Ventilar, calentar y generar agua caliente

MEMORIA

Introducción

El propósito de esta presentación es describir la tecnología de ventilación, calefacción y generación de agua caliente sanitaria mediante colectores de aire. El uso de colectores de aire es particularmente interesante, ya que representan un sencillo y eficaz apoyo a la calefacción.

Resulta preferible trabajar con aire como fluido caloportador porque:

· El aire no se congela, no bulle y no corroe como el agua, lo cual reduce el riesgo de averías.

· El aire se calienta muy rápidamente, obteniendo ganancias térmicas incluso con irradiaciones mínimas. Lo suficiente para mantener cualquier vivienda caldeada y ventilada, y almacenar suficiente agua caliente en verano para cubrir su demanda.

· La instalación de circuitos de aire en una vivienda existente es más sencilla que la de los circuitos de agua.

Aunque comercializados en EEUU. desde finales del siglo XIX, los colectores de aire se conocen relativamente poco en comparación con los colectores de agua, al representar tan sólo un 1% del total del mercado solar térmico mundial. Mientras que los Romanos ya diseñaban y construían redes de suministro de agua con tuberías de plomo, la ciencia de la ventilación se desarrolló prácticamente en los últimos 100 años. Cualquier vivienda dispone de una red de agua potable y otra de alcantarillado, algunas tienen sistemas de evacuación pluvial y de riego, pero muy pocas tienen sistemas de ventilación activa.

Antecedentes tecnológicos: El efecto invernadero

Aunque el vidrio fue inventado en Egipto o Mesopotamia, se aplicaba sólo en bisutería y utensilios de mesa. Fueron los Romanos los primeros en realizar ventanas con láminas de mica o alabastro y crear el heliocaminus (horno solar), el primer invernadero para plantas de países exóticos. Posteriormente los mejoraron con el desarrollo de técnicas de laminado del vidrio, cuya producción siguió durante la Edad Media, como atestiguan las vidrieras de las catedrales y los primeros invernaderos con rosales o naranjos de los monasterios.

El notable naturalista franco-suizo Horace de Saussure observó en los años 1760 que, “es un hecho conocido, y esto desde hace largo tiempo quizás, que una vivienda, una carroza o cualquier otro lugar siempre se caldean más si los rayos solares han de traspasar un vidrio”. Para determinar la eficacia en atrapar calor con cubiertas de cristal, de Saussure construyó un cajón rectangular, aisló su interior, colocó dos cajas menores en el interior y lo hizo tapar con cristal. Tras exponerlo al sol, midió un incremento de temperatura en las cajas interiores de 109 ºC, es decir, superior al punto de ebullición del agua.

Repitió el experimento en lo alto de los Alpes, registrando el mismo incremento de temperatura en el interior de la caja, de lo cual dedujo que la radiación solar era igual en todas partes, pero que “la atmósfera menos densa en las alturas es menos capaz de retenerla”. De Saussure consideró que algún día la caja caliente tendría aplicaciones prácticas ya que resulta “relativamente pequeña, fácil y barata de construir”.

De hecho, los invernaderos se pusieron de moda en el siglo XIX para recrear climas tropicales y criar las plantas traídas de las expediciones alrededor del mundo. Pero también como elemento calefactor integrado en las viviendas, hasta entonces húmedas y frías. Es también en esta época cuando grandes científicos de otras disciplinas, como el matemático francés Fourier, el astrónomo inglés Herschel o el físico norteamericano Langley sentaron las bases del estudio del clima con la explicación del efecto invernadero a nivel atmosférico.

El norteamericano Edward Morse fue el primero en patentar un  captador solar en 1881 (US Patent 246.626), y usaba aire como fluido caloportador. A través de un cristal calentaba una chapa ondulada pintada de negro, y permitía que el aire circulase por convección por detrás de ella y hacia el interior de la vivienda. Este sistema también le permitía aspirar aire del exterior, creando una ventilación natural.

La calefacción solar

Desde sus inicios al principio del siglo XX, la industria solar térmica debe enfrentarse a dos problemas fundamentales: el almacenamiento de energía para los momentos en los que no se dispone de irradiación solar, y la eficiencia en su captación.
Aunque cuando se habla de energía solar térmica se suele pensar en nuestro país en la generación de agua caliente, la mayor demanda térmica se produce en la calefacción. Considerando que cualquier construcción actúa como un almacén de calor, seguimos con el problema de almacenar esa energía en los momentos en los que falta radiación solar (de noche y en días nublados).

Por ejemplo, si una vivienda unifamiliar cuenta con una demanda energética de calefacción en los días más fríos de 10 kW, necesita 240kWh/d en esos días. Con una irradiación invernal media de 2,2 kWh/m² diaria (dependiendo de la zona) se necesitaría una superficie colectora encima de 100m² para cubrir la demanda. Para almacenar la energía necesaria sólo para sobrepasar la noche, se necesitaría un depósito de 160 kWh por ejemplo: 4000 lts. de agua a 60°C (ΔT=35K).

Aunque técnicamente sería posible solucionarlo nos damos cuenta inmediatamente que cubrir la demanda de calefacción 100% solar no es factible ni razonable.

Por eso se ha establecido el uso de sistemas solares como apoyo en calefacción, reduciendo el periodo del uso de sistemas convencionales a los días más fríos. Aunque la fracción solar parece reducida en sistemas de calefacción (hasta 30%) comparándoles con sistemas de ACS (70%), la energía absoluta ahorrada es muy alta y por eso interesante para los usuarios.

Teniendo en cuenta que los sistemas solares de aire ventilan la casa con sobrepresión, reducen significativamente las pérdidas por infiltración (falta de hermeticidad), este efecto se multiplica y no sólo cuenta la energía solar aportada, sino también la energía no perdida.

Almacenar el calor en depósitos, sólo permite el almacenaje de una parte pequeña de la demanda total. Mientras que los sistemas de agua calientan la casa sólo hasta la temperatura mínima de confort, los de AireSolar lo hacen hasta el punto máximo, utilizando la propia estructura del edifico como almacén energético. La diferencia entre estas temperaturas multiplicado por la capacidad calórica del edificio da la capacidad de almacenaje de calor en el edificio.

Para obtener buenos resultados en el sistema solar hay que buscar camino para tener un valor alto. Y esto se puede hacer mejorando la capacidad de almacenamiento de la construcción, o mejorando la eficiencia del sistema solar. Para ello se han perseguido soluciones técnicas como los colectores de tubos de vacío, o el calentamiento directo del aire en colectores especialmente diseñados para ello.

La tecnología AireSolar

Aunando criterios arquitectónicos con los conocimientos adquiridos sobre el efecto invernadero y la disponibilidad de equipos de ventilación de alto rendimiento eficaces, los calentadores solares de aire directos, sin circuito de agua, resurgieron durante épocas de crisis petrolera del siglo XX, concretamente en las dos importantes que hubo:

·La escasez de suministro sufrida durante la Segunda Guerra Mundial provocó nuevos desarrollos como el muro Trombe, mejoras en el diseño de los flujos e intercambios de calor, e incluso soluciones al problema del almacenaje como conducir el aire caliente a través de acumuladores de gravilla. Se puede considerar como primera instalación de un sistema completo de AireSolar la realizada por el profesor George Løf de Colorado State University en su propia casa en 1945. Aún hoy, tras más de 50 años, sigue contribuyendo a la calefacción de la vivienda.

También cabe destacar al arquitecto de Tucson (Arizona) Arthur Brown, quien realizó la primera instalación de AireSolar en un edificio público, el Rose Elementary School de su ciudad. Creó una cubierta acristalada y conectó ventiladores al espacio entre la cubierta y el cristal, logrando así cubrir el 80% de las necesidades de calefacción de la escuela.

·El segundo salto para la tecnología del AireSolar se produjo en Europa tras la crisis petrolera de los 1970, cuando diversos pioneros en Alemania, Holanda y Dinamarca demostraron la viabilidad de sus instalaciones y desarrollaron la integración en edificios combinada con consideraciones bioclimáticas. Hoy en día ya se construyen en Europa viviendas completamente autosuficientes en calefacción y ACS gracias a sistemas térmicos de aire y agua.

Algunas empresas lograron desarrollar productos comercializables a partir de estas experiencias. En EEUU y Canadá se instalan paneles de chapa perforada como segunda piel en naves industriales para aprovechar el aire calentado entre las dos capas de la fachada (Solarwall). En Alemania, Austria y Dinamarca se fabrican colectores de aire propiamente dichos de forma industrial, ampliables modularmente para todo tipo de aplicaciones, e incluso autónomos, con su propia célula fotovoltaica para alimentar el ventilador (serie TwinSolar de Grammer Solar).

El aire como fluido caloportador

Aunque en lenguaje coloquial nos refiramos con el término fluido a los líquidos, en el ámbito de la física se define como fluido cualquier gas o líquido que adapte su forma a la del recipiente que lo contiene. Así que aunque el aire sea un gas y el agua un líquido, ambos son fluidos que comparten las mismas leyes de la mecánica de fluidos.

La diferencia fundamental entre gases y líquidos radica en su compresibilidad, es decir, la capacidad que tienen los gases de variar su densidad en relación inversa a la presión a la que se le somete. Sin embargo, a las velocidades operativas que se trabaja en los sistemas de AireSolar se puede considerar una densidad del aire constante, con lo que las diferencias en el comportamiento dinámico entre ambos fluidos (aire y agua) se reducen.

Uno de los fenómenos más importante en el estudio de la mecánica de fluidos es el paso de flujo laminar a turbulento. Las propiedades dinámicas y térmicas del fluido cambian drásticamente por lo que su conocimiento resulta crucial. Aunque para el intercambio de calor son desventajosos los flujos laminares, la pérdida de presión que implica un flujo turbulento es tan importante que se evita en todos los casos, limitando las velocidades de circulación de los fluidos en todos los sistemas (al igual que ocurre con el agua).

Suponiendo pues que la densidad del aire es constante y que el flujo es laminar, las pérdidas de presión en conductos (rectilíneos y de sección constante) dependen únicamente de la velocidad de circulación, y en la relación cuadrática descrita por Bernouilli, aplicable tanto para el aire como para el agua:

Δp = ½ r v2

En el caso de los colectores de aire de Grammer Solar, el diagrama adjunto muestra la relación entre la pérdida interior de presión y el caudal de aire que lo atraviesa.

Con la línea punteada se indica el caudal habitual de operación en sistemas de AireSolar y la consiguiente pérdida de carga en el colector. A éstas se añaden unas pérdidas de 11,5 Pa a la entrada y a la salida del colector, como se verá más adelante. En las conducciones del sistema, las pérdidas por rozamiento son mucho menores en el caso del aire que en el caso del agua, ya que el coeficiente de viscosidad dinámica µ es unas 50 veces inferior. Por eso las velocidades de circulación pueden ser mucho mayores

Podemos concluir que las cualidades del aire exigen construcciones especiales con diámetros mayores. Eso puede dar problemas en la realización concreta buscando sitio para los componentes y la tubería. Teniéndolas en cuenta, estas diferencias no afectan a la eficiencia del sistema de calefacción solar pero pueden además aumentar el rendimiento.

Aunque ya existen programas informáticos que simulan las pérdidas de presión en redes de distribución de aire complejas, la experiencia demuestra que en la mayoría de aplicaciones domésticas se pueden aplicar simples reglas de estimación:

· Mantener velocidades moderadas entre 3 – 5 m/s (el máximo permitido para controlar el ruido en residencias).

· Minimizar y, si las hay, atenuar cualquier variación de velocidad.

· Evitar cantos romos en cualquier sentido de circulación.

· Maximizar los radios de curvatura en cambios de sentido.

El aire como medio caloportador

Al igual que en otros fluidos, la potencia del colector Pc se corresponde a la potencia del transporte energético Pe:

Pc = Pe
n0*G –a1*ΔT – a2*ΔT2 = f*cv*ΔT

donde h0, a1, a2  son valores específicos de cada colector, G es la irradiación solar, f es el caudal de fluido a través de colector y cv es el calor específico del caloportador.

Pero hay dos diferencias básicas en el comportamiento térmico del aire que tienen consecuencias importantes: · el bajo calor específico volumétrico del aire hace que se caliente más rápido que el agua, alcanzando la temperatura de funcionamiento deseada incluso con irradiación baja (cielo cubierto).

Si tomamos un m3 de aire y 1 m3 de agua y a cada uno le aportamos la energía de 1 kW, mientras que el agua se calentará
1 ºK, el aire se calentará 3.488 ºK. Esto significa que con poco aporte energético obtenemos un salto térmico muchísimo mayor, y que para transportarla tenemos que trabajar con mayores caudales, aumentando el diámetro del conducto o la velocidad de circulación.En el caso que nos ocupa de los colectores Grammer Solar, los conductos y velocidades operativas habituales se muestran en la siguiente tabla:

La baja conductividad calórica del aire influye en la construcción del colector. Por un lado, el aire en reposo representa el mejor aislante (después del vacío), pero cuando está en movimiento mejora su conducción. De ahí que cuando hace viento sentimos frío, y nos abrigamos para mantener una capa de aire quieta sobre nuestra piel. Todo esto influye en la forma en la que se construye el colector, y la disposición de los absorbedores con respecto al fluido circulante. Existen varias alternativas en el mercado:

En esta presentación, el producto seleccionado son los colectores Grammer SLK,  del tipo F, que llega a una eficiencia muy alta. Se aprovecha la capacidad aislante del aire manteniendo una cámara de aire en reposo entre los absorbedores y el cristal, mientras que el aire fluye de forma regular y rectilínea a través de los canales de absorción. Tienen un rango muy grande de eficiencia óptima así que se pueden utilizar también con ventiladores modulados, obteniendo la temperatura óptima para la aplicación del sistema:

Tablas de radiación El programa Luftikuss, suministrado por Grammer Solar, utiliza las tablas de radiación de PV-SOL, considerada una de las fuentes más fidedignas a nivel europeo. Si comparamos los datos con las tablas de radiación publicadas por la Agencia Valenciana de la energía AVEN, observamos un ligero error a lo largo del año, aunque la radiación total anual es muy similar.

Dimensionamiento de los colectores Cálculos manuales Usando la gráfica de dimensionamiento de Grammer Solar, vemos que para calentar una vivienda de unos 110 m2 necesitaremos una superficie colectora de entre 8 y 10 m2. Considerando que la demanda de calefacción no es en todas las habitaciones, que no es extrema y que tanto el presupuesto como la superficie disponible en la cubierta son limitados, intentaremos cubrir el máximo posible de la demanda real energética con la superficie mínima posible. Comprobemos ahora que con esta superficie se puede cubrir la demanda energética para la generación de ACS. La demanda de ACS a 45 ºC para una vivienda unifamiliar de tres miembros en Valencia es de 157 l/día. Si la temperatura de entrada de agua de la red se considera a 10 ºC, podemos calcular la demanda diaria energética como:

E = m • Cp • ΔT

donde
m :  cantidad de agua en kg.
Cp : calor específico másico del agua = 1,16 Wh/kgK
ΔT : diferencia térmica en ºK entre el agua fría y caliente

E = 157 kg • 1,16 Wh/kgK • (45-10) = 6374 Wh/día

Si consideramos que los meses de uso de los colectores de aire para generar ACS serán fundamentalmente de mayo a septiembre (Verano en Hemisferio Norte), tomaremos el valor medio de la radiación durante esos meses (6217 Wh/m2) para calcular la superficie colectora necesaria para cubrir la demanda de ACS con un factor de seguridad de 1,5 (ya que en Valencia tenemos pocos días nublados):
AK = 1,5 • E /( Is • n )

donde
Is : radiación solar media diaria sobre la superficie colectora,    en kWh/m²
n : rendimiento medio del sistema solar (para ACS se aplica un valor de h = 0,47)

AK = 1,5 • 6374 Wh / (6217 Wh/m² • 0,47 ) = 3,27 m²

Luego con 8,5 m2 de superficie colectora sobra superficie para cubrir la totalidad de la demanda de ACS en verano, (con la ventaja de que no podemos sufrir sobrecalentamiento como en un colector de agua).

Estamos dentro de los parámetros internos para calentar la casa en invierno. Aunque el mínimo sería un TopSolar 8.0, por su disposición alargada no cabría sobre la cubierta de la vivienda y proponemos esta versión en forma de U.

Cálculos con software

Para dimensionar el sistema podemos utilizar también el software Luftikuss suministrado por Grammer Solar, una aplicación similar a las que se utilizan en los sistemas basados en agua, el que se incluye en la primera instalación y puede ser solicitado a nuestro representante en Chile.

Grammer Solar recomienda en general un caudal de trabajo de 350 m3/h en los sistemas de AireSolar. Como veremos más adelante en la descripción de sus características técnicas, en el caso que nos ocupa de un sistema TopSolar 8.5 con circuito de agua se recomienda un ventilador muy potente (vence 250 Pa con 350 m3/h) para asegurar el trasiego correcto del aire en ambos modos de funcionamiento. Las pérdidas de carga causadas por los propios colectores y sus entradas y salidas se pueden obtener de las siguientes curvas:

Con 350 m3/h sufrimos pérdidas de carga de 9 Pa/m de colector y 12 Pa por entrada/salida, sumando un total de 9 * 8,5 + 12 * 2 = 100,5 Pa. A esto deberemos sumar las pérdidas del circuito en cada modo de operación: ·126 Pa en modo ventilación: Caja de filtros (15), clapeta anti-retorno (1), 4 tes (60), 25 metros de conducto (25), silenciador (10), válvula motorizada (15). ·98 Pa en modo ACS: 1 te (15), 8 metros de conducto (8), silenciador (10), válvula motorizada (15), intercambiador aire/agua (50).

DESCRIPCIÓN DE COMPONENTES PRINCIPALES

Colectores

La carcasa es de aluminio y las dimensiones básicas del colector son  2000x1006x136 mm. El peso de cada colector es de 45 kg., así que el conjunto utilizado en presente proyecto (TopSolar 8.5) tiene un peso de 205 kg. Los absorbedores que conducen el aire son también de aluminio de 0,6 mm pintado con cromo negro. Su capacidad total es de un volumen de 55 litros de aire. La cubierta del colector es de cristal ESG de 4 mm. El aislamiento térmico está realizado con lana mineral de 50 mm en la parte trasera y de 20 mm en los laterales, con una conductividad térmica de l = 0,04W / (mxK).

Ventilador

El ventilador incorporado en el modelo es el ventilador radial de baja presión, modelo ENG 3-9,8 del fabricante Karl Klein Ventilatorenbau GmbH. Sus valores característicos son:

·Tensión de trabajo                       230 V c.a.
·Intensidad nominal                       0,90 A
·Caudal máximo                            500 m3/h
·Salto de presión máximo              450 Pa
·Revoluciones nominales               2.760 min-1
·Potencia                                      120 W
·Ruido                                          67 dB (A)
·Peso                                           4,5 kg.

A continuación se muestran su curva característica:

Caja de Filtros La caja de filtros es una caja cuadrada de 265x265x235 mm de chapa galvanizada por ambos lados, que se acopla a las conducciones de aire de 160 mm mediante los empalmes con goma en cada extremo. La caja dispone de una ranura lateral para efectuar el cambio de filtro. Provoca unas pérdidas de presión de 15 Pa.

Silenciador El silenciador es un atenuador acústico del fabricante alemán Lindab, de diámetros interior y exterior 160 y 260 mm, 900 mm de longitud y 8 kg de peso. Provoca 10 Pa de pérdida de presión. En proyectos con menos espacio disponible se pueden colocar silenciadores flexibles.

Intercambiador de calor aire-agua Compuesto de láminas de aluminio y tubos de cobre en un contenedor de acero galvanizado, es como un radiador de coche, facilitando un intercambio óptimo de calor entre el aire y el agua. Las conexiones de tubería de cobre son de ¾”. Está diseñado para caudales de aire entre 300-500 m³/h,  y provoca 50 Pa de pérdida de presión. Como se ha indicado anteriormente, el sistema completo de ACS opera con una eficacia del 47%.

DESCRIPCIÓN DE LA INSTALACIÓN

Planos
Esquema vivienda

De la vivienda no hay planos exactos, así que se han medido las superficies reales de cada espacio. En el siguiente esquema se ve la distribución de las habitaciones así como las dimensiones del circuito de distribución de aire propuesto.

El sistema está configurado de tal forma que se permiten dos formas de operación:

·Con la válvula motorizada en posición calefacción, el aire es aspirado por el ventilador a través de la caja de filtros y los colectores para ser impulsado a través del silenciador al interior de la vivienda.

·Con la válvula motorizada en posición ACS, el aire es impulsado a través del intercambiador aire-agua, cerrándose así la claveta de retención y volviendo el aire a lo colectores tras haber transferido parte de su calor al agua.

Montaje

El proceso de montaje ha sido el siguiente:

i. Se perfora el tejado en las posiciones indicadas en el plano de instalación para colocar los aislamientos que protegen el paso de los tubos de aspiración e impulsión del aire a través de la cubierta. Al tratarse de un sistema con recirculación de aire, se necesitan 2 pasamuros, uno de aspiración y otro de impulsión

ii. Se perfora el tejado en los puntos de anclaje marcados en el plano de instalación para fijar los pernos que sujetarán la estructura de soporte de los colectores. Los pernos de anclaje incluyen una junta EPDM para evitar filtraciones.

iii. A continuación se fijan las pletinas de sujeción a los pernos, y los perfiles se acoplan a las pletinas, sin llegar a fijarlos aún hasta que montemos sobre ellos los colectores.

Se colocan también los pasamuros para asegurar la impermeabilidad de la instalación. Alrededor de cada perforación aislada se levantan un poco las tejas para cuñar bien la placa de plomo entre ellas y se coloca una sección de tubo a través del pasamuros.

iv. Ya se pueden izar los colectores al tejado.

Resultados finales

El sistema de AireSolar presentado (TopSolar 8.5 con ACS) tiene dos modos de funcionamiento con el objetivo de producir energía aprovechable durante el máximo tiempo posible a lo largo del año. En las épocas en que se requiere calefacción, la produce directamente calentando el aire exterior e impulsándolo al interior de la vivienda. Cuando se cumple la demanda de calefacción, el sistema pasa a modo ACS para acumular la energía térmica producida. (Esto tiene sentido ya que en modo calefacción trabaja a menores temperaturas, y por ello con mayor rendimiento).

Así, en un día de invierno en la temperatura exterior puede ser de 10 ºC mientras que la programada con el regulador para el interior de la vivienda es de 20 ºC. La válvula motorizada se mueve automáticamente a la posición de ventilación-calefacción. De esta manera, el aire pasa a través de los colectores, el silenciador y los conductos de distribución al interior de la casa hasta alcanzar la temperatura deseada.

Según la nubosidad del día pueden ocurrir dos cosas:

·La vivienda alcanza los 20 ºC gracias a los colectores de aire. Una vez alcanzados, la válvula motorizada cambia de posición a modo ACS y el ventilador recircula el aire a través de los colectores y el intercambiador aire-agua, calentando el circuito primario de agua que llega hasta el interacumulador.

· La climatología es adversa y el sistema de aire caliente sólo llega a conseguir 17 ºC en el interior de la vivienda, con ventilación y reducción de la humedad relativa.

Si los usuarios no están en la vivienda, ésta se mantiene caldeada y ventilada para reducir el salto térmico que tengan que vencer a su llegada.

Cuando llegan los usuarios, pueden añadir calor encendiendo la chimenea (o cualquier otro sistema adicional). Así notan un importante ahorro energético, y un mayor confort por la oxigenación del salón.

Mantenimiento

Colectores de aire

El colector de aire Grammer Solar no tiene partes móviles, con lo cual es seguro y libre de mantenimiento, sin embargo, está expuesta a las fuerzas de viento. Para asegurar que todas las uniones roscadas estén en buen estado, conviene efectuar controles rutinarios, sobre todo después de tempestades.

La experiencia muestra que normalmente los colectores son limpiados por la acción de la lluvia; sin embargo, en zonas muy contaminadas o con una carga fuerte de pólenes, unido con temporadas prolongadas de sequías, puede tener sentido limpiar la cubierta de vidrio con agua del grifo y esponja o una escoba para limpiar vehículos.

Los colectores están protegidos contra suciedades internas con filtros de aspiración integrados en el sistema, según categoría UE 4. Hay que cambiar el filtro de la caja de filtros una vez al año, antes de empezar la temporada de calefacción.