Aigua calenta solar

De Viquipèdia
Salta a la navegació Salta a la cerca
Escalfador solar de tubs de buit. Una tecnologia més popular a Espanya el 2019

L' aigua calenta solar o més correctament aigua escalfada per sistemes solars es refereix a les tècniques d'escalfament per a generar aigua calenta sanitària (ACS) utilitzant l'energia solar mitjançant diversos mètodes.[1][2]

Principis bàsics[modifica]

L' energia solar que arriba a la superfície de la Terra no és constant durant tot l'any. Els dies hivernals són més curts (menys hores de sol) ia més, els col·lectors perden rendiment com més fred sigui l'ambient on són. També, quan es tracta d'escalfar aigua per a usos sanitaris, la que ve de la xarxa està més freda a l'hivern, després s'exigeix més energia per escalfar-la en aquesta època. Del que es dedueix que a l'estiu la mateixa instal·lació és capaç d'escalfar un volum d'aigua molt més gran que a l'hivern. Tot i això, els costums de la gent respecte a la seva higiene (considerant que visquin a cases amb un raonable sistema de calefacció) varien molt poc al llarg de l'any, sense comptar que, quan es té un mitjà d'escalfament tan econòmic com el solar, rentadora i rentaplats han de tenir doble presa d'aigua, calenta i freda, i aquests usos tampoc varien al llarg de l'any.

Col·lector amb tubs de vidre al buit.

Això vol dir que una instal·lació no pot, econòmicament, pretendre obtenir tota l'energia que necessita del sol, ja que si n'hi ha prou a l'hivern, a l'estiu serà excessiva, l'aigua acumulada s'escalfarà a temperatures no desitjables, fins a bullir, amb moltes possibilitats que rebenti el dipòsit acumulador. Per evitar-ho caldria obrir l'aigua calenta deixant entrar aigua freda al dipòsit, provocant una despesa inútil d'aigua que actualment no és admissible (i menys a l'estiu, habitualment època seca), o instal·lar dispositius per refredar l'aigua.

Per les mateixes raons, la variació de l'energia rebuda, no només al llarg de l'any, sinó al llarg del dia, la preparació d'ACS solar s'ha de fer mitjançant acumulació per utilitzar l'aigua produïda a certes hores, en qualsevol moment del dia o de la nit.

La majoria de les normatives nacionals exigeixen que es dimensioni l'acumulació i la captació per a un consum raonable a l'estiu, [3] i que es disposi un sistema auxiliar de reescalfament quan la instal·lació solar no sigui capaç d'escalfar el volum acumulat fins a la temperatura de acumulació necessària.

Una qüestió que té importància és que el consum d'aigua calenta s'ha de fer en condicions relativament constants, quant a volums consumits diàriament. Per exemple, un sistema d'escalfament solar en una casa usada només els caps de setmana funcionarà molt malament, perquè mentre no es consumeixi ACS, els dies de diari, l'aigua acumulada es continuarà escalfant amb les conseqüències indesitjables abans esmentades. No obstant, en una casa de veïns, en una instal·lació centralitzada, rara serà la vegada que estigui buida del tot i sense cap consum. És a dir, com més habitatges alimenti la instal·lació, més probabilitats hi ha que funcioni bé.

Col·lectors a la coberta d'un edifici.

Disposició dels col·lectors[modifica]

Els col·lectors han d'estar orientats al sud (al nord a l'hemisferi sud) tenint cura, en la mesura del possible, que el sol, en el seu recorregut durant tot l'any, no llenci sobre ells ombres dels edificis limítrofs o dels components del propi edifici (caixes d'escala, parapets de terrassa...). Es disposaran formant amb l'horitzontal un angle igual a la latitud del lloc, de manera que als equinoccis, al migdia, la radiació solar incideixi perpendicularment. Amb aquesta posició, la captació al llarg de l?any serà més o menys la màxima. Podeu convenir disminuir la captació a l'estiu i augmentar-la a l'hivern, inclinant el col·lector més cap a la vertical (s'admeten desviacions de ± 10º), però perdent captació al llarg de l'any.

Sistemes d'escalfament[modifica]

Hi ha diversos sistemes d'aconseguir escalfar l'aigua pel sol, encara que la majoria es basen en la utilització de col·lectors solars plans.

Instal·lació amb col·lectors i acumulació independent[modifica]

Esquema de funcionament dun sistema dACS solar.

S'utilitzen col·lectors solars plans i de vegades altres tipus, com el de tubs de buit, encara que els plans solen ser bastant més barats pel fet que es fabriquen en grans sèries. Els col·lectors es connecten a un dipòsit acumulador [4] que, com a mitjana, tindria la capacitat d'aigua necessària per a un dia d'ús (entre uns 22...30 L/dia per possible habitant de l'edifici i a 60ºC de temperatura).

La connexió dels col·lectors es fa, normalment, amb un circuit específic (circuit primari), que recorre un portador de calor, i va a un intercanviador al dipòsit acumulador. Aquest circuit independent té dos importants avantatges:

  • d'una banda, si a la zona hi ha possibilitat de gelades hivernals, al circuit de col·lectors es pot posar un anticongelant (del tipus utilitzat als radiadors dels automòbils), i
  • d'altra banda, es protegeix els col·lectors de les impureses que puguin portar les aigües de la xarxa, molt especialment quan es tracta d'aigües dures, amb gran quantitat de sals dissoltes, que precipitarien allà on s'escalfa l'aigua, precisament als serpentins dels col·lectors, formant una capa aïllant tèrmica que redueix el rendiment, i pot arribar a obturar els conductes; quan al circuit primari no es canvia l'aigua, una vegada dipositada la limitada quantitat de sals que pugui portar no hi tornarà a haver cap problema; fins i tot es pot omplir el circuit amb aigua tova, sense sals.

La regulació del funcionament del circuit primari es fa mitjançant un aparell anomenat termòstat diferencial. Consta d'una centraleta electrònica i de dues sondes tèrmiques ; les sondes se situen, una a la sortida dels col·lectors i una altra al dipòsit acumulador, i envien la mesura de les temperatures de cadascun d'aquests punts a la centraleta que les compara: quan la temperatura dels col·lectors és superior a la del dipòsit, posa en marxa la bomba de re-circulació, en cas contrari, la para. En llocs poc freds, on les gelades són rares, el termòstat diferencial pot engegar la bomba quan la sonda dels col·lectors registra temperatures iguals o inferiors a 4 ºC, escalfant els col·lectors amb l'aigua acumulada i s'evita posar anticongelant, que és car; no és convenient fer servir aquesta possibilitat en llocs de gelades freqüents ja que es pot refredar massa l'aigua acumulada i gelar-se els col·lectors.

Com hem dit, no és econòmic ni pràctic fer una instal·lació capaç de donar en qualsevol moment l'energia necessària per a l'escalfament de l'aigua, per la qual cosa cal afegir a aquest sistema una energia auxiliar. Per raons d'economia energètica, cal utilitzar dos acumuladors independents; al primer s'escalfarà l'aigua per energia solar exclusivament i al segon entrarà l'aigua pre-escalfada i, si cal, es reescalfarà fins a la temperatura de distribució (normalment 60 ºC) mitjançant una energia auxiliar. Efectivament, la potència amb què escalfa el sol és molt menor que la que té qualsevol sistema d'escalfament per energies corrents i això vol dir que, si l'intercanviador d'energia auxiliar estigués al dipòsit, l'aigua s'escalfaria amb l'energia auxiliar molt més de pressa que amb el sol i el termòstat diferencial pararia la bomba, llevat que els col·lectors assoleixin una temperatura alta, condicions en què els col·lectors tenen menor rendiment. Si l'escalfament es produeix en un altre dipòsit, el sistema de col·lectors aprofita completament la capacitat del sol en tot moment. És una instal·lació més cara, però s'amortitza en poc temps. I efectivament, en el cas de la normativa espanyola, està prohibit afegir aquesta energia al mateix dipòsit on s'ha acumulat l'aigua escalfada per medis solars.[5]

També es pot fer servir un escalfador dels anomenats instantanis, que ha de ser de tipus modulant, amb el qual no caldria el segon acumulador (Vegeu més avall: Energia auxiliar).

Escalfador solar "autònom"[modifica]

Un escalfador solar daigua.
Escalfador solar pla amb dipòsit acumulador a un habitatge.

Són dispositius que permeten captar l' energia del sol i transferir-la a l'aigua, en general en un sol aparell, amb els dispositius necessaris. L'aigua escalfada es guarda en un dipòsit d'acumulació i es pot consumir directament o connectar-se en sèrie amb un escalfador auxiliar.

Entre n'hi ha dos tipus: En un, els panells tenen una placa receptora i tubs pels quals circula un líquid portador de calor adherits a aquesta. El receptor (generalment recobert amb una capa selectiva fosca) capta la radiació solar escalfant-se, mentre que l'aigua que circula pels tubs transporta la calor cap al dipòsit acumulador. El dipòsit està situat a una alçada més gran que el col·lector (figura de l'esquerra), de manera que l'aigua circula per termosifó : en escalfar-se augmenta de volum i perd densitat, de manera que puja a l'acumulador, mentre que la més freda, de més densitat, baixa per un altre conducte per la part del darrere, cap al col·lector, on s'escalfa. És un aparell senzill i amb bons rendiments, amb algunes excepcions. No funciona bé els llocs on hi hagi gelades serioses (no es pot posar anticongelant, ja que l'aigua que circula és la de consum) i tampoc en llocs on l'aigua sigui dura, per les raons dites més amunt.

El segon tipus és molt més senzill (figura de la dreta) i, si es fa en certa quantitat més barat. Hi ha diverses versions, més o menys semblants. Una consisteix en un dipòsit pintat de negre amb unes cobertes reflectores que s'obren durant el dia per recollir una major quantitat de sol, i es tanquen a la nit per aïllar el dipòsit de pèrdues de calor. El dipòsit pot tenir una coberta transparent per augmentar l'efecte hivernacle.

En aquests dos tipus es pot afegir després un sistema de reescalfament amb un dipòsit auxiliar o un escalfador modulant, com en el cas anterior.

Una altra variant molt més senzilla i econòmica, consisteix en una safata pintada de negre, amb una coberta de polietilè flexible. Als matins s'omple d'aigua, inflant la coberta com un globus, i a les nits es buida per fer servir l'aigua calenta. Amb aquest sistema s'evita el problema de les gelades, però implica estar atent als omplits matutins i buidatges vespertins.

Escalfador solar sense coberta[modifica]

Calentador solar de piscinas
Mòduls d'escalfador solar de piscines

No es fa servir especialment per escalfar aigua d'usos sanitaris, però és un sistema d'escalfament barat per a usos estacionals, com l'escalfament de piscines. És una superfície de goma, materials plàstics o teixits impermeables, de color negre, que té un circuit d'aigua format pel mateix material. S'estén sobre una superfície exterior i es fa circular laigua pel circuit. Com a exemple del funcionament d'aquest sistema, es pot citar l'efecte que el sol fa en una mànega posada al sol i plena d'aigua: quan s'obre l'aixeta a què està empalmada, els primers litres, els que hi eren continguts, al sol, surten calents, tant més com més fosc sigui al color del material de la mànega i com més temps hagi romàs la mànega al sol.

Com s'ha dit, es pot fer servir en piscines i, quan arriba la fi de l'estació de banys, es recull i es guarda fins a l'estiu següent. Podeu servir també per escalfar les dutxes d'un càmping.

És econòmic i no requereix gaires cures. A les piscines es pot fer funcionar amb les mateixes bombes que fan funcionar la depuradora, ia les dutxes caldrà posar-ne una, que pot ser petita, amb poc consum d'energia.

Energia auxiliar[modifica]

El sistema auxiliar és un sistema convencional d'escalfament d'ACS, amb la diferència que rep l'aigua en comptes de la temperatura de la xarxa a una temperatura variable, pre-escalfada per la instal·lació solar, que en certes èpoques (a l'estiu) pot ser ia la temperatura de distribució. És important que el "pre-escalfament solar", com s'ha dit, es faci en un dipòsit específic i el "escalfament" en un altre.

El sistema més senzill de regular és mitjançant l'altre dipòsit d'acumulació, com a segon acumulador. El dipòsit d'acumulació tindria un intercanviador pel qual circula aigua escalfada a una caldera exterior (amb electricitat, mitjançant una resistència), de manera que un termòstat, fixat a la temperatura desitjada (sol ser de 60 ºC), regula el funcionament de la caldera o de les resistències elèctriques. Si l‟aigua de l‟acumulador solar ve a la temperatura de consigna, l‟energia auxiliar no treballarà o ho farà molt poc. La re-circulació necessària, a moltes de les xarxes de les instal·lacions d'ACS, el retorn es farà a aquest dipòsit i mai a l'acumulador solar.

Quan es facin servir escalfadors dels anomenats instantanis, han de ser de tipus modulant, és a dir, que modulin la flama del cremador a les condicions de temperatura de l'aigua que arriba, per obtenir aigua sempre a la mateixa temperatura o, millor dit, respectant una temperatura màxima. Efectivament, els escalfadors circulants normals pugen 25 ºC la temperatura d'un cabal determinat; així, si l'aigua arriba a 10 graus, pujaran la temperatura fins a 35, però si l'aigua arriba a 50 ºC, la portaran fins a 75 ºC, cosa que és inadmissible, ja que comença a donar perill de cremades als usuaris. La modulació de la flama evita aquest perill; quan l'aigua arriba a la temperatura de consum o propera, la flama de l'escalfador serà nul·la o molt petita.

Mitjans per evitar l'escalfament excessiu de l'aigua acumulada[modifica]

El problema d'escalfament excessiu de l'aigua acumulada es pot produir alguna vegada. Molt més freqüentment en instal·lacions que serveixen a un sol habitatge, però també a les de comunitats de veïns. Precisament es dóna en els mesos més càlids, quan els usuaris se'n van de vacances i no consumeixen aigua; l'acumulador s'escalfa sense sortir aigua calenta ni entrar-hi aigua freda. Les solucions són diverses.

La més elemental és tapar amb una persiana una part dels col·lectors (o tots), de manera que no rebin el sol. Una altra solució, no gaire aconsellable, és buidar part del circuit de col·lectors del fluid portador de calor, i no és adequada perquè, encara que efectivament l'aigua no s'escalfa, els col·lectors sí, i es poden deteriorar. A més, es perd l'anticongelant, que té el problema de desfer-se'n: no ha de ser abocat a la xarxa de sanejament, després caldria portar-lo a punts específicament preparats per recollir-lo o guardar-lo fins a l'estació següent.

Aquests dos sistemes exigeixen manipulació cada any en vigílies i després de l'època estival, en canvi n'hi ha un altre que funciona automàticament i que consisteix a posar un dispositiu de dissipació de calor, en paral·lel amb el circuit entre col·lectors i l'intercanviador de l'acumulador, de manera que, quan un simple termòstat assenyali que l'aigua del dipòsit ha arribat a la temperatura de consigna, una vàlvula de tres vies desviï el cabal del portador de calor des dels col·lectors cap al dissipador, en comptes de l'intercanviador de l'acumulador. Aquest dissipador pot ser un ventilo-convector del model més senzill (el que anomenen "aeroterm").

Altres possibilitats són: sobredimensionar l'acumulador respecte a la superfície de col·lectors o també inclinar-ne més respecte a l'horitzontal, de manera que la captació en els mesos més càlids disminueixi (en ells el sol està més alt sobre l'horitzó i la radiació arriba des d'una adreça més propera a la vertical) i en canvi augmenta la captació en els mesos menys càlids.

Normativa[modifica]

A certs països, entre ells Espanya, la instal·lació d'escalfament solar és obligatòria a tots els edificis de nova construcció, des de la promulgació del Codi Tècnic. De tota manera, certes normatives locals (Barcelona, Madrid) ja hi obligaven.

Moltes administracions donen subvencions a la instal·lació d'aquest tipus d'energia, ja que estalvia energia convencional i emissió de gasos d'efecte hivernacle, qüestió que fins i tot pot provocar despeses econòmiques als estats que s'han compromès a reduir les emissions i no ho aconsegueixen.[6]

Vegeu també[modifica]

Referències[modifica]

  1. Madrid Vicente, Antonio. Curso de energía solar. Mundi-Prensa, 2009. ISBN 9788484763598. 
  2. «DISEÑO DE UN CALENTADOR SOLAR DE PLACA DE CALOR PARA CALENTAMIENTO DE AGUA PARA USO DOMESTICO.». Facultad de Ingeniería. Universidad Nacional Autónoma de México., 2014 [Consulta: 31 octubre 2021].
  3. CTE, Documento Básico HE4, en el que se dispone que la energía captada no superará el 110% de la necesaria en el mes más cálido, ni el 100% de la necesaria en los tres meses más cálidos
  4. Ver tipos de acumuladores de ACS
  5. Duplicación de depósitos que es obligatoria en la normativa española CTE, DB HE4, 3.3.3.2
  6. El País 5 de octubre de 2012. España cumplirá Kioto con una compra de saldo de CO2 polaco... El acuerdo, del que el ministerio no da las cifras por ser “confidenciales”, supone la compra de las casi 100 millones de toneladas que España tenía pendiente por unos 40 millones de euros

Enllaços externs[modifica]

A Wikimedia Commons hi ha contingut multimèdia relatiu a: Aigua calenta solar