LECCIÓN 2: CLASIFICACIONES DE SISTEMAS SOLARES TÉRMICOS (SST)
TIEMPO ESTIMADO: 18 MINUTOS
Los Sistemas Solares Térmicos pueden clasificarse por el principio de circulación, su sistema de transferencia de calor, por su presión de trabajo y su diseño.
2.1 Por el principio de circulación: Circulación Natural o Circulación Forzada
Los SST que funcionan por circulación natural o termosifónicos no utilizan bombas o controladores
para movilizar el fluido entre el colector y el acumulador.
En los sistemas termosifónicos, la circulación del agua caliente es por gravedad. El agua dentro del colector es calentada por el sol, disminuye su densidad y fluye hacia arriba para ingresar al tanque de
almacenamiento, mientras que el agua fría, de mayor densidad, fluye hacia abajo creando una circulación
continúa. El flujo convectivo o termosifónico continúa mientras el sol calienta el colector.
Los sistemas forzados utilizan una bomba y un controlador para circular el fluido caloportador dentro del colector. Los colectores normalmente se encuentran sobre el techo de las construcciones y el tanque se ubica en una sala de máquinas en otro nivel. El fluido fluye desde el colector al tanque por acción de una bomba. En estos casos, el circuito de calentamiento del colector es un circuito cerrado. El colector se usa para calentar un fluido caloportador, y este a su vez intercambia calor con el agua de consumo a través de una serpentina ubicada en el interior de un tanque de acumulación. El circuito de calentamiento es activado mediante una bomba y varios sensores de temperatura vinculados a un controlador solar, elemento capaz de gestionar el funcionamiento de la instalación. En la mayoría de los casos, la bomba se activa cuando hay suficiente calor en el colector como para ser removido, típicamente cuando la diferencia de temperatura entre el fluido del colector y el agua de almacenamiento es mayor a 6°C.
Dependiendo de la configuración interna del tanque y mediante el control selectivo de las bombas respectivas, una misma instalación puede alimentar alternativamente el consumo de agua caliente sanitaria, sistemas de calefacción y de calentamiento de agua de piscinas. La diferencia entre los sistemas de circulación forzada y los de circulación natural puede verse en la figura 2.
La tabla 1 muestra las ventajas y desventajas de cada uno de los sistemas de circulación natural y forzada.
2.2 Por sistema de transferencia de calor: Directo o Indirecto
Los sistemas de circulación natural pueden ser directos o indirectos. Los directos utilizan el mismo fluido en el colector y en el acumulador, siendo este fluido el agua de consumo. En los indirectos, existe un fluido en el colector que transporta el calor, por medio de algún medio de intercambio, hacia el agua de consumo que se encuentra en el acumulador. Este fluido que transporta el calor es un fluido con propiedades anticongelantes. El circuito donde circula el fluido anticongelante se denomina “primario” y
el circuito donde circula el agua de consumo se denomina “secundario”.
Los sistemas de circulación natural directos, sin protección anti-heladas, se utilizan en climas cálidos donde no hay riesgo alguno de ocurrencia de congelamiento, ya que son más económicos y tienen un rendimiento similar a los indirectos.
La mayoría de los sistemas forzados, son indirectos, utilizando un intercambiador de calor entre el fluido caloportador que se encuentra en el colector, y el agua potable que se encuentra en el acumulador. Al ser este un circuito cerrado, es necesario contemplar la dilatación del fluido en el interior del circuito, una alternativa de llenado y una alternativa de vaciado cuando las condiciones climáticas exceden las condiciones de diseño y haya riesgos de rotura de la instalación.
Los sistemas directos, al no tener intercambiador de calor, y utilizar el agua de consumo directamente en el colector, están expuestos al daño por congelamiento en lugares donde la temperatura ambiente cae por debajo de los 4°C. Pueden ser utilizados en zonas con riesgo a heladas (aunque no se recomienda), si se utiliza algún sistema de protección anti heladas. De todas maneras, se han reportado muchos casos de fallas de protecciones anti heladas, dando lugar a roturas y pérdida de confianza en la tecnología. Por tanto, se debe tener absoluta certeza acerca del funcionamiento de la protección anti-heladas para colocar un sistema directo en un lugar con riesgo a heladas.
Los sistemas indirectos son predominantes en climas fríos. En sistemas de circulación forzada e indirectos, es posible atender varias aplicaciones con un mismo sistema. Esto se logra utilizando intercambiadores de calor para cada aplicación que se busca atender. Los intercambiadores pueden estar dentro o fuera del tanque acumulador del SST.
En la tabla 2 se detallan las principales características de los sistemas directos e indirectos.
2.3 Por diseño: Equipos Compactos o «A Medida»
Los sistemas solares térmicos llamados equipos compactos son lotes de productos con una marca registrada, que son vendidos como equipos completos y listos para instalar, con configuraciones fijas. Los sistemas de esta categoría se consideran como un solo producto y se evalúan en un laboratorio de ensayo como un todo. Si un sistema es modificado cambiando su configuración o cambiando uno o más de sus componentes, el sistema modificado se considera como un nuevo sistema, para el cual es necesario una nueva evaluación en el laboratorio de ensayo.
Estos equipos son de uso exclusivo para agua caliente sanitaria.
En el equipo compacto, el colector y el tanque conforman un solo producto. A nivel mundial, los equipos compactos constituyen el 70% del mercado de la energía solar térmica [1]. Como se explicó anteriormente, están formados por un colector y un tanque que junto con una estructura y otros accesorios se comercializan como un solo producto. Al comercializarse como un solo producto, el equipo compacto debe cumplir con los mismos requisitos que los colectores y los tanques, con la excepción de que deben ser ensayados en forma conjunta de la misma forma en que irían instalados. En la figura 3 se muestran algunos ejemplos de equipos compactos que se comercializan en Argentina.
Una categoría especial dentro de los equipos compactos la constituyen los equipos integrados, en donde los elementos principales (colector y acumulador) constituyen un único componente y no es posible diferenciarlos físicamente. Son un tipo especial de equipos compactos y se muestran en la figura 4.
Los sistemas solares térmicos a medida son aquellos sistemas construidos de forma única, o montados eligiéndolos de una lista de componentes. Los sistemas de esta categoría son considerados como un conjunto de componentes.
Los componentes se ensayan de forma separada y los resultados de los ensayos se integran en una evaluación del sistema completo. Típicamente, dentro de esta categoría se encuentran los sistemas para calefacción y climatización de piscinas, además de los sistemas de agua caliente sanitaria diseñados a medida.
En la tabla 3 se describen las características principales de ambos tipos de sistemas: prefabricados
y a medida.
2.4 Por presión de trabajo: Abiertos o Cerrados
De acuerdo a la presión de trabajo con la que opere el tanque de acumulación, los SST pueden ser “abiertos” o “cerrados”. En un sistema abierto, el tanque de acumulación donde circula el agua de consumo opera a presión atmosférica.
En un sistema cerrado, el agua en el tanque está presurizada a una presión específica, típicamente entre 2 y 4 kg/cm2. Esto quiere decir que el tanque de almacenamiento no está en contacto con la atmósfera.
La tabla 4 muestra las ventajas, desventajas y ejemplos de cada uno de los SST explicados.
2.5 Por tecnología de captación: Plano o tubos de vacío
Independientemente de las anteriores tipologías (termosifónico o forzado, directo o fluido caloportador, presurizado o abierto etc), encontramos en el mercado colectores tipos de placa plana y de tubos de vidrio (borosilicato) evacuados al vacío.
El panel solar térmico plano está constituido por una caja con una cubierta transparente que tiene aislamiento lateral e inferior o piso. En su interior contiene varios tubos o capas de materiales. La placa captadora se encarga de captar la energía térmica y esta se transmite a una plancha metálica donde se encuentran vinculados los tubos por los que circula el líquido que se calienta por conducción.
La principal desventaja respecto a los de tubos es que resultan menos eficientes en ambientes con poco sol o donde los rayos solares no inciden directamente en el colector. Es importante en este punto la instalación correcta del equipo.
Los tubos de vidrio al vacío, en comparación con los colectores de panel plano, suponen un gran avance en la captación de calor en condiciones desfavorables.
Los tubos pueden ser directos (el agua circula por dentro de ellos termosifónicamente) o heat pipe (contiene un tubo de cobre interno cerrado con fluido caloportador interno) .
Una ventaja de los tubos de vidrio es su mayor versatilidad de colocación, tanto desde el punto de vista práctico como estético. Al ser cilíndricos, toleran variaciones de hasta 25º sobre la inclinación idónea sin pérdida de rendimiento. Por este motivo es posible adaptarlos a la gran mayoría de las edificaciones existentes. Otro aspecto interesante es que necesitan una superficie de captación solar menor debido a su mayor eficiencia. Además por su forma cilíndrica también son mucho más eficientes, ya que reciben los rayos solares perpendicularmente durante todo el día. Por el contrario los colectores planos son sólo efectivos cuando tienen el sol perpendicularmente.
Respecto al granizo no son tan resistente como los paneles de placa plana, aunque son lo suficientemente resistente para poder resistir granizos de tamaño mediano sin problemas. Respecto a las heladas encontramos un problema con los tubos termosifónicos por el congelamiento interno del agua y posibilidad de rotura por expansión.
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