una gran parte de la energía solar absorbida se pierde principalmente por convección.

Colector plano sin cubierta 

Colectores de tubos de vacío:

Estos colectores se componen de un conjunto de tubos de vacío (o evacuados) cada uno de los cuales contienen un absorbedor el cual recoge la energía solar y la transfiere a un fluido portador. Gracias a las propiedades aislantes del vacío, las pérdidas de calor son reducidas y pueden alcanzarse temperaturas en el rango de 77 °C a 177 °C. De esta manera, este tipo de colectores resultan particularmente apropiados para aplicaciones de alta temperatura. Por su forma cilíndrica, aprovechan la radiación de manera más efectiva que los colectores planos, al permitir que los rayos de sol incidan de forma perpendicular sobre los tubos durante la mayor parte del día. Estos colectores son hasta unos 30% más eficientes que los colectores planos, pero son bastante caros, por unidad de superficie suelen costar aproximadamente el doble que un colector de placa plana. En los últimos años la China ha perfeccionado la construcción de este tipo de colectores a precios competitivos con los colectores planos y ha entrado a competir con éxito en el mercado mundial. En la actualidad la China está produciendo el 70 % de los colectores usados a nivel mundial. Están bien adaptados para aplicaciones industriales de calefacción y también puede ser una alternativa eficaz a los colectores de placa plana para la calefacción doméstica, especialmente en regiones donde hay poca radiación. La técnica de vacío utilizada por los fabricantes de tubos fluorescentes, entre otros, se ha desarrollado hasta el punto de hacer rentable la producción en masa y la comercialización de sus equipos. Mediante la aplicación de esta tecnología, ha sido posible la construcción de los colectores solares de vacío que se comercializan en la actualidad. Debido a sus características geométricas, reciben el nombre de colectores de tubos de vacío. Existen dos tipos de colectores tubulares de vacío, según sea el método empleado para el intercambio de calor entre la placa y el fluido calo-portador:

Termotanque de tubo de vacío 

• De flujo directo.
• De flujo indirecto (heat pipe).

De flujo directo:

En la pared interior del tubo evacuado se sitúa una capa de color oscuro de material absorbente. Cuando la radiación solar incide sobre la capa de material absorbente se transforma en calor y eleva la temperatura del agua que está en contacto con él.

El agua calentada se eleva por convección y comienza a ascender siendo reemplazada por agua fría que a su vez se calienta y reinicia el proceso.

Este tipo de tubo de vacío. Ofrece la ventaja de tener las ya comentadas escasas pérdidas de calor y los inconvenientes de ser muy sensible a la presión y de no ofrecer ninguna protección contra las bajas temperaturas no siendo posible su utilización en zonas con inviernos fríos sin la inclusión de un calentador eléctrico que caliente el agua del depósito cuando esta alcanza temperaturas muy bajas.

En caso de baja temperatura la dilatación del agua al congelarse puede reventar los tubos y arruinar el equipo.

Sistema de tubo de vacío directo 

De flujo indirecto (heat pipe):

Gracias a esta nueva tecnología, los colectores solares pueden alcanzar mayor rendimiento que los colectores planos, ya que se reducen las pérdidas de calor que se producen por convección y conducción entre la superficie captadora y el cristal exterior a través del aire existente entre ellos.

Su tecnología y diseño los convierten en los colectores de mayor rendimiento del mercado. 

Los Tubos de vacío cuentan con la tecnología Heat Pipe, una tecnología muy avanzada que permite controlar la sobre temperatura y por lo tanto, dar un mayor rendimiento

La radiación incide sobre la superficie del tubo. El Heat Pipe absorbe el calor que transmite al fluido caloportador, el cual se evapora y sube hasta el intercambiador de calor, donde cede el calor al agua de consumo y baja por el tubo para empezar el ciclo.

La forma redonda de los tubos y la separación entre ellos, permite que el viento pueda circular libremente entre los tubos.

La creciente demanda, la experiencia y las nuevas tecnologías de fabricación de los tubos de vacío a nivel mundial, han permitido que en la actualidad, los colectores de tubo de vacío sean más económicos que los tradicionales colectores planos.

Sistema de tubo de vacío indirecto (heat pipe) 

Sistema heat pipe 

Algunas ventajas:

• Por su ligero peso y su estructura modula, son muchos más sencillos de instalar en tejados inclinados. 
• Se monta la ligera estructura y luego los tubos. Si uno se daña, solo se cambia ese tubo y no todo el conjunto. 
• Debido a la forma redonda de los tubos y a la separación entre ellos, el viento puede circular libremente entre ellos haciendo estos colectores más resistentes a los vientos fuertes, especialmente cuando se montan en azoteas planas.  Además, la nieve no se acumula tanto como en los colectores planos. Son más limpios ya que acumulan menos polvo y suciedad. 
• Al tener pérdidas mínimas por convección o conducción, alcanzan temperaturas elevadas y permiten su utilización en calefacción por suelo radiante o radiadores.

¿Cuál termotanque debo elegir?

Si estas en el mercado buscando un calentador de agua solar, tendrás que hacer una investigación para encontrar el producto adecuado para tus necesidades. Al evaluar tus opciones, es importante tener una idea clara de qué tipo de sistema necesitas. Antes de seleccionar un calentador de agua solar, tendrás que tener en cuenta tu estilo de vida, la zona climática, el presupuesto y las metas de impacto ambiental.

Algunas preguntas para hacerte antes de elegir un colector solar:

¿Cuánta agua caliente se necesita generar?

El estilo de vida tiene un impacto importante en qué tan efectivo será el calentador de agua solar. Si tienes una familia grande y una gran demanda de agua caliente, especialmente durante el día, un sistema activo con un colector más grande probablemente cumplirá con las necesidades de tu familia.

Por otro lado, si tu hogar está formado por solo una o dos personas y las actividades como lavar la ropa son poco frecuentes, un colector más pequeño p pasivo podría ser mejor.

¿En dónde vives?

La mayoría de los sistemas se configuran en base a la producción esperada de agua caliente para un clima específico. En las zonas soleadas y cálidas, una enorme cantidad de agua caliente se puede generar mediante un sistema relativamente pequeño. En las regiones más frías, se requerirá un colector más grande, y un sistema activo puede ser necesario para satisfacer las necesidades de agua caliente de la casa.

También es importante saber si existe un riesgo de congelación potencial para el sistema. Si vives en una zona fría, es posible que tengas que seleccionar un sistema que controle automáticamente la temperatura para reducir el riesgo de una fractura de la tubería en el colector.

¿Cuál es tu presupuesto?

El agua calentada con energía solar no tiene por qué ser cara. Cuando se compara con paneles solares fotovoltaicos, los calentadores de agua solares tienen un retorno mucho más rápido de la inversión y son mucho más accesible. Por solo unos cientos de dólares, puedes construir tu propio sistema, e incluso los sistemas de fabricación comercial para climas más cálidos pueden ser muy accesibles.

¿Qué tan ecológico quieres ser?

Si vas a comprar un calentador de agua solar, los beneficios serán muchos, pero un objetivo común es reducir la necesidad global de combustibles a base de carbono, como el carbón o el gas natural. Mientras que la opción “más verde” y más económica seria simplemente alterar tu estilo de vida para no utilizar tanta agua caliente (como tomar duchas rápidas, lavar la ropa con agua fría, y bajar la temperatura de su calentador de agua), la instalación de un calentador de agua sola puede tener un impacto positivo significativo en el medio ambiente.