sabady arquitectura solar ceac

8/14/2019 Sabady Arquitectura Solar Ceac

1/94


2/94

Descarga mas libros en:

http://librosdejoe.blogspot.com

o busca en la web:

librosdejoe
http://librosdejoe.blogspot.com/http://librosdejoe.blogspot.com/http://librosdejoe.blogspot.com/


3/94

NDICE

Prlogo .....................................................................................................................

1. Los componentes climticos de la arquitectura solar1.1 Los rayos solares y su intensidad .......................................................1.2 Duracin de la insolacin ....................................................................1.3 Probabilidad de insolacin ....................................................................

2. Elementos especficos bsicos de la tcnica de la edificacin solar2.1 Colectores solares ..............................................................................2.1.1 Colectores concentradores de alta temperatura ...............................

2.1.2 Colectores de temperatura media con proteccin de vidrio .............2.1.3 Colectores de baja temperatura, sin proteccin de vidrio .................2.1.4 La cubierta colectora de energa y sus problemas constructivos .....2.1.5 La cubierta de teja como colector de absorcin a baja temperatura2.2 Sistemas de acumulacin de calor......................................................2.2.1 Acumulacin de calor sensible ............................................................2.2.2 Acumulacin del calor latente .............................................................

3. Principios fundamentales de la calefaccin solar de locales3.1 Sistemas pasivos de calefaccin solar................................................3.2 Sistemas activos de calefaccin solar, sin bomba trmica ...............3.3 Sistemas activos de calefaccin solar, con bomba trmica .............

3.4 Sistemas de calefaccin biosolary otros ............................................

4. Bases de clculo para los proyectos de edificacin solar4.1 Clculo analtico y minoracin de la demanda trmica para

calefaccin .............................................................................................4.2 Bases de clculo para la irradiacin solar directa a travs de las

ventanas ..............................................................................................4.3 Clculo de las cantidades de energa internas del edificio ...............4.4 Cmo puede calcularse la energa trmica absorbida por los

colectores solares ...............................................................................4.5 Clculo de la radiacin solar tcnicamente aprovechable ................4.6 Bases de clculo para el dimensionamiento de los acumuladores ..4.7 Clculo analtico y balance total de una estrategia de calefaccin

energticamente optimizada ...............................................................


4/94

5. Materiales y arquitectura solar

6. Anlisis detallado de los sistemas tpicos de edificacin solar6.1 Edificio solar pasivo sin colectores solares con calefaccin por

acumulador ............................................................................................. 67J6.2 Edificio solar con colectores de agua y bomba de calor .......................

6.3 Edificio solar con colectores de agua y de aire y con recuperacin decalor......................................................................................................... 711

6.4 Edificio autnomo con colectores focales y acumulador de largaduracin .....................................................................................................

6.5 Edificio autnomo con jardn de invierno en el atrio ............................6.6 Edificio biosolar con colectores de aire, acumulador de grava y

calefaccin por chimenea de lea ..........................................................

6.7 Edificio solar con colectores de baja temperatura como cubiertaenergtica y bomba de calor accionada porga s ....................................

6.8 Edificio solar con cubierta absorbente de teja por produccin decalor y electricidad ..................................................................................

7. Principios fundamentales del urbanismo solarUnidades y tablas de conversin ............................................................................... 1(

Apndice ...................................................................................................................... 1(


5/94

1. Los componentes climticos de la arquitectura solar

Debiramos construir ms alta la cara sur de las casas para captar el sol en el inviernoescribi hace miles de aos el historiador griego Jenofonte como consejo valioso para sus

contemporneos que ya entonces queran ahorrar energa de calefaccin por medio de lasradiaciones solares. La arquitectura popular de muchos pases nos demuestra que sesabe desde hace mucho tiempo que, teniendo en cuenta los componentes climticosnaturales, determinados esencialmente por el sol, se podan construir edificios capacesde dar a sus ocupantes las mximas condiciones de confort, tanto desde el punto devista energtico como de salubridad, con un mnimo de gastos tcnicos. Esta verdadcay muchas veces en el olvido a lo largo de la historia de la arquitectura, especialmenteen los ltimos decenios. La contaminacin del medio ambiente y el derroche de energacausados por la arquitectura moderna nos obliga a redescubrir el sol como suprema leynatural de la arquitectura, no slo en el campo de la tcnica energtica, sino tambindesde el punto de vista higinico de la vivienda.

El portador de la energa solar es la radiacin, que est formada por los rayos de luz

visible y por los rayos invisibles, ultravioletas e infrarrojos.

En el lmite exterior de la envoltura de aire que rodea la Tierra, el flujo de la radiacin esan de 1394 W/m

2. Este valor se denomina constante solar. Al penetrar en la atmsfera,

una gran parte de esta radiacin queda absorbida.

La duracin de la insolacin y la intensidad de la radiacin dependen, en cada lugar de laestacin del ao, de las condiciones atmosfricas y de la posicin geogrfica. En lamayora de los pases se miden, desde hace muchos aos, la duracin de la insolacin yla intensidad de la radiacin. Para los clculos de la tcnica solar se dispone de datosmedios de varios aos. Se han calculado cifras para superficies horizontales y verticalescon distintas orientaciones. Gracias a estos datos es posible calcular los valorescorrespondientes a la potencia de la radiacin para cada hora del da.

ante solar

Cules son los conceptos climticos ms importantes para los proyectos de arquitecturasolar?

1.1. Las radiaciones solares y su intensidad

Los meteorlogos definen los diversos tipos de energa de radiacin electromagnticaemitidos por el Sol con una terminologa cuyos conceptos ms importantes para laprctica son los siguientes:

Radiacin solar directa: Radiacin procedente del ngulo slido del

disco solar sobre una superficie perpendicular a la direccin de losrayos.Radiacin recibida por una superficie plana procedente de un nguloslido n. (fuera del disco solar).

Componente vertical de la radiacin difusa (superficie receptorahorizontal).

Radiacin, directa y difusa, reflejada por la superficie de la tierraque incide sobre una superficie receptora plana.

Radiacin difusa:

Radiacin cenital:

Radiacin reflejada:

Radiacin global: Suma de la radiacin solar directa, la radiacin difusa y la

9


6/94

SV (solsticio de veran

SI (solsticio de ir

120

Nortesolar para la

latitud'geogrfica48 " N

Oeste

radiacin reflejada que incide sobre una superficie plan,

desde un ngulo slido 2r\.

Radiacin global sobre Componente vertical de la radiacin global; en el caso ideal,superficies horizontales: suma de las componentes verticales de la radiacin solar

directa y de la radiacin cenital, sin la radiacin reflejada.

Valores medios de la radiacin global en kWh/m2da

\Segn W. Diamant (Coeficiente de transmisin: 0,7)

Grado de

Meses 0 10 20 30 40 50 60 70 80 90

Enero 5,8 4,8 3,7 2,5 J,3 0,5 0

Febrero 6,? 5,3 4,3 3,2 2,0 1,0 0,2 0

Marzo 6,4 6,0 5,3 4,4 3,4 2,2 1,1 0,3 0

Abril 6,3 6,3 6,1 5,6 4,9 3,9 2,8 1,7 0,6 0,1Mayo 5,9 6,3 6,5 6,4 6,1 5,5 4,6 3,6 2,9 2,3

Junio 5,5 6,2 6,6 6,8 6,7 6,4 5,9 5,2 4,7 4,7

Julio 5,4 6,1 6,6 6,8 6,8 6,3 6,0 5,3 5,0 4,9Agosto 5,7 6,2 6,3 6,5 6,2 5,7 5,0 4,0 3,2 3,0

Septiembre 6,1 6,3 6,2 5,8 5,1 4,3 3,2 2,1 1,0 0,4

Octubre 6,3 6,0 5,5 4,7 3,7 2,6 1,5 0,5 0Noviembre 6,1 5,4 4,5 3,5 2,3 1,2 0,4 0

Diciembre 5,8 4,9 3,8 2,6 1,5 0,5 0

Valor medio

kWh/m da 5,95

5,8 5,5 4,9 3,9 3,3 2,5 2,3 2,15

2,5

(1) En el Apndice pueden verse las cartas solares correspondientes a Espaa para las latitudes aproximarlas deBurgos, Madrid, Sevilla y media de las islas Canarias.10


7/94

Distribucin de la radiacin directa del sol sobre una superficie normal a los royos solares segn la hora del da y poca del ao

(47 N, valores numricos en kcal/m2hora), segn P. Valko (2)Altura en msobre el nivel delmar

Hora Mes I II III IV V VI Vil VIII IX X XI XII

2000 6 189 15

12

453 578 619 594 520 677 764 817 827 822 823 813 810

805 779 699 638 850 882 900 891 878 870 868 871 873

866 838 820

4000 6 189 15

12

594 717 751 741 665 796 867 905 930 939 930 923 915

904 887 829 759 952 980 996 993 986 979 975 973 971

959 943 934

EQ (equinoccios) I

90 Este I

La intensidad de la radiacin se mide en W/m2o en kCal/m

2hora. En las zonas climticas

centroeuropeas a alturas normales sobre el nivel del mar (unos 400 m.s.n.m.) (3) los

valores mximos de la radiacin solar directa no se tienen en junio, sino ya a primeros de

abril o a finales de septiembre. Para las horas de la maana o de la tarde, estos mximos

se van desplazando cada vez ms hacia el 21 de junio. A mayores alturas sobre el nivel del

mar, la intensidad de la radiacin aumenta.

ci de verano)

I de la La intensidad de la radiacin global y de la radiacin difusa se mide por medio de diversosaparatos registradores que tienen superficies medidoras en posicin horizontal o en

posiciones verticales orientadas hacia el norte, sur, este y oeste.

Las observaciones muestran las siguientes caractersticas climticas:

en das muy buenos, las superficies verticales orientadas al este y al oeste reciben ms

intensidad de radiacin que las orientadas al sur en verano y mucha menos en

invierno; en condiciones atmosfricas medias (grado de frecuencia = 50 %), estas diferencias

debidas a la orientacin slo se acusan en invierno; en invierno, las superficies orientadas al este y al oeste casi no reciben ms que

radiacin difusa por la maana o por la tarde respectivamente; las curvas son

simtricas con respecto al medioda real; en los das largos del verano, con buen tiempo, las superficies orientadas al norte

reciben una intensa componente de radiacin solar directa por la maana temprano y a

ltima hora de la tarde.

Totales medios anuales de la radiacin global para distintos lugares: (4) Hamburgo 930kWh/m2 ao Sahara oriental 2550 kWh/m2- ao

Berln 1000kWh/m2

ao Marsella 1860 kWh/m2- aoBraunschweig 936 kWh/m

2ao Pars 1500kWh/m2-ao

Wrzburgo 1081 kWh/m2 ao Florida 1800 kWh/m2- ao

Trveris 1010kWh/m2

aoGraz 1198kWh/m2-ao

Zurich 1160kWh/m2 ao Salzburgo 1086kWh/m2-ao

Montana 1300kWh/m2

ao Viena 1120kWh/m2-aoLugano 1500kWh/m

2ao Kew (Inglaterra) 927 kWh/m

2 ao

(2) Para Espaa, ver Tabla en el Apndice. Se han tomado dos lugares de igual latitud (41 N), uno al nivel del mar yotro a 1.000 m de altura.(3) De los datos para Espaa se deduce que los valores mximos suelen obtenerse en los meses de julio o agosto.(4) En el Apndice se dan los datos correspondientes a diversos lugares de Espaa.

11


8/94

1.2. Duracin de la insolacin

Depende de la posicin geogrfica y de las condiciones climticas. Los valores mx-l mosse alcanzan en las zonas desrticas (por ejemplo, en el Sahara 4000 horas al aoll o en altamontaa. La intensidad de la radiacin y la duracin anual de la insolacin) determinan lascantidades de energa de que dispondremos para una posicin geogr fica determinada.

Los meterorlogos distinguen dos tipos de duracin de la insolacin; son los si-| guientes:

Duracin de la insolacin astronmicamente posible: Se obtiene a partir del nmeroj dehoras de sol suponiendo el cielo sin nubes; el punto de referencia se encuentra en f unplano libre de obstculos, con un horizonte perfectamente horizontal. Por lo tanto, estaduracin de la insolacin slo depende de la latitud geogrfica del lugar.

Definicionesmeteorolgicas

Nmero medio posible de horas de sol en cada uno de los meses del ao (5)

Mes 47 48 49 50 51 52 53 Lat i t ud geogr f i ca nort e

Ener o 276 273 269 265 261 256 251

Febrero 286 284 282 280 278 275 273Mar zo 367 366 366 366 366 365 365Abr i l 406 407 409 411 412 414 416

Mayo 464 468 471 475 479 483 488J uni o 473 477 482 486 491 497 503J ul i o 478 482 486 491 495 500 505Agost o 439 441 444 447 449 452 455Se t i embr e 376 377 378 378 379 379 380Oct ubr e 337 335 334 333 331 330 328Novi embr e 281 277 274 271 268 264 260Di ci embr e 264 260 257 251 246 241 235

Horas de sol anuales en distintos lugares (6)

Horas anuales Horas anuales

Berln 1705 Marsella 2654

Bremen 1657 Pars 1840Hamburgo 1559 Miln 1906Munich 1730 Roma 2491Stuttgart 1702 Sahara 4000Basilea 1680 Tnez 3200Berna 1756 Copenhague 1680Ginebra 2037 Essen 1442Lugano 2100 Tel-Aviv 3500Zurich 1694 Niza 2775Graz 1903 Genova 2288Innsbruck 1765 Perpin 2560Salzburgo 1712 aples 2396Viena 1891 Brindis! 2591

(5) En la correspondiente Tabla del Apndice se recogen los datos referentes a las latitudes de 28 32' 30" (mediade las islas Canarias), 37 30' (latitud aproximada de Sevilla), 40 (latitud aproximada de Madrid) y 42 30'(latitud aproximada de Burgos).

(6) En la Tabla del Apndice se dan los valores correspondientes a diversos lugares de Espaa.

12


9/94

Nmero medio de horas de sol en distintos lugares (7)

Meses 1 II III IV V VI Vil VIII IX X XI XII

Basilea 2 3 5 6 7 7 7 7 5 4 2 2

Berln 2 3 5 6 8 8 8 7 6 4 2 1

Hamburgo 2 2 4 6 8 8 7 6 6 3 2 1Viena 2 3 4 6 7 8 8 8 7 5 2 1Zurich 2 3 5 6 7 7 7 7 6 3 2 2

Linz 2 3 5 6 7 8 8 7 6 4 2 1

Nmero medio de horas del sol para los das ms largo y ms corlo (8)

Latitud geogrfica norte 22 de diciembre 22 de junio Diferencia

47 8 h 26 m 1 5 h 50 m 7 h 24 m

48 8 h 18 m 15 h 59 m 7 h 41 m

49 8 h 9 m 16 h 8 m 7 h 59 m

50 8 h 0 m 16 h 18 m 8 h 18 m51 7 h 50 m 16 h 29 m 8 h 39 m52 7 h 40 m 16 h 40 m 8 h 0 m

53 7 h 29 m 16 h 52 m 9 h 23 m

Duracin posible real de la insolacin: Se determina a partir del nmero de horas de sol

anuales en un cielo sin nubes y en terrenos cualesquiera. La diferencia con la duracin

astronmica se debe a la limitacin del horizonte por diversas causas (mon taas,vegetacin, edificios, etc.).Duracin efectiva de la insolacin: Es igual al tiempo en que luce el sol. Adems de las

limitaciones del horizonte, depende del grado de nubosidad del cielo. Duracin relativa de

la insolacin: Da la relacin entre la insolacin registrada realmente y la posible y se

expresa en tantos por ciento. Independientemente de la latitud geogrfica y de lalimitacin del horizonte, esta magnitud permite deducir el grado de beneficio solar que

recibe un lugar y la comparacin directa con otros puntos.

1.3. Probabilidad de insolacin

Como la mayor parte de la energa de que se dispone se debe a una irradiacin directarelativamente elevada, es importante saber qu magnitud tiene en un lugar la probabi-lidad mensual de insolacin. Este valor, que se da en tantos por ciento, depende denumerosos factores, como son el grado de nubosidad, el coeficiente de enturbiamiento

atmosfrico, el contenido de vapor de agua y otros parmetros que suelen expresarseen distintas estadsticas de frecuencia, mensuales y horarias.

Para simplificar, se puede decir que una probabilidad mensual de insolacin inferior al 20% permite un aprovechamiento bastante desfavorable de la energa solar. Si estcomprendida entre el 20 y el 50 %, podemos esperar ya una aportacin apreciable de

energa solar. Si el sol est cubierto por nubes o niebla durante menos del 50 % deltiempo, existe ya la posibilidad de alimentar al edificio casi totalmente por energa solar,segn el nivel de temperaturas, adoptando disposiciones arquitectnicas y tcnicasadecuadas. La observacin meteorolgica se ocupa particularmente del problema de lanubosidad. El grado de nubosidad se mide tres veces al da y se determina la mediadiaria.

intes

(7) En el Apndice se dan los valores correspondientes a diversos lugares de Espaa.

(8) En el Apndice se dan los datos aproximados para las latitudes de la N. del T. (5).

13


10/94

Con las medias diarias se forman las medias mensuales y de stas se deduce la m anual.Los valores correspondientes a 10, 20 30 aos dan los valores medios pk nuales. Lasmedias diarias de nubosidad sirven tambin para determinar los < claros y cubiertos;en las estadsticas, los das con menos de un 20 % (= octavos) de nubosidad se calificande das claros y los que tienen ms del 8( (= 6,4 octavos) de nubosidad son dascubiertos. Aunque la evaluacin se haga octavos, la mayora de las tablas y cartas dan

la nubosidad en tantos por ciento de superficie visible del cielo, que es mucho msinteligible.

Valores meteorolgicosmedios

La estructura de la nubosidad, necesaria para los clculos de energa solar la analiz, losinstitutos meteorolgicos en un gran nmero de tablas y cuadros estadsticos. Li msimportantes son los siguientes:

Medias mensuales y anuales de nubosidad en tantos por ciento.

Promedio de las nubosidades medias mensual y anual en %. Promedio de las medias diarias de nubosidad en %. Medias mensuales y anuales de nubosidad en % a las 14 horas TLM. Promedio de las nubosidades medias mensual y anual en % a las 14 horas TLM.

Nmero de das claros. Nmero medio de das claros. Nmero de das cubiertos. Nmero medio de das cubiertos.

A pesar de disponer de numerosos documentos meteorolgicos muy detallados, no esposible expresar numricamente con seguridad plena las condiciones futuras de laradiacin referidas a un edificio solar.

La Naturaleza no puede reducirse a tablas y este hecho exige del proyectista un poco msde intuicin y de sensibilidad que para una Arquitectura puramente tecnocrtica. Debieraestablecerse una relacin de trabajo entre los meteorlogos y los proyectistas quepermitiese a ambas partes mejor comprensin de las necesidades totales y clima tolgicas

de la prctica de la Arquitectura solar.

Slo con esta condicin podr lograrse la difusin general de un sistema constructivoque, por medio de una tecnologa adaptada al hombre armonice siempre con lascondiciones climatolgicas naturales de su emplazamiento.

i14


11/94

2. Elementos especficos bsicos de la tcnica de laedificacin solar

El aprovechamiento de la energa solar por parte de la ingeniera, sea para calefaccin opara produccin de energa elctrica, suele requerir el empleo de elementos cons tructivosespecficos.

- =? ar

como -

Los ms importantes son los colectores solares y los sistemas acumuladores de calor, ascomo las distintas estructuras de cubierta energtica que, en principio, constituyen uncaso particular de construccin con colectores solares.

2.1. Los colectores solares

Se denomina colector solar a cualquier forma de superficie que sirva para aprovechar la

energa de las radiaciones solares con fines trmicos o elctricos. Segn las posibilidadesde aprovechamiento, hay que distinguir entre colectores heliotrmicos, que producencalor, y colectores heliovoltaicos, que sirven para la produccin de. corriente elctrica.Hay tambin colectores hbridos capaces de producir al mismo tiempo calor y energa

elctrica.

Los colectores heliotrmicos, que es a los que nos limitaremos, pueden tener formas muy

distintas segn su construccin y sus aplicaciones. Hay que distinguir entre colectores

concentradores de alta temperatura, colectores planos de temperatura media con

proteccin de vidrio y colectores de baja temperatura sin proteccin de vidrio. Como

medio de transporte del calor suele elegirse entre el agua, el aceite, un lquido especial oel aire.

los -

reres solares

2.1.1. Colectores concentradores de alta temperatura

Estos colectores tienen la superficie curvada formando concavidad. Por medio de unefecto especular o de lente pueden concentrar los rayos solares. Con una concentra cindbil (1:10) se pueden alcanzar de 200 a 500 C. Con mayor concentracin se llega a 4000C.Los colectores concentradores, o en espejo, tienen que ser, en general, onentables y lesafecta mucho la suciedad. Es posible proteger el espejo contra la accin de la intemperiepor medio de un vidrio plano, pero el vidrio tiene que limpiarse con mucha frecuencia,cosa que no ocurre con los colectores planos, para no reducir la intensidad de la radiacin

directa por la dispersin que se producira. Los concentradores de rayos slo pueden

aprovechar, en general, la radiacin directa, pero las ltimas investigaciones handemostrado que, a pesar de este inconveniente, pueden tambin utilizarse para las

condiciones climticas centroeuropeas y para las viviendas.

Condiciones meteorolgicas Radiacin global Rendimiento en %

W/m

Cielo sin nubes, despejado 800 61

Ligeramente nuboso 600 58

Cielo ligeramente cubierto 300 45Cielo nublado 150 20

15


12/94


13/94

Prdidas de absorcin del cuerpo absorbente.

Calentamiento del vidrio de proteccin por la absorcin de luz y de radiacionescalorficas.

Prdidas de calor en las tuberas. (Son proporcionales a la diferencia entre latemperatura exterior y la de absorcin por lo que pueden definirse por un valor K delcolector).

Prdidas de intensidad hasta la transformacin de la luz en calor en la superficie deabsorcin.

IACRISTALAMIENT O SENCILLOJ = INTENSIDAD DE LA RADIACIN EN W/m

2

OLN

DIMI

OD

OR

-'a media con- e "to sencillo

:='a distintas

-xin del-- 'o de los

\

100 HO 120 130 UO 150 C

TEMPERATURA DEL ABSORBEDOR c~

ACRISTALAMIENTO DOBLEJ = INTENSIDAD DE LA RADIACIN EN W/m

2

I

VJ= 200

_A\

tOO 600 800 1000 W/m? \

I 50Q

100 110 120 130 UO 150 C

TEMPERATURA DEL ABSORBEDOR ">

17


14/94


15/94

Prdidas de radiacin trmica. (Aparece como prdida la diferencia entre la energatransmitida por el colector y la recibida de su entorno).

Prdidas de transmisin trmica del cuerpo absorbente al agua de refrigeracin.) Las corrientes trmicas de conveccin dentro de la capa de aire que se encuentra entre

la superficie del colector y el vidrio de proteccin. La conduccin de calor a lo largo de los apoyos del vidrio protector o de las juntas .

dentro de la capa de aire situada entre el colector y el vidrio protector.

La radiacin de calor entre el colector y el vidrio protector.

La relacin entre la energa de radiacin incidente y la energa trmica aprovechada de el

rendimiento del colector. La mxima temperatura que puede alcanzarse con ur colector

se consigue cuando no se escapa ninguna cantidad de calor til a travs de medioportador del calor. Se le denomina temperatura de funcionamiento en vaco Segn seala concepcin o la calidad del colector solar y segn la intensidad de radiacin se

alcanzar una temperatura de funcionamiento en vaco u otra. En e Centro de Europa,

por ejemplo, cuando hace sol, se puede considerar un valor norma de 800 kCal/h. Con

esta incidencia de radiacin, un colector plano protegido con un vidrio puede alcanzar

una temperatura de funcionamiento en vaco de unos 100 C, el mismo colector, con

vidrio de proteccin triple, alcanzara los 190 C.

Rendimiento delcolector

El nmero de vidrios aumenta la cantidad de energa capturada pero, si se colocan msde tres vidrios, las prdidas por reflexin y absorcin son demasiado grandes y no resultaeconmico.

El rendimiento de un colector puede aumentarse por medio de un tratamiento especia! delos vidrios y de las superficies de absorcin. Las dimensiones necesarias para la

superficie colectora dependen de la cantidad de calor que se necesita, de cmo se han

concebido los colectores y el edificio y de dnde estar situada la instalacin, geogrfica yclimticamente. Para la preparacin de agua caliente sanitaria en la Europa Centralbastan de 6 a 10 m

2 de colector solar por vivienda. Para la calefaccin se necesita una

superficie entre 30 y 150 m2segn el valor del aislamiento y la situacin climtica.

La inclinacin de los colectores se calcula, en general, para las condiciones invernales.

Pueden tomarse como valores experimentales lo siguientes:Orientacin de los

colectores solares

Inclinacin = latitud geogrfica +10 a 15. Si los

colectores slo se utilizan en verano, se tiene:

Inclinacin = latitud geogrfica -15.

Los primeros colectores solares modernos fueron instalados ya en 1929 por AlexanderMcNeilledge en California. Se trataba de colectores solares con doble vidrio y tubos decobre de 3/4" que utilizaban el agua como medio portador del calor. Desde entonces sehan construido los tipos ms distintos de colectores de agua aunque todos ellosresponden al mismo principio de funcionamiento, incluso los tipos ms modernos.Como medio portador del calor se utilizan tambin distintas mezclas de agua y de aceite.

Colectores de agua

Los colectores de aire, que utilizan el aire como medio portador del calor, los utiliz porprimera vez Georg Lf, ya en 1945. Los colectores de aire estn menos expuestos a lospeligros de corrosin, falta de estanquidad, sobrecalentamiento y congelacin, peronecesitan mayores secciones de los conductos e instalaciones de ventilacin

relativamente complicadas para transportar la misma cantidad de energa que los

colectores de agua. Los colectores de aire se utilizan preferentemente en combinacin

con acumuladores de calor de grava. Sin embargo, es posible tambin conseguir elaprovechamiento directo de la energa por medio de mtodos naturales de ventila-

colectores de aira

18

I


16/94

cin. En estos dos principios bsicos para colectores de temperatura media con pro-teccin de vidrio utilizando el aire como fluido transportador del calor se basan nume-rosos modelos de distintos tipos pero anlogos en su fundamento. En mi libro Wie kannich mit Sonnenenergie heixen? (Cmo puedo calentar con energa solar?) se describeun gran nmero de ellos.

Resultados tpicos de los ensayos de colectores de temperatura meda para

produccin bruta de calor (segn EIR)

Radiacin global sobreuna superficiehorizontal kWh/m2

Radiacin global en elplano del colectororientado al sur a 45,kWh/m

2

Prnrliirrirmde calor

Tk= 40 C,

kWh/m2

Prnrliirrinde ualur TK=60 C,kWh/m

2

Enero 23,5 33,2 6,3 4,0

Febrero 45,3 66,3 23,0 15,9Marzo 80,3 101,5 44,1 31,4

Abril 113,9 126,7 65,3 48,2Mayo 151,2 150,9 81,6 63,1

Junio 165,2 157,1 91,7 69,5Julio 179,4 174,2 109,3 82,3Agosto 137,4 146,1 84,4 65,4Septiembre 105,1 132,0 75,1 57,6Octubre 60,4 87,2 41,7 30,6Noviembre 26,7 40,6 11,5 7,7Diciembre 16,9 24,9 3,7 2,2

Total 1105,3 1240,7 633,7 477,9

51,4% 38,5 %Rendimiento medio anual.

Influencia del ngulo de situacin del colector sobre la produccin de energa para

modelos de temperatura media (segn Stohler)

Energa aprovechable media en el plano

del colector Gk(kWh/m mes)

Mes ngulo de ngulo de ngulo de

inclinacin 30 inclinacin 45 inclinacin 60

Enero 30,9 33,2 34,4

Febrero 61,6 66,3 68,4Marzo 98,0 101,5 100,9Abril 127,1 126,7 121,5Mayo 156,3 150,9 140,2

Junio 165,2 157,1 143,4Julio 182,5 174,2 159,4Agosto 148,6 146,1 138,1Septiembre 128,3 132,0 130,0Octubre 81,4 87,2 89,1Noviembre 37,3 40,7 42,4Diciembre 23,0 24,9 26,0

1 240,2 1240,8 1193,8

19


17/94

Los colectores solares, que trabajan en las ms difciles condiciones climticas y trm-castanto en verano como en invierno, estn sometidos a numerosos peligros q debentenerse en cuenta en.su concepcin. Los problemas ms importantes q puedenpresentarse en los colectores solares son los siguientes:

Sobrecalentamiento

Peligro de heladas

Corrosin Suciedad

Rotura Movimientos trmicos

Fugas

Estos peligros pueden ser mayores o menores segn las condiciones climatolgicas lassoluciones preventivas difieren de unos modelos a otros.

El futuro de los colectores de temperatura media protegidos con vidrio como elemer-1 to

constructivo de la arquitectura solar depender, indudablemente, de la rapidez coque sepuedan resolver los problemas inherentes a su aplicacin. El empleo de estos tipos decolectores debiera efectuarse, sin embargo, ligado en lo posible a la pequer tecnologa,porque slo de esta manera puede desarrollarse el aprovechamiento se cillo de la energaconcordante con la simplicidad de las radiaciones solares.

Colector solar y

pequea tecnologa

Lmites de reaccin de distintos tipos de colectores(segn MBB) (Temperatura ambiente: 10 C, temperatura de funcionamiento: 50 C)

Tipo de colector Nmero devidrios

Superficieabsorbente

Potencia deradiacin

Situacinclimatolgica

Colector sencillo

Colector standard

1 2 Negra

Negra

340 W 230 WCielo claro,despejadoLigeramente nuboso

Colector con 1 solovidrio, selectivo Colector

standard

1 2 Selectiva 195 W 143 WNubosidad ligera amedia Nubosidad

mediaselectivo Colector de altatemperatura

1 Selectiva 75 W Muy nuboso, lluvioso

Influencia de la construccin del colector sobre la obtencin relativa de energa

(segn MBB)

ColectorsencilloSuperficie

absorbente

negra

Colector de 1solo vidrioSuperficie

absorbente

negra

Colector dedoble vidrioSuperficieabsorbentenegra

Colector de1 solo vidrioSuperficieabsorbenteselectiva

Colector de

doble vidrio

Superficieabsorbenteselectiva

Colector de |alta

temperatura

Rendimiento medio (%)19 23 27,2 35,6 40,6 62,8

Obtencin relativa de energa 0,83 1 1,18 1,55 1,76 2,73

Temperatura en vaco (C) 100 130 180 180 200 250

2.1.3. Colectores de baja temperatura sin proteccin de vidrio

IUtilizando diversas instalaciones tcnicas de alta calidad, como bombas de calor, perejemplo, resulta posible concebir un tipo especial de colectores solares cuyo funcionemiento no se basa ya en el efecto de invernadero. Estos colectores que, en genera debentener gran superficie, no necesitan llevar una cubierta transparente porque

20


18/94

trabajan por medio de fenmenos fsicos de otro tipo, en el intervalo de las bajastemperaturas; se construyen de grandes dimensiones, como cubiertas o muros exte-riores completos. Suelen denominarse cubiertas o muros absorbentes de la energa.

Las cubiertas y muros absorbentes sin proteccin de vidrio suelen construirse con distintosmetales o plsticos. Si se utiliza un metal, suele ser el cobre (espesor unos 0,6 mm) ochapa de aluminio esmaltada al fuego unidos a tubos (situados cada 15-20 cm) llenos delfluido portador del calor. Segn el mtodo de fabricacin y el material empleado, losdiversos elementos absorbentes del calor pueden clasificarse, en esencia, en cuatro tipos

fundamentales distintos.

y muros

Ttes'= de los

es de baja

Los cuerpos absorbentes se fabrican en distintas variantes por medio de la unin dechapas don los tubos conductores de agua. Para que la transmisin trmica entre la chapay el tubo sea favorable debe haber un buen contacto trmico entre ambos, cosa quepuede conseguirse por medio de la unin metlica directa o por medio de un contactopermanente en una gran superficie. Tambin es importante para la buena transmisin delcalor que haya una relacin determinada entre la distancia entre tubos y el espesor yconductibilidad trmica de la chapa.

elemen- fdez con deestos>equea ntosen-

En el segundo de los grupos fundamentales, el cuerpo absorbente lleva canales con-ductores del fluido integrados en l mediante la soldadura de dos chapas. El calor puedeaqu transmitirse directamente de la chapa al fluido.

En el tercer tipo se trata de cuerpos huecos planos en los que la magnitud de la superficieinterior en contacto con el lquido portador coincide aproximadamente con la "magnitud

de la superficie exterior captadora del calor. Estos cuerpos huecos se fabrican con materialplstico, A pesar de que los plsticos tienen una conductibilidad trmica muy inferior a lade los metales, la transmisin del calor del exterior al interior es buena porque el calortiene que transportarse a lo largo de un trayecto muy corto, igual al espesor de lasparedes y se dispone de una seccin de la misma magnitud que la superficie exterior decaptacin. Este tipo de cuerpo absorbente se utiliza preferentemente en cubiertasplanas.

El cuarto tipo es, por ltimo, un cuerpo absorbente formado por una serie de tubos. Seutilizan para ello preferentemente tubos de plstico resistentes a la intemperie. Lassuperficies interior y exterior de transmisin del calor tambin son, en este caso,aproximadamente iguales. Debido a los espacios que queden entre los distintos tubos, lasuperficie de absorcin de las radiaciones solares es mucho ms pequea que lasuperficie intercambiadora de calor entre los tubos y el aire que los rodea. Los cuerposabsorbentes formados por series de tubos son adecuados para la instalacin sobresuperficies de tejado.

En qu consiste la diferencia fundamental entre los colectores planos de temperaturamedia protegidos con vidrio y los cuerpos absorbentes de baja temperatura sin proteccinde vidrio? Los colectores planos, que trabajan segn el principio del efecto deinvernadero, consiguen temperaturas relativamente elevadas que pueden aprovecharsede forma relativamente sencilla gracias a su proteccin transparente y a le coloracinselectiva del cuerpo absorbente cuando la radiacin solar es directa c difusa.

Los cuerpos absorbentes o colectores de baja temperatura sin proteccin de vidrie

pueden extraer energa del aire ambiente, de la lluvia y de la nieve; sin embargo, e nivelde temperaturas es tan bajo, como consecuencia de las grandes prdidas de calor, quees imprescindible instalar una bomba de calor para que se puedan producii temperaturasaprovechables para la tcnica domstica. La mayora de las bombas de calor, no sloson bastante caras, sino que, en su mayora, consumen para su fundo namiento unaenerga cara y valiosa como es la energa elctrica.

21


19/94


20/94

bente est ventilada. Esto tiene la ventaja de que se duplica la superficie de intercambiode calor. Desde luego, este sistema exige que por debajo del cuerpo absorbente vaya unacapa de cobertura absolutamente impermeable. Sin embargo, la impermeabilidad de estacapa de cobertura no es, por s sola, garanta de la eficacia de esta solucin. Tampocodebe formarse agua de condensacin ni de transpiracin por la cara inferior de lacobertura ni en los elementos de cubierta que la sustentan a causa del efecto de

refrigeracin del cuerpo absorbente.

La lmina encargada de repeler las condensaciones de agua suele estar rota en In.q puntosen que va clavada al enlistonado. Por estos puntos puerle penetrar la humedad. Tambinpuede producir problemas la congelacin en la cara superior, subrtj todo si es intensa. Alfundirse el hielo cuando suben las temperaturas es poaiblc que se desprendan pequeostmpanos de hielo, cosa que puede constituir un autntico peligro.

nacin de(condensaciones deagua

4~~::'-n esquemtica :^na cubierta

/ca construida >colector de baja

ratura IDoc BBC)

Tubera detfstribucin Tuberade unin colectorade calor Tuberageneral-esa/fo para

:;otacin de calor

:: -ambas caras-roe/tura-oermeable

trmicamente

aislada, Estructura de la

cubierta

2.1.5. La cubierta de teja como colector de absorcin a baja temperatura

Como las grandes superficies absorbentes de cubierta de metal o de plstico no sl< tienen

inconvenientes tcnicos y estticos, sino tambin problemas biolgicos esen cales, eslgico que para la construccin de las superficies absorbentes suela recurrir se a lacubierta de teja, tan conocida y apreciada por la construccin tradicional. La cubiertas deteja tienen una gran capacidad de acumulacin de calory son permeable al aire, es decir,

respiran, y puede considerarse tambin, desde el punto de vista di la Fsica Aplicada,que es posible utilizarlas favorablemente como absorbentes sola res. Es evidente que lassuperficies absorbentes de poco espesor y muy sofisticadas vistas desde e( punto devista trmico, pueden afcanzar rendimientos bastante eleva dos, pero en muchos casos

hay que renunciar a ello por sus considerables nconve

fsicas y

tructivas de la

i a dos aguas

23


21/94

nientes fsicos, tcnico-sanitarios y estticos. No podemos ya permitirnos el liconseguir pequeas ventajas tcnicas, muchas veces slo aparentes, por me

sabady arquitectura solar ceac

Documents