Calefacción solar para viviendas: opciones y esquemas de diseño

El uso de la energía “verde” suministrada por los elementos naturales permite reducir considerablemente los gastos en servicios públicos. Por ejemplo, al instalar la calefacción solar en una casa particular, usted suministrará un portador de calor prácticamente gratuito a los radiadores de baja temperatura y a los sistemas de suelo radiante. Reconozca que esto ya es un ahorro.

Todo sobre las “tecnologías verdes” lo aprenderá en el artículo que le ofrecemos. Con nuestra ayuda, comprenderá fácilmente los tipos de instalaciones solares, sus métodos de construcción y las particularidades de su funcionamiento. Seguramente se interesará por una de las opciones populares, que funcionan intensamente en el mundo pero que aún no son muy demandadas en nuestro país.

En la revisión que le presentamos se analizan las características constructivas de los sistemas y se describen detalladamente los esquemas de conexión. Se ofrece un ejemplo de cálculo del circuito de calefacción solar para evaluar las realidades de su construcción. Para ayudar a los aficionados al bricolaje, se adjuntan selecciones de fotos y vídeos.

“Tecnologías verdes” para la obtención de calor

Por término medio, 1 m² de superficie terrestre recibe 161 W de energía solar por hora. Naturalmente, en el ecuador este índice será muchas veces mayor que en el Ártico. Además, la densidad de la radiación solar depende de la estación del año.

En la región de Moscú, la intensidad de la radiación solar en diciembre-enero difiere de la de mayo-julio en más de cinco veces. Sin embargo, los sistemas modernos son tan eficaces que pueden funcionar prácticamente en cualquier lugar del planeta.

Los sistemas solares modernos pueden funcionar eficazmente con tiempo nublado y frío, hasta -30 °C

La tarea de utilizar la energía de la radiación solar con la máxima eficiencia se resuelve de dos maneras: calentamiento directo en colectores térmicos y paneles solares fotovoltaicos. Los paneles solares primero convierten la energía de los rayos solares en electricidad, luego la transmiten a través de un sistema especial a los consumidores, por ejemplo, a una caldera eléctrica.

Los colectores térmicos, al calentarse bajo la acción de los rayos solares, calientan el portador de calor de los sistemas de calefacción y de agua caliente sanitaria.

Los colectores térmicos son de varios tipos, entre los que se incluyen sistemas abiertos y cerrados, construcciones planas y esféricas, colectores concentradores semiesféricos y muchas otras variantes. La energía térmica obtenida de los colectores solares se utiliza para calentar agua caliente o el fluido caloportador del sistema de calefacción.

La industria produce una amplia gama de sistemas de colectores para su integración en una red de calefacción independiente. Sin embargo, la variante más simple para una casa de campo se puede hacer fácilmente con las propias manos:

A pesar del claro progreso en el desarrollo de soluciones para la captación, almacenamiento y uso de la energía solar, existen ventajas y desventajas.

Uso eficiente de la energía solar

La ventaja más obvia del uso de la energía solar es su accesibilidad universal. De hecho, incluso en el clima más nublado y sombrío, la energía solar puede ser captada y utilizada.

Segunda ventaja – son las emisiones cero. En esencia, es la forma de energía más ecológica y natural. Los paneles solares y los colectores no producen ruido. En la mayoría de los casos se instalan en los tejados de los edificios, sin ocupar espacio útil del terreno de la casa de campo.

La eficiencia de la calefacción solar en nuestras latitudes es bastante baja, lo que se explica por la insuficiente cantidad de días soleados para el funcionamiento regular del sistema (+).

Las desventajas asociadas con el uso de la energía solar radican en la inconsistencia de la iluminación. Durante la noche no hay nada que captar, y la situación se agrava porque el pico de la temporada de calefacción coincide con los días más cortos del año. Es necesario mantener la limpieza óptica de los paneles, ya que una ligera contaminación reduce drásticamente el rendimiento.

Además, no se puede decir que la operación de un sistema de energía solar sea completamente gratuita; existen costos continuos de amortización del equipo, funcionamiento de la bomba de circulación y la electrónica de control.

Un inconveniente importante de la calefacción basada en el uso de colectores solares es la falta de capacidad para almacenar energía térmica. En el esquema solo se incluye un tanque de expansión (+).

Colectores solares abiertos

Un colector solar abierto es un sistema de tubos sin protección contra factores externos, por los que circula el fluido caloportador calentado directamente por el sol.

Como fluido caloportador se utiliza agua, gas, aire, anticongelante. Los tubos se fijan en un panel de soporte en forma de serpentín o se conectan en filas paralelas a la tubería de salida.

Los colectores solares de tipo abierto no son capaces de encargarse de la calefacción de una casa particular. Debido a la falta de aislamiento, el refrigerante se enfría rápidamente. Se utilizan principalmente en verano para calentar agua en duchas o piscinas.

Los colectores abiertos generalmente no tienen ningún aislamiento. La construcción es muy simple, por lo que tiene un bajo costo y a menudo se fabrica por cuenta propia.

Debido a la falta de aislamiento, prácticamente no conservan la energía obtenida del sol, se caracterizan por un bajo rendimiento. Se utilizan principalmente en verano para calentar agua en piscinas o duchas al aire libre.

Se instalan en regiones soleadas y cálidas, con pequeñas variaciones de temperatura del aire ambiente y del agua calentada. Funcionan bien solo en días soleados y sin viento.

El colector solar más simple con un receptor de calor hecho de un rollo de tubos de polímero proporcionará el suministro de agua caliente en la casa de campo para riego y necesidades domésticas.

Variedades de colectores tubulares

Los colectores solares tubulares se ensamblan a partir de tubos individuales por los que circula agua, gas o vapor. Es una de las variedades de sistemas solares de tipo abierto. Sin embargo, el refrigerante está mucho mejor protegido de los factores externos adversos. Especialmente en las instalaciones de vacío, diseñadas según el principio de los termos.

Cada tubo se conecta al sistema de forma individual, en paralelo entre sí. Si un tubo falla, es fácil reemplazarlo por uno nuevo. Toda la estructura se puede ensamblar directamente en el techo del edificio, lo que facilita enormemente la instalación.

El colector tubular tiene una estructura modular. El elemento principal es un tubo de vacío; el número de tubos varía de 18 a 30, lo que permite ajustar con precisión la potencia del sistema.

Una gran ventaja de los colectores solares tubulares reside en la forma cilíndrica de los elementos principales, gracias a la cual la radiación solar se capta durante todo el día sin necesidad de costosos sistemas de seguimiento del movimiento del sol.

Un recubrimiento especial de múltiples capas crea una especie de trampa óptica para los rayos solares. En el esquema se muestra parcialmente la pared exterior del tubo de vacío que refleja los rayos hacia las paredes del tubo interior (+).

Según la construcción de los tubos, se distinguen los colectores solares de pluma y los coaxiales.

El tubo coaxial es un recipiente Dewar o un termo conocido por todos. Está fabricado con dos bulbos entre los cuales se ha extraído el aire. En la superficie interior del bulbo interno se ha aplicado un revestimiento altamente selectivo que absorbe eficazmente la energía solar.

Con la forma cilíndrica del tubo, los rayos solares siempre inciden perpendicularmente a la superficie.

La energía térmica de la capa selectiva interna se transfiere al tubo de calor o al intercambiador de calor interno de láminas de aluminio. En esta etapa ocurren pérdidas de calor no deseadas.

El tubo de pluma consiste en un cilindro de vidrio con un absorbedor de pluma insertado en su interior.

El sistema recibe su nombre del absorbedor de pluma, que envuelve firmemente el canal térmico de metal conductor del calor.

Para un buen aislamiento térmico, se ha extraído el aire del tubo. La transferencia de calor desde el absorbedor se realiza sin pérdidas, por lo que la eficiencia de los tubos de pluma es mayor.

Según el método de transferencia de calor, hay dos sistemas: de flujo directo y con tubo de calor (heat pipe). El tubo de calor es un recipiente sellado con un líquido que se evapora fácilmente.

Dado que el líquido que se evapora fácilmente fluye naturalmente hacia el fondo del tubo de calor, el ángulo mínimo de inclinación es de 20 °C.

Dentro del tubo de calor hay un líquido que se evapora fácilmente, que recibe el calor de la pared interna del bulbo o del absorbedor de pluma. Bajo la acción de la temperatura, el líquido hierve y asciende en forma de vapor. Una vez que el calor se ha transferido al fluido caloportador de la calefacción o del agua caliente sanitaria, el vapor se condensa en líquido y fluye hacia abajo.

Como líquido que se evapora fácilmente, a menudo se utiliza agua a baja presión. En el sistema de flujo directo se emplea un tubo en forma de U, por el que circula agua o el fluido caloportador del sistema de calefacción.

Una mitad del tubo en forma de U está destinada al fluido caloportador frío, la otra evacua el calentado. Al calentarse, el fluido caloportador se expande y entra en el tanque de almacenamiento, asegurando la circulación natural. Al igual que en los sistemas con tubo de calor, el ángulo mínimo de inclinación debe ser al menos 20°.

Con la conexión de flujo directo, la presión en el sistema no puede ser alta, ya que dentro del bulbo hay vacío técnico.

Los sistemas de flujo directo son más eficientes porque calientan el fluido caloportador inmediatamente. Si los sistemas de colectores solares están planificados para uso durante todo el año, se bombean anticongelantes especiales en ellos.

El uso de colectores solares tubulares tiene una serie de ventajas y desventajas. La construcción de un colector solar tubular consta de elementos idénticos, que son relativamente fáciles de reemplazar.

Ventajas:

• bajas pérdidas de calor;
• capacidad de funcionar a temperaturas de hasta -30⁰C;
• rendimiento efectivo durante todo el día de luz;
• buen funcionamiento en zonas de clima templado y frío;
• baja resistencia al viento, debido a la capacidad de los sistemas tubulares de permitir el paso de masas de aire;
• posibilidad de producir alta temperatura del fluido portador de calor.

Estructuralmente, la construcción tubular tiene una superficie de apertura limitada.

Presenta las siguientes desventajas:

• no es capaz de autolimpiarse de nieve, hielo o escarcha;
• alto costo.

A pesar del alto costo inicial, los colectores tubulares se amortizan más rápidamente. Tienen una larga vida útil.

Los colectores tubulares pertenecen a las instalaciones solares de tipo abierto, por lo que no son adecuados para uso durante todo el año en sistemas de calefacción (+)

Sistemas cerrados planos

El colector plano consta de un armazón de aluminio, una capa absorbente especial (absorbedor), una cubierta transparente, tubería y aislamiento.

Como absorbedor se utiliza cobre en lámina ennegrecido, que se caracteriza por una conductividad térmica ideal para la creación de sistemas solares. Al absorber la energía solar, el absorbedor transfiere la energía solar obtenida al fluido portador de calor que circula por el sistema de tubos adyacente al absorbedor.

En el exterior, el panel cerrado está protegido por una cubierta transparente. Está fabricado con vidrio templado resistente a impactos, con una banda de transmisión de 0,4-1,8 µm. En este rango se produce el máximo de radiación solar. El vidrio resistente a impactos proporciona una buena protección contra el granizo. En la parte posterior, todo el panel está bien aislado.

Los colectores solares planos se caracterizan por su máxima eficiencia y construcción simple. Su rendimiento aumenta gracias al uso del absorbedor. Son capaces de captar la radiación solar difusa y directa.

En la lista de ventajas de los paneles planos cerrados se incluyen:

• simplicidad de construcción;
• buen rendimiento en regiones de clima cálido;
• posibilidad de instalación en cualquier ángulo si se dispone de dispositivos para cambiar el ángulo de inclinación;
• capacidad de autolimpieza de nieve y escarcha;
• bajo precio.

Los colectores solares planos son especialmente ventajosos si su uso se planifica ya en la etapa de diseño. La vida útil de los productos de calidad es de 50 años.

Entre las desventajas se pueden mencionar:

• altas pérdidas de calor;
• gran peso;
• alta resistencia al viento cuando los paneles se colocan en ángulo con respecto al horizonte;
• limitaciones en el rendimiento con diferencias de temperatura superiores a 40°C.

El ámbito de aplicación de los colectores cerrados es mucho más amplio que el de las instalaciones solares de tipo abierto. En verano, pueden satisfacer completamente la demanda de agua caliente. En los días frescos, que no están incluidos por los servicios públicos en el período de calefacción, pueden funcionar en lugar de calentadores de gas y eléctricos.

A quienes deseen fabricar un colector solar con sus propias manos para instalar la calefacción en la casa de campo, les ofrecemos conocer los esquemas probados en la práctica y las instrucciones paso a paso para el montaje.

Comparación de las características de los colectores solares

El indicador más importante de un colector solar es el rendimiento. La productividad útil de los diferentes tipos de colectores solares según su diseño depende de la diferencia de temperatura. Además, los colectores planos son considerablemente más baratos que los tubulares.

Los valores de rendimiento dependen de la calidad de fabricación del colector solar. El objetivo del gráfico es mostrar la eficiencia de la aplicación de diferentes sistemas en función de la diferencia de temperatura.

Al elegir un colector solar, se debe prestar atención a una serie de parámetros que muestran la eficiencia y la potencia del dispositivo.

Para los colectores solares, hay varias características importantes:

• coeficiente de adsorción: muestra la relación entre la energía absorbida y la total;
• coeficiente de emisión: muestra la relación entre la energía transferida y la absorbida;
• área total y área de apertura;
• Rendimiento.

El área de apertura es el área de trabajo del colector solar. En un colector plano, el área de apertura es máxima. El área de apertura es igual al área del absorbedor.

Formas de conexión al sistema de calefacción

Dado que los dispositivos de energía solar no pueden proporcionar un suministro de energía estable y las 24 horas, se necesita un sistema resistente a estas deficiencias.

Para la zona central de Rusia, los dispositivos solares no pueden garantizar un flujo de energía estable, por lo que se utilizan como sistema adicional. La integración en el sistema existente de calefacción y suministro de agua caliente difiere para un colector solar y un panel solar.

Esquema con colector de agua

Dependiendo de los fines de uso del colector térmico, se aplican diferentes sistemas de conexión. Puede haber varias opciones:

1. Opción de verano para el suministro de agua caliente
2. Opción de invierno para calefacción y suministro de agua caliente

La versión de verano es la más sencilla y puede funcionar incluso sin bomba de circulación, utilizando la circulación natural del agua.

El agua se calienta en el colector solar y, debido a la expansión térmica, ingresa al tanque de almacenamiento o calentador. Al mismo tiempo, se produce una circulación natural: en lugar del agua caliente del tanque, se aspira agua fría.

En invierno, con temperaturas bajo cero, no es posible calentar el agua directamente. Por el circuito cerrado circula un anticongelante especial, que asegura la transferencia de calor desde el colector hasta el intercambiador de calor en el tanque.

Como cualquier sistema basado en la circulación natural, funciona de manera poco eficiente, requiriendo el cumplimiento de las pendientes necesarias. Además, el tanque de almacenamiento debe estar más alto que el colector solar. Para que el agua se mantenga caliente el mayor tiempo posible, el tanque debe estar bien aislado.

Si usted desea realmente lograr el funcionamiento más eficiente del colector solar, el esquema de conexión se vuelve más complejo.

Para que el colector no se convierta en un radiador de enfriamiento durante la noche, es necesario detener forzosamente la circulación del agua.

Por el sistema del colector solar circula un fluido térmico anticongelante. La circulación forzada es proporcionada por una bomba controlada por el controlador.

El controlador gestiona el funcionamiento de la bomba de circulación basándose en las lecturas de al menos dos sensores de temperatura. El primer sensor mide la temperatura en el tanque de almacenamiento, el segundo – en el tubo de suministro del fluido caliente del colector solar.

Tan pronto como la temperatura en el tanque supera la temperatura del fluido térmico en el colector, el controlador apaga la bomba de circulación, deteniendo la circulación del fluido térmico por el sistema. A su vez, cuando la temperatura en el tanque de almacenamiento desciende por debajo del valor ajustado, se enciende la caldera de calefacción.

Una novedad y una alternativa eficaz a los colectores solares con portador de calor son los sistemas con tubos de vacío, cuyo principio de funcionamiento y estructura les ofrecemos conocer.

Esquema con panel solar

Sería tentador aplicar un esquema de conexión de un panel solar a la red eléctrica similar al implementado en el caso del colector solar, acumulando la energía recibida durante el día. Desafortunadamente, para el sistema de suministro eléctrico de una casa particular, crear un banco de baterías de capacidad suficiente es muy costoso. Por lo tanto, el esquema de conexión es el siguiente.

Cuando disminuye la potencia de la corriente eléctrica del panel solar, el bloque ATS (conmutación automática de reserva) asegura la conexión de los consumidores a la red eléctrica general.

De los paneles solares, la carga llega al controlador de carga, que realiza varias funciones: proporciona una carga constante de las baterías y estabiliza el voltaje. Luego, la corriente eléctrica llega al inversor, donde se convierte la corriente continua de 12V o 24V en corriente alterna monofásica de 220V.

Lamentablemente, nuestras redes eléctricas no están diseñadas para recibir energía; solo pueden funcionar en una dirección, de la fuente al consumidor. Por esta razón, no podrá vender la electricidad generada ni siquiera hacer que el contador gire en sentido contrario.

El uso de paneles solares es ventajoso porque proporcionan un tipo de energía más versátil, pero no pueden compararse en eficiencia con los colectores solares. Sin embargo, estos últimos no tienen la capacidad de almacenar energía, a diferencia de los paneles solares fotovoltaicos.

Ejemplo de cálculo de la potencia necesaria

Al calcular la potencia necesaria del colector solar, muy a menudo se realizan cálculos erróneos basándose en la energía solar entrante durante los meses más fríos del año.

El caso es que en los demás meses del año todo el sistema se sobrecalentará constantemente. La temperatura del fluido caloportador en verano a la salida del colector solar puede alcanzar los 200°C al calentar vapor o gas, 120°C de anticongelante, 150°C de agua. Si el fluido caloportador hierve, se evaporará parcialmente. Como resultado, habrá que reemplazarlo.

Las empresas fabricantes recomiendan partir de las siguientes cifras:

• suministro de agua caliente sanitaria no más del 70%;
• suministro del sistema de calefacción no más del 30%.

El resto del calor necesario debe ser producido por el equipo de calefacción estándar. Sin embargo, con estos indicadores se ahorra anualmente un promedio de aproximadamente el 40% en calefacción y agua caliente sanitaria.

La potencia generada por un solo tubo del sistema de vacío depende de la ubicación geográfica. El indicador de energía solar que incide anualmente sobre 1 m² de suelo se denomina insolación.

Conociendo la longitud y el diámetro del tubo, se puede calcular la apertura — el área efectiva de absorción. Solo queda aplicar los coeficientes de absorción y emisión para calcular la potencia de un tubo por año.

Ejemplo de cálculo:

La longitud estándar del tubo es de 1800 mm, la efectiva – 1600 mm. Diámetro 58 mm. La apertura es la zona de sombra creada por el tubo. Por lo tanto, el área del rectángulo de sombra será:

S = 1,6 * 0,058 = 0,0928 m²

El rendimiento promedio de un tubo es del 80%, la insolación solar para Moscú es de aproximadamente 1170 kWh/m² al año. Por lo tanto, un tubo generará al año:

W = 0,0928 * 1170 * 0,8 = 86,86 kWh

Cabe señalar que se trata de un cálculo muy aproximado. La cantidad de energía generada depende de la orientación de la instalación, el ángulo, la temperatura media anual, etc.

Con todos los tipos de fuentes de energía alternativas y las formas de utilizarlas podrá familiarizarse en el artículo presentado.

Conclusiones y video útil sobre el tema

Video #1. Demostración del funcionamiento de un colector solar en invierno:

Video #2. Comparación de diferentes modelos de colectores solares:

A lo largo de toda su existencia, la humanidad consume cada vez más energía. Los intentos de utilizar la radiación solar gratuita se han realizado desde hace mucho tiempo, pero solo recientemente se ha hecho posible aprovechar eficazmente el sol en nuestras latitudes. Sin duda, el futuro pertenece a los sistemas solares.

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