VIABILIDAD DE LOS COLECTORES SOLARES TÉRMICOS PLANOS PARA CALEFACCIÓN, SIN UTILIZACIÓN DE EQUIPOS DE APOYO.

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1 VIABILIDAD DE LOS COLECTORES SOLARES TÉRMICOS PLANOS PARA CALEFACCIÓN, SIN UTILIZACIÓN DE EQUIPOS DE APOYO. F. López-Rodríguez (p), A. Marcos, C. Segador, F.J. Moral, F. Cuadros. RESUMEN: La presente ponencia es un trabajo de investigación en donde se pretende estudiar la viabilidad técnica de los sistemas de calefacción existentes en el mercado, utilizando energía solar exclusivamente, sin equipos de apoyo a base de energía convencional. El planteamiento inicial fue el de comprobar si los colectores solares que hay actualmente en el mercado servían para calefactar edificios destinados a viviendas en donde el sistema de calefacción trabaja eficientemente en un intervalo de temperaturas entre 5º- 7º C, y también en edificios comerciales y de negocios, de gran superficie acristalada, por tanto con pérdidas caloríficas elevadas, trabajando el sistema en un intervalo de temperaturas entre 7º-9º C. Ante todo lo anterior, se plantea la necesidad de producir colectores de placa plana mucho más eficientes si se quiere calefactar con este tipo de colectores, ya que los de tubos de vacío son de mayor coste económico, y no serían rentables para edificios dedicados a viviendas. 1. INTRODUCCIÓN La mayor parte de los impactos ambientales provienen del sector energético. Autores como [Ayres, 1996] estiman que más del 8 % de las agresiones al medio ambiente tienen su origen en el sistema energético. Así pues, la calefacción doméstica e industrial ya sea directamente, la que depende de los combustibles fósiles, como indirectamente, la basada en la electricidad, tienen una participación muy importante en dichas agresiones medioambientales. Al mismo tiempo, las emisiones de CO 2 a la atmósfera debido a la combustión de los combustibles fósiles, son las que contribuyen de manera decisiva al calentamiento global del planeta, y que han sido reguladas por la cumbre de Kioto. Frente a esto, las fuentes de energía renovable son las más respetuosas con el medio ambiente, por lo que si es posible calefactar mediante el empleo de energía solar, se contribuirá de manera decisiva a la conservación del medio natural. La tecnología de la energía solar térmica está bien asentada, con una extensa bibliografía, citándose alguna muestra en las Referencias, sin embargo, cuando de aplicaciones prácticas se trata, es necesario realizar estudios comparativos de diversas marcas y modelos de captadores solares que actualmente hay en el mercado para situar y asesorar a los posibles usuarios e instaladores de dichas fuentes energéticas, a la hora de decidirse por uno u otro dispositivo para una aplicación concreta en un lugar concreto. El presente trabajo tiene como objetivo principal el hacer este estudio comparativo en una ciudad del suroeste de España (Badajoz), con una latitud 38,9º y con unas características climáticas que la hacen recibir unos 22,85 MJm -2 cada año procedentes del sol. 1298

2 Naturalmente, el procedimiento aquí descrito podría aplicarse en cualquier lugar del mundo si se conoce la radiación solar media, la temperatura media y el número medio de horas de sol, en función de un día tipo de cada mes del año. Estas expresiones pueden obtenerse mediante el ajuste de los datos climáticos locales a las funciones matemáticas que describimos en el siguiente apartado. El trabajo trata también sobre la viabilidad técnica del uso para calefacción de los colectores solares que actualmente hay en el mercado, sin equipos de apoyo, alimentados por combustibles convencionales. Es decir, lo que se pretende es comprobar si los captadores solares que hay en el mercado sirven para calefactar todo tipo de edificios. 1. ESTUDIO CLIMÁTICO Como ya se ha indicado, el trabajo se desarrolló en Badajoz. La radiación solar global diaria, así como los datos climáticos necesarios, y que se utilizaron en el presente trabajo, fueron suministrados por el Instituto Nacional de Metereorología y, en el caso de la radiación solar, los datos fueron suministrados por el Área de Física del Aire de la Universidad de Extremadura [Cancillo 22]. Mes Número medio de Media diaria Temperaturas medias ºC Radiación media KJm -2 MES Días despejados Días cubiertos Horas de sol Horas de sol Máxima Mínima Media Radiación Enero 14,8 16,2 146,5 4,7 13, 4,3 8,7 815,2 Febrero 14,9 13,1 177,4 5,9 15,1 4,9 1, 132,7 Marzo 13,3 17,7 191,6 6,2 17,9 7,6 12, ,8 Abril 15,2 14,8 252,6 8,4 23,1 9,5 16, ,4 Mayo 15,3 15,7 294, 9,5 26,8 13,3 2, ,5 Junio 19,5 1,5 347, 11,6 31,1 16,6 23,9 2544,4 Julio 26, 5, 393,4 12,7 34, 17,7 25, ,4 Agosto 25,3 5,7 361, 11,6 33,3 17,9 25, ,8 Septiembre 18,5 11,5 258,2 8,6 29,4 16,1 22, , Octubre 16, 15, 211,4 6,8 23,4 12,3 17, ,7 Noviembre 14,4 15,6 163,6 5,5 17,4 8, 12,7 966,3 Diciembre 14,8 16,2 144,3 4,7 13,4 4,9 9,2 6688,8 Tabla 1. Datos climáticos medios mensuales de la ciudad de Badajoz. 1299

3 Para manipular matemáticamente los datos recogidos en la Tabla 1, referentes a las temperaturas medias mensuales, se ajustaron a una función senoidal de la forma. 6π T ( t ) = 17,3 8,6 cos ( ) t ( ) (1) Donde T(t) es la temperatura de un día promedio de cada uno de los meses del año. La función T(t) junto con los datos de temperatura de un día medio de cada mes del año de la ciudad de Badajoz, se representan en la figura 1. La desviación absoluta promedio entre los datos de temperatura y los suministrados por la Ecuación (1), es de DAM=3,52 %. Teniendo en cuenta que se suele utilizar la calefacción siempre que la temperatura ambiente no supere los 15º C, el periodo de calefacción en la ciudad de Badajoz estaría comprendido entre los días 1 de diciembre a 1 de abril Temperatura ºC Día del año Figura 1. Datos de temperatura de un día medio de cada mes del año (puntos) y ajuste (línea continua). La línea horizontal en trazo grueso es la temperatura límite para calefacción. Dado que la radiación solar incidente en la superficie del colector solar influye en el comportamiento del mismo, se hace pues necesario conocer el valor de la radiación solar en cada momento, y a lo largo del año. Representando los valores de radiación solar suministrados por el Instituto Nacional de Meteorología a los que nos hemos referido anteriormente, se puede observar que la curva resultante es muy quebrada, Figura 2, pero sin embargo sigue una evolución sinusoidal con respecto al día del año. Es necesario su ajuste para poderla emplear en el cálculo de rendimientos, por lo que se ajustó mediante una función cosenoidal invertida, que permite manejar la radiación de una forma más sencilla. Pero si se hace con una sola función, se producirán picos por encima y por debajo, que corresponden a valores de radiación solar en días totalmente despejados y cubiertos. 13

4 Radiación solar a lo largo del año (Kj/m2.día) Radiación solar Radiación solar media (KJ/m2dia) Radiación solar dias cubiertos (KJ/m2dia) Radiación solar dias despejados (KJ/m2dia) Días Figura 2. Radiación solar a lo largo del año. Por ello se decidió aproximarla a dos funciones cosenoidales invertidas superior e inferior respecto a la curva original, que representan la radiación solar a lo largo del año suponiendo todos los días del mismo totalmente despejados o cubiertos respectivamente. Las expresiones ajustadas de las curvas son las que se exponen en las expresiones (2) y (3), representándose gráficamente en la figura 2. Días despejados. Días cubiertos E( t) 2π = cos[ t ] (2) 365 E( t) = cos t Siendo E(t) la radiación solar a lo largo de un día medio de un mes del año. Para calcular la potencia solar global media diaria a lo largo del año necesitamos obtener una expresión analítica que nos de las horas de sol en función del día del año. Aproximando las horas de sol H(t) a una expresión cosenoidal del mismo tipo que la anterior, se obtiene la Ecuación (4). 6π H ( t ) = 8,7 4 cos ( ) t (4) Con este valor la expresión de la potencia solar media diaria, a lo largo del año, en cada momento y expresada en Wm -2, vendrá dada por las expresiones (5) y (6) para días soleados y nublados, resultado de dividir las ecuaciones (2) y (3) por la ecuación (4). (3) 131

5 Días despejados. 2π cos[ t ] P ( t) = 365 (5) 6π 8,7 4 cos t 73 Días cubiertos cos t P ( t) = (6) 6π 8,7 4 cos t 73 La representación gráfica se aprecia en la Figura 4, pero con dichas funciones, dos en este caso, es difícil de trabajar, por lo que se pensó utilizar el valor promediado de las dos funciones anteriores. Para ello es necesario conocer la proporción entre días soleados y nublados en el periodo de calefacción. Esta proporción se obtiene de la Tabla 1 y representa un 48 % de días soleados y un 52 % de días cubiertos. Con esta proporción obtenemos la potencia solar media diaria en cada momento que viene dada por la expresión (7), representándose gráficamente en la Figura cos t P ( t) = (7) 6π 8,7 4 cos t 73 POTENCIA SOLAR MEDIA A LO LARGO DEL AÑO (W/m2) POTENCIA SOLAR DÍA DEL AÑO Días soleados Días nublados Promedio Figura 4. Potencia solar media diaria en la ciudad de Badajoz. 132

6 3.-RENDIMIENTO DE LOS COLECTORES El rendimiento de un colector se define como el cociente entre la ganancia de energía térmica útil por parte del fluido caloportador, durante cualquier periodo de tiempo y la energía solar incidente durante el mismo periodo de tiempo [Bliss, Hotel y Willier, 1955, 1957]. Q u η =, (8) P A donde Q u es la energía por unidad de tiempo útil transferida al fluido, P la potencia solar diaria media y A la superficie del colector. La experiencia demuestra que las pérdidas por unidad de superficie son proporcionales a la diferencia de temperatura media de la placa T m y la temperatura ambiente T a, siendo el factor de proporcionalidad dicho coeficiente de pérdidas, U. Para un área A, las pérdidas totales serán A U (T m T a ). De forma que: Q u = A P τα U ( T T )). (9) ( m a Por tanto, y dado que es difícil conocer con precisión la temperatura media del colector, T m, es conveniente escribir la Ecuación (9) en función de la temperatura de entrada del fluido al colector, T e, para lo cual debe modificarse dicha expresión introduciendo un factor de corrección F r, que siempre será menor que la unidad. Así pues, podemos escribir, Q u = F A Pτα U ( T T )). (1) r ( e a No cabe pues ningún tipo de error, puesto que dependiendo del laboratorio acreditado de que se trate, los valores de F r y de U, estarán referidos a la temperatura del fluido caloportador a la entrada al colector o a la temperatura media del captador. Los fabricantes americanos suelen suministrar las ecuaciones del rendimiento de los captadores utilizando como variable la temperatura de entrada del fluido en el captador en vez de la temperatura media del captador, como suele ser más frecuente en Europa. Nosotros utilizaremos las expresiones considerando la temperatura de entrada del fluido caloportador al captador. Así la Ecuación (8) toma la forma U L ( Te Ta ) η = Frτα, (11) P siendo U L el coeficiente de pérdidas del captador, que es igual a F r U Si definimos el rendimiento óptico del captador, que representamos por η, como η =F r τα, entonces la Ecuación (11) se puede escribir como: U L ( Te Ta ) U L T η = η = η. (12) P P 133

7 No obstante, el rendimiento de un captador solar plano puede aproximarse mediante una función cuadrática (parábola), de la forma: 2 T T µ = η K1 K 2. (13) P P Donde T es la diferencia entre la temperatura de entrada al colector y la temperatura ambiente, P es la radiación solar promediada en W/m 2, y K 1 y K 2 son coeficientes de pérdida de calor que vienen dados en W m -2 ºK -1 y W m -2 ºK -2, respectivamente. Hay fabricantes que expresan el rendimiento del captador mediante la fórmula lineal y otros mediante la cuadrática, aunque esta última forma suele utilizarse más apropiadamente para captadores de tubos de vacío. No obstante, hay fabricantes que dan los dos tipos de expresión lineal y cuadrática, con los valores correspondientes de los coeficientes para un mismo captador. En nuestro estudio se utilizaron varios tipos de captadores, siendo los valores de los coeficientes de pérdidas K 1 y K 2, y los rendimientos ópticos, η, suministrados por los fabricantes, los reflejados en la Tabla 2. Están representados todos los tipos y modelos existentes en el mercado, incluso los más innovadores. COLECTOR η K 1 K 2 CARACTERÍSTICAS Nº 1,85 5,25 - Placa plana Nº 2 a,75 5,1 - Nº 2 b,73 3,6,22 Nº 3,78 3,7,17 Nº 4,84 1,75,8 Tubos de vacío Nº 5,825 1,19,9 Heat pipe Tabla 2. Coeficientes de pérdidas en rendimiento de colectores K 1 y K 2 y rendimiento óptico η. En la Tabla 2 se puede apreciar que los cuatro primeros son colectores de placa plana, mientras que el nº 4 es de tubos de vacío y el último es también de tubos de vacío, pero funcionando según el principio heat pipe. 4.-METODOLOGÍA. Para la calefacción de edificios y viviendas normales, trabajando con sistemas de calefacción en una horquilla de temperaturas entre 5-7 º C, el estudio se hizo para el año completo, y por ello es necesario considerar los requerimientos energéticos durante los 12 meses del año. La metodología seguida para el cálculo de los rendimientos de los seis tipos de captadores estudiados se expone a continuación: 134

8 Primero.- Para el cálculo de los rendimientos de los captadores bajo estudio, se utilizó la Ecuación (13) Segundo.-Introducimos en la ecuación (13) el valor de la potencia media de la radiación solar P, dado por la Ecuación (7) en w m 2, en un día medio de cada mes del año. Tercero.- Se introducen en la Ecuación (13) los valores de los coeficientes K 1 y K 2 aportados por los fabricantes de cada uno de los captadores estudiados (Tabla 2). Cuarto.-La temperatura de entrada al captador del fluido caloportador la tomaremos como T e = 55ºC; es decir 5ºC por encima de la temperatura más baja del sistema de calefacción. Se puede estimar que la temperatura de salida del fluido caloportador del serpentín, y por tanto a la entrada en el captador se hace a 5º C menos de la temperatura media del agua en al acumulador, que se puede estimar en 6ºC. Por debajo de 55º C no es previsible que disminuya la temperatura. La experiencia y los ensayos demuestran que puede tratarse de una temperatura de entrada normal al captador, una vez que se haya producido el régimen estacionario, para un salto térmico del sistema de calefacción entre 5-7º C. Quinto.- Como temperatura ambiente de la ciudad de Badajoz, se tomará la proporcionada por la Ecuación (1) Los resultados obtenidos para los rendimientos de cada colector se representan la Figura 5. Como se puede comprobar, los valores del rendimiento para los captadores de placa plana, en el caso más favorable, captador nº 3, oscila entre el 35 % y el 6 % estando casi en el límite de utilización durante el mes de diciembre. Los captadores nº 1, 2a, y 2b no es posible su utilización para calefacción ya que estarían fuera de rango, con rendimientos muy bajos, en torno al 25%. COMPARACIÓN RENDIMIENTOS T=55 ºC 8,% 7,% 6,% 5,% 4,% 3,% 2,% 1,%,% RENDIMIENTO nº 3 nº 2a nº 2b nº 1 nº 4 nº 5 DÍAS Figura 5. Comparación de los rendimientos de los colectores estudiados para un salto térmico de 55º C Sólo los que utilizan tubos de vacío (captadores nº 4 y 5), con rendimientos del 6 %, tendrían una utilización óptima. Los captadores de placa plana son de muy difícil utilización para calefacción, sin equipo de apoyo, y en todo caso solo serían utilizables los de mayor eficiencia tales como el nº 3, aunque con rendimientos del 35 al 4 %. Para el segundo sistema de calefacción, edificios con pérdidas caloríficas elevadas, en los que dicho sistema trabaja en el intervalo de temperaturas 7-9º C, el procedimiento 135

9 para el cálculo de los rendimientos de los captadores solares analizados fue el mismo, solo que, en este caso, se tomó como temperatura del fluido caloportador a la entrada del colector una T e = 75º C. Se puede estimar que la temperatura de salida del fluido caloportador del serpentín, y por tanto a la entrada en el captador se hace a 5º C menos de la temperatura media del agua en el acumulador, que se puede evaluar en 8º C. Por debajo de 75º C no es previsible que disminuya la temperatura, ya que la experiencia y los ensayos demuestran que puede tratarse de una temperatura de entrada normal al captador una vez que se haya producido el régimen estacionario, para un salto térmico del sistema de calefacción entre 7-9º C. Los resultados se muestran en la Figura 6. Como se puede comprobar, para la horquilla de temperatura planteada, el rendimiento está por debajo del 1 % para los captadores de placa plana. Por tanto los únicos utilizables serían los de tubos de vacío con rendimientos en torno al 46 %, que pueden considerarse aceptables. La utilización de captadores más eficientes tiene una influencia sobre la producción anual de energía térmica que la que se puede deducir a partir de la comparación directa de los rendimientos de los mismos (relación entre el calor extraído del captador en un momento dado y la radiación solar disponible en ese momento). Además, se pueden encontrar reducciones significativas en los costes del resto de los elementos del sistema solar, ya que para un mismo aporte solar hacen falta instalar menos metros cuadrados de captadores y se puede trabajar a temperaturas más altas sin repercusión en el rendimiento. COMPARACIÓN RENDIMIENTOS T=75 ºC 8,% 6,% 4,% nº 3 nº 2a nº 2b nº 1 nº 4 nº 5 2,%,% -2,% DÍAS Figura 6. Comparación de los rendimientos de los captadores estudiados para un salto térmico de 75º C 5.-CONCLUSIONES A la vista de los resultados obtenidos en el presente estudio, podemos sacar las siguiente conclusiones: 1.- Para bajas temperaturas, solo el captador de placa plana nº 3, que es el más eficiente, se puede utilizar para calefactar viviendas durante todo el año y con rendimientos relativamente pobres, en torno al 4 %. Los colectores de tubos de vacío alcanzarían, en este caso, rendimientos en torno al 6 %. 136

10 2.- Para edificios de mayores requerimientos térmicos, es imposible utilizar los captadores de placa plana convencionales y únicamente se podrán utilizar los de tubos de vacío con rendimientos próximos al 5 %. 3.- Para poder utilizar los captadores de placa plana para calefacción, es necesario realizar más I+DT a fin de fabricar captadores planos mucho más eficientes que los que existen actualmente en el mercado [Duffie and Beckman, 1991], ya que los de tubos de vacío tienen un mayor coste económico y no serían rentables para instalarse masivamente en edificios destinados a viviendas. Este será un trabajo que nuestro grupo de investigación pretende llevar a cabo en un futuro próximo. Es decir, trataremos de mejorar los rendimientos de un colector plano actuando preferentemente sobre la superficie de captación, la forma de la sección de los tubos de circulación del fluido caloportador, la cubierta transparente, el aislamiento térmico del captador, y, sobre todo la geometría del intercambiador de calor, variables que influyen de una manera importante sobre los coeficientes de pérdidas que aparecen en la expresión del rendimiento [Kutscher, 1991]. REFERENCIAS Ayres R.U. and Ayres L.W.: Industrial Ecology: Towards Closing The Materials Cycle. Edward Elgar. London, Cancillo M.L.: Área de Física del Aire de la UEX. Comunicaicón privada, 22. Hottel H.C.; Whillier A. Evaluation flat-plate solar-collector perfomance. In Transation of the Conference on the Use of Solar Energy, 1955 Bliss R.W.: The derivations of several plate-efficiency factors useful in the dsign of flatplate solar heat collectors. Solar Energy, 1957 Duffie J.A., Beckman W.A.: Solar engineering of thermal processes. Wiley Inter S.C., New York, Kutscher Ch.F.: Design Approaches for Solar Industrial Process Heat Systems. American Solar Energy Society, Inc. New York., 1991 Rabl A.: Active solar collectors and their applications. Oxford University Press, 1985 Stine W.B.; Harrigan R.W.: Solar Energy Fundamentals and design. J. Wiley, New York CORRESPONDENCIA. Escuela de Ingenierías Industriales. Área de Proyectos de Ingeniería. Avda. de Elvas, s/n Badajoz Tno: ferlopez@unex.es 137

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