INTRODUCCIÓN
Las consideraciones planteadas en el diseño de sistemas de calentamiento de agua, se pueden ampliar a sistemas de calefacción y refrigeración solar Los elementos constructivos básicos de los calentadores de agua solares más corrientes son, el colector de placa plana y el depósito de almacenamiento.
Los colectores se conectan para cubrir una carga, (generalmente se dispone de energía auxiliar), y se tienen que incluir los medios para la circulación de agua y el control del sistema; un esquema práctico de un ejemplo de un sistema de circulación natural ; en este dispositivo el depósito está situado por encima del colector, y el agua circula por convección natural siempre que la energía solar en el colector aporte la suficiente energía al agua que asciende por el mismo, estableciéndose así un gradiente de densidades que provoca el movimiento del fluido por convección natural. La energía auxiliar se aplica en la parte superior del depósito, y tiene como misión mantener el agua caliente en esta zona del depósito, a un nivel de temperatura mínimo, necesario y suficiente para cubrir las cargas y mantener la circulación.
En los sistemas con agua en circulación forzada, en los que no es necesario colocar el depósito por encima del colector, aunque sí es necesaria una bomba que, generalmente, va controlada por control diferencial que la acciona y pone en marcha cuando la temperatura
detectada por un sensor colocado a la salida del colector está varios grados por encima de la temperatura del agua en la parte inferior del depósito.
También es necesaria una válvula de retención para evitar se produzca una circulación inversa durante los períodos de inactividad del colector, incluida la noche, y las correspondientes pérdidas térmicas nocturnas. En estos esquemas se muestra que la energía auxiliar se aporta al agua entre la salida del depósito de almacenamiento y la carga.
COLECTORES Y DEPÓSITOS DE ALMACENAMIENTO
El tipo de colectores de placa más comúnmente utilizado , en la que se observa que los tubos captadores por cuyo interior circula el agua a calentar, están dispuestos paralelamente y tienen diámetros comprendidos entre 1,2 cm y 1,5 cm con una separación entre 12 y 15 cm y van soldados o embutidos tanto a la placa colectora como a los tubos colectores distribuidores, que tienen un diámetro de 2,5 cm aproximadamente.
Las placas colectoras se construyen generalmente de cobre, aunque existen sistemas que utilizan placas colectoras de hierro galvanizado; las placas de absorción se montan en una caja de metal, o de cemento, con un aislamiento de 5 a 10 cm de espesor en la cara posterior de la placa y con una o dos cubiertas de cristal, de forma que para la cámara de aire se deje una separación entre las mismas del orden de 2,5 cm
Las dimensiones de un colector son normalmente de 1,2 x 1,2 m2, pudiéndose utilizar en la instalación grupos de colectores montados en serie, en paralelo o en otras disposiciones.
Se pueden utilizar otros tipos de tubos para transferir la energía captada en la placa colectora al fluido que circula, como un tubo único en forma de serpentín en lugar de los tubos paralelos, con lo que se eliminan los colectores extremos, o un conjunto formado por una placa plana y otra ondulada unidas por soldadura eléctrica por resistencia, de tal forma que a través de las ondulaciones entre placas circula el agua Los depósitos de almacenamiento tienen que estar aislados térmicamente; por regla general se puede utilizar un aislamiento de lana mineral en los costados, en la parte superior, y en la inferior, de unos 20 cm de espesor; también hay que aislar térmicamente las tuberías que van desde el colector al depósito, por lo que se tienen que diseñar y calcular muy bien, para reducir al mínimo las pérdidas de carga y las caídas de presión; en unidades domésticas se utilizan tuberías de 2,5 cm de diámetro o más, con tramos de longitud tan corta como sea posible.
Es necesario que la estratificación se pueda mantener en los depósitos de almacenamiento dentro de unos límites, por lo que tanto su situación y posición, como el diseño de las conexiones de los depósitos es muy importante.
CALEFACCIÓN SOLAR
El calor necesario para el acondicionamiento de edificios se puede suministrar mediante técnicas de energía solar con sistemas que, conceptualmente, no son más que versiones mayores de los utilizados en el calentamiento de agua.
Los fluidos utilizados más corrientemente para la transferencia de calor son, el agua y el aire.
En los climas templados, se tiene que disponer de una fuente energética auxiliar convencional problema de diseño se reduce a decidir la combinación óptima entre la energía solar y la energía auxiliar.
Las llamadas casas solares que se han construido son edificios con grandes ventanas orientadas
hacia el Ecuador, concebidas para admitir la radiación solar cuando el Sol esté bajo, durante el
invierno.
Las ganancias térmicas que se pueden lograr con ventanas debidamente orientadas son significativas,
aunque en los climas fríos es muy importante controlar las pérdidas térmicas durante los períodos de baja radiación solar, sobre todo durante la noche y tiempo nublado, para así pode conseguir ganancias adecuadas.
SISTEMAS DE CALEFACCIÓN SOLAR.- Los componentes principales de los sistemas solares
de calefacción son:
a) El colector
b) El sistema de almacenamiento
c) La fuente de energía auxiliar convencional
Para estos sistemas resulta útil considerar cuatro modos operativos básicos de funcionamiento,
según sean las condiciones existentes en un momento determinado:
a) Si hay energía solar disponible y no hace falta calor en el edificio, la ganancia energética procedente del
colector se añade al sistema de almacenamiento.
b) Si hay energía solar disponible y hace calor en el edificio, la ganancia energética se utiliza para cubrir otras necesidades del edificio.
c) Si no hay energía solar disponible, y hace falta aplicar calor en el edificio y la unidad de almacenamiento tiene cierta cantidad de energía almacenada, se utiliza dicha energía almacenada para cubrir las necesidades del edificio.
d) Si no hay energía solar disponible, y hace
CALEFACCIÓN SOLAR
El calor necesario para el acondicionamiento de edificios se puede suministrar mediante técnicas de energía solar con sistemas que, conceptualmente, no son más que versiones mayores de los utilizados en el calentamiento de agua.
Los fluidos utilizados más corrientemente para la transferencia de calor son, el agua y el aire.
En los climas templados, se tiene que disponer de una fuente energética auxiliar convencionalproblema de diseño se reduce a decidir la combinación óptima entre la energía solar y la energía
auxiliar.
Las llamadas casas solares que se han construido son edificios con grandes ventanas orientadas
hacia el Ecuador, concebidas para admitir la radiación solar cuando el Sol esté bajo, durante el
invierno.
Las ganancias térmicas que se pueden lograr con ventanas debidamente orientadas son significativas,
aunque en los climas fríos es muy importante controlar las pérdidas térmicas durante los
períodos de baja radiación solar, sobre todo durante la noche y tiempo nublado, para así poder conseguir
ganancias adecuadas.
SISTEMAS DE CALEFACCIÓN SOLAR.- Los componentes principales de los sistemas solares
de calefacción son:
a) El colector
b) El sistema de almacenamiento
c) La fuente de energía auxiliar convencional
Para estos sistemas resulta útil considerar cuatro modos operativos básicos de funcionamiento,
según sean las condiciones existentes en un momento determinado:
a) Si hay energía solar disponible y no hace falta calor en el edificio, la ganancia energética procedente del
colector se añade al sistema de almacenamiento.
b) Si hay energía solar disponible y hace calor en el edificio, la ganancia energética se utiliza para cubrir
otras necesidades del edificio.
c) Si no hay energía solar disponible, y hace falta aplicar calor en el edificio y la unidad de almacenamiento
tiene cierta cantidad de energía almacenada, se utiliza dicha energía almacenada para cubrir las necesidades
del edificio.
d) Si no hay energía solar disponible, y hace
CALEFACCIÓN SOLAR
El calor necesario para el acondicionamiento de edificios se puede suministrar mediante técnicas de energía solar con sistemas que, conceptualmente, no son más que versiones mayores de los utilizados en el calentamiento de agua.
Los fluidos utilizados más corrientemente para la transferencia de calor son, el agua y el aire.
En los climas templados, se tiene que disponer de una fuente energética auxiliar convencionalproblema de diseño se reduce a decidir la combinación óptima entre la energía solar y la energía
auxiliar.
Las llamadas casas solares que se han construido son edificios con grandes ventanas orientadas
hacia el Ecuador, concebidas para admitir la radiación solar cuando el Sol esté bajo, durante el
invierno.
Las ganancias térmicas que se pueden lograr con ventanas debidamente orientadas son significativas,
aunque en los climas fríos es muy importante controlar las pérdidas térmicas durante los
períodos de baja radiación solar, sobre todo durante la noche y tiempo nublado, para así poder conseguir
ganancias adecuadas.
SISTEMAS DE CALEFACCIÓN SOLAR.- Los componentes principales de los sistemas solares
de calefacción son:
a) El colector
b) El sistema de almacenamiento
c) La fuente de energía auxiliar convencional
Para estos sistemas resulta útil considerar cuatro modos operativos básicos de funcionamiento,
según sean las condiciones existentes en un momento determinado:
a) Si hay energía solar disponible y no hace falta calor en el edificio, la ganancia energética procedente del
colector se añade al sistema de almacenamiento.
b) Si hay energía solar disponible y hace calor en el edificio, la ganancia energética se utiliza para cubrir
otras necesidades del edificio.
c) Si no hay energía solar disponible, y hace falta aplicar calor en el edificio y la unidad de almacenamiento
tiene cierta cantidad de energía almacenada, se utiliza dicha energía almacenada para cubrir las necesidades
del edificio.
d) Si no hay energía solar disponible, y hace falta calor en el edificio, y la unidad de almacenamiento se ha agotado, entonces hay que utilizar la energía auxiliar convencional para cubrir las necesidades del edificio.
Hay que tener en cuenta una quinta situación según que la unidad de almacenamiento pueda estar totalmente calentada, sin cargas que cubrir, y con el colector en situación de ganar energía; en estas circunstancias no hay forma de utilizar ni almacenar la energía recogida y ésta no se puede aprovechar, por lo que tiene que desperdiciarse.
REFRIGERACIÓN SOLAR POR ABSORCIÓN
Para el funcionamiento de enfriadores de absorción, por energía solar, se pueden utilizar técnicas
como las que se proponen a continuación,
a) Utilizar enfriadores continuos, similares en su construcción y funcionamiento a las unidades convencionales de gas o de fluidos condensables; la energía se suministra al generador desde el sistema {colector solar almacenamiento auxiliar}, siempre que las condiciones dentro del edificio indiquen la necesidad de refrigeración.
b) Utilizar enfriadores intermitentes, similares a los empleados en la refrigeración de alimentos, comercializados desde hace años en zonas rurales, antes de que se extendiese la refrigeración por compresión y la electrificación.
No se utilizan enfriadores intermitentes para acondicionamiento de aire, ni tampoco se han hecho
grandes estudios que aconsejen su posible aplicación al acondicionamiento de aire por energía solar.
Es posible adaptar colectores de placa plana para funcionar con ciclos frigoríficos de absorción,
la influencia de los límites de temperaturas sobre el funcionamiento de los colectores de placa plana, hace que sólo se puedan considerar máquinas comerciales con sistemas de bromuro de litio-agua, Li-Br-H2O, que requieren agua de refrigeración para enfriar el absorbedor y el condensador,por lo que su empleo puede llegar a requerir el uso de una torre de refrigeración.
La utilización de enfriadores amoniaco-agua en la forma en que actualmente están comercializados,
resulta difícil debido a las altas temperaturas que necesita el generador, que precisaría de colectores cilíndrico parabólicos
El utilizar enfriadores diseñados para funcionar con energía solar implica generadores con temperaturas de funcionamiento inferiores, lo que supone mejores niveles de entrada de energía al generador desde el colector y mejor funcionamiento dentro de un determinado rango de temperaturas.
Si las exigencias de la refrigeración, más que las cargas de calefacción, fijan el tamaño de la superficie colectora, resulta ventajoso diseñar enfriadores con un COP más alto de lo acostumbrado; por ejemplo, para disminuir las exigencias de entrada de energía se pueden utilizar evaporadores de doble efecto, lo que implica que tanto las condiciones como las restricciones para el funcionamiento con energía solar, pueden dar lugar a diseños de refrigerantes distintos a los utilizados para funcionar con combustibles en sistemas convencionales.
Un cálculo de costes indica que el funcionamiento de estos sistemas resulta competitivo con el clásico de compresión que funciona eléctricamente.
Estudios realizados con energía solar en una serie de enfriadores de amoniaco-agua, que utilizan
colectores de placa plana, sin almacenamiento, han demostrado que el rango de temperaturas
para el suministro del agua al generador tiene que estar comprendido entre 60°C y 90°C, no especificándose la temperatura del agua del condensador. Las concentraciones del amoniaco en el absorbedor y en el generador están comprendidas entre el 58% y el 39% según el suministro de energía.
El enfriamiento por absorción intermitente constituye una alternativa a los sistemas continuos;
los trabajos realizados sobre estos ciclos se han dirigido principalmente a la refrigeración para la conservación de alimentos, más que a los sistemas de climatización.
En los ciclos de acondicionamiento de aire, la destilación del refrigerante del absorbente se realiza durante la etapa de regeneración, condensándose y almacenando el refrigerante; durante la etapa de enfriamiento del ciclo, el refrigerante se evapora y queda reabsorbido.
El almacenamiento en forma de absorbente y refrigerante ofrece variantes de este ciclo utilizan pares de evaporadores y condensadores, así como otros dispositivos, lo que proporciona una capacidad de enfriamiento esencialmente continua y un COP mejorado.
Los sistemas refrigerante-absorbente utilizados en ciclos intermitentes son mezclas NH3-H2O y
NH3-NaSCN; en este último, el absorbente es una solución de (NaSCN) en NH3, actuando el NH3
como refrigerante, sistema que presenta buenas propiedades termodinámicas para ciclos destinados
a la fabricación de hielo, mediante un enfriador intermitente de NH3-H2O, utilizando para la regeneración un colector de concentración cilíndrico parabólico.
También se han desarrollado experiencias de máquinas intermitentes funcionando con NH3-
H2O en las que el aporte energético se realiza mediante colectores de placa plana, y en las que el
absorbedor y el generador están separados. El generador forma parte del colector de placa plana; el
fluido que circula por los tubos es una solución del refrigerante-absorbente mediante una combinación de termosifón y bomba de burbujas.
SISTEMAS DE CAPTACIÓN Y ALMACENAMIENTO DE CALOR EN MUROS
Una característica interesante del almacenamiento de energía solar que se utiliza en edificios,
es la combinación colector-almacenamiento, en una única parte estructural del mismo, como puede
ser un muro orientado al sur. Los muros son verticales, mientras que el ángulo de incidencia qs de
la radiación solar sobre ellos, resulta alto en invierno y bajo en verano, por lo que son sistemas adecuados para funcionar en invierno.
Una estructura experimental de este tipo consiste en una serie de pequeños cubículos a lo largo
de la fachada orientada al Sur, compuesta por un cristal doble y una pared detrás de los cristales
hecha de un material idóneo para el almacenamiento de calor. Para el aislamiento se pueden usar
sombrillas y para la circulación del aire ventiladores que controlen las pérdidas y aumenten la velocidad de transferencia de calor desde el muro de almacenamiento hasta la habitación.
Cubierta con dos cristales; a una distancia de 10 a 20 cm de la cubierta hay un muro de hormigónde unos 20 cm de grosor, pintado de negro, que sirve tanto como absorbedor de radiación, como de medio de almacenamiento de calor. En la parte alta y baja del muro de hormigón hay unas aberturas o rejillas, de forma que el aire circula por convección natural, a través del espacio comprendido entre el cristal y el muro de hormigón, no precisando de ningún elemento exterior.
SISTEMAS CON BOMBA DE CALOR Y RADIADOR COLECTOR
Para suministrar calefacción o refrigeración a edificios existen sistemas que utilizan colectores
sin cubiertas, como colectores diurnos y radiadores nocturnos, depósitos de almacenamiento de
agua fría y caliente, y bombas de calor, que aseguran unas adecuadas diferencias de temperatura
entre ellos.
Para edificios de una sola planta con tejados orientados al Sur, en lugares en los que la radiación
solar es alta, con poca lluvia, veranos cálidos, inviernos suaves, y pequeñas velocidades del
viento, se pueden cubrir éstos con planchas de cobre con tubos embutidos, pintados de un color
oscuro, que funcionan como colectores de energía solar para calentar agua, y como radiadores para
radiar calor al cielo nocturno.
Un depósito de agua vertical, dividido en su punto medio por un deflector térmico, proporciona el almacenamiento tanto de agua caliente en la sección superior, como de agua fría en la sección inferior; además se puede disponer de una bomba de calor para la transferencia de calor desde la sección fría del depósito a la caliente; el serpentín del condensador tiene que estar en la sección superior.
Los sistema de funcionamiento, que puede ser de:
– Sólo calefacción
– Sólo refrigeración
– Calefacción y refrigeración
a) Para el funcionamiento de sólo calefacción, la energía solar se colecta cuando sea posible, y se hace circular el agua que se ha calentado a la parte inferior del depósito; cuando el termostato de la habitación pida calor, el agua caliente almacenada en la parte superior del depósito se conduce al panel de radiación de calor.
La bomba de calor funciona en el sentido de bombear calor desde la parte inferior hasta la parte superior del depósito, con el fin de elevar la temperatura, en la parte superior del mismo, a niveles en los que se puedan satisfacer las necesidades de calor del edificio.
b) Para el funcionamiento de sólo refrigeración, el agua del depósito superior se enfría con la radiación nocturna del colector-radiador; se retira el agua de refrigeración de la parte inferior del depósito para enfriar el edificio, y cuando las necesidades del mismo lo exijan, la bomba de calor hace descender la temperatura del agua en la sección inferior.
c) Para el funcionamiento como calefacción y refrigeración, en primavera y otoño, el agua calentada por energía solar se almacena en la parte superior del depósito, y el agua enfriada por la radiación en la parte inferior del mismo; tanto la calefacción como la refrigeración del edificio se obtienen a partir de la sección del depósito correspondiente, superior o inferior.
La bomba de calor funciona en el sentido de elevar la temperatura en la sección superior, o de
descender la temperatura en la sección inferior, de acuerdo con las necesidades del edificio. Con los
sistemas utilizados en la refrigeración del edificio por medio de paneles radiantes, no es posible conseguir una buena des humidificación, ya que estos sistemas extraen el calor del aire de la habitación, a temperaturas muy por encima de las temperaturas a que se encuentran los evaporadores de los acondicionadores de aire normales, por lo que su uso queda restringido a ser utilizados sólo en climas secos, si no se les dispone de los correspondientes deshumidificadores.
El COP de los colectores solares es más alto a temperaturas bajas, siendo el COP de las bombas
de calor más alto cuando la temperatura del evaporador es más alta, por lo que se ha considerado
la utilización de los colectores solares como fuentes térmicas para las bombas de calor.
Un esquema de un sistema de este tipo se presenta en la Fig VI.16, mostrándose el almacenamiento
en el lado del evaporador de la bomba de calor de una sola fase. También se puede disponer
el almacenamiento de calor en el lado del condensador; en este caso, hay que adaptar la capacidad
de la bomba de calor a la máxima energía disponible en el colector, en lugar de a las máximas cargas
de calefacción de la casa, siendo posibles otras variantes.
El COP y el coste del colector y de la bomba de calor se mejoran cuando los dos elementos funcionan
unidos en vez de por separado; a la hora de comprar los dos componentes hay que tener en
cuenta que ésto puede representar una mayor inversión, así como la desventaja de tener que utilizar
energía eléctrica, que podría ocasionar una distribución desfavorable de cargas en las plantas
generadoras.