Una Guía Completa sobre los Tipos y Funcionamiento de los Sistemas de Calentamiento de Agua Solar

Introducción a la Tecnología de Calentamiento de Agua Solar

Sistema de Calentamiento Instantáneo de Agua Solar sin Energía Eléctrica

Componentes del sistema: colector de tubos de vacío, tanque de agua conectable, soporte ajustable e intercambiador de calor.

Principio de funcionamiento del sistema de calentamiento solar instantáneo de circulación no motorizada: El agua dentro del tubo evacuado comienza a calentarse cuando se expone a la luz solar. A medida que el agua se calienta, su densidad disminuye y circula naturalmente hacia el tanque, calentando gradualmente el agua. El agua calentada se almacena luego en un tanque aislado con espuma de poliuretano. El agua fría del interior fluye a través de un canal de fuelle fijo dentro del tanque, elevando la temperatura del agua del grifo presurizada a una temperatura casi idéntica a la del agua en el tanque (con una diferencia de temperatura de menos de 2 grados Celsius). Esto da como resultado agua caliente limpia, presurizada y estable.

Sistema de Calentamiento de Agua Solar de Circulación Natural

Un sistema de calentamiento de agua solar de circulación natural utiliza la diferencia de temperatura entre el colector y el tanque de agua para crear un cabezal termosifón, que hace circular el agua a través del sistema. Simultáneamente, la energía útil obtenida del colector se almacena continuamente en el tanque mediante el calentamiento del agua.

Durante el funcionamiento del sistema, el agua en el colector se calienta por la radiación solar, aumentando su temperatura y disminuyendo su densidad. El agua calentada sube gradualmente dentro del colector, fluyendo a través de la tubería de circulación superior del colector hacia la parte superior del tanque de almacenamiento de agua. Simultáneamente, el agua fría proveniente del fondo del tanque de almacenamiento de agua fluye a través de la tubería de circulación inferior hacia la parte inferior del colector. Con el tiempo, se forma una estratificación térmica distintiva en el tanque de almacenamiento de agua, donde la capa superior de agua alcanza primero una temperatura utilizable, y esto continúa hasta que todo el tanque es completamente utilizable.

Hay dos métodos para obtener agua caliente. Se utiliza un tanque de reposición, que repone agua fría en el fondo del tanque de almacenamiento, expulsando el agua caliente de la capa superior para su uso. El nivel del agua se controla mediante una válvula de flotador dentro del tanque de reposición. Este método a veces se conoce como el método de recarga. El otro método, sin tanque de compensación, permite que el agua caliente caiga desde el fondo del tanque de almacenamiento por gravedad. Este método a veces se conoce como el método de despliegue.

Sistema de Calentamiento de Agua Solar de Circulación Forzada

Un sistema de calentamiento solar de agua por circulación forzada utiliza una bomba de agua instalada en la tubería entre el colector y el tanque de almacenamiento de agua para hacer circular el agua en el sistema. Simultáneamente, la energía útil obtenida del colector se almacena en el tanque de almacenamiento de agua mediante el calentamiento del agua.

Durante el funcionamiento del sistema, es necesario controlar la activación y desactivación de la bomba de circulación, de lo contrario se desperdician tanto la energía eléctrica como la energía térmica. El control de diferencia de temperatura es generalmente el método más popular, y a veces se utilizan simultáneamente tanto el control de diferencia de temperatura como el control fotovoltaico.

El control de diferencia de temperatura utiliza la diferencia de temperatura entre la temperatura del agua en la salida del colector y la temperatura del agua en el fondo del tanque de almacenamiento para controlar el funcionamiento de la bomba de circulación.

Después del amanecer, el agua en el colector se calienta por la radiación solar, aumentando gradualmente su temperatura. Una vez que la diferencia de temperatura entre la salida del colector y el agua en el fondo del tanque de almacenamiento alcanza un valor establecido (generalmente 8-10 ° C), el controlador de temperatura genera una señal para encender la bomba de circulación y el sistema comienza a funcionar. Durante períodos de cielo cubierto o por la tarde antes del atardecer, la irradiancia solar disminuye, lo que provoca que la temperatura del colector baje gradualmente. Una vez que la diferencia de temperatura entre la salida del colector y el agua en el fondo del tanque de almacenamiento alcanza otro valor establecido (generalmente 3-4 ° C), el controlador de temperatura genera una señal para apagar la bomba de circulación y el sistema deja de funcionar.

Sistemas de Calentamiento de Agua por Energía Solar

También existen dos métodos para obtener agua caliente: de flujo ascendente y de flujo descendente.

El método de flujo superior implica agregar agua fría (agua del grifo) en la parte inferior del tanque de almacenamiento, expulsando el agua caliente de la capa superior para su uso. El método de caída depende de que el agua caliente caiga por la parte inferior del tanque debido a la gravedad. Bajo circulación forzada, el agua en el tanque se mezcla completamente, evitando una significativa estratificación de temperatura. Por lo tanto, tanto el método de flujo ascendente como el de flujo descendente proporcionan agua caliente desde el principio. En comparación con el método de agua superficial, la ventaja del método de agua superficial es que el rociado de agua caliente presurizada mejora la comodidad del usuario y no hay necesidad de preocuparse por rellenar el tanque de agua. Sin embargo, la desventaja es que el agua fría que entra por la parte inferior del tanque de agua puede mezclarse con la agua caliente del tanque. Si bien el método de llenado por arriba tiene la ventaja de evitar que el agua caliente y fría se mezclen, también tiene la desventaja de que el agua caliente cae por gravedad, afectando la comodidad del usuario, y la necesidad de rellenar el tanque de agua diariamente es imprescindible.

En un sistema de circulación forzada de doble circuito, el intercambiador de calor puede ser un intercambiador de calor de inmersión colocado dentro del tanque de agua o un intercambiador de calor de placas colocado fuera del tanque de agua. Los intercambiadores de calor de placas ofrecen muchas ventajas en comparación con los intercambiadores de calor de inmersión: en primer lugar, los intercambiadores de calor de placas tienen una mayor área de transferencia de calor, gradientes de temperatura de transferencia más pequeños y un menor impacto en la eficiencia del sistema. En segundo lugar, los intercambiadores de calor de placas se colocan dentro de la tubería del sistema, lo que ofrece mayor flexibilidad y facilita el diseño y la disposición del sistema. En tercer lugar, los intercambiadores de calor de placas están disponibles comercialmente y son estandarizados, lo que facilita la garantía de calidad y la fiabilidad.

Los sistemas de circulación forzada son adecuados para sistemas de calentamiento de agua solares grandes, medianos y pequeños.

Los sistemas de calentamiento solar de agua por flujo continuo calientan el agua hasta la temperatura deseada en una sola pasada a través del colector, y la agua calentada se libera luego en el tanque de almacenamiento en un flujo continuo.

Durante el funcionamiento del sistema, normalmente se utiliza un método de descarga a temperatura constante para garantizar que el agua caliente cumpla con los requisitos del usuario. El tubo de entrada del colector está conectado a la línea de agua del grifo. El agua en el colector se calienta por la radiación solar, aumentando gradualmente su temperatura. Se instala un sensor de temperatura en la salida del colector. Un controlador de temperatura controla la apertura de una válvula eléctrica instalada en la entrada del colector. Este controlador de temperatura ajusta el caudal de entrada del colector en función de la temperatura de salida del colector, manteniendo una temperatura constante del agua de salida. La fiabilidad de este sistema depende del rendimiento de la válvula eléctrica de flujo variable y del controlador.

Para evitar requisitos estrictos en cuanto a la válvula eléctrica y el controlador, algunos sistemas instalan la válvula eléctrica en la salida del colector, y la válvula solo tiene dos estados: abierto y cerrado. Cuando la temperatura de salida del colector alcanza un valor establecido, un controlador de temperatura abre la válvula eléctrica, permitiendo que el agua caliente fluya desde la salida del colector hacia el tanque de almacenamiento de agua. Simultáneamente, se añade agua fría (agua del grifo) al colector hasta que la temperatura de salida del colector desciende por debajo del valor establecido. La válvula eléctrica se cierra y el proceso se repite. Si bien este método de descarga de agua a temperatura constante es relativamente sencillo, debido a la histéresis en el cierre de la válvula eléctrica, la temperatura del agua caliente resultante puede ser inferior al valor establecido.

Un sistema de flujo directo tiene muchas ventajas: Primero, en comparación con los sistemas de circulación forzada, no requiere una bomba de agua; segundo, en comparación con los sistemas de circulación natural, el tanque de almacenamiento de agua puede ubicarse en interiores; tercero, en comparación con los sistemas de recirculación, el agua caliente utilizable está disponible más temprano en el día, y se puede obtener una cierta cantidad de agua caliente utilizable siempre y cuando haya un período de clima despejado; En cuarto lugar, es fácil implementar un diseño para drenar el sistema por la noche y evitar que se congele en invierno. Una desventaja de un sistema de flujo directo es que requiere válvulas eléctricas de flujo variable confiables y controladores, lo que complica el sistema y aumenta la inversión.

Un sistema de flujo directo es especialmente adecuado para sistemas de calentamiento de agua solares a gran escala.