Dominar el almacenamiento térmico: La clave para una calefacción solar de agua eficiente

Almacenamiento térmico en un sistema solar de calentamiento de agua

En un sistema solar de calentamiento de agua, un depósito de almacenamiento de agua, también llamado tanque de almacenamiento de calor, se utiliza para almacenar el calor generado por los colectores solares. El uso de líquidos (especialmente agua) para el almacenamiento térmico es el método más consolidado, técnicamente sólido y extendido entre los diversos métodos de almacenamiento térmico. Generalmente, es deseable que el líquido tenga no solo una alta capacidad calorífica específica, sino también un punto de ebullición elevado y una baja presión de vapor. La primera condición evita el cambio de fase (a estado gaseoso), mientras que la segunda reduce la presión sobre el depósito de almacenamiento térmico. Entre los fluidos de almacenamiento térmico a baja temperatura, el agua ofrece el mejor rendimiento y, por lo tanto, es el más utilizado.

Ventajas y desventajas del uso del agua como medio de almacenamiento térmico

Ventajas

① Sus propiedades físicas, químicas y térmicas son muy estables, se comprenden bien y su tecnología de aplicación está madura.

② Puede servir como medio de almacenamiento térmico y como medio de transferencia de calor, eliminando la necesidad de intercambiadores de calor en los sistemas de almacenamiento térmico.

③ Posee excelentes propiedades de transferencia de calor y fluidez. Entre los líquidos de uso común, presenta la mayor capacidad calorífica específica, el menor coeficiente de dilatación térmica y una baja viscosidad, lo que lo hace idóneo tanto para la circulación natural como forzada.

④ La relación temperatura-presión en el equilibrio líquido-gas es muy estable, lo que la hace adecuada para colectores solares de placa plana.

⑤ Es abundante y económico.

Desventajas

① El oxígeno que produce, al ser una sustancia electrolíticamente corrosiva, corroe fácilmente los metales. Además, es un disolvente para la mayoría de los gases (especialmente el oxígeno), lo que lo hace susceptible a la corrosión de recipientes y tuberías.

② Al solidificarse (congelarse), su volumen se expande significativamente (hasta aproximadamente un 10%), lo que puede dañar recipientes y tuberías.

③ A temperaturas superiores a moderadas (más de 100 °C), su presión de vapor aumenta exponencialmente con la temperatura del agua. Por lo tanto, al utilizar agua para el almacenamiento de calor, ni la temperatura ni la presión deben superar su punto crítico (373,0 °C, 2,2 × 10⁵ Pa). Por ejemplo, el coste del almacenamiento de calor a 300 °C es 2,75 veces mayor que a 200 °C.

Cuando se utiliza agua como medio de almacenamiento de calor, los recipientes pueden fabricarse con diversos materiales, como acero inoxidable, esmalte, plástico, aleación de aluminio, cobre, hierro, hormigón armado y madera. Las formas pueden variar desde cilíndricas y rectangulares hasta esféricas. Sin embargo, es fundamental considerar cuidadosamente la resistencia a la corrosión y la durabilidad de los materiales empleados. Por ejemplo, al elegir cemento y madera como materiales para los recipientes, debe tenerse en cuenta su dilatación térmica para evitar grietas y fugas tras un uso prolongado.

Un depósito de agua caliente sanitaria es un dispositivo que almacena tanto calor como frío. Se desarrolló como componente de sistemas de suministro de agua caliente, calefacción y aire acondicionado en edificios. Su función principal es equilibrar el consumo de energía, mejorando así la eficiencia térmica del sistema y satisfaciendo la demanda de calor.

Los depósitos de agua caliente se pueden clasificar en varios tipos según sus características de liberación de calor (flujo de extrusión total, flujo de mezcla total y flujo de mezcla parcial), estado de presión (abierto o cerrado), número de depósitos (uno o varios), método de instalación (vertical, longitudinal, horizontal o transversal), materiales estructurales y uso previsto. A continuación, nos centraremos en los dos primeros tipos.

Características de liberación de calor del tanque de almacenamiento de agua caliente

Según sus características de liberación de calor (o de mezcla dentro del tanque), los depósitos de agua caliente se clasifican en tres tipos: flujo de extrusión total, flujo de mezcla total y flujo de mezcla parcial. Si υ representa la velocidad del flujo de agua, L la longitud del tanque y E el coeficiente de difusión de la mezcla, entonces estas tres categorías se pueden clasificar según el grado de mezcla de la temperatura del agua en el tanque o el valor de la característica de mezcla M = υL/(2E).

(1) Flujo de extrusión completo

También conocido como flujo pistón, este flujo en el tanque de agua se comporta como un pistón, con dos zonas de agua caliente y otra de agua fría. La interfaz entre ambas es muy nítida, lo que indica que prácticamente no hay mezcla. En este caso, se puede considerar que E→0 o M→∞. Cuando el tanque de almacenamiento de agua caliente libera calor (se enfría), el agua entra desde la parte inferior (superior) y todo el calor se aprovecha. Este es un estado ideal, como se muestra en la Figura 2-11. Supongamos que hay 100 L de agua caliente a 80 °C en el tanque de almacenamiento, y que luego se inyecta lentamente agua fría a 20 °C por la entrada inferior A, de modo que toda el agua que sale por la salida B está a 80 °C. Sin embargo, en cuanto la cantidad de agua que sale supera los 100 L, la temperatura del agua desciende inmediatamente a 20 °C.

(2) Flujo completamente mezclado

La temperatura en el tanque de agua es completamente uniforme, lo que indica una mezcla muy homogénea. En este caso, se puede considerar que E→∞ o M→0. En condiciones normales, esto solo se logra instalando un potente mezclador en el tanque de almacenamiento de agua caliente e inyectando agua fría lentamente mientras se agita. Inicialmente, la temperatura del agua que sale por el punto B es de 80 °C. Posteriormente, con el paso del tiempo, la temperatura del agua disminuye exponencialmente. Cuando el caudal de salida alcanza los 100 L, la temperatura del agua ha descendido a aproximadamente 80 × e ≈ 29,3 °C.

(3) Flujo parcialmente mezclado

También conocido como flujo estratificado por temperatura, indica que la distribución de temperatura en el tanque de agua es desigual y se produce estratificación. En este caso, el valor de E puede considerarse finito, es decir, 0.

Estado de presión del depósito de agua caliente

Según la presión del depósito de agua caliente, este se clasifica en dos tipos: abierto y cerrado. En condiciones atmosféricas normales, la forma del espacio a elegir depende de las circunstancias específicas.

(1) Tipo abierto

Debido a que el depósito de agua está abierto a la atmósfera, está sometido a menor presión, pero se corroe fácilmente con ácidos. Dado que el oxígeno es fácilmente soluble en agua, se requiere que el contenedor tenga una alta resistencia a la corrosión. Además, la altura manométrica necesaria para el sistema también debe ser elevada. Generalmente se utiliza en grandes sistemas de energía solar.

(2) Tipo cerrado

Dado que el depósito de agua está lleno, se debe instalar un tanque de expansión encima para evitar dañar el tanque de almacenamiento de calor. Sus ventajas son un sistema de tuberías sencillo, una bomba de agua de baja altura y un menor consumo energético de la bomba de circulación; sus desventajas son una presión estática relativamente alta, la necesidad de un tanque de almacenamiento de calor con alta resistencia a la presión y el elevado coste del equipo necesario para el contenedor resistente a la presión. Se utiliza generalmente en pequeños sistemas de energía solar.

En la práctica, el sistema de suministro de agua caliente del edificio y el depósito de acumulación térmica en la azotea (utilizado junto con el sistema de agua caliente de circulación natural) suelen ser de tipo abierto. Asimismo, el uso del espacio de la viga de cimentación como depósito de acumulación térmica y el uso de un depósito de acumulación térmica independiente de hormigón también son de tipo abierto. En cambio, cuando la temperatura de funcionamiento del sistema supera los 100 °C, el depósito de agua caliente debe estar cerrado, salvo que se utilice un fluido de transferencia de calor especial. Además, los depósitos de agua caliente en los sistemas de agua caliente de circulación forzada instalados en el suelo generalmente están cerrados.

Los depósitos de agua caliente de tipo abierto suelen estar construidos de acero galvanizado, acero inoxidable y fibra de vidrio, mientras que los de tipo cerrado suelen estar construidos de esmalte, acero inoxidable y fibra de vidrio.

Los depósitos de agua caliente suelen ser cilíndricos. En primer lugar, son fáciles de fabricar y sellar, lo que los hace económicos. En segundo lugar, ofrecen una mejor disipación del calor y minimizan las zonas de agua estancada. En tercer lugar, ofrecen una mayor resistencia a la presión (bajo presión interna constante, la tensión que actúa sobre la pared del cilindro es proporcional a su radio).

Características termodinámicas de los tanques de almacenamiento de calor

(1) Parámetros principales de las características termodinámicas

① El tamaño del área de agua muerta en el tanque de almacenamiento de calor;

② El tamaño del valor M característico de la mezcla está determinado por el grado de mezcla del agua a diferentes temperaturas en el tanque de almacenamiento de calor;

③ El gradiente de temperatura dentro del material de almacenamiento de calor;

④ La capacidad calorífica del intercambiador de calor;

⑤ La capacidad calorífica del sistema de tuberías conectado al depósito de almacenamiento de calor;

⑥ La capacidad calorífica del propio depósito de almacenamiento de calor y del entorno circundante en contacto con él (aplicable a depósitos de almacenamiento de calor enterrados bajo tierra).

Para los tanques de almacenamiento de calor que utilizan agua como medio de almacenamiento de calor, dado que no se requiere un intercambiador de calor, los dos puntos ③ y ④ anteriores pueden ignorarse.

(2) Factores que afectan las características termodinámicas

① El estado de mezcla del fluido en el tanque de agua: en el uso real de tanques de almacenamiento de calor, la línea de flujo de agua puede formar una forma de flujo de pistón incompleta, lo que no solo no permite almacenar calor por completo, sino que también hace que el calor almacenado no pueda utilizarse por completo.

② Estructura del tanque de agua y volumen de agua circulante: se refiere principalmente al número y configuración de los deflectores dentro del tanque, el número, diámetro y ubicación de las tuberías de conexión, así como la forma del tanque y el volumen de agua circulante.

③ Pérdidas y ganancias de calor: Debido a que el tanque de agua cuenta con una superficie protectora, las pérdidas y ganancias de calor son inevitables. En el caso de tanques de almacenamiento de calor a corto plazo diseñados para mitigar picos transitorios en la demanda de calor, enterrarlos y aislarlos puede afectar negativamente su dinámica térmica. Esto se debe a que el suelo, con su capacidad calorífica, también puede contribuir al almacenamiento de calor.

④ Temperaturas de almacenamiento y extracción de calor: La temperatura de almacenamiento de calor se refiere a la temperatura promedio del agua dentro del tanque al final del almacenamiento; la temperatura de extracción de calor se refiere a la temperatura del agua de salida en el momento en que se extrae el calor del tanque. La capacidad de aprovechar completamente el calor y la vida útil del tanque de almacenamiento de calor están estrechamente relacionadas con la forma en que se miden estas dos temperaturas.

Respuesta transitoria de los tanques de almacenamiento de calor

Al utilizar un depósito de almacenamiento de calor, la fluctuación de la temperatura del agua de salida es crucial para determinar la carga térmica. Teóricamente, la relación funcional entre la temperatura de entrada y la de salida (comúnmente conocidas como temperaturas de entrada y salida) puede obtenerse calculando la distribución de la temperatura del agua dentro del depósito. Sin embargo, esto requiere resolver la ecuación de continuidad tridimensional, la ecuación de conservación del momento y la ecuación de conservación de la energía, lo cual es un proceso complejo que exige un programa computacional extenso.

En el diseño práctico, no es necesario comprender directamente la distribución de la temperatura del agua dentro del tanque. Basta con conocer la variación temporal de la temperatura de entrada y el aporte térmico, y poder calcular la variación temporal de la temperatura de salida. Actualmente, el método más utilizado es el de respuesta transitoria, que considera el tanque como un único sistema. Si se asume una relación lineal entre la entrada y la salida (lo cual es aproximadamente posible cuando las temperaturas del agua de entrada y salida son similares), entonces la variación de la temperatura de salida se puede calcular para cualquier cambio en la temperatura de entrada mediante una integral de convolución.

En resumen, el uso de depósitos de almacenamiento térmico como dispositivos de almacenamiento de calor a pequeña escala y de corta duración para sistemas de agua caliente, calefacción y aire acondicionado desempeña un papel importante en el aprovechamiento de la energía termosolar y ha encontrado diversas aplicaciones prácticas. Si se requiere un almacenamiento de calor a gran escala y de larga duración a lo largo de las estaciones, algunos países han comenzado a estudiar los acuíferos subterráneos como una medida eficaz de almacenamiento de calor y ahorro energético en las últimas dos o tres décadas.