Energía fototérmica fuente primaria de calefacción

México es uno de los países con mayor potencial de radiación solar en el mundo, hecho que representa una gran oportunidad para que diferentes sectores de la industria, entre ellos el HVACR, aprovechen esta energía para satisfacer la demanda de calefacción en los edificios

Carlos González

En México, los valores más bajos de irradiación global se presentan con mayor fuerza durante el invierno, con una media de 2 a 2.5 kWh/m2×día para el norte del país, mientras que en el sur (en estados como Michoacán, Guerrero, Oaxaca, Morelos, Puebla y Chiapas) se alcanzan valores de hasta 4 a 4.5 kWh/m2×día. Debido a estas circunstancias, muchas de las ciudades situadas en estas zonas recurren al uso de la calefacción, la cual podría proveerse de manera gratuita, ya sea total o parcialmente, si se aprende a aprovechar toda la energía proporcionada por el sol, salvo la geotérmica y la nuclear de fisión. En la figura 1 se da una visión global de todas las energías renovables. En el caso del sector HVACR, aprovechar el potencial de la fuente solar fototérmica es de suma importancia.

Calefacción mediante energía fototérmica

  • Ésta puede aplicarse en edificios de la siguiente manera:
  • Sistemas hidrónicos de suelo radiante
  • Sistemas hidrónicos de agua caliente de baja temperatura (fan & coils)
  • Sistemas hidrónicos de agua caliente de alta temperatura (radiadores)
  • Sistemas de anillo hidrónico o WSHP (Water Source Heat Pump)

El rango de temperatura alcanzado por este tipo de equipos es de alrededor de los 50 ºC. Precisamente, los sistemas fototérmicos que funcionan mediante captadores de placa plana trabajan a régimen en un rango de temperatura que oscila entre los 40 y 60 ºC. Con captadores de tubos de vacío, en cambio, es posible alcanzar una temperatura de hasta 80 ºC.

Cabe destacar que, debido a las condiciones climáticas, se dispone de menos radiación solar en los momentos en que más se necesita la calefacción. En el caso de las regiones frías, las cuales se caracterizan por contar con poca radiación durante el invierno, sólo es posible suministrar una fracción solar de la demanda energética total del edificio. Por tanto, si se necesita que esta cantidad sea elevada, se tendrá que recurrir al uso de grandes acumuladores de almacenamiento estacional. Asimismo, cuando se diseña un sistema de aprovechamiento de esta energía para calefacción, en la mayoría de los casos se puede cubrir hasta el cien por ciento de todas las necesidades de Agua Caliente Sanitaria (ACS) del inmueble.

Figura 2. Captador de tubo de vacío

Componentes fototérmicos
Todo dispositivo HVACR requiere de diversos componentes para funcionar de manera correcta. Los sistemas fototérmicos, por supuesto, no son la excepción. Algunos de los elementos básicos para la instalación de un equipo de aprovechamiento térmico para calefacción son:

  • Captadores solares
  • Depósito de agua
  • Bomba de circulación y tuberías
  • Elementos de control y seguridad

Captadores solares
El uso de este componente dependerá del tipo de instalación a diseñar. Una primera clasificación hace referencia al nivel térmico, es decir, la temperatura a la cual se necesita enviar el agua al sistema para que sea aprovechada de la manera más eficiente. Esta energía calórica obedecerá principalmente al tipo de emisor térmico o unidad terminal: radiadores, fan & coils, suelo radiante, etcétera. En general, se pueden considerar dos niveles diferentes:

Figura 3. Captador de placa plana

1. Instalación de calefacción por radiadores de alto nivel térmico
En una instalación de calefacción por radiadores, el agua caliente suele circular a una temperatura de 80 ºC en la ida y 65 ºC en el retorno. El captador apropiado es el de tubos de vacío (figura 2) para alcanzar mayor rango de temperatura

2. Instalación de calefacción de bajo nivel térmico
Para este caso, se utiliza el método de suelo radiante y fan & coils, el cual consiste en disponer debajo del piso un conjunto de tuberías por donde circula un fluido caloportador (agua). Dicha red se conecta a un sistema de circulación de agua caliente y, mediante conducción, la superficie del suelo incrementa su temperatura a 40 ºC como máximo. El captador apropiado puede ser el mismo que en el caso anterior o uno de placa plana (figura 3)

Figura 4. Conexionado de captadores en paralelo

Los colectores solares pueden conectarse en paralelo, en serie o mixta (en serie-paralelo). El conexionado en paralelo (figura 4) proporciona funcionamientos térmicos similares en todos ellos, además de un mayor rendimiento. También incrementa la longitud y diámetro de las tuberías, al ser el caudal total la suma de los caudales en todos los captadores.

Según el diseño interno, el caudal específico suele situarse entre 40 y 80 L/h×m2 de la superficie de captación. Por ejemplo, en un campo solar de tres captadores de 2.5 m2 cada uno, conectados en paralelo. En este caso, la superficie total de captación será de 7.5 m2, suponiendo que el fabricante en sus fichas técnicas detalle que el caudal específico mínimo de uno de sus paneles es de 40 L/(h×m2). En otras palabras, por cada metro cuadrado de captador, el caudal de agua a suministrar será de 40 litros por hora. El caudal mínimo será entonces de 100 L/h (2.5 x 40 = 100 L/h).

Ahora bien, como se tienen ocho colectores, la fuerza total del campo será de 300 L/h (3 x 100 = 300 L/h). Esto es lo que tiene que transportar la bomba. El caudal específico de todo el campo se obtiene al dividir éste por la superficie total de captación: 40 L/(h×m2). La tabla siguiente resume los resultados de estas operaciones:

Figura 5. Conexionado de captadores en serie

Para un conexionado en serie (figura 5), el fluido de trabajo circula de manera consecutiva a través de todos los captadores. Esto significa que en cada uno de ellos circula el mismo caudal, equivalente al total del campo de paneles. Este tipo de conexionado permite la operación con caudales específicos bastante reducidos. Al conectarse la salida del primero con la entrada del siguiente, la temperatura del fluido de entrada en cada uno es superior a la del precedente, de manera que a la salida del grupo de captadores se obtienen temperaturas más altas que si se trabajara con el salto térmico de un solo colector. Esta tipología de conexionado se utiliza en aplicaciones muy particulares (por ejemplo, para conseguir temperaturas de utilización de agua caliente superiores a 50 ºC). En este caso, el caudal oscila entre 10 y 15 L/h×m2 de superficie de captación.

Retomando el cálculo anterior, pero aplicado para un conexionado en serie, se sigue obteniendo la misma superficie total de captación, es decir, 7.5 m2. Al tratarse del mismo colector, el caudal específico mínimo sigue siendo de 40 L/(h×m2), al igual que el caudal mínimo por cada captador, 100 L/h. Ahora bien, la gran diferencia de este tipo de conexión con respecto a la primera, es que el caudal que sale del primer captador es el que recibe el segundo, y así sucesivamente; de tal forma que el caudal total del campo solar es el mismo que pasa por cada uno de sus captadores, es decir, 100 L/h. Esta cantidad es la que debe transportar la bomba, lo que significa que se ha reducido considerablemente el correspondiente al total del campo. Finalmente, el caudal específico de todo el campo solar será de 13,3 L/(h×m2). La tabla siguiente resume los resultados de estas operaciones:

Figura 6. Conexionado de captadores en serie-paralelo

Como es de suponer, no es posible conectar un conjunto indeterminado de paneles en serie. De hecho, no es recomendable conectar más de cuatro. Hay que tener en cuenta, que cuanto más elevada sea la temperatura del colector, mayores serán las pérdidas por convección y radiación. Además, tampoco interesa que el agua contenida en el último captador comience a hervir. En los casos en que sí es necesario que la temperatura sea más elevada que la que podría dar un solo captador, pero la potencia térmica de la instalación es superior, se opta por conectar los captadores mediante una combinación en serie-paralelo, también denominada mixta. En la figura 6 se presenta un ejemplo de conexión mixta, que consiste en conectar en paralelo dos grupos formados por tres captadores en serie.

 

 

Depósito de agua
Se trata de un dispositivo acumulador que almacena calor (cuando éste pueda ser captado) en forma de agua caliente. Cuando la calefacción sea necesaria, se hará circular el recurso hídrico caliente por los elementos terminales (suelo radiante, fan & coils, radiadores), irradiando así su calor al ambiente.

La correcta elección de este componente dependerá de varios factores como: tipo de aplicación, lugar de instalación, coste, vida media estimada y facilidad de mantenimiento. Los materiales más habituales para la fabricación de depósitos son:

* Hierro galvanizado
Su principal limitación está en la temperatura de degradación del galvanizado, que se produce a partir de los 60 ºC. Su mayor ventaja radica en su bajo costo

* Acero vitrificado
Resiste bien las altas temperaturas y protege el acumulador contra la corrosión interior. Son económicos, pero deben protegerse contra impactos durante su transporte para que la capa protectora no sufra daños

* Hierro tratado interiormente con pintura epoxi
La aplicación de este procedimiento logra una capacidad de resistencia de hasta 110 ºC. La menor imperfección en la superficie del tratamiento implica su levantamiento a breve plazo. Su costo es más elevado

* Acero inoxidable
Técnicamente, es una solución muy favorable, ya que soporta sin problemas altas temperaturas y es resistente a la corrosión, debido a su alto contenido en níquel y cromo. Sin embargo, las conexiones soldadas de acero inoxidable pueden llegar a corroerse ante altas concentraciones de cloro. Su mayor inconveniente es su elevado costo

* Fibra de vidrio o materiales plásticos
Generalmente, su uso debe ser evitado, debido a las bajas temperaturas máximas que soportan estos materiales (60 ºC), la escasa resistencia que presentan a su propio peso cuando están llenos y la presión del circuito. Su ventaja radica en la excelente resistencia que ofrecen a la corrosión.

Figura 7. Estratificación del agua en un depósito solar

La forma más habitual de los depósitos es la cilíndrica, por su facilidad de construcción. La dimensión vertical (altura) debe ser mayor que la horizontal (diámetro), lo que favorece el fenómeno de estratificación. Como se sabe, el agua disminuye su densidad al aumentar su temperatura; por lo tanto, a mayor altura del depósito, mayor será la diferencia entre la temperatura en la parte superior e inferior del mismo, como se aprecia en la figura 7.

El agua de suministro se extrae de la parte superior (la de más alta temperatura), mientras que la fría de red se introduce en la inferior. En un sistema de calefacción, el retorno sería por la parte media. En cuanto al circuito de captación solar, tanto la inyección como el retorno se realizan en la parte inferior del depósito; lógicamente, el agua que viene del campo (más caliente) se conectará en un nivel superior al agua que se dirige hacia el campo (más fría).

Bombas de circulación y tuberías
Estos sistemas deberán contar con al menos dos bombas de circulación, una que impulse el agua del depósito al intercambiador y otra que la impulse del intercambiador al circuito de calefacción. Las bombas tendrán que ser de baja presión y de reducido caudal para que soporten altos rangos de temperatura. La bomba más utilizada en sistemas solares es la centrífuga, que puede ser de rotor húmedo o seco.

En general, el caudal del fluido circulante deberá ser suficiente para que el denominado “caudal térmico” (producto del caudal másico multiplicado por el calor específico del fluido y por el salto de temperatura que se produce en los captadores) sea, como mínimo, igual a 50 kcal/h׺C×m2 (58 W/ºC×m2).

Por ejemplo, si el fluido experimenta un salto de temperatura de 5 ºC (diferencia de temperatura entre aquella que entra y sale del captador), el caudal térmico mínimo deberá ser: 50 x 5 = 250 kcal/h×m2. Si es agua pura (calor específico de 1 kcal/kg׺C), le correspondería un caudal de 50 kg/h×m2, o 50 L/h×m2, si despreciamos la pequeña variación de densidad debido a la temperatura. Pero si es una disolución anticongelante (calor específico, por ejemplo, de 0,85 kcal/kg׺C), el caudal mínimo sería entonces de 50/0,85 = 58,8 kg/h×m2. En resumen, se aconseja elegir un caudal para el circuito primario de unos 60 L/h×m2 de captador. Este caudal puede ser inferior, si se aumenta el salto de temperatura o en el caso de conectar paneles en serie como se ha visto anteriormente.

Las tuberías son de cobre y acero negro, y deben utilizarse en el sistema primario solar (tramo que va desde los captadores hasta el depósito). El primer material es el más aconsejable por ser técnicamente idóneo, además de ser económicamente muy competitivo.

En instalaciones grandes, con tuberías de más de 2 pulgadas de diámetro, se recomienda el uso de acero negro, por motivos económicos. Su desventaja frente al cobre es que es más difícil de trabajar y tiene mayor espesor de pared, por lo que los costes de aislamiento son mayores; además, hay que pintarlo exteriormente para protegerlo de la corrosión.

La mano de obra que requiere es también más compleja y costosa. Las tuberías que, en definitiva, no deben ser instaladas en un sistema primario solar son las de acero galvanizado (debido al fuerte deterioro, que la protección de zinc sufre con temperaturas superiores a 65 ºC) y las de plástico, salvo las de polietileno reticulado, siempre que el fabricante garantice su uso por encima de los 120 ºC (la temperatura de estancamiento del campo bajo determinadas condiciones).

Figura 8. Termostato diferencial

Elementos de control y seguridad
El componente más utilizado en los sistemas de calefacción solar es el termostato diferencial, cuya función consiste en hacer que la bomba intervenga sólo cuando los captadores aporten energía (calor) al depósito y detenerla cuando no haya captación. Este dispositivo va unido a dos sensores de temperatura, uno ubicado en la parte alta de uno de los captadores y el otro en el interior del depósito. Un relé acciona o detiene la bomba dependiendo de la diferencia de temperatura existente entre ambos sensores (figura 8).

En la tabla de la derecha se dan los valores más usuales aplicados al termostato diferencial para el control de la maniobra “marcha-paro” de la bomba del circuito primario solar. Cuando la temperatura de los captadores sea 6 ºC mayor a la del depósito (denominada “de arranque”), el control diferencial arranca la bomba del sistema. La bomba se detiene cuando la temperatura de los captadores esté a 3 ºC por debajo de la anterior.

En cuanto a los dispositivos de seguridad, éstos son exactamente iguales a los que requeriría cualquier circuito hidrónico cerrado. La diferencia más notoria se encuentra en el dimensionado del tanque de expansión. Éste no se diseña como cualquier otro sistema hidrónico de calefacción o sistema de agua helada. En este caso, además, hay que considerar que el recurso contenido en los captadores puede llegar a vaporizarse en determinados momentos (cuando la demanda de energía es inferior a la que otorga el sol). Esta vaporización provoca un aumento extra en el volumen de agua.

Configuraciones de sistemas fototérmicos
Existen varias configuraciones de sistemas solares para calefacción. En la mayoría de los casos se combinan con un sistema de producción de Agua Caliente Sanitaria. Las modalidades más utilizadas son:

1. Sistema de dos acumuladores
Al igual que en cualquier otra modalidad que incluye sistemas de ACS, se suele cargar primero el acumulador de agua caliente. Al alcanzarse la temperatura deseada, se procede a llenar el acumulador de inercia realizando un cambio de conexión mediante una válvula de tres vías en el circuito primario. El acumulador de inercia se carga a la temperatura máxima que puede ser de 80 ºC, según la oferta de energía solar. Si existe consumo de agua caliente (una ducha que se abre, por ejemplo), el acumulador se descarga, por lo que el ciclo de carga vuelve a cambiar de conexión hacia el acumulador de ACS (figura 9).

Figura 9. Sistema de dos acumuladores

2. Sistema de acumuladores combinados
Denominado “bajo maría” fue desarrollado para simplificar la construcción y el control de las instalaciones, además de reducir los costes y el espacio del montaje necesarios (figura 10). En estos sistemas, el acumulador combinado se carga de igual modo que en las instalaciones de ACS pequeñas, a través del circuito primario, mediante el uso de un control diferencial de temperaturas. El sistema está dividido en tres zonas. En la parte inferior (la más fría), se coloca el intercambiador solar, mientras que la superior se utiliza para el servicio de ACS. La zona intermedia está destinada a la calefacción. Por lo general, la temperatura máxima en el acumulador combinado se fija en un valor de 80 ºC. En el lado del agua caliente sanitaria (puntos de consumo) se coloca una válvula termostática para proteger a las personas de posibles quemaduras.

Figura 10. Sistema de acumuladores combinados

Para el suministro de calefacción, el acumulador se conecta con el retorno del circuito. El suministro se efectúa al desviar dicho circuito por el acumulador combinado, antes de llegar a la caldera de apoyo. Esta desviación se realiza con ayuda de un control diferencial de temperaturas y de una válvula de tres vías. Si la temperatura en la zona intermedia del acumulador es, por ejemplo, superior a 8 ºC, en comparación con la temperatura del retorno del circuito de calefacción, entonces éste circulará a través de la parte correspondiente del acumulador combinado. Por lo tanto, la temperatura de retorno experimenta un aumento gracias al empleo de la energía solar. En caso de que el retorno esté, por ejemplo, sólo 2 ºC más frío que el acumulador combinado, la válvula de tres vías conectará el retorno del circuito de calefacción directamente hacia la caldera de apoyo, sin pasar por el acumulador.

Además de confort, los sistemas de calefacción basados en el aprovechamiento de la energía solar, como los anteriormente descritos, ofrecen grandes beneficios tanto para el planeta como para la sociedad, ya que con ellos es posible conseguir importantes porcentajes de ahorro económico y, sobre todo, prescindir del uso de combustibles fósiles (gas, carbón) para satisfacer la demanda de calor durante la temporada invernal.

 

Carlos González
Director de Ingeniería en SENSA, se desempeña también como coordinador de Educación Continua 2017-2018 de ASHRAE Capítulo Monterrey. Ingeniero en Estructuras e Instalaciones Industriales, cuenta con posgrados en Refrigeración y Acondicionamiento de Aire, Energías Renovables y Procesos de Ahorro Energético. Ha publicado ocho libros de refrigeración y climatización.