Información Técnica de la Calefacción Solar por Aire

Introducción a la Calefacción Solar del Espacio

Existen dos sistemas fundamentales de calefacción que utilizan la energía solar, aquellos en que el sol calienta agua o aquel en que el sol calienta aire. El método que mejores resultados ha mostrado hasta ahora ha sido el que emplea aire, debido a que este tipo de instalaciones ofrece ciertas ventajas con respecto a las instalaciones que utilizan agua, de hecho en EE.UU. y Canadá la calefacción con colectores solares de aire es más popular que la calefacción con colectores solares de agua porque la mayoría de los edificios ya tienen un sistema de ventilación para la calefacción y la refrigeración.

 

Características de las instalaciones solares de calefacción por aire en comparación de las de agua.

La primera y principal diferencia entre ambos sistemas radica en que el agua llevar hasta 5 veces más calor por unidad de masas que el aire (Su calor especifico es de 1 cal/gr frente a la del aire que es de 0.24 cal/gr) y además la densidad del agua es también mayor que la del aire siendo de 1000 kg/ m3 frente a los 1,225 kg /m3  ( INTI valor promedio a nivel del mar). Esto , significa que necesitaremos aproximadamente 3400 veces más volumen de aire que de agua para transportar la misma cantidad de calor.

Pero el aire presenta determinadas ventajas con respecto al agua para las instalaciones de calefacción por energía solar:

  • No hay congelamiento ni ebullición por lo que se hacen innecesarios sistemas que se deben adoptar en las instalaciones de agua. Por ej en zonas de mucho nieve y hielo se hará necesario un circuito primario con agua y anticongelante que evite la congelación nocturna en los colectores y la ruina de éstos. Como el anticongelante es un elemento tóxico hay que instalar un circuito secundario, que comunique con el depósito acumulador de agua.
  • No existen problemas de fugas ya que trabajan en circuito abierto con la atmósfera.
  • Las instalaciones solares por aire son más sencillas y simples que las de agua. Ya que finalmente lo que se calienta es el aire por lo que eliminamos un intermediario.
  • Las instalaciones de calefacción por aire son mas sencillas de implementar en construcciones ya existentes.
  • La calefacción, al requerir importantes cantidades de energía, obliga a la instalación de un número significativo de colectores. En las instalaciones de agua estas grandes áreas captadoras plantean importantes problemas al llegar el verano, ya que la energía que se capta es mucho mayor que en invierno, y la demanda nula, con lo que contaremos con un gran excedente de calor que si no es convenientemente tratado, puede arruinar la instalación. Esto no ocurre con los colectores de aire ya que son inmunes al exceso de calor.
  • Sin embargo se requieren mayores superficies de colector y mayores secciones de cañerìa de transporte para la calefacción por aire, lo cual no es un impedimento, pero si un dato a tener en cuenta..

Radiación Solar

Para entender un sistema de energía solar factible, usted debe entender cómo la energía del sol llega a la tierra y cómo esta energía varía según la época del año.Las condiciones climáticas óptimas para la calefacción solar se basan en la radiación del sol en los días más fríos del año, afortunadamente, un colector solar es capaz de reunir suficiente energía cuando más se necesita.Lo que también sorprende es la cantidad de energía disponible incluso en los días nublados, que por suerte en general también tienden a no ser tan fríos. Las nubes actúan como una manta sobre la tierra, filtrando algunas de sus formas de energía. La radiación solar llega a los paneles solares de tres formas: directa, difusa y reflejada. Los tres tipos de radiación se ilustran en la figura 1.

  • La radiación directa consiste en rayos paralelos que vienen directamente del sol. Este tipo de radiación produce sombras y días claros.
  • La radiación difusa se dispersa, son rayos de energía no paralelas. Este tipo de radiación hace que el cielo sea azul en los días claros y grises en los brumosos.
  • La radiación reflejada es la energía solar recibida por los colectores desde las superficies adyacentes del edificio o de la tierra. Depende mucho de la forma, el color y la textura de las superficies circundantes.

Casa insolada

Figura 1

La radiación solar que golpea el exterior de la atmósfera terrestre está entre 1.410 y 1.320 W/h*m2.Sin embargo, una gran cantidad de esta energía se pierde en la atmósfera de la tierra por la absorción y reflexión a medida que viaja hacia la superficie de la tierra. La pureza de la atmósfera, vapor, polvo, humo y el contenido en suspensión, tienen efecto sobre la radiación, así como el ángulo del sol. La cantidad relativa de radiación recibida en la tierra disminuye cuando el sol está bajo en el cielo.Las nubes y las partículas en la atmósfera no sólo reflejan y absorben la energía solar, además la dispersan en muchas direcciones. Por lo tanto, parte de la radiación solar puede estar difundida. Obviamente la radiación difusa, en oposición a la radiación directa, es mayor en un día nublado que en un día claro. La radiación difusa puede representar el 50% de la radiación total anual de una pared orientada al norte.

La radiación reflejada desde las superficies adyacentes asciende a alrededor de 20 por ciento de la radiación solar directa y difusa. Sin embargo, una superficie cubierta de nieve brillante enfrente de un colector solar, puede aumentar la radiación reflejada en más del 50%. La radiación reflejada desde las superficies adyacentes, puede ser un factor muy importante a tener en cuenta en la ubicación y tamaño del colector.

 

Radiación solar típica para Paredes ¨mirando¨ al Norte

Radiación

Cantidad recibida Cada Día

 
Directa
Difusa
Reflejada 

Total

Btu/ft2
485
245
150 

880

MJ/m2
5.5
2.8
1.7 

10


En Fig 2 podemos ver que el camino del Sol a principios de verano (21 de Diciembre) está en su posición más alta en el cielo y el sol está en su posición más baja en el cielo en el comienzo del invierno (21 de Junio) para la Ciudad de Buenos Aires.

 

Radiacion Solar en BsAs 2

Figura 2 Radiación Solar en Buenos Aires

 

Angulo del Colector

Tradicionalmente se ha recomendado que los colectores utilizados ​​para aplicaciones de calefacción de espacio tengan la misma pendiente que el grado de latitud, mas menos de 10 ° a 15 °. Al tener los colectores en esta pendiente, la radiación incidente se maximiza durante los meses en los que hay un requisito de calefacción de espacio, sin embargo, hay otros factores a considerar. A menos que los colectores puedan estar soportados sobre un techo inclinado de este ángulo, será necesario construir un bastidor de soporte del colector.

La figura 3 representa gráficamente la radiación incidente sobre una superficie horizontal, una inclinada 60° y otra vertical en Ottawa y que ilustra un colector que un colector vertical tiene un desempeño próximo al de un colector inclinado sin recibir ninguna energía reflejada del suelo. Pero cuando incluimos dicha energía, una pared vertical producirá entre un 15% a 30% más calor que un colector en un ángulo de 60°. Para la calefacción de los edificios en las latitudes del norte, una pared vertical es por lo tanto la superficie preferida para el montaje de los colectores solares.

efecto del anguloFigura 3

Hay otras ventajas de los colectores montados verticalmente en comparación con los colectores inclinados.

  • La radiación incidente durante los meses de verano se reduce en una superficie vertical, lo que reduce la acumulación de calor durante estos períodos donde no es necesaria.
  • Los costos estructurales de los sistemas montados en la pared son bajos.
  • Las pérdidas en los conductos de ventilación de paredes son inexistentes.
  • La acumulación de nieve y/o efectos del granizo no son un problema
  • Los paneles verticales raramente suman las cargas de viento en el edificio.
  • Los costos de instalación son menores

Eficacia de la calefacción solar

La mayor eficiencia de un colector solar se desarrolla cuando la temperatura del aire que entra en el panel solar es igual a la temperatura ambiente. Esto ocurre con el panel tomando el aire exterior y pasandolo por el sistema.

En los diseños de calefacción, se busca enviar aire interno de retorno a un panel solar para que se caliente por encima de la temperatura de ese ambiente, en días fríos o nublados, puede haber energía insuficiente para lograr esto, mientras que, al calentar el aire ambiente exterior, cualquier ganancia de calor, ya sea un aumento de dos grados o veinte, es energía útil

 

Ejemplo de Desempeño

Usando la curva de eficiencia solar de la figura 4, el rendimiento solar de calentamiento de aire fresco puede ser comparado con los sistemas convencionales de calefacción solar.

Hipótesis:
Temperatura del aire en la instalación : 20 ° C
Temperatura exterior: -10 ° C
Radiación solar: 1000 W/m2
Recirculación de aire de la planta a través de paneles solares: intersección con el eje X (20 – (-10)) / 1000 = 0,03

Por lo tanto, la eficiencia es 30% a partir del gráfico

Ventilación, paso del aire exterior aire a través de los paneles solares: intersección con el eje X (-10 – (-10)) / 1000 = 0

Por lo tanto, la eficiencia es 60% a partir del gráfico

El rendimiento de un sistema de calentamiento de aire ambiente puede ser el doble que la de otros diseños de calefacción solar.

Eficiencia del calentamiento

Figura 4. Curva típica de eficiencia solar para el calentamiento de aire fresco frente a calentar el aire ambiente

 

GRACIAS POR SU INTERES EN ESTE TEMA 

 

 

 

Información tomada de Solar Air Heating Organization, Oregon University y otras fuentes

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