8.9: Refrigeración y Calefacción (V)

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Energía solar para calefacción en el hogar

La energía que se recibe en el techo de una casa es más que suficiente para abastecer las necesidades de calefacción del hogar. La energía que llega a la tierra desde el sol oscila entre 600 y 2000 BTU por pie cuadrado por día (promediada a lo largo de un año). Es una función de la latitud del lugar. La cantidad de radiación solar que llega a la tierra se llama insolación. Esto es un corto de para in cident sol ar radia ción por día.

La tierra gira alrededor del sol con su eje inclinado hacia el plano de rotación, como se muestra en la Figura 8.9.1.

En junio, el Polo Norte se inclina hacia el sol y los rayos solares inciden perpendicularmente. Por lo tanto, el sol parece estar en un ángulo mayor.
En diciembre, el Polo Norte se inclina lejos del sol y por lo tanto los días son más cortos y los rayos solares inciden de manera más oblicua, con menor flujo de energía (invierno).

Ilustración del sol y la Tierra durante las diferentes estaciones del año.

Figura 8.9.1. Ilustración de estaciones para el hemisferio norte

El sol también cambia de posición y ángulo con respecto a la tierra durante diversas épocas del año.

El siguiente video muestra el movimiento del sol en función de las estaciones.

Sistemas de Calefacción Solar Activa

Los sistemas de calefacción solar se clasifican como sistemas de calefacción solar “activos” o “pasivos”, o una combinación de ambos. Primero veremos los sistemas activos.

Los sistemas activos de calefacción solar están compuestos por colectores, un sistema de distribución y un dispositivo de almacenamiento.

Los sistemas activos de calefacción solar funcionan de la siguiente manera:

Los colectores de placa plana generalmente se colocan en el techo o en el suelo a la luz del sol. El lado superior o soleado tiene una cubierta de vidrio o plástico para dejar entrar la energía solar. El espacio interior es un material negro (absorbente) para maximizar la absorción de la energía solar.
El agua fría se extrae del tanque de almacenamiento por la bomba #1 y se bombea a través del colector de placa plana montado en el techo de la casa.
El agua absorbe la energía solar y es devuelta al tanque.
El agua caliente del tanque es bombeada por la bomba #2 a través de la bobina de calentamiento.
El ventilador sopla aire (de la habitación) sobre la bobina calentada, y el aire caliente luego pasa a la habitación y calienta la habitación.
El aire frío se hunde hasta el fondo y se vuelve a circular sobre la bobina de calentamiento.

Nota: La bobina eléctrica en espera se enciende automáticamente y proporciona el calor cuando la temperatura del agua a la bobina de calentamiento desciende debido a días nublados consecutivos.

El siguiente video muestra el funcionamiento de un sistema activo de calefacción solar.

La eficiencia del colector es la relación de radiación solar que se captura y transfiere al colector o fluido de transferencia de calor.

La eficiencia de un colector, representada en la Figura 8.9.2, se puede expresar como

\[ Collector's \, Efficiency = \dfrac{Useful \, energy \, delivered}{Isolation \, on \, collector} × 100% \]

Las eficiencias típicas de los colectores oscilan entre 50 y 70%.

Diagrama del interior de un colector de placas solares, mostrando el acristalamiento, los tubos, la placa absorbente y el aislamiento.

Figura 8.9.2. Colector de placas solares

Sistema de Calefacción Solar Pasiva

Los sistemas pasivos no utilizan dispositivos mecánicos como ventiladores, sopladores o bombas para distribuir el calor solar desde un colector. En cambio, aprovechan el flujo de calor natural para distribuir el calor. Un ejemplo de un sistema pasivo para calefacción de espacios es un espacio solar o invernadero solar.

Los sistemas pasivos también hacen uso de materiales con grandes capacidades de calor (piedra, agua u hormigón) para almacenar y entregar calor. A estas se les llama masas térmicas.

Los sistemas pasivos se pueden clasificar en tres tipos:

Ganancia directa - Permite que la energía solar entre a través de los paneles de las ventanas orientadas al sur.
Ganancia Indirecta - Permite que la radiación solar caliente una pared y luego la energía se entrega lentamente al interior de la casa. Las aberturas en el muro (llamado Muro de Trombe), como se muestra en la siguiente figura, promueven corrientes convectivas:
- El aire de la cámara fría ingresa al espacio entre el panel de vidrio y la pared a través de la abertura inferior.
- A medida que este aire frío se calienta, sube a la parte superior y entra a través de la abertura superior.
Adición de Invernadero - Un espacio solar adjunto y/o invernadero solar calentado por la energía solar - donde parte de la energía se utiliza para cultivar las plantas y parte de ella se utiliza para calentar el interior de la casa.

Estos sistemas se muestran en la Figura 8.9.3.

Ilustración de métodos de ganancia directa, ganancia indirecta y adición de invernadero solar como se describe en el texto.

Figura 8.9.3. Ilustración de los 3 tipos de sistemas pasivos

Costos y Beneficios

Por lo general, es más económico diseñar un sistema activo para proporcionar entre el 40 y el 80 por ciento de las necesidades de calefacción de la casa. Los sistemas que proporcionan menos del 40 por ciento del calor necesario para un hogar rara vez son rentables, excepto cuando se usan colectores solares de calentadores de aire que calientan una o dos habitaciones y no requieren almacenamiento de calor.

Un hogar bien diseñado y aislado que incorpore técnicas de calentamiento solar pasivo requerirá un sistema de calefacción más pequeño y menos costoso de cualquier tipo, y puede necesitar muy poco calor suplementario que no sea solar.

El costo de un sistema activo de calefacción solar variará. Un simple colector de calentador de aire de ventana se puede hacer por unos pocos cientos de dólares. Los sistemas comerciales van desde $30 a $80 por pie cuadrado de área de colector, instalados. Por lo general, cuanto más grande es el sistema, menos cuesta por unidad de área de colector. Los coleccionistas disponibles comercialmente vienen con garantías de 10 años o más, y deberían durar fácilmente décadas más.

Información adicional

Calentar tu casa con un sistema de energía solar activa puede reducir significativamente tus facturas de combustible en el invierno. Un sistema de calefacción solar también reducirá la cantidad de contaminación del aire y gases de efecto invernadero.