PARTE III
APLICACIONES REALES Y
POTENCIALES
DE LA ENERGIA SOLAR
CALEFACCION DE AGUA DOMESTICA
Cap�tulo 9
9.1 INTRODUCCION.
Una de las aplicaciones de la energ�a solar que ha tenido mayor uso y divulgaci�n
es la calefacci�n de agua para consumo dom�stico. Las primeras patentes de
calentadores solares aparecieron en Estados Unidos hacia finales del siglo XIX. En
M�xico se han estado utilizando y desarrollando desde la d�cada de los 40.
En los lugares con buen clima y buena insolaci�n, los calentadores solares
pueden ahorrar una fracci�n considerable del combustible para uso dom�stico. En
las condiciones de Guadalajara, es posible que m�s de la mitad del consumo de gas
LP dom�stico se deba al calentamiento de agua para ba�os. 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 energ�a
se debe al aire acondicionado en verano, y a la calefacci�n en invierno. Indice
9.2 PRINCIPIOS DE FUNCIONAMIENTO.
La mayor�a de las aplicaciones de la energ�a solar, particularmente las que
proporcionan un servicio que se requiere en forma continua, es decir, no s�lo
cuando hay insolaci�n, requieren al menos dos elementos que ya se han descrito
en cap�tulos anteriores: un colector, en donde se transforme la luz solar en el
efecto deseado, y un almac�n, en donde se pueda tener una "reserva" del efecto
deseado, para cuando no hay insolaci�n. Los calentadores solares, entonces,
requieren por lo general de estos dos elementos,
Como se vi� en el Cap�tulo 5, la decisi�n de qu� colector emplear en un
dise�o depende de las temperaturas que se requiera obtener. En el caso de los
calentadores solares dom�sticos, las temperaturas requeridas son del orden de 40
a 60 �C. Esto implica que los colectores m�s adecuados, independientemente de
otras ventajas que puedan tener, son los de placa plana. Dependiendo del dise�o
particular del calentador, puede requerir una o dos cubiertas transparentes.
Como se mencion� en el cap�tulo de colectores planos, una de las virtudes de este
tipo de colector es que no s�lo capta la radiaci�n directa, sino tambi�n la difusa.
Esto significa que un calentador solar bien dimensionado puede trabajar
satisfactoriamente no s�lo en d�as soleados, sino en d�as medio nublados, siempre
que la irradiaci�n total no caiga por debajo de ciertos l�mites y los usuarios no
desperdicien el agua caliente.
Debido a que muchos usuarios prefieren el ba�o diario matutino, despu�s de
unas horas en las que no ha habido insolaci�n, es necesario y pr�ctico tener una
reserva de agua caliente, considerando adem�s que, en d�as muy nublados puede
haber una baja significativa de la irradiancia solar. Con el uso de una reserva de
agua caliente se logra satisfacer la demanda de agua cliente en m�s del 95% de los
d�as del a�o.
Este es uno de los calentadores solares m�s simples que se pueden concebir
(descartando, por supuesto, un garraf�n o tina con agua directamente expuestos
al Sol).
El calentador autocontenido es simplemente un recipiente (una caja, un
tambo, varios tambos peque�os, etc.) dispuesto de tal manera que presente su
mayor �rea hacia la posici�n 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
a�sla t�rmicamente para evitar las fugas de calor. La figura 9.1 muestra un corte
esquem�tico de un calentador solar autocontenido.
El nombre de "autocontenido" viene de que en el mismo elemento f�sico del
sistema se conjugan las funciones de colector y de termo almac�n. Como puede
verse, esto es algo as� 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 funci�n 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 d�a entre la radiaci�n solar hasta la placa negra, pero durante la
noche pierda relativamente poco calor. Diversos estudios han demostrado que si
se utiliza s�lo una capa de vidrio (o ninguna), las p�rdidas nocturnas son tan
altas, que al amanecer casi se ha perdido la energ�a colectada el d�a anterior. Por
otro lado, tres o m�s capas de vidrio dan como resultado demasiadas reflexiones y
absorciones en los vidrios, de manera que, aunque la p�rdida se ve efectivamente
disminuida, lo que sufre m�s son las ganancias t�rmicas durante el d�a.
Un par�metro importante en el dise�o de los calentadores solares
autocontenidos es su espesor promedio. Definimos �ste como el cociente entre el
volumen(m3) del recipiente y el �rea (m2) expuesta al Sol a mediod�a. Un
calentador autocontenido deber� tener un espesor promedio menor que 0.4 m, con
el objeto de tener una buena relaci�n de �rea de colecci�n solar a volumen de agua
por calentar. Quiz� el �ptimo se encuentre alrededor de 0.2 m. Con espesores
promedio menores, tambi�n hay un aumento significativo de p�rdidas nocturnas,
por lo que no es deseable reducir mucho este par�metro.
La figura 9.2 muestra los resultados de un d�a de experimentaci�n con este
tipo de calentadores solares. N�tese que las temperaturas dentro del colector
pueden llegar a 70 grados cent�grados. La eficiencia t�rmica de este tipo de
calentadores es relativamente alta, del orden de 45%, si se eval�a �nicamente para
el per�odo diurno. Esta eficiencia cae bastante si se toma en cuenta la p�rdida
nocturna. Las caracter�sticas de funcionamiento de este calentador lo hacen
id�neo para usar el agua caliente durante el mismo d�a, a partir del mediod�a,
hacia la tarde o al comenzar la noche.
Un tama�o muy com�n en este tipo de calentadores es de 200 litros de
capacidad. Esto es suficiente para dos o tres personas. Una ventaja caracter�stica
de este tipo de calentador es que f�cilmente se pueden instalar m�s unidades en
paralelo. En otras palabras, es muy f�cil tener un crecimiento modular para un
mayor n�mero de usuarios. En general, este tipo de calentadores s�lo pueden
soportar presiones moderadas entre 1 y 2 m. de columna de agua. En ocasiones se
requiere un "rompepresi�n", es decir, un elemento que permita trabajar al
calentador con muy poca columna de agua sobre �l, independientemente de la
altura a la que se encuentre el tinaco de alimentaci�n.
Un siguiente paso en la "evoluci�n" de los calentadores solares consiste en
separar f�sicamente el colector solar del tanque de almacenamiento. Con esto, cada
elemento del sistema puede ser dise�ado y construido para realizar eficientemente
su funci�n. 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 b�sicamente dos t�cnicas para transferir el agua caliente del colector al
termo: la convecci�n natural y la convecci�n forzada.
En el calentador por convecci�n natural, tambi�n llamado termosif�n, la
fuerza impulsora que mueve el agua desde el colector hacia el termo es de tipo
hidrost�tico, un empuje asociado con el principio de Arqu�medes. 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 disminuci�n de densidad para que el agua
caliente fluya espont�neamente de la parte m�s 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 m�s baja del colector. El termo, pues,
siempre debe encontrarse, en este esquema, a mayor altura que el colector.
Este sistema de convecci�n natural tiene ventajas y desventajas. La primera
ventaja, respecto del calentador autocontenido, consiste en que, al llegar la noche
o disminuir significativamente la irradiancia solar, el proceso de convecci�n
natural se detiene. Por tanto, la energ�a t�rmica almacenada en el termo no tiende
a perderse a trav�s del colector, sino �nicamente a trav�s de su propio aislante
que, suponemos, es un buen aislante. As�, la p�rdida de temperatura durante la
noche es mucho menor que en el calentador autocontenido. Una ventaja, respecto
del calentador por convecci�n forzada que veremos despu�s, es que el de
convecci�n natural no requiere energ�a extra para mover el agua. Puede decirse
que el mismo Sol proporciona la energ�a para ello.
La desventaja principal de este tipo de sistemas se encuentra, quiz�, en los
lugares con clima muy extremoso, en donde las temperaturas ambientales puedan
llegar a las temperaturas de congelaci�n. En estos lugares no es recomendable el
uso de calentadores por convecci�n natural, porque la congelaci�n nocturna del
agua dentro de los colectores puede dar lugar a que se revienten sus tuber�as,
quedando da�ado permanentemente. Por �ltimo, otra posible desventaja consiste
en algo que ya se�alamos: el termo debe estar a una altura mayor que la del
colector. La fuente de alimentaci�n, generalmente un tinaco, debe estar a mayor
altura que el termo. En muchas azoteas no planeadas para la instalaci�n de un
calentador por convecci�n natural, es necesario construir torres para reubicar el
tinaco. Esto puede tener efectos arquitect�nicos indeseables.
Las dimensiones caracter�sticas
de un calentador por convecci�n
natural est�n dadas por el n�mero de
usuarios. Como regla general, y sin
ninguna deducci�n cient�fica de por
medio, se recomienda tener un metro
cuadrado de colector por cada usuario,
as� como alrededor de cien litros de
capacidad en el termo, tambi�n por
cada usuario. En lugares con buen
clima y buena insolaci�n, estas
proporciones permiten suministrar
agua caliente a m�s de 40 grados
cent�grados (indispensable mezclarla
con agua fr�a), durante el 95% del a�o.
N�tese que los datos aqu� mencionados
equivalen a un espesor promedio de
0.1 metro, seg�n se defini� en los
calentadores autocontenidos. La
siguiente tabla da los par�metros m�s
comunes que hemos utilizado en el Iteso, para la instalaci�n de estos calentadores.
Algunos fabricantes, con el objetivo de ahorrar costos, proporcionan una
menor �rea de colecci�n o volumen de termo por usuario. Esto puede funcionar
adecuadamente en los d�as muy soleados, pero ciertamente se ver� en desventaja
ante la presencia de nublados o de un aumento en la demanda de agua caliente.
Para los lugares donde los inconvenientes del calentador solar por convecci�n
natural son importantes, existe otra alternativa: utilizar convecci�n forzada, es
decir, emplear una peque�a bomba para hacer circular el agua entre el colector y
el termo. Con esto se evita completamente la necesidad de que el termo est� a
mayor altura que el colector. Podr�a incluso estar el colector en la azotea y el
termo en un s�tano. La otra desventaja, la congelaci�n del agua en las tuber�as,
tambi�n puede eliminarse mediante un sistema de convecci�n forzada, pero en este
caso se requiere alg�n otro fluido de trabajo, o al menos agua con anticongelante,
al igual que en los radiadores de autom�vil. 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 convecci�n forzada, es un
termostato diferencial o control diferencial de temperatura (CDT) para encender o
apagar la bomba, seg�n se requiera. Este termostato debe tener un sensor a la
salida del colector y otro en el termo, para mandar la se�al de encender la bomba
s�lo cuando el colector se encuentre a una temperatura suficientemente mayor que
la del termo. De otro modo, el colector podr�a funcionar como enfriador. Cabe
aclarar que, para esta funci�n no basta un "timer" o controlador de tiempo (que
podr�a 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 irradiancia solar, o
sombreos que puedan existir sobre el colector.
