ENERGÍA SOLAR TÉRMICA

La energía solar térmica es una tecnología muy eficaz para aprovechar la energía solar proveniente del sol. Su funcionamiento consiste en concentrar la energía del sol y transformarla en calor, aprovechándolo para diferentes aplicaciones en el ámbito edificatorio.

España se encuentra en una zona geográfica idílica, por su situación y climatología, para aprovechar este tipo de energía ya tiene un elevado índice de horas de sol. La radiación solar media en la zona central de la península es la equivalente a 1600 kw/h por metro cuadrado al año.

La radiación solar es aprovechada, captada mediante los denominados colectores solares, que concentran e intensifican el efecto térmico producido por la radiación solar. Un colector solar utiliza dicha radiación para calentar un fluido (agua) a una determinada temperatura, esta temperatura dependerá del tipo de colector, pudiéndose dar tres sistemas en diferentes niveles, según sean de baja, media o alta temperatura.

Realmente para el uso edificatorio no es necesaria la utilización de sistemas de alta temperatura salvo en algunas excepciones, ya que con sistemas de baja temperatura se podrían suplir hasta dos tercios del consumo de agua caliente. Las ventajas de los sistemas de baja temperatura es su simplicidad, fácil instalación y sobre todo son rápidamente amortizables. Por estas razones se contemplará únicamente este tipo.

El principal elemento, es el captador solar, siendo el tipo de colector el que determina el nivel de clasificación del sistema general, una instalación de baja temperatura está formada por tres subsistemas:

  • Subsistema de captación, formado por los colectores solares conectados.

 

  • Subsistema de acumulación, formado por uno o varios depósitos de almacenamiento de agua caliente, regulando la disponibilidad de energía según la demanda.

 

  • Subsistema de distribución, formado por el equipo de regulación, tuberías, bombas, elementos de seguridad y demás. Son los que distribuyen el agua caliente producida.

 

Éste es el esquema básico, sin embargo podemos encontrar muchas variaciones. Existen sistemas incluso que producen vapor capaz de mover una turbina que alimenta un generador de energía eléctrica, o los que transportan el agua caliente directamente a donde se va a usar, sin ningún sistema de almacenamiento intermedio.

Los Colectores de baja temperatura no utilizan ningún dispositivo para concentrar los rayos solares. La temperatura del fluido a calentar está por debajo del punto de ebullición del agua. Existen 3 tipos básicos de colectores de baja temperatura:

1. Colector no vidriado: compuestos por una gran cantidad de tubos de metal o plástico dispuestos en serpentín, por los que circula el fluido que aumentará de temperatura. No utilizan caja ni cubierta de cristal, por esta razón, el aumento de temperatura es bajo, en torno a los 30°C. Se suelen utilizar para calentar el agua de piscinas, ya que las pérdidas de calor son altas lo que limita su uso a otro tipo de instalaciones.
2. Colector de placa plana: su uso está mucho más extendido, ya que tienen una mejor respuesta, consiguen aumentos de temperatura de hasta unos 60°C, son los más recomendables para el calentamiento de agua de uso sanitaria o calefacción por suelo radiante.

Colector placa plana

Imagen: Colector de placa plana tipo. Fuente: agroterra.com

Compuesto por:

  • Cubierta exterior: cristal de vidrio simple o doble. Función de efecto invernadero, reduce pérdidas de calor y hace estanco el colector.

 

  • Absorbedor: placa metálica sobre la que se encuentra soldada una tubería de cobre formando un serpentín. Aumenta la superficie de contacto con el exterior favoreciendo el intercambio de calor. La superficie absorbente de calor se suele recubrir con pintura negra.

 

  • Aislante térmico: recubre todos los laterales y la parte posterior del colector, reduciendo las pérdidas de calor a través de la carcasa. Aislante corriente.

 

  • Carcasa: caja que contiene todos los componentes del colector. Mantiene el interior sellado otorgando rigidez al conjunto, generalmente es de aluminio debido a su poco peso y resistencia a la corrosión.

 

3. Colector de tubos de vacío: este tipo de colectores alcanzan temperaturas mayores que los colectores de placa plana. Pueden alcanzar temperaturas de hasta 100°C, son idóneos para la generación de agua caliente en procesos industriales. Otro uso que se les puede dar es el de alimentar una instalación de calefacción con radiadores convencionales o para calentar el fluido de entrada de una caldera. Su funcionamiento es idéntico a los de placa plana sustituyendo el vidrio exterior de éstos por los propios tubos que contienen en su interior las tuberías que transportan el fluido, al encontrarse al vacío no hay transmisión de calor al exterior por lo que tienen una eficiencia mucho mayor. Son los más aconsejables para climas con menor radiación solar.

 

Colector tubo

Imagen: Colector solar de tubos de vacío. Fuente: anpasol.com

Los colectores de media temperatura son capaces de concentrar la radiación solar en una superficie reducida, por ello son capaces de alcanzar temperaturas más altas, su temperatura de trabajo suele variar entre 100 y 300°C, los más habituales son los cilíndrico-parabólicos. Mediante los espejos parabólicos concentran la radiación en un punto, se construyen en forma de sectores cilíndricos y en dicho foco es por donde fluye el líquido a calentar, suele ser aceite transmitiendo el calor posteriormente al medio deseado. Las altas temperaturas que alcanzan se utilizan para generar vapor a presión, que hace girar una turbina para obtener la electricidad. El único inconveniente es que deben orientarse continuamente de manera exacta, siguiendo el movimiento del sol, además los materiales que soportan temperaturas altas deben ser especiales, lo que aumenta su coste.

En el caso de los colectores de alta temperatura superan los 400°C pudiéndose alcanzar temperaturas operativas de hasta 1000°C, llevan al extremo la concentración de la radiación recibida por grandes extensiones de panel en un solo punto. Actualmente se están utilizando a gran escala en las denominadas centrales termo-solares.

Planta termo-solar

Imagen: Planta de energía termo-solar en Andalucía. Fuente: lainformacion.com

El funcionamiento de este tipo de colector solar de alta temperatura consiste en un campo de heliostatos, espejos que siguen la trayectoria del sol de manera automática, que concentran la radiación solar que captan en un solo punto, normalmente en el pináculo de una torre. Sin embargo se puede dar otra variante, en la que los espejos parabólicos concentran los rayos solares en un punto preciso situado en el foco del paraboloide, alcanzando temperaturas de hasta 900°C.

También es importante conocer las diferentes variantes en una instalación de energía solar térmica según el tipo de circulación y el tipo de sistema. El circuito de una instalación puede ser cerrado o abierto.

El circuito cerrado es el más utilizado en este tipo de instalaciones, diferenciando dos circuitos independientes entre sí, el primario contiene el fluido que transporta el calor y por el secundario circula el agua caliente de consumo, el calor es cedido de uno a otro mediante un intercambiador de calor. Este circuito es el más adecuado ya que se puede elegir el fluido que más nos convenga desde el punto de vista de su eficiencia térmica.

En el caso del circuito abierto, el fluido que transporta el calor es utilizado directamente, es el mismo fluido que va al depósito, sin intercambio energético, lo cual evita las posibles pérdidas durante el proceso, además de esto la principal ventaja es su simplicidad. Sin embargo, se debe cuidar que no exista ningún material contaminante en el colector que se pueda transmitir a las tuberías o aditivos como anticongelantes ya que al utilizar el agua de la red general se produce una mayor corrosión e incrustaciones calcáreas.

La circulación de una instalación solar térmica puede ser forzada, en la que el agua se mueve a través de un sistema por medio de bombas, esto aumenta las posibilidades de regular el sistema por parte del usuario pero requiere de otra fuente de energía para alimentar las bombas; o natural, en la que no se necesita ningún mecanismo que impulse el fluido, el agua fría entra por la parte inferior del colector y se va calentando, disminuye su densidad y se va impulsando hacia arriba, en el depósito acumulador el agua caliente desplaza al agua fría, es el caso de la primera imagen (colector de placa plana) en la que el depósito acumulador se encuentra en la parte superior del colector solar. El problema de este sistema es el peligro de congelación en épocas más frías, además de ser necesaria la instalación de un purgador o vaso de expansión.

La energía solar térmica es compatible con:

 

  • Fotovoltaica.
  • Eólica.
  • Caldera Biomasa sólo cuando la caldera se diseña para calefacción.
  • Geotermia.
  • Enfriadora por absorción (frío solar).

Es incompatible con:

 

  • Cogeneración.

SISTEMAS EVAPORATIVOS DE REFRIGERACIÓN

La evaporación del agua refresca el aire, por lo tanto una solución factible sería utilizar sistemas de captación solar que mediante la acumulación de calor favorezcan la evaporación del agua y por lo tanto una mejora en el ambiente. De manera contradictoria estamos consiguiendo refrigerar utilizando calor, sin embargo esto es muy común en la naturaleza, la vegetación durante el día realiza el mismo proceso, capta la luz durante el proceso de fotosíntesis y expulsa vapor de agua reduciendo la temperatura ambiente.

Utilizando este simple mecanismo encontramos distintas soluciones:

  •   Patios: tradicionalmente utilizados en las zonas más áridas, suponen una ventilación natural incluso en zonas en las que no hay una gran intensidad de viento. Para que su funcionamiento sea el adecuado debe existir vegetación en su interior o agua en movimiento (por ej. una fuente). De ese modo se aprovecha la evaporación que producen las plantas y el agua para reducir la temperatura del aire aumentando la densidad del mismo y creando así en el centro de la edificación una zona de altas presiones, lo que se traduce en una succión del aire que se encuentra encima.

Evaporativos refrigeración

Hay que tener en cuenta que estas soluciones suelen ser recomendables para climas cálidos, ya que un exceso de humedad puede disminuir la sensación de confort y más durante el invierno.

  •   Torres: denominadas “torres evaporativas” o “torres de viento”, se utilizan en climas cálidos y muy secos. En las zonas desérticas la temperatura del suelo es muy alta por lo que éstas torres captan el aire más fresco que se encuentra en la zona superior y lo hacen circular a través de un hueco que discurre a los largo de toda la altura del edificio, este hueco se humedece para lograr así que se reduzca la temperatura del aire que circula por el interior. En algunas soluciones se hace pasar el aire por encima de agua, como por ejemplo por fuentes o piscinas, o incluso utilizan esteras o jarras de cerámica porosas llenas de agua.

 

Es recomendable humedecer los cerramientos pulverizando agua sobre las fachadas o la cubierta, incluso regar el terreno de alrededor de la edificación y plantar vegetación para que se reduzca la temperatura del ambiente y del edificio.

RECORRIDO DEL AIRE

Anteriormente se ha mencionado que el movimiento del aire dentro del edificio es provocado por las diferencias de presión y temperatura. Por lo tanto, podríamos diseñar el recorrido del aire, entendiéndolo como el movimiento de las diferentes masas de aire exterior e interior a través de las distintas estancias. A continuación, se describirán los sistemas de ventilación y recorridos más comunes en este tipo de arquitectura:

  •   Ventilación cruzada: es un sistema tradicional que consiste en favorecer la circulación del aire a través de aberturas que se encuentran en fachadas opuestas usando las diferencias de temperaturas de las distintas masas de aire. En la fachada norte colocamos los elementos captadores a nivel del suelo, circula por el edificio y se va calentando hasta que sale por la fachada sur por las aberturas situadas en la parte superior. Es recomendable usarlo en climas cálidos.

 

  •   Efecto chimenea: generalmente se utiliza este sistema para expulsar el aire caliente que se acumula en la parte superior de los locales. Su mecanismo es simple, mediante unas aberturas en la parte inferior de las fachadas se introduce aire frio del exterior, mientras que el aire menos denso sale por una chimenea situada en la parte superior del edificio. Sin embargo si las temperaturas exteriores son elevadas su funcionamiento se resiente.

 

  •   Chimenea solar: este sistema soluciona las deficiencias del anterior con respecto a los climas más cálidos, puesto que aumenta su eficiencia en relación a la radiación solar que exista, cuando más calor haga mejor funciona. Es también conocido como “cámara solar”. Funciona captando la radiación solar de modo que caliente una masa de aire provocando la succión de aire de mayor densidad, es por tanto un “tiro natural”. Existen diversas variaciones de esta solución en las que también se puede utilizar una masa y aprovechar su inercia térmica para calentar el aire más próximo.

 

  •   Ventilación a través de la cubierta: debido a la gran radiación que reciben las cubiertas, el aire que se encuentra en la parte superior de la edificación está más caliente, esto provoca una zona de bajas presiones hacia la que tiende a fluir el aire de alrededor. Aprovechando esta tendencia, se ejecuta un conducto de salida en el centro de la cubierta por el que saldrá el aire captado mediante aberturas a la altura del suelo en el edificio.

CAPTACIÓN DEL AIRE

La captación del aire se realiza a través de mecanismos que funcionan como aberturas diseñadas específicamente para permitir el acceso del aire exterior al interior de la edificación, también se puede incluir a las ventanas como captadores de aire. Esta función puede ser desempeñada por los siguientes sistemas:

  •   Captación por ventiladores: se capta el aire exterior a través de un tubo por el que circula el aire hasta nuestro edificio, el ventilador de baja potencia fuerza la circulación del aire hacia el interior de la edificación, en caso de que el resto de aperturas estén cerradas, esto provoca un aumento de presión en el interior lo que dificulta la entrada de aire exterior por infiltraciones.

 

Este sistema es utilizado cuando no hay suficiente aire o en los casos en los que se den direcciones de vientos cambiantes, que dificulten la captación para la utilización de una ventilación natural, también podemos encontrarlo en los sistemas de captación subterránea o algunos tipos de torre de captación como veremos más adelante.

  •   Captación por rejillas: en las zonas en las que hay viento constante, mediante la colocación de unas rejillas en la fachada sur y sus correspondientes rejillas en la fachada norte se genera una buena circulación del aire. Se debe tener en cuenta que el tamaño de estas rejillas será menor para la fachada que recibe más viento, debido a que cuanto mayor sea la exposición al viento, más presión habrá.

 

  •   Captación por ventanas: lo principal a tener en cuenta cuando utilizamos estos sistemas para ventilación es que las hojas de la ventana no impidan el paso del aire, para evitar este tipo de inconveniente y lograr la mayor superficie de ventilación la mejor solución sería utilizando las carpinterías en “librillo”.

 

En el caso de ventanas tradicionales, lo recomendable es usar una ventilación a través de aletas de vidrio móviles, dirigiendo de este modo el flujo de aire. Este flujo es recomendable que se dirija durante el invierno hacia la parte superior y hacia el suelo durante el verano. Es aconsejable de nuevo el uso de contraventanas ya que nos permiten captar el aire cuando sopla de manera oblicua.

  •   Captación por voladizos y salientes: ya habíamos mencionado el efecto que tienen estos elementos en la edificación, al modificar la forma compacta del edificio oponen más resistencia al viento lo que impide el adecuado movimiento del aire en las ventanas que se encuentran debajo de ellos. Sin embargo, si realizamos pequeñas hendiduras en los voladizos se consigue modificar el espacio de presión que se crea en su parte inferior. Al igualar la presión el aire que tendía a ascender vuelve a su circulación normal permitiendo ventilar la parte inferior de los locales.

 

  •   Captación subterránea: es utilizada para modificar la temperatura del aire exterior mediante la inercia térmica del terreno. Son sistemas que suponen un ahorro energético considerable por lo que su utilización es muy recomendable. También conocido como “pozo canadiense”, ya que está muy extendido su uso en el país. Se puede conducir el aire de cuevas ya existentes como en el anterior caso o utilizar conductos enterrados que captan el aire a una distancia considerable de la edificación, como mínimo 10 metros.

 

En el caso de utilizar tubos, el diámetro de los mismos debe ser de entre 15 y 25 cm, dependiendo claro está de la longitud de los mismos. Se debe colocar una rejilla o malla que evite que puedan introducirse animales o insectos, además de procurar llevar un mantenimiento del sistema para evitar posibles obstrucciones. La profundidad a la que se deben enterrar los tubos no debería ser menor de 2 metros ya que a mayor profundidad la eficiencia de este sistema mejora considerablemente.

El problema de este sistema se plantea cuando no es posible ejecutarlo de una manera continua, no deben existir grandes codos que puedan frenar la circulación del aire o procurar que sean de un diámetro reducido, además si la edificación no está hermética se puede anular la circulación del aire, para solucionarlo se deben evitar la infiltraciones y utilizar un ventilador que aumente la presión.

  •   Captación por torre: se trata de dispositivos de captación situados en la parte superior de las viviendas, este sistema constructivo consiste en la ejecución de elementos que sobresalen por encima de la edificación y recogen el aire exterior.

 

Dependiendo de las características de la zona, principalmente de los vientos dominantes podremos encontrar variaciones en su ejecución. En los lugares donde los vientos son erráticos los captadores están formados por separaciones diagonales que permiten la captación de los vientos con indiferencia de donde provengan, mientras que las torres que se utilizan en las zonas donde los vientos siempre tienen la misma dirección presentan una apertura dirigida a esa dirección para captar el aire e introducirlo en el edificio.