Nuevo diseño de calefacción solar de viviendas con gran tanque de agua: Modelado térmico y solar del sistema (colectores solares y tanque de agua) y su optimización en climas marítimos

Abstract

Este trabajo demuestra la factibilidad (mediante modelado térmico-solar y análisis económico) de una propuesta de calefacción de viviendas a partir de captar el recurso solar mediante colectores de tubos de vacío, su acumulación térmica en un pequeño reservorio de agua sobre suelo y su utilización mediante losa radiante, en climas marítimos fríos. Como caso de estudio se considera una vivienda unifamiliar de 100m2 en Bariloche (3,600 grados-día/año, 8.4°C media anual, temperaturas promedio mensuales mínima y máxima de 2°C y 14°C, respectivamente) que demanda 13,000kWh/año de calefacción, lo cual representa un clima marítimo frío, de inviernos suaves y veranos templados, siendo éste diferente de los climas continentales fríos (caracterizados por inviernos rigurosos y veranos más cálidos) de países desarrollados donde se ha investigado hasta hoy esta tecnología, y generalmente empleando colectores planos en vez de tubos de vacío. Optimizando económicamente las soluciones encontradas por modelado térmico-solar, observamos que empleando 11 colectores de tubos de vacío (2m2 área de apertura c/u) y un pequeño tanque de 800 litros (inversión total 11.200 euros) se podría cubrir completamente esta demanda, quedando además un excedente interesante para otros fines (agua caliente sanitaria y calentamiento de piscina por ejemplo) durante 11 meses al año. Si por el contrario, y siguiendo el diseño de los enormes sistemas de los antecedentes, se utilizase un gran tanque de 41m3, se podría solventar esta demanda empleando sólo 4 colectores, pero siendo la inversión total de 19.200 euros y sin posibilidad de generar excedentes. También estudiamos el uso de colectores planos en vez de tubos de vacío, observándose que su desempeño es muy pobre durante el invierno y por ende, origina la necesidad de emplear un número mayor de ellos y/o tanques mayores, lo que lleva a costos bastante mayores. Así, por ejemplo, se requieren 11 colectores planos con un tanque de 63m3, con una inversión de 24.000 euros. Este mismo diseño (empleando colectores de tubos de vacío y un tanque pequeño) se podría aplicar a edificaciones mayores con ahorro de costos específicos muy importantes por economía de escala en el tanque y licuación de costos fijos asociados a sistemas auxiliares del reservorio térmico. Como ejemplo, se utilizaron los mismos parámetros de calefacción de un gran edificio alemán en Friedrichshaften (23.000m2, demanda calefacción de 100kWh/m2, tanque de 12.000m3, inversión 4M?) donde este sistema sólo puede satisfacer el 25% de la demanda empleando 4.050m2 de colectores planos. Se encontró que en el clima más benigno de Bariloche, se podría solventar completamente esta demanda empleando un tanque similar (12.000m3) pero con cuatro veces menos colectores de tubos de vacío (área solar 1.180m2) y una inversión total de ?750.000. Esta inversión, que además satisface el 100% de la demanda (contra 25% del caso alemán), es más de cinco veces menor que la del sistema alemán. Estudiando su optimización de costos se puede reducir la inversión hasta un mínimo de ?716.000 empleando un tanque de 6.000m3 y un área solar de 1.650m2. Se observa que si el tamaño del tanque se reduce aún más, siguiendo la mejor solución para la vivienda unifamiliar, se obtienen inversiones progresivamente mayores debido al aumento considerable del número de colectores. Por ejemplo, instalando la misma área solar del proyecto alemán de Friedrichshaften (4.050m2) el tanque se reduce notablemente (100m3) y la inversión alcanza un valor máximo, de poco más de un millón de euros. Si bien esta solución resulta casi 50% superior a la solución anterior más económica, su enorme sistema solar permite obtener unos increíbles excedentes de energía térmica disponible para usos secundarios. Por ejemplo, si se utilizase para generar agua caliente de uso sanitario (50°C), permitiría obtener anualmente 8,25 millones de kWh térmicos, lo cual es casi cuatro veces superior a la demanda inicial de calefacción, y que de ser completamente utilizada permitiría sustituir, por ejemplo, la friolera de 0,8 Mm3 de gas natural por año. Si consideramos la tarifa promedio en España del gas natural (0,55 ?/m3), el ahorro anual por sustitución de combustibles fósiles ascendería a 0,44 M?/año, con lo cual la inversión inicial se recupera en 2,3 años. Esta inversión por otra parte, representa menos del 4% del costo de construcción del edificio (a razón de 1.200 ?/m2) y representa todo un cambio de paradigma de sustentabilidad en la edificación de viviendas, cuyo consumo de energía por ejemplo, representa un tercio del consumo total de energía primaria en países desarrollados.Entonces para concluir, este diseño alcanzaría grandes desempeños en climas fríos o templados marítimos, donde la gran distribución de la demanda de calefacción y del recurso solar a lo largo del año presenta un escenario mucho más favorable que en climas continentales fríos, que es donde tradicionalmente se ha ensayado esta tecnología embrionaria. Además, la optimización económica del sistema en este clima marítimo ha llevado a un diseño opuesto al tradicional de grandes reservorios soterrados, proponiendo aquí el empleo de pequeños tanques sobre suelo alimentados por numerosos colectores de tubos de vacío. Esta solución de pequeño tanque es menos costosa, pero además permite generar enormes excedentes de energía térmica, que de ser capaz de emplearse con utilidad permitirían cambiar notablemente la ecuación económica, volviendo a esta tecnología muy competitiva, pasando su período de recupero de inversión de seis años a dos. Se abre así un nuevo y enorme mercado mundial para la utilización de colectores solares en viviendas y edificios, hasta aquí ligado casi exclusivamente a la provisión de agua caliente sanitaria, en el cual pasaríamos de instalar uno a once colectores por hogar, y brindando una solución multipropósito (agua caliente sanitaria, calefacción y calentamiento de piscina) con una inversión moderada y mediante un sistema muy sustentable, robusto y de larga vida útil. Esperamos por lo anterior, que un hito de este trabajo sea el ofrecer nuevas dimensiones de diseño y aplicación para los colectores solares, los cuales se suelen ofrecer como una solución sólo parcial a la demanda de agua caliente sanitaria, la cual no pueden satisfacer en absoluto los días nublados por venir asociados a un pequeño tanque, típicamente de 100 a 200 litros. Entonces la estrategia de venta en la cual se plantean estos sistemas, es crear aparatos pequeños de pequeño coste que resuelvan parcialmente una cierta demanda, debiendo en general ser complementados con sistemas backup, como ser resistencias eléctricas, las cuales se complementan mal con el recurso solar. En cambio, instalando un gran número de colectores y un sistema de reservorio mayor, podríamos multiplicar la solución ofrecida y asegurar un desempeño notablemente mayor, que permite volver los hogares mucho más sustentables.Respecto de la aplicabilidad del este tipo de soluciones en clima continentales de inviernos rigurosos donde esta tecnología de almacenamiento estacional ha sido ensayada, casi siempre asociada con colectores solares planos, es de esperar que los resultados sean peores que los aquí encontrados para climas marítimos. Sin embargo, a la luz de la profunda discusión aquí realizada acerca de las ventajas de los colectores de tubos de vacío respecto de los planos desarrollada y demostrada con la comparación de ambos sistemas solares para una vivienda unifamiliar, creemos que es necesario a futuro el rever completamente el diseño de estos sistemas, también en estos climas.