EQUIPO COMPACTO SOLAR TÉRMICO PARA CALENTAMIENTO DE AGUA PARA CONSUMO SANITARIO

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1 EQUIPO COMPACTO SOLAR TÉRMICO PARA CALENTAMIENTO DE AGUA PARA CONSUMO SANITARIO J. Marusic, F. Garreta, C. Navntoft Universidad Tecnológica Nacional Facultad Regional Buenos Aires Grupo de Estudios sobre Energía Departamento de Ingeniería Civil (UTN-FRBA-GESE-Dpto. Civil) Mozart 2300, (1407) Ciudad Autónoma de Buenos Aires, República Argentina Tel.: (+5411) (int. 7139) Fax: (+5411) RESUMEN El presente trabajo es el resultado de investigaciones previas en el campo del diseño y desarrollo de equipamiento solar térmico para uso específico en la región, el cual consideraba oportunidades y condicionantes existentes para la conformación de un mercado solar genuino. En este caso, se expone la etapa final de un proceso de estudios que comenzó en el año 2004 con el proyecto de un colector solar plano y tanque acumulador de concepción moderna, a partir de las posibilidades técnicas de pequeños talleres o industrias sintetizando diez años de experiencia en proyecto y montaje de instalaciones solares térmicas en la República Argentina. Los objetivos alcanzados permitieron extender la investigación para concluirla con el diseño de un equipo compacto de 105 litros para uso rural. Las premisas del desarrollo se orientaron hacia lograr confiabilidad, vida útil superior a 12 años, resistencia a aguas duras y temperaturas de hasta 15ºC bajo cero. El modelo está siendo sometido a diversos ensayos, cuyos resultados en algunos casos superan las expectativas trazadas oportunamente.

2 Ante la actual crisis, producto de la drástica reducción de reservas de origen fósil, consideramos que la transferencia del conocimiento obtenido al ámbito privado resulta un aporte valioso a la necesidad de acercar avances tecnológicos a la comunidad, y en este caso en particular, aplicaciones basadas en el uso de energías regenerativas para elevar la calidad de vida de la población. Introducción El Compacto Solar Térmico (Fig 1) es un equipo diseñado para satisfacer las necesidades de agua caliente de dos personas, de muy bajo mantenimiento, larga vida útil, fácil de montar y sintetizado para reducir la cantidad de componentes, facilitando su transporte a cualquier lugar del país, aun zonas aisladas de difícil acceso. Fig 1- Compacto Solar Térmico montado en una terraza plana

3 Permite su instalación en el suelo y techos, pudiendo integrarse a las construcciones con techos inclinados por su tanque horizontal, techos planos por su estructura de sostén, colocado en patios y jardines o junto a los campamentos móviles de cosechadores, etc., solucionando de manera sencilla y económica la demanda de agua caliente para un gran numero de personas que en la actualidad carecen de este elemento de confort e higiene personal indispensable en estos tiempos. Es un elemento muy fácil de montar por lo que no requiere mano de obra especializada, esto permite reducir el costo de instalación ya que no es necesario trasladar personal para tal fin, siendo este un motivo de reducción del costo final. La calidad de los materiales que lo componen le otorgan gran resistencia a las aguas duras que se encuentran en amplias zonas del territorio nacional y que generan corrosión e incrustaciones y la posterior perforación de los distintos componentes, provocando la fuera de servicio de la instalación. Otro factor relevante del sistema es contar con circuito solar primario cerrado, por donde circula el fluido caloportador, que le otorga varias ventajas; por un lado evita la incrustación dentro de los captadores, donde se encuentran las temperaturas más elevadas, factor que favorece las incrustaciones, y por otro permite evitar el congelamiento del sistema, colocando líquido caloportador anticongelante ecológico para la operación del equipo con temperaturas de hasta -15º C. Descripción del equipo Se expone aquí el equipo, compuesto por un colector de 1,365 m 2 conectado termosifónicamente con un tanque de 105 lts. de capacidad y una estructura de sostén, que permite satisfacer las necesidades diarias de agua caliente para dos personas.

4 El colector solar plano está constituido por materiales reciclables en un 99%, entre ellos cobre, bronce, aluminio, vidrio, estaño y lana de roca. Los materiales no amigables con el ambiente son pequeñas cantidades de caucho y sellador de poliuretano utilizados para dar estanqueidad al conjunto. El tanque también está constituido por materiales reciclables en un 85%, entre ellos cobre, bronce y aluminio. Los materiales no amigables con el ambiente son pequeñas cantidades de caucho y el aislamiento de poliuretano indispensable para evitar las pérdidas, asegurando rigidez al conjunto, estanqueidad y resistencia a las temperaturas involucradas durante toda la vida útil del equipo. La estructura de sostén se materializa en perfilería de aluminio ajustada con bulones de acero inoxidable que es 100% reciclable y mantiene al conjunto con una pendiente de 35º respecto del suelo, apropiada para obtener buena oferta solar a lo largo del año en una amplia zona del territorio nacional. Las dimensiones del colector plano son 1,05m x 1,30m y se compone de una parrilla de caños verticales de 3/8, unidos a dos caños horizontales de mando y retorno de 3/4 (Fig 2),. A la parrilla vertical se le sueldan con estaño placas de cobre individuales previamente maquinadas, para maximizar la superficie captadora y pintada de negro para aumentar la absorción de radiación solar (Fig 3). Fig 2- Parrilla de caños soldados Fig 3- Placa absorbedora terminada

5 Este elemento se encuentra alojado en una caja vidriada por el frente con vidrio simple de 4 mm unido al marco con sellador poliuretánico resistente a la radiación UV, intemperie y altas temperaturas, marco de perfiles de aluminio con los extremos cortados a 45º, escuadrados y fijados con remaches y terminados frontalmente con esquineros que aseguran su estanqueidad y calidad de terminación. El fondo de la caja está formado por una chapa cincalum cortada y plegada que se une a otro perfil de aluminio mediante remaches y este a su vez se une al marco del mismo modo. La aislación de lana de roca se encuentra entre la placa y el fondo y es normalmente de 50mm, pero mediante un cambio en el perfil del fondo podemos aumentar o disminuir el espesor, según los requerimientos del caso de aplicación. Al colector se le realiza una prueba de presión a 4 kg/cm 2 otorgándole la capacidad de trabajar a presiones de 2,5 kg/cm 2 en forma constante. El tanque acumulador se construye en chapa de cobre, casquetes toriesféricos, intercambiador de cobre y piezas de conexión roscadas (todo el conjunto soldado con soldadura fuerte), aislamiento de poliuretano y envolvente de terminación en aluminio (Fig 4 y Fig 5) Fig 4- Recipiente interior de cobre soldado Fig 5- Tanque terminado

6 El intercambiador de calor está construido íntegramente en cobre, materialidad que le otorga máxima transferencia de calor al agua de consumo y es el que hace posible la separación de circuitos para incorporar anticongelantes y anticorrosivos y evitar roturas por congelamiento, corrosión y taponamientos por incrustaciones. El circuito primario se encuentra cerrado mediante una válvula de alivio regulada para que cuando el equipo entra en régimen pierda hasta autoequilibrarse y luego impida la evaporación del líquido caloportador. Todo el conjunto se encuentra aislado con 50 mm de espuma de poliuretano que le otorga estanqueidad al conjunto, asegurando su correcto aislamiento que le permite conservar el agua caliente durante 48 hs sin aporte solar (Fig 6 y Fig 7) y como terminación exterior final se encuentra envuelto en chapa de aluminio y pasacaños de goma con EPDM en los orificios de conexión, que le otorga gran resistencia a los agentes climáticos, manteniendo su imagen a lo largo del tiempo. Fig 6- Momentos previos al colado Fig 7- Aislación terminada Este tanque está probado a 0,8 kg/cm 2, esto le permite soportar una presión de trabajo constante de 0,5 kg/cm 2. La conexión entre el tanque y el colector se realiza con mangueras de tipo automotor de probada resistencia, ajustadas con abrazaderas galvanizadas. Las conexiones de entrada

7 y salida del circuito de consumo tienen piezas roscadas de 1/2 para su instalación por métodos tradicionales. La estructura de sostén se materializó con perfilería de aluminio en diferentes tipos, tamaños y espesores, unidos mediante bulones de acero inoxidable, conformando un elemento resistente, elegante y duradero que aloja al tanque y al colector, manteniendo una inclinación de 35º. En los puntos de apoyo posee elementos pivotantes que le permiten adaptarse a las imperfecciones del piso. La relación acumulación/captación es de 0,77 lts/m 2. Se realizó un simulación matemática por no contar con un banco de ensayos que arrojó como resultado un K0 0,77 y un Kp -5,63 Mantenimiento Por el exclusivo diseño y la nobleza de los materiales que componen a este Compacto Solar Térmico, requiere muy bajo mantenimiento, limitándose a mantener limpio el vidrio del captador y una vez al año y en horarios de bajas temperaturas, verificar la cantidad de líquido caloportador en el circuito primario, que se autorregula al aumentar su temperatura goteando por la válvula de alivio y una vez equilibrado se sella y reduce al mínimo las pérdidas por evaporación. En las conexiones donde la parrilla sale de la caja, para lograr hermeticidad, se colocan pasacaños de goma con EPDM, evitando el ingreso de agua y polvo y con ello muchas tareas de mantenimiento y daños a la superficie captadora del colector. Integración arquitectónica Para mejorar la eficiencia del sistema sin desmejorar el aspecto, el caño colector superior posee dentro de la caja, una inclinación que mejora el funcionamiento del termosifón favoreciendo la ascensión del fluido caloportador sin necesidad de inclinar todo el elemento, ya que cuando se utiliza esta estrategia se pierden las líneas

8 arquitectónicas de los edificios, atentando contra la aceptación de los sistemas solares por parte de los profesionales y usuarios. Cuando el equipo es montado sobre una cubierta plana, adquiere una imagen sobria y contundente por poseer un diseño acabado y excelentes proporciones entre el colector, el tanque horizontal y la esbeltez de su estructura. En casos en que la instalación se realice sobre techos con pendiente se puede obviar parte de la estructura de sostén apoyando el equipo directamente sobre la cubierta, logrando una muy buena integración arquitectónica. A esto se le debe sumar la posibilidad de entregar el equipamiento con las distintas terminaciones de anodizado o pintura color que ofrece el mercado maximizando la armonización con los materiales tradicionales utilizados en las cubiertas. Otro aspecto importante a tener en cuenta a la hora de instalar los equipos en cubiertas inclinadas es el peso de los componentes para poder manipularlos con facilidad y en lo posible por una sola persona para reducir la cantidad de personal involucrado y evitar riesgos de accidentes. En esta búsqueda se trabajó durante la etapa de diseño y así se logró un colector de 27,5 kg, un tanque de 20 kg y una estructura de 7 kg que facilitan las operaciones de montaje y hacen posible la instalación, en condiciones normales, con un solo operario. Conclusiones Luego de funcionar en Buenos Aires desde Mayo del 2006 su funcionamiento es satisfactorio, logrando un calentamiento rápido en días de buena radiación solar con temperaturas superiores a 65ºC, cumpliendo su cometido al proveer el agua caliente necesaria para satisfacer las necesidades básicas de dos personas. Se logró un diseño elegante y cuidado que permiten una buena integración arquitectónica potenciando las características técnicas.

9 El producto obtenido está compuesto por pocos elementos de dimensiones y pesos que hacen fácil su transporte y manipulación en todas las instancias, desde la producción hasta su montaje final y permite abastecer demandas en cualquier punto del país. La durabilidad de los materiales que lo componen y la posibilidad de reciclarlos en un alto porcentaje, lo hace amigable con el medio ambiente. Por su acabado diseño técnico formal, fruto de un largo proceso, es posible pensar en exportar a países del Conosur. Referencias