Parte 2 Arquitectura solar Pierre Robert Sabady
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
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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).
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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.
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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
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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
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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£
suele ser bastante sencillo: en los acumuladores de materiales sólidos, circula aire directamente a través del lecho de grava o por conductos abiertos en la masa de tierra, calentándose o enfriándose. La carga y descarga de estos acumuladores con cambios constantes de temperatura exige, sin embargo, una regulación automática que adapte el sistema estacionario a las condiciones constantemente variables. Con un 30 % de huecos, la grava tiene triple peso que el agua y sólo la tercera parte de capacidad volumétrica de acumulación. Estos acumuladores de grava suelen precisar un volumen cuatro veces mayor que un acumulador de agua de igual potencia. grava suele tener un diámetro de unos 5 cm, o menor para altas temperaturas. 1 m3 de grava puede almacenar unas 400 kcal/°C. Georg G. Lóf construyó en 1945 la primera casa solar (Boulder-House, en Colorado) en ] la que el almacenamiento de calor se hacía con ocho toneladas de gravilla (unos 5 m3) En casos especiales puede utilizarse el terreno natural como acumulador de calor. Temperatura del acumulador
Si no se aporta el calor a alta temperatura, el terreno natural tiene una temperatura! insuficiente para su aprovechamiento directo. Por esta razón se utiliza una bomba del calor instalada como aparato de calefacción que eleva la energía calorífica a baja' temperatura hasta la temperatura de calefacción transformando así el calor disponible i en el entorno en calor de calefacción. Para ello se monta un colector de tierra situado a la profundidad de 0,5 a 2 m. Por estos tubos circula el líquido portador, que suele ser( agua con anticongelante y, algunas veces, es directamente el medio refrigerante.
Capacidad de acumulación de calor para distintas masas acumuladoras de tierra Coeficiente de Capacidad Contenido conductibilidad calorífica térmica X (W/m • específica c K) (Wh/kg • K)
Densidad p (kg/m3)
de agua (% en peso)
Arena seca
0,18
0,2
1500
10
Tierra arcillosa Arcilla húmeda Humus
0,4 0,7 0,2
0,3 0,35 0,5
1500 1800 1400
18 30 15
Antes de construir un acumulador de tierra hay que considerar algunos puntos importantes: — No debe producirse un enfriamiento del terreno natural superior al que se presenta en la naturaleza (enfriamiento próximo a cero grados). — No debe influir en la vegetación. — Garantizar su potencia, incluso en inviernos poco soleados. — ¿Qué normas pueden admitirse para las plantaciones del terreno por encima del colector? — ¿Qué cambios de potencia producirán la orientación, inclinación del terreno, sombreado y características del suelo? — ¿Qué seguridades ha de ofrecer la potencia energética del colector de tierra? — ¿Qué durabilidad ha de tener el colector de tierra como sistema irreversiblemente enterrado (fugas, corrosión, resistencia contra corrimientos de tierras)? — ¿Qué condiciones ha de cumplir el fluido portador del calor que circula por los tubos? Hay que tener en cuenta también los siguientes factores de influencia: — Energía calorífica acumulada al comenzar la toma de calor. — Radiación global absorbida durante el invierno.
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— — — — — — — :'ón del :or de tierra
Calor aportado por el agua (lluvia, rocío). Calor aportado del exterior (por ejemplo, a través de colectores solares). Calor latente del agua al congelarse. Intercambio de calor con el aire exterior. Energía geotérmica que desde el interior de la tierra fluye hacia el colector de tierra. Calor que fluye a las zonas marginales del colector. Extracción de calor por las bombas de calor.
Es frecuente utilizar como material para las tuberías el polietileno, conocido desde hace muchos años en la técnica de instalaciones; es absolutamente resistente a la corrosión, suficientemente seguro contra la temperatura y la presión, tiene gran resistencia mecánica, es fácil de colocar y, además, sale barato. Los distintos tubos van de un distribuidor a un colector. No se efectúa ninguna unión mecánica en el terreno. El dimensionamiento se hace de modo que la potencia necesaria se transporte aunque se averien uno o dos tubos. La diferencia media de temperaturas entre el fluido portador del calor y el terreno no suele ser mayor que 1 K.
2.2.2. Acumulación de calor latente Si la aportación o cesión de energía hacen que una materia pase de un estado de agregación a otro, el calor de transformación o de cambio de estado se denomina «calor latente». Los cambios de fase más conocidos y más aplicados en la técnica son los del agua con una energía de transformación de 93 kWh/m3 en la congelación o en la fusión, y de 626 kWh/m3 en la evaporación o condensación. Por razones económicas apenas se pueden considerar los sistemas acumuladores de calor latente con transformación a la fase gaseosa. En cambio, son interesantes los sistemas que tengan un cambio de fase en el intervalo de temperaturas comprendido entre +30 y +95 °C, ya que en estos casos, es posible la aportación de energía por medio de agua caliente procedente de colectores planos. Hay una serie de sales cristalizadas hidratadas, fáciles de encontrar y baratas apropiadas para el intervalo de temperaturas citadas. Hasta ahora, la sal más utilizada era la sal de Glauber (sulfato sódico) [(Na2S04) • 10 H20)]. El sulfato sódico fundido tiene una capacidad calorífica parecida a la del agua. Entre 90 °C y la temperatura de solidificación, a 32 °C, el acumulador de sulfato sódico puede utilizarse como acumulador de calor sensible y puede ceder unos 67 kWh por m3. Al solidificarse libera otros 98 kWh. Por lo tanto, cede en total unos 165 kWh por m3 lo que equivale aproximadamente a dos veces y media la energía que podría ceder un acumulador de agua en el mismo intervalo de temperaturas. Los acumuladores de calor latente tienen una curva característica de descarga extraordinariamente favorable. Mientras que en el caso del acumulador de calor sensible la temperatura del acumulador varía constantemente, en el caso del acumulador de calor
Capacidad de acumulación de distintos materiales en el sistema de calor latente (según Mattmann) Material acumulador
Temperatura de Energía cambio de estado almacenada en en °C kWh/m3
CaCI2 • 6H20 Na2S04- 10H20
29-39 32
81 98
31
latente la temperatura se mantiene constante durante bastante tiempo. Por ejem para el sulfato sódico, alrededor del 60 % del total del calor almacenado se cede a temperatura que apenas sería adecuada como inicial para una calefacción a t temperatura. En los acumuladores de calor latente, la absorción y cesión del calor de transforr ción debiera producirse en forma estrictamente reversible e isotrópicamente a trai de todo el material acumulador. Cristalización de la masa acumuladora
Una de las dificultades de la cristalización es que ía masa fundida de las sales q pueden utilizarse como material acumulador suelen tener tendencia al subenfriamie to, por lo que la cristalización tiene que iniciarse por medio de la siembra de cristale Los materiales que podrían utilizarse como gérmenes cristalinos tienen que cump una serie de condiciones para que el sistema pueda funcionar incluso pasados varic años. Por ejemplo, no deben ser solubles en la masa fundida del acumulador de calo su punto de fusión debe ser superior a la temperatura de trabajo del acumulador; s densidad debiera ser aproximadamente igual a la de la masa fundida con objeto d que no se precipiten durante el año. Además, la retícula cristalina del germen cristal no debe ser semejante a la del material acumulador, al menos en dos dimensiones Estos problemas fueron conocidos ya en 1946 cuando la Dra. María Teíkes comprob< que en un acumulador de sulfato sódico montado en una vivienda unifamíliar di Dover (Massachusetts) los fenómenos de precipitación redujeron la capacidad de acumulación a menos del 80 % de la capacidad primitiva al cabo de un año. Como consecuencia se intentó impedir la precipitación agregando unos armazones de materiales sólidos o armazones en forma de gel. Su misión era la de mantener en suspensión los gérmenes de los cristales. dé cstidad¿w,(? eíe&ctán de i'as masas — Entaipía de transformación io mayor posibfe referida al volumen del acumulado— Buena conductibilidad calorífica tanto en estado de carga como descargado. — Poca variación de volumen durante la transformación o cambio de fase. — Deben ser, en lo posible, químicamente estables y no reaccionar químicamente con los materiales usuales que forman el depósito. — Precio lo más bajo posible. _ Para los acumuladores que utilizan calor latente, se utilizan, ante todo, sales hidratadas que se licúan en su agua de cristalización por lo que pueden absorber grandes cantidades de calor de licuación y de calor de hidratación. Debe disponerse de ellas er gran cantidad a bajo precio.
Materias químicas para la acumulación
Naturalmente, también puede utilizarse una serie de sustancias de otro tipo, inclusc compuestos orgánicos como, por ejemplo, la parafina, como acumuladores de calolatente. Los acumuladores de calor latente pueden absorber, por unidad de volumen una cantidad de energía, en el intervalor de bajas temperaturas, notablemente mayo-que los acumuladores de capacidad. Los acumuladores químicos tienen una capacidad de almacenamiento que puede alcanzar, por unidad de volumen, más del quíntuplo que un acumulador de agua caliente. En comparación con un acumulador ú-, grava, el acumulador de calor latente lo supera, desde este punto de vista, en u-factor 9. Numerosos institutos de investigación de todo el mundo están trabajando para perfeccionar el acumulador químico de calor para resolver así el problema más difícil de aprovechamiento de la energía solar, que es la acumulación de la energía.
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3. Principios fundamentales de la calefacción solar de locales " rapios
éntales de la
Los trabajos prácticos realizados nos indican que, durante los últimos años, han cristalizado dos variarles de los principios íundamentales para el aprovechamiento de la energía solar para, calefacción; se trata de los sistemas de calefacción solar pasivo v activo. Los sistemas pasivos tratan de aprovechar directamente las radiaciones solares mediante disposiciones constructivas adecuadas. Por el contrario, en los sistemas activos predomina el aprovechamiento de la energía solar por medio de trabajos de ingeniería e instalaciones técnicas. Los métodos de calefacción solar activa se dividen en dos grupos: los que trabajan valiéndose de colectores solares y los sistemas acoplados a bombas de calor. La refrigeración por medio de la energía solar puede realizarse también por medio de disposiciones constructivas naturales o empleando diversos aparatos técnicos relativamente complicados entre los cuales los más importantes en la actualidad son las máquinas refrigeradoras de absorción.
3.1. Sistemas pasivos de calefacción solar -:-~;ento El aprovechamiento directo de las radiaciones solares por medio de disposiciones ; s energía constructivas suele denominarse «aprovechamiento pasivo de la energía solar». Esta expresión, no muy acertadamente elegida (¡los «edificios solares pasivos» correcta mente concebidos tienen que ser, en realidad, muy activos térmicamente y suscepti bles de adaptación!), quiere señalar que con relativamente pocas instalaciones técni cas, sólo por un concepto lógico de la arquitectura, pueden utilizar directamente la energía solar. El intento de concebir edificios solares «pasivos» data ya de una historia de milenios. Hay documentos escritos de que ya Sócrates y Jenofonte habían pensado sobre este problema, y la arquitectura popular ha realizado, en casi todo el mundo, muchas soluciones valiosas que, desgraciadamente, han sido olvidadas por la «mo derna» arquitectura de bloques cúbicos. En nuestro siglo, como consecuencia del abaratamiento de la fabricación del vidrio, se realizaron, ya en los años treinta, algunos ensayos de aprovechar directamente la energía solar mediante su incidencia en las ventanas acristaladas (Wagner, Keck-Slona, etc.). Estos primeros edificios, por desgracia, no pudieron cumplir óptimamente su función por falta de conocimientos suficientes de la relación que existe entre incidencia de radiaciones y acumulación de energía. En particular, quedaron sin resolver los problemas del sobrecalentamiento durante los meses de verano y las excesivas pérdidas de calor durante los períodos fríos, debidos a las grandes dimensiones de las superficies acristaladas. En la actualidad, cuando ya se han construido en varios países un gran número de edificios solares pasivos, podemos concretar una relación de las disposiciones constructivas más importantes que permiten el aprovechamiento óptimo y económico de la energía solar. Plano de situación favorable desde el punto de vista técnico de la energía El arquitecto debiera elegir, en lo posible, un solar que permita la orientación óptima, al sur o al suroeste, de la mayor fachada del edificio. Un microclima tranquilo, protegido contra el viento, reduce también el consumo de energía del edificio. Unas laderas
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Variantes de estructuras Heteras para aprovechamiento activo y pasivo de la energía solar, según S. Gilí
1.1
5.1
yv
3.4
Í.5
2.5
3.5
convenientemente situadas pudieran utilizarse como taludes de protección contr viento. Los árboles ofrecen una buena protección contra los temporales, con lo < pueden reducirse las pérdidas por las rendijas en las fachadas acristaladas. Los ár les dan sombra en verano, pero en invierno dejan pasar las benefactoras radiacioi solares. Para un edificio biosolarmente concebido debiera también estudiarse el p blema de una posible radiación de la tierra. Las radiaciones telúricas nocivas debiei evitarse por medio de disposiciones constructivas en el proyecto.
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Aumento de la captación directa de la energía medíante la orientación al sur de las mayores superficies de fachada
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La teoría y la práctica han demostrado que las fachadas orientadas al sur en un edifk son óptimas para la captación de energía solar en invierno y en las estaciones interrr dias. En verano se pueden proteger fácil y efectivamente contra las radiaciones térn cas no deseadas. Las ventanas orientadas al sur aportan indudablemente una capí ción de calor muy aprovechable. Por esta razón, los edificios debieran abrirse en posible hacia el sur y prever en las otras direcciones las habitaciones que necesiti menos luz y, por lo tanto, ventanas de menor superficie. El problema es relativamen fácil de resolver en los edificios pequeños; en los grandes edificios suelen ser inevit bles las soluciones de compromiso, ya que hay que asegurar la suficiente iluminacic 34
instrucción de las 3das como jardines ^vierno produce orro de energía por el
natural para todos los locales. Los edificios con grandes fachadas al sur pueden aprovechar óptimamente la energía solar como radiación directa incidente a través de las ventanas (aprovechamiento pasivo de la energía solar) o indirectamente, con la ayuda de colectores solares integrados (aprovechamiento activo de la energía solar). Configuración energéticamente óptima de las ventanas y paredes orientadas al sur Todos los elementos de ventana y de muro de un edificio solar pasivo tienen que optimizarse energéticamente, dedicando una atención especial a la fachada sur, porque el edificio recibe por su cara sur el mayor flujo de energía aprovechable. El cálculo y la experiencia práctica señalan, sin lugar a dudas, que la concepción correcta de las ventanas orientadas al sur permite una valiosa captación de energía incluso durante los meses de invierno. Es importante, sin embargo, que las ventanas estén provistas de elementos protectores que las protejan en verano contra el exceso de incidencia de radiaciones solares y que, en invierno, puedan impedir las mayores pérdidas de calor durante las horas de la tarde y de la noche. 35
Estructura de jardín do ¡nviernu r/e grandes dimensiones para un proyecto de urbanización solar de usos múltiples (Arq. P. Soleri).
Las superficies acristaladas en las fachadas orientadas al sur permiten también afi rros de energía utilizándolas como jardines de invierno o como paredes soíares. jardines solares orientados al sur y las paredes solares, que suelen poder cumplir; mismo tiempo funciones de captación y acumulación de energía, son disposiciones . --clásicas para la captación de la energía solar para uso de calefacción. (Los jardines z^ invierno actúan también como zonas de regulación térmica). Hay que atender especialmente a que los valores del aislamiento sean los correctos y a que las relaciones CT dimensionamiento entre las superficies acristaladas transparentes y las masas terr-;-les sean adecuadas. Según la experiencia americana es favorable dotar en algur:; casos a las ventanas con vidrio Texural que transmiten la luz difusa a todas las supe"" cíes interiores. Esta radiación difusa es captada por las superficies de todas las m a s í - termales de las paredes, suelos y techos. El acristalamiento puede hacerse con vidr : normal o con vidrio especial. Si las paredes interiores, los suelos y los techos s-e-utilizan como acumuladores de calor, el vidrio Texural debiera dispersar la luz ~-válido cualquier vidrio de superficie rugosa). Hay que señalar que las ventanas dobles con 2-4 cm de distancia entre los dos vidrios, son ideales para todo el edificio. Si se utiliza vidrio muy «transparente», o bien vidrio con poco contenido de hierro, lo ms; económico es utilizar triple vidrio en Ja fachada sur ya que, por la noche, no se necesiií más protección, como, por ejemplo, contraventanas. Las persianas en que puede variarse el ángulo de inclinación de las lamas, pueden ser necesarias para dar sombra En todo caso deben situarse fuera del vidrio.
