Arquitectura Solar

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ÍNDICE

Prólogo ..................................................................................................................... 1. Los componentes climáticos de la arquitectura solar 1.1 Los rayos solares y su intensidad ....................................................... 1.2 Duración de la insolación .................................................................... 1.3 Probabilidad de insolación .................................................................... 2. Elementos específicos básicos de la técnica de la edificación solar 2.1 Colectores solares .............................................................................. 2.1.1 Colectores concentradores de alta temperatura ............................... 2.1.2 Colectores de temperatura media con protección de vidrio ............. 2.1.3 Colectores de baja temperatura, sin protección de vidrio ................. 2.1.4 La cubierta colectora de energía y sus problemas constructivos ..... 2.1.5 La cubierta de teja como colector de absorción a baja temperatura 2.2 Sistemas de acumulación de calor...................................................... 2.2.1 Acumulación de calor sensible ............................................................ 2.2.2 Acumulación del calor latente ............................................................. 3. Principios fundamentales de la calefacción solar de locales 3.1 Sistemas pasivos de calefacción solar................................................ 3.2 Sistemas activos de calefacción solar, sin bomba térmica ............... 3.3 Sistemas activos de calefacción solar, con bomba térmica ............. 3.4 Sistemas de calefacción biosolary otros ............................................ 4. Bases de cálculo para los proyectos de edificación solar 4.1 Cálculo analítico y minoración de la demanda térmica para calefacción ............................................................................................. 4.2 Bases de cálculo para la irradiación solar directa a través de las ventanas .............................................................................................. 4.3 Cálculo de las cantidades de energía internas del edificio ............... 4.4 Cómo puede calcularse la energía térmica absorbida por los colectores solares ............................................................................... 4.5 Cálculo de la radiación solar técnicamente aprovechable ................ 4.6 Bases de cálculo para el dimensionamiento de los acumuladores .. 4.7 Cálculo analítico y balance total de una estrategia de calefacción energéticamente optimizada ...............................................................

5. Materiales y arquitectura solar 6. Análisis detallado de los sistemas típicos de edificación solar 6.1 Edificio solar pasivo sin colectores solares con calefacción por acumulador ............................................................................................. 6.2 Edificio solar con colectores de agua y bomba de calor ....................... 6.3 Edificio solar con colectores de agua y de aire y con recuperación de calor......................................................................................................... 6.4 Edificio autónomo con colectores focales y acumulador de larga duración ..................................................................................................... 6.5 Edificio autónomo con jardín de invierno en el atrio ............................ 6.6 Edificio biosolar con colectores de aire, acumulador de grava y calefacción por chimenea de leña .......................................................... 6.7 Edificio solar con colectores de baja temperatura como cubierta energética y bomba de calor accionada porgas .................................... 6.8 Edificio solar con cubierta absorbente de teja por producción de calor y electricidad ..................................................................................

67J

711

7. Principios fundamentales del urbanismo solar Unidades y tablas de conversión ............................................................................... 1( Apéndice ...................................................................................................................... 1(

1. Los componentes climáticos de la arquitectura solar «Debiéramos construir más alta la cara sur de las casas para captar el sol en el invierno» escribió hace miles de años el historiador griego Jenofonte como consejo valioso para sus contemporáneos que ya entonces querían ahorrar energía de calefacción por medio de las radiaciones solares. La arquitectura popular de muchos países nos demuestra que se sabe desde hace mucho tiempo que, teniendo en cuenta los componentes climáticos naturales, determinados esencialmente por el sol, se podían construir edificios capaces de dar a sus ocupantes las máximas condiciones de confort, tanto desde el punto de vista energético como de salubridad, con un mínimo de gastos técnicos. Esta verdad cayó muchas veces en el olvido a lo largo de la historia de la arquitectura, especialmente en los últimos decenios. La contaminación del medio ambiente y el derroche de energía causados por la «arquitectura moderna» nos obliga a redescubrir el sol como suprema ley natural de la arquitectura, no sólo en el campo de la técnica energética, sino también desde el punto de vista higiénico de la vivienda. El «portador» de la energía solar es la radiación, que está formada por los rayos de luz visible y por los rayos invisibles, ultravioletas e infrarrojos. En el límite exterior de la envoltura de aire que rodea la Tierra, el flujo de la radiación es aún de 1394 W/m2. Este valor se denomina «constante solar». Al penetrar en la atmósfera, una gran parte de esta radiación queda absorbida. ante solar

La duración de la insolación y la intensidad de la radiación dependen, en cada lugar de la estación del año, de las condiciones atmosféricas y de la posición geográfica. En la mayoría de los países se miden, desde hace muchos años, la duración de la insolación y la intensidad de la radiación. Para los cálculos de la técnica solar se dispone de datos medios de varios años. Se han calculado cifras para superficies horizontales y verticales con distintas orientaciones. Gracias a estos datos es posible calcular los valores correspondientes a la potencia de la radiación para cada hora del día. ¿Cuáles son los conceptos climáticos más importantes para los proyectos de arquitectura solar?

1.1. Las radiaciones solares y su intensidad Los meteorólogos definen los diversos tipos de energía de radiación electromagnética emitidos por el Sol con una terminología cuyos conceptos más importantes para la práctica son los siguientes:

Radiación difusa:

Radiación cenital:

Radiación solar directa: Radiación procedente del ángulo sólido del disco solar sobre una superficie perpendicular a la dirección de los rayos. Radiación recibida por una superficie plana procedente de un ángulo sólido n. (fuera del disco solar). Componente vertical de la radiación difusa (superficie receptora horizontal).

Radiación reflejada: Radiación, directa y difusa, reflejada por la superficie de la tierra que incide sobre una superficie receptora plana. Radiación global:

Suma de la radiación solar directa, la radiación difusa y la

9

Norte

solar para la latitud'geográfica48 "N

SI (solsticio de ir 120

Oeste

SV (solsticio de veraní

radiación reflejada que incide sobre una superficie plan, desde un ángulo sólido 2r\. Radiación global sobre Componente vertical de la radiación global; en el caso ideal, superficies horizontales: suma de las componentes verticales de la radiación solar directa y de la radiación cenital, sin la radiación reflejada. Valores medios de la radiación global en kWh/m 2 día \ Según W. Diamant (Coeficiente de transmisión: 0,7)

Meses

0°

10°

20°

30°

Grado de latitud 40° 50°

Enero

5,8

4,8

3,7

2,5

J,3

0,5

0

Febrero Marzo Abril Mayo Junio Julio Agosto Septiembre Octubre Noviembre Diciembre

6,?

5,3

6,4 6,3 5,9 5,5 5,4 5,7 6,1 6,3 6,1 5,8

6,0 6,3 6,3 6,2 6,1 6,2 6,3 6,0 5,4 4,9

4,3 5,3 6,1 6,5 6,6 6,6 6,3 6,2 5,5 4,5 3,8

3,2 4,4 5,6 6,4 6,8 6,8 6,5 5,8 4,7 3,5 2,6

2,0 3,4 4,9 6,1 6,7 6,8 6,2 5,1 3,7 2,3 1,5

1,0 2,2 3,9 5,5 6,4 6,3 5,7 4,3 2,6 1,2 0,5

5,95

5,8

5,5

4,9

3,9

3,3

60°

70°

80°

90°

0,2 1,1 2,8 4,6 5,9 6,0 5,0 3,2 1,5 0,4 0

0 0,3 1,7 3,6 5,2 5,3 4,0 2,1 0,5 0

0 0,6 2,9 4,7 5,0 3,2 1,0 0

0,1 2,3 4,7 4,9 3,0 0,4

2,5

2,3

2,15

2,5

Valor medio kWh/m2 día

10

(1) En el Apéndice pueden verse las cartas solares correspondientes a España para las latitudes aproximarlas de Burgos, Madrid, Sevilla y media de las islas Canarias.

Distribución de la radiación directa del sol sobre una superficie normal a los royos solares según la hora del día y época del año (47° N, valores numéricos en kcal/m2 hora), según P. Valko (2) Altura en m Hora Mes I II III IV V VI Vil VIII IX X XI XII sobre el nivel del mar

2000

6 9 12

18 453 578 619 594 520 677 764 817 827 822 823 813 810 15 805 779 699 638 850 882 900 891 878 870 868 871 873 866 838 820

4000

6 9 12

18 594 717 751 741 665 796 867 905 930 939 930 923 915 15 904 887 829 759 952 980 996 993 986 979 975 973 971 959 943 934

EQ (equinoccios) I 90 ——— Este I

La intensidad de la radiación se mide en W/m2 o en kCal/m2hora. En las zonas climáticas centroeuropeas a alturas normales sobre el nivel del mar (unos 400 m.s.n.m.) (3) los valores máximos de la radiación solar directa no se tienen en junio, sino ya a primeros de abril o a finales de septiembre. Para las horas de la mañana o de la tarde, estos máximos se van desplazando cada vez más hacia el 21 de junio. A mayores alturas sobre el nivel del mar, la intensidad de la radiación aumenta.

ció de verano)

I de la

La intensidad de la radiación global y de la radiación difusa se mide por medio de diversos aparatos registradores que tienen superficies medidoras en posición horizontal o en posiciones verticales orientadas hacia el norte, sur, este y oeste. Las observaciones muestran las siguientes características climáticas: — en días muy buenos, las superficies verticales orientadas al este y al oeste reciben más intensidad de radiación que las orientadas al sur en verano y mucha menos en invierno; — en condiciones atmosféricas medias (grado de frecuencia = 50 %), estas diferencias debidas a la orientación sólo se acusan en invierno; — en invierno, las superficies orientadas al este y al oeste casi no reciben más que radiación difusa por la mañana o por la tarde respectivamente; las curvas son simétricas con respecto al mediodía real; — en los días largos del verano, con buen tiempo, las superficies orientadas al norte reciben una intensa componente de radiación solar directa por la mañana temprano y a última hora de la tarde. Totales medios anuales de la radiación global para distintos lugares: (4) Hamburgo

930kWh/m2

año

Sahara oriental

2550 kWh/m2- año

Berlín Braunschweig Würzburgo Tréveris

1000kWh/m2 936 kWh/m2 1081 kWh/m2 1010kWh/m2

año año año año

Marsella París Florida

1860 kWh/m2- año 1500kWh/m 2 -año 1800 kWh/m2- año

Graz Salzburgo Viena Kew (Inglaterra)

1198kWh/m 2 -año 1086kWh/m 2 -año 1120kWh/m 2 -año 927 kWh/m2 • año

Zurich Montana Lugano

2

1160kWh/m 1300kWh/m2 1500kWh/m2

año año año

(2) Para España, ver Tabla en el Apéndice. Se han tomado dos lugares de igual latitud (41 °N), uno al nivel del mar y otro a 1.000 m de altura. (3) De los datos para España se deduce que los valores máximos suelen obtenerse en los meses de julio o agosto. (4) En el Apéndice se dan los datos correspondientes a diversos lugares de España. 11

1.2. Duración de la insolación Depende de la posición geográfica y de las condiciones climáticas. Los valores máxí-l mos se alcanzan en las zonas desérticas (por ejemplo, en el Sahara 4000 horas al añoll o en alta montaña. La intensidad de la radiación y la duración anual de la insolación) determinan las cantidades de energía de que dispondremos para una posición geográfica determinada. Los meterorólogos distinguen dos tipos de duración de la insolación; son los si-| guientes:

Definiciones meteorológicas

Duración de la insolación astronómicamente posible: Se obtiene a partir del númeroj de horas de sol suponiendo el cielo sin nubes; el punto de referencia se encuentra enf un plano libre de obstáculos, con un horizonte perfectamente horizontal. Por lo tanto, esta duración de la insolación sólo depende de la latitud geográfica del lugar. Número medio posible de horas de sol en cada uno de los meses del año (5)

Mes

47° 48° 49° 50° 51° 52° 53° Latitud geográfica norte

Enero Febrero Marzo Abril Mayo Junio Julio Agosto Septiembre Octubre Noviembre Diciembre

276 273 269 265 261 256 251 286 367 406 464 473 478 439 376 337 281 264

284 366 407 468 477 482 441 377 335 277 260

282 366 409 471 482 486 444 378 334 274 257

280 366 411 475 486 491 447 378 333 271 251

278 366 412 479 491 495 449 379 331 268 246

275 365 414 483 497 500 452 379 330 264 241

273 365 416 488 503 505 455 380 328 260 235

Horas de sol anuales en distintos lugares (6) Horas

anuales

Horas anuales

Berlín

1705

Marsella

2654

Bremen Hamburgo Munich Stuttgart Basilea Berna

1657 1559 1730 1702 1680 1756

Ginebra Lugano Zurich Graz Innsbruck Salzburgo Viena

2037 2100 1694 1903 1765 1712 1891

París Milán Roma Sahara Túnez Copenhague Essen Tel-Aviv Niza Genova Perpiñán Ñapóles Brindis!

1840 1906 2491 4000 3200 1680 1442 3500 2775 2288 2560 2396 2591

(5) En la correspondiente Tabla del Apéndice se recogen los datos referentes a las latitudes de 28° 32' 30" (media de las islas Canarias), 37° 30' (latitud aproximada de Sevilla), 40° (latitud aproximada de Madrid) y 42° 30' (latitud aproximada de Burgos). (6) En la Tabla del Apéndice se dan los valores correspondientes a diversos lugares de España.

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Número medio de horas de sol en distintos lugares (7) Meses

1

II

III

IV

V

VI

Vil

VIII

IX

X

XI

XII

Basilea

2

3

5

6

7

7

7

7

5

4

2

2

Berlín Hamburgo Viena Zurich Linz

2 2 2 2 2

3 2 3 3 3

5 4 4 5 5

6 6 6 6 6

8 8 7 7 7

8 8 8 7 8

8 7 8 7 8

7 6 8 7 7

6 6 7 6 6

4 3 5 3 4

2 2 2 2 2

1 1 1 2 1

Número medio de horas del sol para los días más largo y más corlo (8) Latitud geográfica norte

22 de diciembre

22 de junio

Diferencia

47°

8 h 26 m

1 5 h 50 m

7 h 24 m

48° 49° 50° 51° 52° 53°

8 h 18 m 8h 9m 8h 0m 7 h 50 m 7 h 40 m 7 h 29 m

15 h 59 m 16 h 8 m 16 h 18 m 16 h 29 m 16 h 40 m 16 h 52 m

7 h 41 m 7 h 59 m 8 h 18 m 8 h 39 m 8h 0m 9 h 23 m

Duración posible real de la insolación: Se determina a partir del número de horas de sol anuales en un cielo sin nubes y en terrenos cualesquiera. La diferencia con la duración astronómica se debe a la limitación del horizonte por diversas causas (montañas, vegetación, edificios, etc.). Duración efectiva de la insolación: Es igual al tiempo en que luce el sol. Además de las limitaciones del horizonte, depende del grado de nubosidad del cielo. Duración relativa de la insolación: Da la relación entre la insolación registrada realmente y la posible y se expresa en tantos por ciento. Independientemente de la latitud geográfica y de la limitación del horizonte, esta magnitud permite deducir el grado de beneficio solar que recibe un lugar y la comparación directa con otros puntos.

1.3. Probabilidad de insolación Como la mayor parte de la energía de que se dispone se debe a una irradiación directa relativamente elevada, es importante saber qué magnitud tiene en un lugar la probabilidad mensual de insolación. Este valor, que se da en tantos por ciento, depende de numerosos factores, como son el grado de nubosidad, el coeficiente de enturbiamiento atmosférico, el contenido de vapor de agua y otros parámetros que suelen expresarse en distintas estadísticas de frecuencia, mensuales y horarias. intes

Para simplificar, se puede decir que una probabilidad mensual de insolación inferior al 20 % permite un aprovechamiento bastante desfavorable de la energía solar. Si está comprendida entre el 20 y el 50 %, podemos esperar ya una aportación apreciable de energía solar. Si el sol está cubierto por nubes o niebla durante menos del 50 % del tiempo, existe ya la posibilidad de alimentar al edificio casi totalmente por energía solar, según el nivel de temperaturas, adoptando disposiciones arquitectónicas y técnicas adecuadas. La observación meteorológica se ocupa particularmente del problema de la nubosidad. El grado de nubosidad se mide tres veces al día y se determina la media diaria. (7) En el Apéndice se dan los valores correspondientes a diversos lugares de España. (8) En el Apéndice se dan los datos aproximados para las latitudes de la N. del T. (5).

13

Valores meteorológicos medios

Con las medias diarias se forman las medias mensuales y de éstas se deduce la m anual. Los valores correspondientes a 10, 20 ó 30 años dan los valores medios pk nuales. Las medias diarias de nubosidad sirven también para determinar los < «claros» y «cubiertos»; en las estadísticas, los días con menos de un 20 % (= octavos) de nubosidad se califican de días «claros» y los que tienen más del 8( (= 6,4 octavos) de nubosidad son días «cubiertos». Aunque la evaluación se haga octavos, la mayoría de las tablas y cartas dan la nubosidad en tantos por ciento de superficie visible del cielo, que es mucho más inteligible. La estructura de la nubosidad, necesaria para los cálculos de energía solar la analiz, los institutos meteorológicos en un gran número de tablas y cuadros estadísticos. Li más importantes son los siguientes: — Medias mensuales y anuales de nubosidad en tantos por ciento. — Promedio de las nubosidades medias mensual y anual en %. — Promedio de las medias diarias de nubosidad en %. — Medias mensuales y anuales de nubosidad en % a las 14 horas TLM. — Promedio de las nubosidades medias mensual y anual en % a las 14 horas TLM. — Número de días claros. — Número medio de días claros. — Número de días cubiertos. — Número medio de días cubiertos. A pesar de disponer de numerosos documentos meteorológicos muy detallados, no es posible expresar numéricamente con seguridad plena las condiciones futuras de la radiación referidas a un edificio solar. La Naturaleza no puede reducirse a tablas y este hecho exige del proyectista un poco más de intuición y de sensibilidad que para una Arquitectura puramente tecnocrática. Debiera establecerse una relación de trabajo entre los meteorólogos y los proyectistas que permitiese a ambas partes mejor comprensión de las necesidades totales y climatológicas de la práctica de la Arquitectura solar. Sólo con esta condición podrá lograrse la difusión general de un sistema constructivo que, por medio de una tecnología adaptada al hombre armonice siempre con las condiciones climatológicas naturales de su emplazamiento.

i 14

2. Elementos específicos básicos de la técnica de la edificación solar

- =? ar como ;;-

El aprovechamiento de la energía solar por parte de la ingeniería, sea para calefacción o para producción de energía eléctrica, suele requerir el empleo de elementos constructivos específicos. Los más importantes son los colectores solares y los sistemas acumuladores de calor, así como las distintas estructuras de cubierta energética que, en principio, constituyen un caso particular de construcción con colectores solares.

2.1. Los colectores solares Se denomina colector solar a cualquier forma de superficie que sirva para aprovechar la energía de las radiaciones solares con fines térmicos o eléctricos. Según las posibilidades de aprovechamiento, hay que distinguir entre colectores heliotérmicos, que producen calor, y colectores heliovoltaicos, que sirven para la producción de. corriente eléctrica. Hay también colectores híbridos capaces de producir al mismo tiempo calor y energía eléctrica. los reres solares

Los colectores heliotérmicos, que es a los que nos limitaremos, pueden tener formas muy distintas según su construcción y sus aplicaciones. Hay que distinguir entre colectores concentradores de alta temperatura, colectores planos de temperatura media con protección de vidrio y colectores de baja temperatura sin protección de vidrio. Como medio de transporte del calor suele elegirse entre el agua, el aceite, un líquido especial o el aire.

2.1.1. Colectores concentradores de alta temperatura Estos colectores tienen la superficie curvada formando concavidad. Por medio de un efecto especular o de lente pueden concentrar los rayos solares. Con una concentración débil (1:10) se pueden alcanzar de 200 a 500 °C. Con mayor concentración se llega a 4000 °C. Los colectores concentradores, o en espejo, tienen que ser, en general, onentables y les afecta mucho la suciedad. Es posible proteger el espejo contra la acción de la intemperie por medio de un vidrio plano, pero el vidrio tiene que limpiarse con mucha frecuencia, cosa que no ocurre con los colectores planos, para no reducir la intensidad de la radiación directa por la dispersión que se produciría. Los concentradores de rayos sólo pueden aprovechar, en general, la radiación directa, pero las últimas investigaciones han demostrado que, a pesar de este inconveniente, pueden también utilizarse para las condiciones climáticas centroeuropeas y para las viviendas. Condiciones meteorológicas

Radiación global

Rendimiento en %

W/m2 Cielo sin nubes, despejado

800

61

Ligeramente nuboso Cielo ligeramente cubierto Cielo nublado

600 300 150

58 45 20 15

Colectores de alto rendimiento

El colector solar construido por el laboratorio de investigación de Philips lleva un de reflexión de calor de óxido de indio (In203) cuya transmisión para la luz solar e 85 % y tiene una reflexión de R = 90 % para las radiaciones caloríficas. La | absorbente tiene un factor de absorción a = 95 % para la luz solar. En la tabla se algunos valores del rendimiento; para el colector Philips se dan con vidrio de pr< ción. Los valores dados se han determinado experimentalmente para un casi aplicación a la producción de agua caliente en verano (temperatura del agua 50 °C encima de la temperatura exterior). Hay otras empresas que fabrican colectores solares focales que, en su mayoría, e: formados por un gran número de espejos cilíndrico-parabólicos. La radiación din incidente se concentra sobre un tubo colocado en la línea focal por el que pas fluido que se ha de calentar. Para evitar pérdidas de transmisión del calor, la ene concentrada llega directamente al interior del tubo que es transparente. En el inte se encuentra un elemento absorbente negro que transmite convectivamente la ei gía absorbida al fluido portador del calor. 2.1.2. Colectores planos de temperatura medií con protección de vidrio Se trata de colectores cuya superficie de absorc ón es plana y cuyo funcionamiento basa en el principio del invernadero (trampa d.» calor). Los colectores planos esl formados por un bastidor (plástico, metal o madara), un vidrio transparente (simp doble o triple, de vidrio o de plástico), la superficie absorbente (selectiva o no), aislamiento y un medio portador del calor (aire, agua, aceite, mezcla de agua y glic etc.).

Superficies selectivas

Las superficies selectivas, características de los modernos colectores solares fuen fabricadas por primera vez en 1955, experimentalmente, por el Prof. H. Tabor. Media te una adecuada combinación de dos capas muy delgadas, Tabor consiguió alcanz valores de absorción de las radiaciones solares del 94 % en combinación con ur emisividad relativa del 6 %. Todos estos elementos reunidos forman una caja absorbente de los rayos solares qu se refrigera por medio del fluido portador del calor. La energía solar incidente sol puede utilizarse en parte; otra parte se pierde por reflexión, absorción o por opacidaí de los elementos constructivos. Un buen colector plano para temperaturas hasta 100 °C debiera tener las propiedade: siguientes: — Debe poder montarse fijo integrado en una estructura de edificación. — Si sólo se le exige una temperatura útil media, el rendimiento no debe ser inferior al 50 ó 60 %. — Para bajas temperaturas debiera poderse alcanzar un rendimiento del 70 al 80 % (para temperaturas elevadas, del 20 al 30 %). — Los materiales empleados para el aislamiento y el colector mismo deben tener una inercia térmica lo más pequeña posible para que al cabo de una acción muy corta de las radiaciones solares se alcance lo más rápidamente posible la temperatura de servicio del colector. — La cara frontal del aislamiento térmico tiene que ser resistente contra todas las acciones atmosféricas. Las principales causas de pérdidas de los colectores son las siguientes: — — — —

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Suciedad. Sombras de los soportes y piezas del bastidor. Pérdidas por reflexión en el vidrio de protección. Pérdidas por transmisión a través del vidrio.

— Pérdidas de absorción del cuerpo absorbente. — Calentamiento del vidrio de protección por la absorción de luz y de radiaciones caloríficas. — Pérdidas de calor en las tuberías. (Son proporcionales a la diferencia entre la temperatura exterior y la de absorción por lo que pueden definirse por un valor K del colector). — Pérdidas de intensidad hasta la transformación de la luz en calor en la superficie de absorción.

-xión del -- 'o de los

I NDIMI OL

OR

ACRISTALAMIENTO SENCILLO J = INTENSIDAD DE LA RADIACIÓN EN W/m2

OD

-'a media con - e "to sencillo :='a distintas

\ 100

HO

120

130

UO

150 °C

TEMPERATURA DEL ABSORBEDOR ———c~

ACRISTALAMIENTO DOBLE J = INTENSIDAD DE LA RADIACIÓN EN W/m2 ———I———

V J= 200

tOO

600 800 1000 W/m? \

_A\ I

50

Q

100

110

120

130

UO

150 °C

TEMPERATURA DEL ABSORBEDOR ———">

17

— Pérdidas de radiación térmica. (Aparece como pérdida la diferencia entre la energía transmitida por el colector y la recibida de su entorno). — Pérdidas de transmisión térmica del cuerpo absorbente al agua de refrigeración.) — Las corrientes térmicas de convección dentro de la capa de aire que se encuentra entre la superficie del colector y el vidrio de protección. — La conducción de calor a lo largo de los apoyos del vidrio protector o de las juntas •. dentro de la capa de aire situada entre el colector y el vidrio protector. — La radiación de calor entre el colector y el vidrio protector. Rendimiento del colector

La relación entre la energía de radiación incidente y la energía térmica aprovechada de el rendimiento del colector. La máxima temperatura que puede alcanzarse con ur colector se consigue cuando no se escapa ninguna cantidad de calor útil a través de medio portador del calor. Se le denomina temperatura de funcionamiento en vacío Según sea la concepción o la calidad del colector solar y según la intensidad de radiación se alcanzará una temperatura de funcionamiento en vacío u otra. En e Centro de Europa, por ejemplo, cuando hace sol, se puede considerar un valor norma de 800 kCal/h. Con esta incidencia de radiación, un colector plano protegido con un vidrio puede alcanzar una temperatura de funcionamiento en vacío de unos 100 °C, el mismo colector, con vidrio de protección triple, alcanzaría los 190 °C. El número de vidrios aumenta la cantidad de energía capturada pero, si se colocan más de tres vidrios, las pérdidas por reflexión y absorción son demasiado grandes y no resulta económico. El rendimiento de un colector puede aumentarse por medio de un tratamiento especia! de los vidrios y de las superficies de absorción. Las dimensiones necesarias para la superficie colectora dependen de la cantidad de calor que se necesita, de cómo se han concebido los colectores y el edificio y de dónde estará situada la instalación, geográfica y climáticamente. Para la preparación de agua caliente sanitaria en la Europa Central bastan de 6 a 10 m2 de colector solar por vivienda. Para la calefacción se necesita una superficie entre 30 y 150 m2 según el valor del aislamiento y la situación climática.

Orientación de los colectores solares

La inclinación de los colectores se calcula, en general, para las condiciones invernales. Pueden tomarse como valores experimentales lo siguientes: Inclinación = latitud geográfica +10 a 15°. Si los colectores sólo se utilizan en verano, se tiene: Inclinación = latitud geográfica -15°.

Colectores de agua

colectores de aira

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Los primeros colectores solares modernos fueron instalados ya en 1929 por Alexander McNeilledge en California. Se trataba de colectores solares con doble vidrio y tubos de cobre de 3/4" que utilizaban el agua como medio portador del calor. Desde entonces se han construido los tipos más distintos de colectores de agua aunque todos ellos responden al mismo principio de funcionamiento, incluso los tipos más modernos. Como medio portador del calor se utilizan también distintas mezclas de agua y de aceite. Los colectores de aire, que utilizan el aire como medio portador del calor, los utilizó por primera vez Georg Lóf, ya en 1945. Los colectores de aire están menos expuestos a los peligros de corrosión, falta de estanquidad, sobrecalentamiento y congelación, pero necesitan mayores secciones de los conductos e instalaciones de ventilación relativamente complicadas para transportar la misma cantidad de energía que los colectores de agua. Los colectores de aire se utilizan preferentemente en combinación con acumuladores de calor de grava. Sin embargo, es posible también conseguir el aprovechamiento directo de la energía por medio de métodos naturales de ventila-

I

ción. En estos dos principios básicos para colectores de temperatura media con protección de vidrio utilizando el aire como fluido transportador del calor se basan numerosos modelos de distintos tipos pero análogos en su fundamento. En mi libro «Wie kann ich mit Sonnenenergie heixen?» («¿Cómo puedo calentar con energía solar?») se describe un gran número de ellos. Resultados típicos de los ensayos de colectores de temperatura medía para producción bruta de calor (según EIR)

Radiación global sobre Radiación global en el plano del colector una superficie orientado al sur a 45°, horizontal kWh/m2 kWh/m2

Prnrliirrirm

Prnrliirriñn

de calor Tk = 40 °C,

kWh/m2

de ualur TK = 60 °C, kWh/m2

Enero

23,5

33,2

6,3

4,0

Febrero Marzo Abril Mayo Junio Julio Agosto Septiembre Octubre Noviembre Diciembre

45,3 80,3 113,9 151,2 165,2 179,4 137,4 105,1 60,4 26,7 16,9

66,3 101,5 126,7 150,9 157,1 174,2 146,1 132,0 87,2 40,6 24,9

23,0 44,1 65,3 81,6 91,7 109,3 84,4 75,1 41,7 11,5 3,7

15,9 31,4 48,2 63,1 69,5 82,3 65,4 57,6 30,6 7,7 2,2

Total

1105,3

1240,7

633,7

477,9

51,4%

Rendimiento medio anual.

38,5 %

Influencia del ángulo de situación del colector sobre la producción de energía para modelos de temperatura media (según Stohler)

Energía aprovechable media en el plano del colector Gk (kWh/m2 • mes) Mes Ángulo de

Ángulo de

Ángulo de

inclinación 30°

inclinación 45°

inclinación 60°

Enero

30,9

33,2

34,4

Febrero Marzo Abril Mayo Junio Julio Agosto Septiembre Octubre Noviembre Diciembre

61,6 98,0 127,1 156,3 165,2 182,5 148,6 128,3 81,4 37,3 23,0

66,3 101,5 126,7 150,9 157,1 174,2 146,1 132,0 87,2 40,7 24,9

68,4 100,9 121,5 140,2 143,4 159,4 138,1 130,0 89,1 42,4 26,0

1 240,2

1240,8

1193,8

19

Los colectores solares, que trabajan en las más difíciles condiciones climáticas y térm-cas tanto en verano como en invierno, están sometidos a numerosos peligros q deben tenerse en cuenta en.su concepción. Los problemas más importantes q pueden presentarse en los colectores solares son los siguientes: Sobrecalentamiento Peligro de heladas Corrosión Suciedad

— Rotura — Movimientos térmicos — Fugas

Estos peligros pueden ser mayores o menores según las condiciones climatológicas las soluciones preventivas difieren de unos modelos a otros. Colector solar y pequeña tecnología

El futuro de los colectores de temperatura media protegidos con vidrio como elemer-1 to constructivo de la arquitectura solar dependerá, indudablemente, de la rapidez coque se puedan resolver los problemas inherentes a su aplicación. El empleo de estos tipos de colectores debiera efectuarse, sin embargo, ligado en lo posible a la pequeñr tecnología, porque sólo de esta manera puede desarrollarse el aprovechamiento se cillo de la energía concordante con la simplicidad de las radiaciones solares. Límites de reacción de distintos tipos de colectores (según MBB) (Temperatura ambiente: 10 °C, temperatura de funcionamiento: 50 °C) Tipo de colector

Número de Superficie Potencia de absorbente radiación vidrios

Situación climatológica

Colector sencillo

12

340 W 230 W

Cielo claro, despejado Ligeramente nuboso

Selectiva

195 W 143 W

Nubosidad ligera a media Nubosidad media

S l ti Selectiva

75 W

Muy nuboso, lluvioso

Colector «standard»

Negra Negra

Colector con 1 solo vidrio, selectivo Colector 1 2 «standard» selectivo 1 Colector de alta temperatura

Influencia de la construcción del colector sobre la obtención relativa de energía (según MBB) Colector sencillo Superficie absorbente negra

Colector de 1 solo vidrio Superficie absorbente negra

Colector de doble vidrio Superficie absorbente negra

Colector de 1 solo vidrio Superficie absorbente selectiva

Colector de doble vidrio Superficie absorbente selectiva

Colector de | alta temperatura

Rendimiento medio (%)

19

23

27,2

35,6

40,6

62,8

Obtención relativa de energía

0,83

1

1,18

1,55

1,76

2,73

Temperatura en vacío (°C)

100

130

180

180

200

250

2.1.3. Colectores de baja temperatura sin protección de vidrio Utilizando diversas instalaciones técnicas de alta calidad, como bombas de calor, per ejemplo, resulta posible concebir un tipo especial de colectores solares cuyo funcione miento no se basa ya en el efecto de invernadero. Estos colectores que, en genera deben tener gran superficie, no necesitan llevar una cubierta transparente porque 20

I

trabajan por medio de fenómenos físicos de otro tipo, en el intervalo de las bajas temperaturas; se construyen de grandes dimensiones, como cubiertas o muros exteriores completos. Suelen denominarse cubiertas o muros absorbentes de la energía. y muros Ttes '= de los es de baja

elemen- f dez con de estos >equeña nto sen-

Las cubiertas y muros absorbentes sin protección de vidrio suelen construirse con distintos metales o plásticos. Si se utiliza un metal, suele ser el cobre (espesor unos 0,6 mm) o chapa de aluminio esmaltada al fuego unidos a tubos (situados cada 15-20 cm) llenos del fluido portador del calor. Según el método de fabricación y el material empleado, los diversos elementos absorbentes del calor pueden clasificarse, en esencia, en cuatro tipos fundamentales distintos. Los cuerpos absorbentes se fabrican en distintas variantes por medio de la unión de chapas don los tubos conductores de agua. Para que la transmisión térmica entre la chapa y el tubo sea favorable debe haber un buen contacto térmico entre ambos, cosa que puede conseguirse por medio de la unión metálica directa o por medio de un contacto permanente en una gran superficie. También es importante para la buena transmisión del calor que haya una relación determinada entre la distancia entre tubos y el espesor y conductibilidad térmica de la chapa. En el segundo de los grupos fundamentales, el cuerpo absorbente lleva canales conductores del fluido integrados en él mediante la soldadura de dos chapas. El calor puede aquí transmitirse directamente de la chapa al fluido. En el tercer tipo se trata de cuerpos huecos planos en los que la magnitud de la superficie interior en contacto con el líquido portador coincide aproximadamente con la "magnitud de la superficie exterior captadora del calor. Estos cuerpos huecos se fabrican con material plástico, A pesar de que los plásticos tienen una conductibilidad térmica muy inferior a la de los metales, la transmisión del calor del exterior al interior es buena porque el calor tiene que transportarse a lo largo de un trayecto muy corto, igual al espesor de las paredes y se dispone de una sección de la misma magnitud que la superficie exterior de captación. Este tipo de cuerpo absorbente se utiliza preferentemente en cubiertas planas. El cuarto tipo es, por último, un cuerpo absorbente formado por una serie de tubos. Se utilizan para ello preferentemente tubos de plástico resistentes a la intemperie. Las superficies interior y exterior de transmisión del calor también son, en este caso, aproximadamente iguales. Debido a los espacios que queden entre los distintos tubos, la superficie de absorción de las radiaciones solares es mucho más pequeña que la superficie intercambiadora de calor entre los tubos y el aire que los rodea. Los cuerpos absorbentes formados por series de tubos son adecuados para la instalación sobre superficies de tejado. ¿En qué consiste la diferencia fundamental entre los colectores planos de temperatura media protegidos con vidrio y los cuerpos absorbentes de baja temperatura sin protección de vidrio? Los colectores planos, que trabajan según el principio del efecto de invernadero, consiguen temperaturas relativamente elevadas que pueden aprovecharse de forma relativamente sencilla gracias a su protección transparente y a le coloración selectiva del cuerpo absorbente cuando la radiación solar es directa c difusa. Los cuerpos absorbentes o colectores de baja temperatura sin protección de vidrie pueden extraer energía del aire ambiente, de la lluvia y de la nieve; sin embargo, e nivel de temperaturas es tan bajo, como consecuencia de las grandes pérdidas de calor, que es imprescindible instalar una bomba de calor para que se puedan producii temperaturas aprovechables para la técnica doméstica. La mayoría de las bombas de calor, no sólo son bastante caras, sino que, en su mayoría, consumen para su fundo namiento una energía cara y valiosa como es la energía eléctrica. 21

bente está ventilada. Esto tiene la ventaja de que se duplica la superficie de intercambio de calor. Desde luego, este sistema exige que por debajo del cuerpo absorbente vaya una capa de cobertura absolutamente impermeable. Sin embargo, la impermeabilidad de esta capa de cobertura no es, por sí sola, garantía de la eficacia de esta solución. Tampoco debe formarse agua de condensación ni de transpiración por la cara inferior de la cobertura ni en los elementos de cubierta que la sustentan a causa del efecto de refrigeración del cuerpo absorbente. nación de (condensaciones de agua

~~::'-ón esquemática : ^na cubierta íí/ca construida > colector de baja ratura IDoc BBC)

La lámina encargada de repeler las condensaciones de agua suele estar rota en In.q puntos en que va clavada al enlistonado. Por estos puntos puerle penetrar la humedad. También puede producir problemas la congelación en la cara superior, subrtj todo si es intensa. Al fundirse el hielo cuando suben las temperaturas es poaiblc que se desprendan pequeños témpanos de hielo, cosa que puede constituir un auténtico peligro.

4

Tubería de tfstribución Tubería de unión colectora de calor Tubería general -esa/fo para :;otación de calor : : - ambas caras -roe/tura -oermeable térmicamente aislada , Estructura de la cubierta

2.1.5. La cubierta de teja como colector de absorción a baja temperatura ¡físicas y tructivas de la i a dos aguas

Como las grandes superficies absorbentes de cubierta de metal o de plástico no sól< tienen inconvenientes técnicos y estéticos, sino también problemas biológicos esen cíales, es lógico que para la construcción de las superficies absorbentes suela recurrir se a la cubierta de teja, tan conocida y apreciada por la construcción tradicional. La cubiertas de teja tienen una gran capacidad de acumulación de calory son permeable al aire, es decir, «respiran», y puede considerarse también, desde el punto de vista di la Física Aplicada, que es posible utilizarlas favorablemente como absorbentes sola res. Es evidente que las superficies absorbentes de poco espesor y muy sofisticadas vistas desde e( punto de vista térmico, pueden afcanzar rendimientos bastante eleva dos, pero en muchos casos hay que renunciar a ello por sus considerables ¡nconve 23

nientes físicos, técnico-sanitarios y estéticos. No podemos ya permitirnos el li conseguir pequeñas ventajas técnicas, muchas veces sólo aparentes, por me< insensateces arquitectónicas, como ha ocurrido en decenios anteriores en la fia Arquitectura «moderna». Una «cubierta absorbente de energía» tiene tambiéi considerarse en su totalidad por lo que no pueden desecharse los factores i mantenimiento y durabilidad. Precisamente, las cubiertas de teja, utilizadas < hace miles de años, tienen incomparables ventajas en estos dos aspectos. La cubierta de tejas como colector térmico y célula solar

Las cubiertas colectoras de energía construidas con tejas pueden realizarse segú tipos heliotérmicos, heliovoltaicos o híbridos. En el tipo heliotérmico, el tejac construye, por ejemplo, de modo que el fluido portador del calor pueda circuí, circuito abierto por los huecos que quedan entre teja y teja y, de esta manera, el fl portador del calor se lleva a una bomba de calor. En una fase ulterior pueden intei se unas células solares en las tejas con lo que podrá producirse al mismo tie energía eléctrica y calor. En Alemania se han fabricado para ello unas tejas plana las que se incluye una célula de silicio de unos 10 cm de diámetro que produce 1 \ de energía eléctrica (2 A y 0,5 V) al incidir una radiación de 1000 W/m2. Las instalé nes ya realizadas con tejas funcionando como colectores solares indican que sistema de construcción, capaz de reunir las ventajas de la construcción tradicii con las posibilidades de la moderna técnica energética, constituye una gran esperé para el aprovechamiento de la energía solar en forma arquitectónicamente resp sable. ¿Qué tipos de colector son los más ventajosos para su aplicación en las instalado técnicas domésticas? Es prácticamente imposible responder a esta pregunta de for unívoca porque todas las variantes tienen ventajas e inconvenientes y tienen camf de aplicación muy específicos. Será la futura evolución de los sistemas lo que nos d hasta qué punto los fabricantes de los diferentes modelos podrán perfeccionar < soluciones técnicas en cuanto a costes, sencillez técnica y durabilidad. Además tener en cuenta los problemas económicos y técnicos, no han de menospreciarse I aspectos ecológico y bioconstructivo del empleo del colector solar. El colector so del futuro tendría que convertirse en un elemento constructivo totalmente optimizac adecuado, no sólo a la necesidad de ahorro de energía, sino también atendiendo a I aspectos de la estética arquitectónica, salubridad de la vivienda y protección del m dio ambiente.

2.2. Sistemas de acumulación del calor El mayor problema del aprovechamiento de la energía solar es que, en general, cuar do se dispone de mucho calor solar, no se necesita calefacción. Por otra parte, I calefacción se necesita cuando no luce el sol o sólo luce raras veces. Por lo tanto, para poder aprovechar la energía solar cuando realmente se necesita, ne nos basta con captar este calor, sino que tenemos que almacenarlo. Con un sisteme racional de acumulación de energía podremos disponer de la del sol día y noche, er invierno y en verano.

Acumuladores a corto y a largo plazo

24

El calor obtenido del sol se puede aprovechar también sin acumulador. En este caso habrá que adaptar el consumo a la incidencia de calor o bien, si el consumo es tan grande que la parte de energía que puede aportar el sol es más pequeña que la que se consume, habrá que contentarse con obtener algo menos de energía de otros orígenes (por ejemplo, del petróleo). Un acumulador a corto plazo puede suministrar calor durante unas horas o durante unos días, pero, en este caso, se necesitará una calefacción suplementaria casi normal. Según las condiciones climatológicas y el tipo de instalación, con un acumulador a corto plazo podrá ahorrarse del 50 al 70 % de la energía. Con la acumulación a largo plazo, el exceso de calor del verano puede almacenarse para el invierno. Un acumulador puede almacenar energía por elevación de la

Metodos de acumulación de calor

temperatura o por cambio de fase. En ambos casos, la energía interna del sistema se modifica cambiando las energías potencial y cinética de sus átomos y moléculas. Este cambio de la energía interna responde a la capacidad de calor almacenada depende de la temperatura de calentamiento mientras que, en el segundo caso, el calor puede almacenarse a temperatura constante. Por lo tanto, los acumuladores de calor pueden clasificarse en acumuladores que utilizan el calor específico con aumento de temperatura (acumuladores de calor sensible) y acumuladores que utilizan el calor de cambio de estado (calor latente) sin cambio de temperatura por lo que también se denominan «acumuladores de calor latente».

2.2.1. Acumulación de calor sensible Si se eleva la temperatura de un material por aportación externa de calor sin modificar su estado de agregación, el calor aportado puede utilizarse al enfriarse en material. Esto se denomina «acumulación de calor sensible». Un sistema acumulador de calor está formado por tres componentes: medio acumulador del calor, recipiente con aislamiento térmico, instalación de transporte del calor. La capacidad de acumulación de un acumulador se determina por el número de los posibles ciclos de acumulación, por la capacidad del acumulador, por la duración de la carga y la descarga, por el intervalo de temperaturas del medio, por las pérdidas y por el eventual consumo de energía auxiliar (por ejemplo, para las bombas). La duración para la cual puede almacenarse una cantidad determinada de calor se establece por medio de la ecuación siguiente: T-TU = (T0-TU) T0 = temperatura inicial del acumulador Tu = temperatura ambiente (se toma como constante) T = temperatura del acumulador al cabo del tiempo t t = constante de tiempo de la autodescarga t = variable de tiempo jiUEidescarga

El problema de la autodescarga de un acumulador de calor sensible puede compararse a la descarga de un condensador eléctrico a través de una resistencia. Al aumentar el volumen del acumulador la constante de tiempo de la autodescarga se hace mayor. El índice de carga indica la frecuencia con que se cambia en un año el contenido teórico de calor del acumulador. Para optimizar el acumulador hay que buscar una solución de compromiso entre un índice de carga grande y unas dimensiones grandes del acumulador. La acumulación de calor sensible plantea, en general unas exigencias mínimas al medio acumulador. El material debiera tener una capacidad calorífica muy grande, gran densidad, pequeña tensión de vapor y poco coste. Por otra parte, no ha de atacar al depósito y tiene que ser químicamente estable. Entre todos los materiales posibles, el agua es la que mejor cumple todas estas condiciones en el intervalo de temperaturas entre O y 100°C. Sin embargo, aunque se utilice el agua, por razones económicas y ecológicas (pérdidas de calor, gastos materiales) no es razonable pretender desarrollar para todas y cada una de las viviendas acumuladores anuales que sólo se carguen con energía solar.

¡óptimos de Hiladores

Hay que construir acumuladores de agua caliente de gran tamaño y unirlos al mayor número posible de generadores de calor (casas con colectores en verano) y consumidores de calor (las mismas casas en invierno).

25

Capacidad de los acumuladores distintos materiales para calor sensible (según Mattmann) Material acumulador

Energía almacenada en kWh/m3 • °C

Agua Piedra Hormigón Arena Aceite Hierro fundido Magnesita

1,16 0,63 0,520,690,36 0,69 1,31

Volumen y temperatura de los distintos acumuladores dk calor sensible (según Mattmann) Temperatura Material acumulador

del acumulador mínima máxima

Volumen del acumulador

Agua

40 °C

90 °C

100m3

Piedra Hormigón Arena Aceite Hierro fundido Magnesita

40 °C 40 °C 40 °C 40 °C

300 °C 300 °C 300 °C 300 °C

37 m3 43-32 m3 62 m3 32 m3 I

40 °C 40 °C

300 °C 300 °C

17 m3 23 m3

Hasta ahora se han empleado con buenos resultados para el calor sensible los materiales acumuladores siguientes: Temperatura máxima

Tipo de acumulador

Medio acumulador

Acumulador líquido

Agua caliente Agua sobrecalentada

110 °C 200 °C

Aceite

430 °C

Cerámica

600 °C

Hormigón Fundición

600 °C 500 °C

Magnesita

800 °C

Acumulador sólido

La capacidad de acumulación de un material se mide por su calor específico «c» en kcal/m3-°C, es decir, la relación calor/volumen a nivel de temperaturas para un m3 de material. (También puede medirse en kWh/m3-°C). Criterios de calidad del acumulador

Los criterios de calidad más importantes para la elección de la estrategia apropiada en cuanto a acumuladores son: — ¿Cuánto calor ha de ceder el acumlador, en qué momento y a qué nivel de temperaturas? — ¿Qué pérdidas pueden producirse durante el período de acumulación? — ¿Cuánto espacio necesita el acumulador? — ¿Cómo debe construirse el acumulador para que cueste lo menos posible para una potencia dada? — ¿Cuál es la proporción entre la energía acumulada y el consumo de energía extraña? Según el sistema de calefacción empleado, hay varias posibilidades de almacenar el calor. Lo más frecuente es utilizar agua o grava suelta. A veces se utiliza también como acumulador el terreno natural. El almacenamiento del calor es siempre un problema relativamente caro. Para mantener más bajos los precios se han ideado sistemas en que no se necesita un volumen acumulador separado.

26

Acumulador de agua caliente El acumulador de agua caliente es el más extendido. Muchos opinan que se trata del medio mejor para acumulación de calor, aunque los problemas de corrosión pueden crear algunas dificultades. Para evitar pérdidas de calor, los depósitos de agua deben estar bien aislados térmicamente. Algunas veces se utilizan en combinación el agua y el acumulador de grava. El agua puede acumular unas 1000 kcal/°C (1,16 kWh/°C) en 1 m3.

del dor ~~-va\o útil de T — oeraturas'

El intervalo de temperaturas a que se puede utilizar el agua comienza a los 70-80 °C y termina a unos 4 °C si se utiliza bomba de calor. Una vivienda unifamiliar rnn hiipn aislamiento térmico con unos 100-200 m3 de agua caliente podría almacenar en verano suficiente energía para el invierno si se tiene en menta la inriríenria normal fin ntono. invierno y primavera. La cantidad de calor utilizable en un acumulador es menor que su capacidad, ya que entre el almacenamiento y el uunbumu se pierde calor por las tuberías. La constante de tiempo de la descarga depende de los parámetros geométricos y de los parámetros del material, como: — Volumen del acumulador; — espesor del aislamiento térmico; — calor específico del fluido acumulador; — coeficiente de conductibilidad térmica del material aislante. Si se quiere disponer de una cantidad determinada de calor durante un período de tiempo dado, puede conseguirse de distintas maneras. Puede utilizarse un acumulador pequeño muy bien aislado o instalar un acumulador grande con una constante de tiempo pequeña, es decir, con muchas pérdidas.

T

r-;-netros de costes

— Precio del metro cúbico del acumulador; — precio por metro cúbido del aislamiento; — mínima temperatura útil del acumulador; — diferencia de temperaturas del acumulador con respecto a la temperatura ambiente; — duración del período de acumulación; — cantidad de calor de que ha de disponerse aún al cabo de un cierto tiempo.

:» en n3de Ja en

pera-

i una ergía lar el x>mo

La cuestión está en decidir donde está el óptimo. El problema de la optimización se define por el parámetro de los costes y por los estados de carga exigidos al comienzo y al fin del período de acumulación. Los elementos de cálculo más importantes son los siguientes:

rsrrsregia de --notación

Mediante una estrategia racional de explotación pueden optimizarse los parámetros del acumulador de modo que los costes dé instalación resulten mínimos. Si fuese posible, todo el calor cedido al entorno (pérdidas del acumulador) debiera aprovecharse en la vivienda caldeada. Es desfavorable disponer de un solo acumulador. Un buen Volumen necesario del acumulador de agua para almacenamiento a largo plazo de 6 Gcal para distintos intervalos de temperatura (según Kesselring) Intervalo de temperaturas At Volumen del acumulador m3 °C 30 °C 40 °C 60 °C 70 °C

200 m3 150m 3 100 m3 40 m3

anteimen

27

Coeficientes de conductibilidad térmica A e índices de transmisión del calor k de los materiales aislantes más usuales para el aislamiento de los acumuladores, a 50 '"I Material aislante

Coeficiente de conductibilidad térmica X (W/mK) aprox.

Transmisión del calor k (W/m2 K) para espesores de aislamiento de 30 mm 60 mm 100 mrr aprox. aprox. aprox. j

Lana de vidrio y lana mineral Lana de escorias Espuma de poliuretano dura Espuma de poliuretano semidura Espuma de poliuretano blanda Espuma de poliéster «Styropor»

0,041 0,040 0,027 0,035 0,042 0,040 0,036

1,37 0,68 0,41 ^ 1 ,34 0,67 0,40 0,90 0,45 0,27 1,17 0,59 0,35 1,40 0,70 0,42 1,34 0,67 0,40 1,20 0,60 0,36

depósito acumulador almacena tres niveles de temperatura distintos en cámaras puestas concéntricamente que, a continuación, se podrán utilizar para tres usos diferentes. (Agua sanitaria: 50-80 °C, agua para calefacción a baja temperatura 30-50°C agua a menos de 30 °C). Al terminar el período de carga, en otoño, las tres cámaras se han calentado a unes 80 °C, son lo que al comenzar el período de calefacción se dispone de toda la capacidad de acumulación de calor. Acumuladora corto plazo para calentar el agua sanitaria Acumulador de un día

Estos acumuladores de un día permiten tomar cantidades grandes de agua en un corte período de tiempo, como el que se necesita, por ejemplo, para el consumo de agu= para baño. Si el contenido del acumulador está demasiado frío y falta el incremento de calor aportado por los colectores solares, se consigue la continuidad de la temperatura del agua por medio de un dispositivo de regulación que conecta, por ejemplo, ur calentador eléctrico suplementario. El agua caliente sanitaria no puede hacerse pasar directamente por los colectores solares para su calentamiento tanto por razones higiénicas como por los grandes peligros de funcionamiento que se tendrían (vaporización al sobrecalentarse y congelación a bajas temperaturas). Por esta razón se utilizan medios portadores del calor por ejemplo, agua con aditivos u otros líquidos transportadores. Estos líquidos portadores del calor, que circulan por un circuito independiente, comunican el calor al agua de consumo, como se hace en los intercambiadores de calor de un sistema de calefacción a distancia. Por esta razón, los acumuladores tienen la misma construcción que un intercambiador de calor. Sin embargo, la acumulación del calor se hace directamente en el agua de consumo porque tiene una capacidad calorífica específica mayor que los otros medios portadores de calor.

Dimensiones del acumulador

28

En los acumuladores caldeados por los líquidos calientes del circuito independiente se montan serpentines tubulares o se envuelven en una envoltura caliente. Las superficies emisoras de calor deben colocarse principalmente en la zona inferioras! acumulador con objeto de que pueda aportarse la mayor cantidad posible de calor. Las dimensiones de la superficie intercambiadora de calor dependen del índice de transmisión k y, por tanto, de la construcción del intercambiador, de la velocidad del fluido portador y de las propiedades físicas de ambos fluidos.

El fluido portador del calor ha de cumplir determinadas condiciones. Las más importantes son: — — — — — — — —

Bajo punto de congelación (-30 °C); punto de ebullición lo más alto posible; poca viscosidad (¡pérdidas de presión!); buena conductibilidad térmica; alta capacidad calorífica (calor contenido); a ser posible, que no sea tóxico; a ser posible, que no sea inflamable; que no tenga acción corrosiva.

No hay ningún líquido «ideal» que cumpla todas estas condiciones. Hay que buscar soluciones de compromiso y, sobre todo, tener en cuenta la seguridad de funcionamiento de la instalación. Los acumuladores de corto plazo no deben ser demasiado pequeños. Se aconseja calcular el volumen para dos días con objeto de asegurar un cierto período de tiempo de reserva. El volumen, ligeramente mayor, aumenta considerablemente la economía del sistema con un aumento de coste muy reducido. 'Iníces de consumo de

maja

El consumo de agua caliente difiere mucho de unas instalaciones a otras según las exigencias personales de los habitantes de la casa. Oscila entre 30 y 80 litros por persona y día con agua a la temperatura de 50 °C. Por término medio hay que contar "con 55 litros de consumo de agua caliente a 50 °C por persona y día. En una familia de 2 a 5 personas basta con acumulador de corto plazo de 200 a 500 litros de capacidad para cubrir las necesidades de dos días. La fórmula práctica para calcular el volumen del acumulador necesario es: Volumen del acumulador = Número de personas x 100 litros.

EU~ -'adores

Los acumuladores deben colocarse en posición vertical o bien, si se construyen de varias células, se colocarán superpuestos o alineados. De esta manera se consigue una gradación favorable de las temperaturas. La alimentación de agua fría debe disponerse de modo que se evite la mezcla con el agua caliente manteniéndose la gradación de temperaturas. Según la disposición de la toma de agua caliente, el agua fría debe entrar en las zonas ya precalentadas por el agua caliente extraída, hacia arriba. En la construcción de acumuladores debe siempre tenerse en cuenta que sus dimensiones deben permitir fácilmente la colocación en el sótano. Debe elegirse un aislamiento térmico con bajo coeficiente de transmisión; es muy importante este punto en los grandes acumuladores solares adecuados para un largo período de reserva. El proveedor debiera indicar las pérdidas de calor con el aislamiento terminado. Las pérdidas de calor dependen, ante todo, del coeficiente de conductibilidad térmica y del espesor del aislamiento y de la diferencia de temperaturas entre las paredes metálicas del acumulador y el aire ambiente del sótano.

Acumuladores de grava suelta y acumuladores de tierra

del calor

La grava o zahorra y las masas de tierra tienen una capacidad calorífica relativamente buena con poco coste de los materiales. Sin embargo, estos materiales, por el peque ño intervalo útil de temperaturas que tienen, requieren varios m3 de volumen df acumulador para salvar, por ejemplo, el período nocturno en una vivienda unifamilia utilizando colectores solares normales, planos con el máximo rendimiento que puede alcanzarse. Aunque el coste de los materiales es casi despreciable, debe tenerse er cuenta el coste de los depósitos y del espacio que hay que prever para el acumulador \ el de las instalaciones para cargar y descargar el acumulador. El transporte del calo

2£