Sistemas solares de calentamiento de agua: Una guía completa sobre tipos y funcionamiento

Introducción a la tecnología de calentamiento solar de agua

Sistema de calentamiento solar de agua instantáneo por circulación sin alimentación eléctrica

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

Principio de funcionamiento del sistema solar de calentamiento instantáneo de agua por circulación sin alimentación eléctrica: El agua dentro del tubo de vacío comienza a calentarse al exponerse a la luz solar. A medida que se calienta, su densidad disminuye y circula naturalmente hacia el depósito, calentándose gradualmente. El agua caliente se almacena en un depósito aislado con espuma de poliuretano. El agua fría del interior fluye a través de un conducto fijo con fuelle dentro del depósito, elevando la temperatura del agua de la red a presión hasta alcanzar una temperatura prácticamente idéntica a la del agua del depósito (con una diferencia de temperatura inferior a 2 grados Celsius). Esto da como resultado agua caliente, limpia, estable y a presión.

Sistema de calentamiento solar de agua por circulación natural

Un sistema solar de calentamiento de agua por circulación natural aprovecha la diferencia de temperatura entre el colector y el depósito de agua para crear un efecto termosifón que hace circular el agua por el sistema. Simultáneamente, la energía útil captada por el colector se almacena continuamente en el depósito calentando el agua.

Durante el funcionamiento del sistema, el agua del colector se calienta por la radiación solar, aumentando su temperatura y disminuyendo su densidad. El agua caliente asciende gradualmente dentro del colector, fluyendo a través del tubo de circulación superior hacia la parte superior del depósito de almacenamiento. Simultáneamente, el agua fría del fondo del depósito fluye a través del tubo de circulación inferior hacia la parte inferior del colector. Con el tiempo, se forma una estratificación térmica en el depósito, alcanzando primero la capa superior de agua una temperatura adecuada, y este proceso continúa hasta que todo el depósito está completamente operativo.

Hay dos métodos para obtener agua caliente. Uno utiliza un tanque de reposición, que repone agua fría al fondo del tanque de almacenamiento, empujando el agua caliente de la capa superior hacia afuera para su uso. El nivel del agua está controlado por una válvula de flotador dentro del tanque de reposición. Este método a veces se denomina método de recarga. El otro método, sin tanque de reposición, permite que el agua caliente caiga desde el fondo del tanque de almacenamiento por gravedad. Este método a veces se denomina método desplegable.

Sistema de calentamiento solar de agua por circulación forzada

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

Durante el funcionamiento del sistema, es necesario controlar la activación y desactivación de la bomba de circulación, ya que de lo contrario se desperdician energía eléctrica y térmica. El control diferencial de temperatura suele ser el método más utilizado, y en ocasiones se emplean simultáneamente el control diferencial de temperatura y el control fotovoltaico.

El control diferencial 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.

Tras la salida del sol, el agua del colector se calienta por la radiación solar, aumentando gradualmente su temperatura. Cuando la diferencia de temperatura entre la salida del colector y el agua del fondo del depósito alcanza un valor preestablecido (generalmente entre 8 y 10 °C), el controlador de temperatura activa la bomba de circulación y el sistema comienza a funcionar. Durante los periodos de nubosidad o por la tarde, antes del atardecer, la irradiancia solar disminuye, provocando un descenso gradual de la temperatura del colector. Cuando la diferencia de temperatura entre la salida del colector y el agua del fondo del depósito alcanza otro valor preestablecido (generalmente entre 3 y 4 °C), el controlador de temperatura desactiva la bomba de circulación y el sistema se detiene.

Sistemas solares de calentamiento de agua

También existen dos métodos para obtener agua caliente: flujo superior y flujo por goteo.

El método de flujo superior consiste en añadir agua fría (agua del grifo) al fondo del depósito, lo que impulsa el agua caliente hacia la capa superior para su uso. El método de flujo descendente se basa en que el agua caliente caiga desde el fondo del depósito por gravedad. Mediante la circulación forzada, el agua del depósito se mezcla completamente, evitando una estratificación térmica significativa. Por lo tanto, ambos métodos proporcionan agua caliente desde el principio. En comparación con el método de flujo superior, la ventaja del método de flujo descendente es que el chorro de agua caliente a presión mejora la comodidad del usuario y no requiere rellenar el depósito. Sin embargo, la desventaja es que el agua fría que entra por el fondo del depósito puede mezclarse con el agua caliente. Si bien el método de flujo superior tiene la ventaja de evitar la mezcla de agua caliente y fría, también tiene la desventaja de que el agua caliente cae por gravedad, lo que afecta la comodidad del usuario, y requiere rellenar el depósito diariamente.

En un sistema de circulación forzada de doble circuito, el intercambiador de calor puede ser de inmersión, ubicado dentro del tanque de agua, o de placas, ubicado fuera del mismo. Los intercambiadores de placas ofrecen numerosas ventajas sobre los de inmersión: primero, presentan una mayor superficie de transferencia de calor, menores gradientes de temperatura y un menor impacto en la eficiencia del sistema. Segundo, se ubican dentro de la tubería del sistema, lo que proporciona mayor flexibilidad y facilita el diseño y la distribución del mismo. Tercero, su disponibilidad comercial y estandarización simplifican el control de calidad y la fiabilidad.

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

Los sistemas solares de calentamiento de agua de flujo continuo calientan el agua a la temperatura deseada en un solo paso a través del colector, y luego el agua caliente se libera al tanque de almacenamiento en un flujo continuo.

Durante el funcionamiento del sistema, se suele utilizar un método de descarga a temperatura constante para garantizar que el agua caliente cumpla con los requisitos del usuario. La tubería de entrada del colector está conectada a la red de agua potable. El agua del colector se calienta mediante radiación solar, aumentando gradualmente su temperatura. En la salida del colector se instala un sensor de temperatura. Un controlador de temperatura regula la apertura de una válvula eléctrica instalada en la entrada del colector. Este controlador ajusta el caudal de entrada del colector en función de la temperatura de salida, manteniendo así una temperatura constante del agua de salida. La fiabilidad de este sistema depende del rendimiento de la válvula eléctrica de caudal variable y del controlador.

Para evitar requisitos estrictos en la válvula eléctrica y el controlador, algunos sistemas instalan la válvula eléctrica en la salida del colector, y esta solo tiene dos estados: abierta y cerrada. Cuando la temperatura de salida del colector alcanza un valor preestablecido, un controlador de temperatura abre la válvula eléctrica, permitiendo que el agua caliente fluya desde la salida del colector hacia el tanque de almacenamiento. Simultáneamente, se añade agua fría (agua del grifo) al colector hasta que la temperatura de salida desciende por debajo del valor preestablecido. 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 preestablecido.

Un sistema de flujo directo presenta numerosas ventajas: en primer lugar, en comparación con los sistemas de circulación forzada, no requiere bomba de agua; en segundo lugar, en comparación con los sistemas de circulación natural, el depósito de agua caliente puede ubicarse en el interior; en tercer lugar, en comparación con los sistemas de recirculación, se dispone de agua caliente sanitaria más temprano cada día, y se puede obtener una cierta cantidad de agua caliente sanitaria siempre que haya buen tiempo; en cuarto lugar, es fácil implementar un sistema de vaciado nocturno para evitar la congelación en invierno. Una desventaja de un sistema de flujo directo es que requiere válvulas y controladores eléctricos de caudal variable fiables, lo que complica el sistema y aumenta la inversión.

Un sistema de flujo directo es principalmente adecuado para sistemas de calentamiento solar de agua a gran escala.