Calefacción Solar de Agua Domestica

Una de las aplicaciones de la energía solar que ha tenido mayor uso es la calefacción de agua para consumo doméstico. Las primeras patentes de calentadores solares aparecieron en Estados Unidos hacia finales del siglo XIX.

En los lugares con buen clima y buena insolación, los calentadores solares pueden ahorrar una fracción considerable del combustible para uso doméstico. El resto se usa para cocina. Por otro lado, en lugares con clima extremoso, no basta el calentador solar para tener un ahorro tan significativo, dado que el principal consumo de energía se debe al aire acondicionado en verano, y a la calefacción en invierno.

PRINCIPIOS DE FUNCIONAMIENTO

La mayoría de las aplicaciones de la energía solar, particularmente las que proporcionan un servicio que se requiere en forma continua, es decir, no sólo cuando hay insolación, requieren al menos dos elementos: un colector, en donde se transforme la luz solar en el efecto deseado, y un almacén, en donde se pueda tener una “reserva” del efecto deseado, para cuando no hay insolación. Los calentadores solares, entonces, requieren por lo general de estos dos elementos,

La decisión de qué colector emplear en un diseño depende de las temperaturas que se requiera obtener. En el caso de los calentadores solares domésticos, las temperaturas requeridas son del orden de 40 a 60 °C . Esto implica que los colectores más adecuados, independientemente de otras ventajas que puedan tener, son los de placa plana. Dependiendo del diseño particular del calentador, puede requerir una o dos cubiertas transparentes. Como se mencionó en el capítulo de colectores planos, una de las virtudes de este tipo de colector es que no sólo capta la radiación directa, sino también la difusa. Esto significa que un calentador solar bien dimensionado puede trabajar satisfactoriamente no sólo en días soleados, sino en días medio nublados, siempre que la irradiación total no caiga por debajo de ciertos límites y los usuarios no desperdicien el agua caliente.
Debido a que muchos usuarios prefieren el baño diario matutino, después de unas horas en las que no ha habido insolación, es necesario y práctico tener una reserva de agua caliente, considerando además que, en días muy nublados puede haber una baja significativa de la radiación solar. Con el uso de una reserva de agua caliente se logra satisfacer la demanda de agua cliente en más del 95% de los días del año.

TIPOS BASICOS DE CALENTADORES SOLARES

1. Calentador solar auto contenido

Este es uno de los calentadores solares más simples que se pueden concebir (descartando, por supuesto, un garrafón o tina con agua directamente expuestos al Sol).
El calentador autocontenido es simplemente un recipiente (una caja, un tambo, varios tambos pequeños, etc.) dispuesto de tal manera que presente su mayor área hacia la posición promedio del Sol. Esta cara se pinta de negro y hace las veces de colector solar. El recipiente se llena con agua, que se calienta directamente por contacto con la cara expuesta al Sol. Por los lados y el fondo se aísla térmicamente para evitar las fugas de calor.
El nombre de “auto contenido” viene de que en el mismo elemento físico del sistema se conjugan las funciones de colector y de termo almacén. Como puede verse, esto es algo así como exigir funciones contrarias en un mismo elemento del sistema. Por un lado, la parte superior del recipiente debe hacer las veces de colector, es decir, funcionar como un elemento para la transferencia de calor, del Sol al agua. Por otro lado, como en el mismo recipiente se mantiene almacenada el agua caliente, debe hacer las veces de termo, que es la función opuesta a un colector. Es por esto que en este tipo de calentadores solares se utilizan dos capas de vidrio (o del material transparente de la cubierta). Esta es una forma de lograr que durante el día entre la radiación solar hasta la placa negra, pero durante la noche pierda relativamente poco calor. Diversos estudios han demostrado que si se utiliza sólo una capa de vidrio (o ninguna), las pérdidas nocturnas son tan altas, que al amanecer casi se ha perdido la energía colectada el día anterior. Por otro lado, tres o más capas de vidrio dan como resultado demasiadas reflexiones y absorciones en los vidrios, de manera que, aunque la pérdida se ve efectivamente disminuida, lo que sufre más son las ganancias térmicas durante el día.
Un parámetro importante en el diseño de los calentadores solares auto contenidos es su espesor promedio. Definimos éste como el cociente entre el volumen (m3) del recipiente y el área (m2) expuesta al Sol a mediodía. Un calentador auto contenido deberá tener un espesor promedio menor que 0.4 m con el objeto de tener una buena relación de área de colección solar a volumen de agua por calentar. Quizá el óptimo se encuentre alrededor de 0.2 m . Con espesores promedio menores, también hay un aumento significativo de pérdidas nocturnas, por lo que no es deseable reducir mucho este parámetro.
Es conveniente recordar que las temperaturas dentro del colector pueden llegar a 70 grados centígrados. La eficiencia térmica de este tipo de calentadores es relativamente alta, del orden de 45%, si se evalúa únicamente para el período diurno. Esta eficiencia cae bastante si se toma en cuenta la pérdida nocturna. Las características de funcionamiento de este calentador lo hacen idóneo para usar el agua caliente durante el mismo día, a partir del mediodía, hacia la tarde o al comenzar la noche.
Un tamaño muy común en este tipo de calentadores es de 200 litros de capacidad. Esto es suficiente para dos o tres personas. Una ventaja característica de este tipo de calentador es que fácilmente se pueden instalar más unidades en paralelo. En otras palabras, es muy fácil tener un crecimiento modular para un mayor número de usuarios. En general, este tipo de calentadores sólo pueden soportar presiones moderadas entre 1 y 2 m . de columna de agua. En ocasiones se requiere un “rompepresión”, es decir, un elemento que permita trabajar al calentador con muy poca columna de agua sobre él, independientemente de la altura a la que se encuentre el tinaco de alimentación.

2. Calentador solar por convección natural

Un siguiente paso en la “evolución” de los calentadores solares consiste en separar físicamente el colector solar del tanque de almacenamiento. Con esto, cada elemento del sistema puede ser diseñado y construido para realizar eficientemente su función. En este esquema, entonces, se calienta el agua dentro de los tubos o placas de un colector plano, para luego transferirla al termo de almacenamiento. Existen básicamente dos técnicas para transferir el agua caliente del colector al termo: la convección natural y la convección forzada. En el calentador por convección natural, también llamado termosifón, la fuerza impulsora que mueve el agua desde el colector hacia el termo es de tipo hidrostático, un empuje asociado con el principio de Arquímedes. El agua contenida en el colector, a medida que se calienta, disminuye su densidad. Si existe un circuito cerrado y adecuadamente construido entre el colector y el termo, es posible aprovechar esta disminución de densidad para que el agua caliente fluya espontáneamente de la parte más alta del colector hacia la parte alta del termo. Al mismo tiempo, el agua de la parte baja del termo, que se encuentra a menor temperatura, fluye hacia la parte más baja del colector. El termo, pues, siempre debe encontrarse, en este esquema, a mayor altura que el colector.
Este sistema de convección natural tiene ventajas y desventajas. La primera ventaja, respecto del calentador auto contenido, consiste en que, al llegar la noche o disminuir significativamente la radiación solar, el proceso de convección natural se detiene. Por tanto, la energía térmica almacenada en el termo no tiende a perderse a través del colector, sino únicamente a través de su propio aislante que, suponemos, es un buen aislante. Así, la pérdida de temperatura durante la noche es mucho menor que en el calentador auto contenido. Una ventaja, respecto del calentador por convección forzada, es que el de convección natural no requiere energía extra para mover el agua. Puede decirse que el mismo Sol proporciona la energía para ello.
La desventaja principal de este tipo de sistemas se encuentra, quizá, en los lugares con clima muy extremoso, en donde las temperaturas ambientales puedan llegar a las temperaturas de congelación. En estos lugares no es recomendable el uso de calentadores por convección natural, porque la congelación nocturna del agua dentro de los colectores puede dar lugar a que se revienten sus tuberías, quedando dañado permanentemente. Por último, otra posible desventaja consiste en algo que ya señalamos: el termo debe estar a una altura mayor que la del colector. La fuente de alimentación, generalmente un tinaco, debe estar a mayor altura que el termo. En muchas azoteas no planeadas para la instalación de un calentador por convección natural, es necesario construir torres para reubicar el tinaco. Esto puede tener efectos arquitectónicos indeseables.
Las dimensiones características de un calentador por convección natural están dadas por el número de usuarios. Como regla general, y sin ninguna deducción científica de por medio, se recomienda tener un metro cuadrado de colector por cada usuario, así como alrededor de cien litros de capacidad en el termo, también por cada usuario. En lugares con buen clima y buena insolación, estas proporciones permiten suministrar agua caliente a más de 40 grados centígrados (indispensable mezclarla con agua fría), durante el 95% del año.
Algunos fabricantes, con el objetivo de ahorrar costos, proporcionan una menor área de colección o volumen de termo por usuario. Esto puede funcionar adecuadamente en los días muy soleados, pero ciertamente se verá en desventaja ante la presencia de nublados o de un aumento en la demanda de agua caliente.

3. Calentador solar de convección forzada

Para los lugares donde los inconvenientes del calentador solar por convección natural son importantes, existe otra alternativa: utilizar convección forzada, es decir, emplear una pequeña bomba para hacer circular el agua entre el colector y el termo. Con esto se evita completamente la necesidad de que el termo esté a mayor altura que el colector. Podría incluso estar el colector en la azotea y el termo en un sótano. La otra desventaja, la congelación del agua en las tuberías, también puede eliminarse mediante un sistema de convección forzada, pero en este caso se requiere algún otro fluido de trabajo, o al menos agua con anticongelante, al igual que en los radiadores de automóvil. Debido a esto, no es posible utilizar la misma agua que se utiliza en el colector, y se requiere un intercambiador de calor, para transferir el calor del fluido de trabajo al agua.
Otro elemento importante en un calentador por convección forzada, es un termostato diferencial o control diferencial de temperatura para encender o apagar la bomba, según se requiera. Este termostato debe tener un sensor a la salida del colector y otro en el termo, para mandar la señal de encender la bomba sólo cuando el colector se encuentre a una temperatura suficientemente mayor que la del termo. De otro modo, el colector podría funcionar como enfriador. Cabe aclarar que, para esta función no basta un “timer” o controlador de tiempo (que podría funcionar en el caso de calentadores de alberca) sino que se requiere un tipo de control que sea sensible a las variaciones diurnas de la radiación solar, o sombreos que puedan existir sobre el colector.

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