Agua caliente solar

Calfador solar de tubos de buit. Una tecnologia més popular en Espanya en 2019

El 'agua caliente solar' o més pròpiament 'agua caliente solar', es referix al calfament del aigua calenta sanitària (ACS) utilisant l'energia solar per diversos métodos. El principal dispositiu usat per a tal fi és el colector o termotanque solar. Este artícul se centra en colectors de baixa temperatura, és dir que ronden com a màxim els 100 graus. Açò els fa aptes per a us humà. Existixen també colectors d'alta temperatura que s'utilisen per a la producció d'energia elèctrica per vapor. L'aigua en estos casos supera els 500 graus.

Història

Els registres de colectors solars en els Estats Units daten d'abans de 1900, involucrant un tanc pintat de negre montat en un sostre. En 1896, Clarence Kemp de Baltimore va tancar un tanc en una caixa de fusta, creant aixina el primer 'calfador d'aigua per lots', com se'ls coneix hui. Frank Shuman va construir la primera central tèrmica solar del món en Maadi, Egipte, utilisant trough parabòlic per a alimentar un motor de que bombejava d'aigua per minut des del Nilo fins als camps de cotó adjacents.

Els colectors de placa plana per a calfament solar d'aigua es varen utilisar en Florida i el sur de Califòrnia en la década de 1920. L'interés va créixer en Amèrica del Nort despuix de 1960, pero especialment despuix de la crisis del petròleu de 1973.

La energia solar s'utilisa en Austràlia, Canadà, China, Alemània, Índia, Israel, Japó, Portugal, Romania, Espanya, el Regne Unit i els Estats Units.

Mediterràneu

Calfadors d'aigua solars passius (termosifón) en un terrat en Jerusalem

Israel, Chipre i Grècia són líders per càpita en l'us de sistemes de calfament d'aigua solars que brinden respal al 30%–40% de les llars.

Els sistemes solars de placa plana varen ser perfeccionats i utilisats a gran escala en Israel. En la década de 1950, l'escassea de combustible va dur al govern a prohibir el calfament d'aigua entre les 10 p. m. i les 6 a. m. Levi Yissar va construir el primer prototip de calfador solar d'aigua israelita i en 1953 va fundar la companyia NerYah, el primer fabricant comercial de calfadors solars d'aigua en Israel. Per a 1967, el 20% de la població utilisava calfadors solars d'aigua. Despuix de la crisis energètica en la década de 1970, en 1980 Israel va requerir l'instalació de calfadors solars d'aigua en totes les vivendes noves (llevat en torres altes en àrea de sostre insuficient). Com a resultat, Israel es va convertir en el líder mundial en l'us d'energia solar Petrotyranny, en un 85% de les llars utilisant sistemes d'energia solar tèrmica (el 3% del consum nacional d'energia primària), s'estima que aforra al país 2 millons de barrils (320 000 m³) de petròleu a l'any.

En 2005, Espanya es va convertir en el primer país del món en requerir l'instalació de generació d'electricitat fotovoltaica en nous edificis i el segon (despuix d'Israel) en requerir l'instalació de sistemes de calfament d'aigua solars en 2006.

Àsia

Noves instalacions d'aigua calenta solar durant 2009, en tot lo món

Despuix de 1960, els sistemes varen ser comercialisats en Japó.

Austràlia conta en una varietat de regulacions nacionals i estatals per a l'energia solar tèrmica, començant en MRET en 1997.

Els sistemes de calfament d'aigua solar són populars en China, a on els models bàsics comencen al voltant d'1,500 yuanes (US$235), aproximadament un 80% menys que en els països occidentals per a un tamany de colector donat. A lo manco 30 millons de llars chinenques tenen un. La popularitat es deu als tubos evacuats eficients que permeten que els calfadors funcionen inclús baix cels grisos i a temperatures molt per baix del punt de congelació.

Principis bàsics

La energia solar que aplega a la superfície de la Terra no és constant a lo llarc de l'any. Els dies hivernals són més curts (menys hores de sol) i ademés, els colectors perden rendiment quant més fret siga l'ambient en el que estan. També, quan es tracta de calfar aigua per a usos sanitaris, la que ve de la ret està més freda en hivern, després s'exigix major energia per a calfar-l'en esta época. De lo que es deduïx que en estiu la mateixa instalació és capaç de calfar un volum d'aigua molt major que en hivern. No obstant, les costums de la gent respecte a la seua higiene (considerant que vixquen en cases en un raonable sistema de calefacció) varien molt poc a lo llarc de l'any, sense contar que, quan es té un mig de calfament tan econòmic com el solar, llavadora i lavavajillas deuen tindre doble pren d'aigua, calenta i freda, i eixos usos tampoc varien a lo llarc de l'any.

Archiu:Vakuumroehrenkollektor 02.jpg

Colector en tubos de vidre al buit.

Això vol dir que una instalació no pot, econòmicament, pretendre obtindre tota l'energia que necessita del sol, ya que si és suficient en hivern, en estiu serà excessiva, l'aigua acumulada es calfarà a temperatures no desijables, fins a aplegar a hervir, en moltes possibilitats de que rebente el depòsit acumulador. Per a evitar-ho caldria obrir l'aigua calenta deixant entrar aigua freda en el depòsit, provocant una despesa inútil d'aigua que no és admissible actualment (i menys en estiu, habitualment época seca), o instalar dispositius per a gelar l'aigua.

Per les mateixes raons, la variació de l'energia rebuda, no solament a lo llarc de l'any, sino a lo llarc del dia, la preparació de ACS solar ha de fer-se per mig d'acumulació, per a utilisar l'aigua produïda a certes hores, en qualsevol moment del dia o de la nit.

La majoria de les normatives nacionals exigixen que es dimensione l'acumulació i la captació per a un consum raonable en estiu, i que es disponga un sistema auxiliar de recalfada quan l'instalació solar no siga capaç de calfar el volum acumulat fins a la temperatura d'acumulació necessària.

Una qüestió que té la seua importància és que el consum d'aigua calenta deu fer-se en condicions relativament constants, sobre volums consumits diàriament. Per eixemple, un sistema de calfament solar en una casa usada solament en les fins de semana, funcionarà molt mal, perque mentres no es consuma ACS, els dies de diari, l'aigua acumulada se seguirà calfant en les conseqüències indesijables abans dites. No obstant, en una casa de veïns, en una instalació centralisada, rara serà la volta que estiga buida per complet i sense cap consum. És dir, quant major número de vivendes alimente l'instalació, majors provabilitats hi ha de que funcione be.

Archiu:Esolarhotel.jpg

Colectors en la coberta d'un edifici.

Disposició dels colectors

Els colectors deuen estar orientats al sur (al nort en l'hemisferi sur) cuidant, en lo possible, de que el sol, en el seu recorregut durant tot l'any, no tire sobre ells ombres dels edificis confrontants o dels components del propi edifici (caixes d'escala, petos de terrat, ...). Es dispondran formant en l'horisontal un àngul igual a la latitut del lloc, de modo que en els equinoccios, al migdia, la radiació solar incidixca perpendicularment. En esta posició, la captació a lo llarc de l'any serà més o menys la màxima. Pot convindre disminuir la captació en estiu i aumentar-l'en hivern, inclinant el colector més cap a la vertical (s'admeten desviacions de ±10°), pero perdent captació a lo llarc de l'any.

Sistemes de calfament

Hi ha varis sistemes de conseguir calfar l'aigua pel sol, encara que la majoria es basen en l'utilisació de colectors solars plans.

Instalació en colectors i acumulació independent

Archiu:Solar water heating schema copia.jpg

Esquema de funcionament d'un sistema de ACS solar.

S'utilisen colectors solars plans i a voltes atres tipos, com el de tubos de buit, encara que els plans solen ser prou més barats degut a que es fabriquen en grans séries. Els colectors es conecten a un depòsit acumulador que, com a mija, tindria la capacitat d'aigua necessària per a un dia d'us (entre uns 22...30 L/dia per possible habitant de l'edifici i a 60 °C de temperatura).

La conexió dels colectors es fa, normalment, en un circuit específic (circuit primari), que recorre un caloportador, i va a un bescanviador en el depòsit acumulador. Este circuit independent té dos importants ventages:

• per un costat, si en la zona hi ha possibilitat de gelades hivernals, en el circuit de colectors es pot posar un anticongelant (del tipo utilisat en els radiadors dels automòvilés), i
• per un atre costat, es protegix als colectors de les impurees que puguen dur les aigües de la ret, molt especialment quan es tracta d'aigües dures, en gran cantitat de sals dissoltes, que precipitarien allí a on es calfa l'aigua, precisament en els serpentines dels colectors, formant una capa aïllant tèrmica que reduïx el rendiment, i pot aplegar a obturar els conductes; quan en el circuit primari no es canvia l'aigua, una volta depositada la llimitada cantitat de sals que puga dur no tornarà a haver problema; inclús es pot omplir el circuit en aigua blana, sense sals.

La regulació del funcionament del circuit primari es fa per mig d'un aparat cridat termostat diferencial. Consta d'una centralita electrònica i de dos sondes tèrmiques; les sondes se situen, una a l'eixida dels colectors i una atra en el depòsit acumulador, i envien la mida de les temperatures de cada u d'eixos punts a la centralita que les compara: quan la temperatura dels colectors és superior a la del depòsit, posa en marcha la bomba de recirculación, en cas contrari, la para. En llocs poc fredor, en que les gelades són rares, el termostat diferencial pot posar en marcha la bomba quan la sonda dels colectors registra temperatures iguals o inferiors a 4 °C, calfant els colectors en l'aigua acumulada i s'evita posar anticongelant, que és car; no és convenient usar esta possibilitat en llocs de gelades freqüents puix pot gelar-se massa l'aigua acumulada i gelar-se els colectors.

Com s'ha dit, no és econòmic ni pràctic fer una instalació capaç de donar en qualsevol moment l'energia necessària per al calfament de l'aigua, per lo que cal afegir a este sistema una energia auxiliar. Per raons d'economia energètica, deuen utilisar-se dos acumuladors independents; en el primer es calfarà l'aigua per energia solar exclusivament i en el segon entrarà l'aigua precalentada i, si fora necessari, es recalentará fins a la temperatura de distribució (normalment 60 °C) per mig d'una energia auxiliar. Efectivament, la potència en que calfa el sol és molt menor que la que té qualsevol sistema de calfament per energies corrents i això vol dir que, si el bescanviador d'energia auxiliar estiguera en el depòsit, es calfaria l'aigua en l'energia auxiliar molt més corrents que en el sol i el termostat diferencial pararia la bomba, llevat que els colectors alcancen una temperatura alta, condicions en els que els colectors tenen menor rendiment. Si la recalfada es produïx en un atre depòsit, el sistema de colectors aprofita completament la capacitat del sol en tot moment. És una instalació més cara, pero s'amortisa en poc temps. I efectivament, en el cas de la normativa espanyola, està prohibit afegir esta energia en el mateix depòsit a on s'ha acumulat l'aigua calfada per mijos solars.

També pot usar-se un calfador dels cridats instantàneus, que deu ser de tipo modulante, en el que no seria necessari el segon acumulador.

Calfador solar "autònom"

Archiu:Solar water boiler.JPG

Un calfador solar d'aigua.

Archiu:TaiyonetuOnsuiki.jpg

Calfador solar pla en depòsit acumulador en una vivenda.

Es tracta de dispositius que permeten captar la energia del sol i transferir-la a l'aigua, en general en un sol aparat, en els dispositius necessaris. L'aigua calfada es guarda en un depòsit d'acumulació i pot consumir-se directament o conectar-se en série en un calfador auxiliar.

Entre hi ha dos tipos: En un d'ells, els panels tenen una placa receptora i tubos pels que circula un líquit caloportador adherits a esta. El receptor (generalment recobert en una capa selectiva obscura) capta la radiació solar calfant-se, mentres que l'aigua que circula pels tubos transporta la calor cap al depòsit acumulador. El depòsit està situat a una altura major que el colector (figura de l'esquerra), de modo que l'aigua circula per termosifón: en calfar-se aumenta de volum i pert densitat, de modo que ascendix a l'acumulador, mentres que la més freda, de major densitat, baixa per un atre conducte per la part d'arrere, cap al colector, a on es calfa. És un aparat senzill i en bons rendiments, en algunes salvetat. No funciona be el llocs a on haja gelades séries (no es pot posar anticongelant, ya que l'aigua que circula és la de consum) i tampoc en llocs a on l'aigua siga dura, per les raons dites més dalt.

El segon tipo és molt més senzill (figura de la dreta) i, si es fabrica en certa cantitat més barat. Hi ha vàries versions, més o menys semblants. Una d'elles consistix en un depòsit pintat de negre en unes cobertes reflectoras que s'òbrin durant el dia per a arreplegar una major cantitat de sol, i es tanquen de nit per a aïllar el depòsit de pèrdues de calor. El depòsit pot tindre una coberta trasparente per a aumentar l'efecte hivernàcul.

En estos dos tipos pot afegir-se despuix un sistema de recalfada en un depòsit auxiliar, o un calfador modulante, com en el cas anterior.

Una atra variant molt més senzilla i econòmica, consistix en una font pintada de negre, en una coberta de polietileno flexible. Pels matins s'ompli d'aigua, inflando la coberta com un globo, i per les nits es buida per a utilisar l'aigua calenta. En este sistema s'evita el problema de les gelades, pero implica estar atent als omplits matutinos i buidats vespertins.

Calfador solar sense coberta

Calfador solar de piscines

Mòduls de calfador solar de piscines

No s'usa especialment per a calfar aigua d'usos sanitaris, pero és un sistema de calfament barat per a usos estacionals, com el calfament de piscines. Es tracta d'una superfície de goma, materials plàstics o teixits impermeables, de color negre, que té un circuit d'aigua format pel propi material. S'estén sobre una superfície exterior i es fa circular l'aigua pel circuit. Com a eixemple del funcionament d'este sistema, pot citar-se l'efecte que el sol fa en una mànega posada al sol i plena d'aigua: quan s'obri l'aixeta al que està empalmada, els primers litros, els que estaven continguts en ella, al sol, ixen calents, tanto más cuanto més obscur siga al color del material de la mànega i quant més temps haja permaneixcut la mànega al sol.

Com s'ha dit, pot usar-se en piscines i, quan aplega el fi de l'estació de banys, s'arreplega i guarda fins a l'estiu següent. Pot servir també per a calfar les duches d'un campament.

És econòmic i no requerix massa contes. En les piscines es pot fer funcionar en les mateixes bombes que fan funcionar la depuradora, i en les duches farà falta posar una, que pot ser menuda, en poc consum d'energia.

Energia auxiliar

El sistema auxiliar és un sistema convencional de calfament de ACS, en la diferència que rep l'aigua en lloc de la temperatura de la ret a una temperatura variable, precalentada per l'instalació solar, que en certes époques (en l'estiu) pot ser ya la temperatura de distribució. És important que el "precalentamiento solar", com s'ha dit, es faça en un depòsit específic i el "recalfada" en un atre.

El sistema més senzill de regular és per mig de l'atre depòsit d'acumulació, com a segon acumulador. El depòsit d'acumulació tindria un bescanviador pel que circula aigua calfada en una caldera exterior (en electricitat, per mig d'una resistència), de modo que un termostat, fixat a la temperatura desijada (sol ser de 60 °C), regula el funcionament de la caldera o de les resistències elèctriques. Si l'aigua de l'acumulador solar ve a la temperatura de consigna, l'energia auxiliar no treballarà o ho farà molt poc. La recirculación necessària, en moltes de les rets de les instalacions de ACS, la tornada es farà a este depòsit i mai a l'acumulador solar.

Quan s'usen calfadors dels cridats instantàneus, deuen ser de tipo modulante, és dir, que modulen la flama del cremador a les condicions de temperatura de l'aigua que aplega, per a obtindre aigua sempre a la mateixa temperatura o, millor dit, respectant una temperatura màxima. Efectivament, els calfadors circulants normals pugen 25 °C la temperatura d'un determinat cabal; aixina, si l'aigua aplega a 10 graus, pujaran la seua temperatura fins a 35, pero si l'aigua aplega a 50 °C, la duran fins a 75 °C, lo que és inadmissible, puix escomença a donar perill de cremades als usuaris. La modulació de la flama evita este perill; quan l'aigua aplega a la temperatura de consum o propenca, la flama del calfador serà nula o molt menuda.

Mijos per a evitar el calfament excessiu de l'aigua acumulada

El problema de calfament excessiu de l'aigua acumulada pot donar-se alguna volta. Molt més freqüentment en instalacions que servixen a una sola vivenda, pero també en les de comunitats de veïns. Precisament es dona en els mesos més càlits, quan els usuaris es van de vacacions i no consumixen aigua; l'acumulador es calfa sense eixir aigua calenta ni entrar aigua freda. Les solucions són vàries.

La més elemental és tapar en una persiana una part dels colectors (o tots), de modo que no reben el sol. Una atra solució, no massa aconsellable, és buidar part del circuit de colectors del decorregut caloportador, i no és adequada perque, encara que efectivament l'aigua no es calfa, els colectors si, i poden deteriorar-se. Ademés es pert l'anticongelant, que té el problema de desfer-se d'ell: no deu ser abocat a la ret de sanejament, després caldria dur-ho a punts específicament preparats per a arreplegar-ho o guardar-ho fins a l'estació següent.

Estos dos sistemes exigixen manipulació cada any en vespres i despuix de l'época estival, en canvi hi ha un atre que funciona automàticament i que consistix en posar un dispositiu de malbarat de calor, en paralel en el circuit entre colectors i el bescanviador de l'acumulador, de modo que, quan un simple termostat senyale que l'aigua del depòsit ha aplegat a la temperatura de consigna, una vàlvula de tres vies desvie el cabal del caloportador des dels colectors cap al disipador, en lloc del bescanviador de l'acumulador. Este disipador pot ser un ventiloconvector del model més senzill (el que criden aerotermo).

Atres possibilitats són: sobredimensionar l'acumulador respecte a la superfície de colectors o també inclinar estos més respecte a l'horisontal, de modo que la captació en els mesos més càlits disminuïxca (en ells el sol està més alt sobre l'horisó i la radiació aplega des d'una direcció més propenca a la vertical) i en canvi aumenta la captació en els mesos menys càlits.

Normativa

En certs països, entre ells Espanya, l'instalació de calfament solar és obligatòria en tots els edificis de nova construcció, des de la promulgació del Còdic Tècnic. De tots modos, certes normatives locals (Barcelona, Madrit) ya obligaven a això.

Moltes administracions donen subvencions a l'instalació d'este tipo d'energia, ya que aforra energia convencional, i emissió de gasos d'efecte hivernàcul, qüestió que pugues inclús provocar despeses econòmiques als estats que s'han compromés a reduir les seues emissions i no ho conseguixen.

Vore també

• Aigua calenta sanitària
• ASADES
• Calefacció solar
• Colector solar
• Energia solar tèrmica
• Energia solar
• Energia renovable

Enllaços externs

Archiu:Wiktionary-logo-v2.svg Agua caliente solar en el Viccionari.

• Còdic Tècnic de l'Edificació (Espanya) Document bàsic HE4

• Varis autors. Instalacions i Servicis Tècnics. Publicació de la Secció d'Instalacions d'Edificis. Escola Tècnica Superior d'Arquitectura, Universitat Politècnica de Madrit. 2012