ACONDICIONAMIENTO CALORIFICO DE
ALBERCAS
Cap�tulo 10
10.1 INTRODUCCION.
Los requerimientos de temperatura de una alberca van, dependiendo de su uso,
desde los 22�C en una alberca deportiva hasta los 30�C en una alberca para ni�os.
Mantener la temperatura dentro de estos l�mites requiere de grandes cantidades
de energ�a. Debido a �sto y al constante incremento de precios de la principal
fuente de energ�a empleada, los hidrocarburos, muchos de los usuarios de
sistemas tradicionales (calderas y/o calentadores de gas) para el calentamiento de
sus albercas, han dejado de utilizarlos. Cuando las albercas no cuentan con alg�n
tipo de calentamiento auxiliar s�lo tienen una temperatura confortable en algunos
meses del a�o, y rara vez se encuentran lo suficientemente tibia durante la tarde
o muy temprano, por la ma�ana.
Esto ha tra�do como consecuencia que se tengan que buscar nuevas
alternativas de uso de energ�a y se ha encontrado que el uso de la energ�a solar
encuentra aqu� un campo de aplicaci�n muy interesante, ya que la utilizaci�n de
la energ�a solar en forma adecuada y eficiente puede suministrar toda la energ�a
que se necesita para mantener la temperatura de la alberca dentro de un rango
aceptable. Esta es una de las pocas aplicaciones en donde el costo del equipo
solar es equiparable con el de los sistemas tradicionales. Si tambi�n se toma en
cuenta que la energ�a solar es gratuita y que no contamina, la opci�n por el uso de
energ�a solar para el calentamiento de albercas se hace mucho mas atractiva e
interesante.
Una alberca con agua bien filtrada y una profundidad promedio de 1.60-1.70 m,
absorbe, para su calentamiento, entre el 75% y 85% de la energ�a solar incidente.
Puede mencionarse tambi�n que entre el 85-95% de la radiaci�n solar incidente se
convierte en calor �til si el agua est� turbia o si el fondo y las paredes tienen un
material que absorbe la radiaci�n solar o es de color m�s opaco.
Hay varios factores que intervienen en las p�rdidas de calor de una
alberca. Las de conducci�n hacia el suelo son despreciables y usualmente se
recuperan cuando la temperatura del agua disminuye ligeramente. Las p�rdidas
de calor por radiaci�n en el infrarrojo hacia el cielo y por radiaci�n al medio
ambiente, s� son importantes. Tambi�n se pierde calor por convecci�n
dependiendo de las velocidades del viento. Finalmente, las p�rdidas por
evaporaci�n son las m�s importantes, y dependen de la temperatura del agua y la
humedad espec�fica del aire ambiente; aqu� el calor necesario en el proceso de
evaporaci�n es extra�do del agua de la alberca.
La figura 10.1 representa el diagrama de un sistema de calentamiento
mediante energ�a solar para una alberca.
La ecuaci�n que define el balance de energ�a en la alberca es:
donde,
Qn = calor neto ganado por la alberca
Qcoll = calor ganado por un calentador solar
Qp = calor ganado directamente por la alberca
QL = calor perdido por la alberca.
El flujo de calor que entra directamente sobre la alberca, Qp est�
determinado por:
donde 0.8 corresponde al valor de la absortividad t�rmica del agua (a) para una
profundidad media de 1.5 m., Qi es el flujo de energ�a solar sobre la alberca (Wm-
2), Ap el �rea de la alberca (m�).
Las p�rdidas totales de calor en una alberca, QL, pueden ser determinadas
por la siguiente expresi�n:
en donde,
Ap = �rea de la alberca, en m�
hca= coeficiente de transferencia de calor por convecci�n, igual a 9 W/m��C para
una velocidad de viento igual a 10 km/h. Se sugieren valores de: hca=4.4 W/m�-
�C para v<=5 km/h y hca=1.39v0.8 para v>5 km/h.
hr = coeficiente de transferencia de calor por radiaci�n a los alrededores, aprox.
5.7 Wm-2K-1.
Pa = presi�n de vapor de agua a la temperatura ambiente, en bar
Pw = presi�n de saturaci�n del agua a la temperatura de la alberca, en bar
QL = p�rdidas de calor, en W
R = p�rdidas de calor por radiaci�n infrarroja de un cuerpo negro a la
temperatura Ta. (Valor igual a 79W/m�)
Ta = temperatura ambiente, en �C
Tw = temperatura del agua, en �C
e = emitancia efectiva del agua, igual a 0.9
En esta ecuaci�n, el primer t�rmino representa p�rdidas por radiaci�n
infrarroja al cielo, el segundo, p�rdidas por radiaci�n al medio ambiente; el
tercero, p�rdidas por convecci�n y el cuarto, p�rdidas por evaporaci�n.
La cantidad de calor, Qcoll, ganado por un calentador solar est� dada por:
donde F3 representa la eficiencia global del calentador, definida en el cap�tulo 6,
Qideal es el calor idealmente colectado y Ac es el �rea de colecci�n.
La siguiente ecuaci�n define el calor idealmente colectado Qideal:
donde a es la absortividad del recubrimiento usado en el colector (0.9 para
recubrimiento buenos y 0.75 cuando se usa una cubierta de vidrio), Qi, la
energ�a solar incidente; e, la emisividad del colector (0.9 para pintura negra
mate); R, las p�rdidas por radiaci�n infrarroja al cielo (79W/m�); UL, el
coeficiente de transferencia de calor del colector para p�rdidas por convecci�n y
radiaci�n; Tw y Ta, ya est�n definidas. Adem�s:
donde, hca es el coeficiente de transferencia de calor por convecci�n y depende de
la velocidad del viento, (es cero cuando se utiliza un colector con cubierta) y hr
es el coeficiente por p�rdidas por radiaci�n a los alrededores.
La funci�n del calentador solar es colectar la energ�a radiante que incide sobre
una determinada �rea y transferirla a la alberca de la manera m�s eficiente que se
puede y a un m�nimo costo. Debido a las bajas temperaturas de operaci�n de estos
sistemas (20-30�C), se pueden utilizar colectores de energ�a solar desnudos o
colectores con una o m�s cubiertas de vidrio o de alg�n pl�stico transparente
adecuado, dependiendo sobre todo de la velocidad del viento.
La parte del dise�o de colectores de energ�a solar incluye una parte de
dise�o termodin�mico y otra de dise�o hidr�ulico. En temas anteriores se ha visto
ya la parte de dise�o termodin�mico de colectores solares, por lo cual no lo
trataremos aqu� (cap�tulo 6, "Colectores solares planos").
La parte de dise�o hidr�ulico se basa en obtener una ca�da de presi�n
adecuada del agua al fluir por los tubos y cabezales del calentador solar. Para los
tubos del colector se toma como base la ca�da de presi�n de los calentadores a base
de gas que es de 2 a 4 psia (0.1379 a 0.2758 bar); para los cabezales �sta debe
estar entre 1/3 y 1/4 de la ca�da de presi�n de los tubos. Para obtener estas
ca�das de presi�n se deben seguir los siguientes pasos:
a) Calcular el volumen de la alberca,
b) Fijar el tiempo de recirculaci�n del agua y sacar el flujo total
c) Dar dimensiones al colector,
d) Conociendo la separaci�n entre tubos (w), sacar el n�mero de los mismos,
e) Fijar di�metro de los tubos,
f) Obtener el flujo por cada tubo
g) Obtener la ca�da de presi�n por cada metro lineal de tubo y
h) Sacar la ca�da de presi�n por tubo.
La diferencia que existe entre los tubos y los cabezales son sus di�metros y
los flujos que se dan en cada uno, por lo que para los cabezales la ca�da de
presi�n se hace de la misma manera, tomando en cuenta los datos anteriores.
Una regla de uso pr�ctico para determinar el tama�o de los colectores
solares para el calentamiento de albercas es, que la relaci�n entre el �rea de
colecci�n y el �rea de la alberca debe ser igual a uno.
10.4 ESTIMACION DE LA TEMPERATURA DEL AGUA DE LA ALBERCA.
Se ha mencionado ya la parte correspondiente al balance de energ�a de una
alberca, ecuaci�n (10.1), en esta parte haremos un desglose mas detallado de
cada una de los t�rminos empleados, a fin de conocer la temperatura del agua de la
alberca.
El calor neto ganado por la alberca, Qn, tambi�n puede ser representado
por:
donde MCp es la capacidad calor�fica del agua de la alberca y _T el incremento de
temperatura en un intervalo de tiempo determinado. Conociendo Qn, MCp y la
temperatura inicial, se puede saber la temperatura del agua al final del mismo
intervalo.
El problema est� entonces en conocer el valor de Qn, pues los valores de los
flujos de energ�a que entran y salen de la alberca dependen de un buen n�mero de
variables. Como ya mencionamos, en la ecuaci�n (10.4), para el c�lculo de Qcoll se
necesita conocer el valor de Qideal que queda definida en la ecuaci�n (10.5).
Las ecuaciones (10.2) y (10.3) definen Qp y QL respectivamente. Como se
ve no es tan sencillo conocer Qn, pues depende de relaciones que a su vez
dependen de gran n�mero de variables como la temperatura ambiente y velocidad
del viento, que son dif�ciles de precisar. En la UATI se ha desarrollado un
paquete de software para el dise�o y simulaci�n del comportamiento de un
calentador solar para albercas, que encuentra a trav�s de la simulaci�n de
variables y un m�todo iterativo, la variaci�n de la temperatura del agua, de una
alberca determinada, a lo largo del tiempo.
Ya se ha mencionado al principio de este tema que desde un punto de vista
econ�mico, la utilizaci�n de la energ�a solar para el calentamiento de albercas, es
una de las pocas aplicaciones que se puede considerar competitiva, comparada con
los sitemas tradicionales (calderas y calentadores de gas).
Una de las maneras m�s sencillas y econ�micas de calentar el agua de una
alberca resulta ser la del aprovechamiento de la energ�a solar que incide
directamente sobre ella y el uso de cubiertas sobre la alberca. La funci�n
principal de una cubierta consiste en disminuir o evitar las p�rdidas de calor por
radiaci�n, convecci�n y, sobre todo, las p�rdidas por evaporaci�n que
representan el mayor porcentaje de p�rdidas de calor de la alberca. Las cubiertas
m�s comunes son las llamadas cubiertas flotantes, que son cubiertas
transparentes hechas de polietileno azul con burbujas de aire. Este tipo de
cubiertas son las que normalmente se encuentra en el mercado mexicano.
Considerando s�lo el uso de cubiertas flotantes para albercas, sin
colectores solares para calentamiento extra, tenemos que el t�rmino Qcoll de la
ecuaci�n (10.1) es igual a cero y el t�rmino Qp de la ecuaci�n (10.2), toma
siguiente forma:
donde ac es la absortividad del agua cuando se usa cubierta y es funci�n del tipo
de cubierta y del espesor de la misma. Se estima que el 60% de la radiaci�n
incidente es absorbida por el agua (ac=0.6) si se usa una cubierta transparente de
polietileno azul con burbujas de aire y de 0.17 mm de espesor. En casos de
utilizar una cubierta completamente opaca, ac=0.
Analizando ahora QL en la ecuaci�n (10.3), tenemos que �sta se ver� muy
afectada por el uso de cubiertas para albercas. Cada uno de los t�rminos se afecta
en forma diferente dependiendo del tipo de cubierta que se considere. Para hacer
mas sencillo el an�lisis, consideramos que cada uno de los t�rminos se ve afectado
por un factor de p�rdida, Fp, particular. De este modo, Fp1 representa el factor
de p�rdida para el primer t�rmino y as� hasta llegar a Fp4.
La ecuaci�n (10.3) toma la siguiente forma:
Cada factor de p�rdida tomar� valores entre 0 y 1, donde 1 significa que el
t�rmino no se modifica y 0 significa que toda la p�rdida de calor se elimina
completamente. Se puede tomar cualquier valor intermedio.
Usando cualquier tipo de cubierta, las p�rdidas por evaporaci�n que son las
mayores, pr�cticamente se eliminan, o sea, Fp4=0. Algunos autores afirman que
estas p�rdidas s�lo se reducen en un 80%, o sea, Fp4=0.2. Estos mismos autores
sugieren que las p�rdidas por convecci�n se reducen en un 40%, Fp3=0.6 mientras
que las de radiaci�n no se ven afectadas, Fp1=Fp2=1.
Como se ve, el uso de cubiertas flotantes puede ser una manera muy
pr�ctica y econ�mica de acondicionar una alberca; desafortunadamente, en
latitudes no tropicales, en lugares altos, en �pocas de invierno o cuando se tienen
albercas sombreadas, el uso de una cubierta no es suficiente para mantener a la
temperatura adecuada el agua de la alberca y entonces se hace necesario utilizar
colectores solares, mencionados anteriormente, para proporcionar la energ�a extra
que se necesita. De cualquier manera, es recomendable la combinaci�n de los
colectores con el uso de las cubiertas flotantes para tener un mayor ahorro de
energ�a y un mejor acondicionamiento de las albercas.
