Energia solar tèrmica

La tecnologia solar tèrmica utilitza l’energia procedent directament del sol per a produir aigua calenta, que es pot utilitzar en aplicacions sanitàries (per a la dutxa o per a la cuina) o per a la calefacció (de piscines, de locals…), i també es preveu el seu ús per a processos industrials de rentat o de preescalfament.
El sistema per a aconseguir aquest aportament de temperatura es fa per mitjà de captadors.
El captador és una superfície que, exposada a la radiació solar, permet absorbir la seva calor i transmetre-la a un fluid.
Existeixen tres tècniques diferents en funció de la temperatura a la que pot arribar la superfície captadora:

Baixa temperatura, la captació directa, la temperatura del fluid és per sota del punt d’ebullició.
Mitja temperatura, captació de baix índex de concentració, la temperatura del fluid és més elevada de 100º C
Alta temperatura, captació d’alt índex de concentració, la temperatura del fluid és més elevada.

Una instal·lació solar tèrmica està formada per un sistema de captadors que recullen l’energia solar i la transformen en energia tèrmica, una sèrie de dipòsits que emmagatzemen l’aigua calenta, i un sistema de canonades, vàlvules, i bombes que transporten l’aigua calenta des del sistema captador fins al d’acumulació, i d’aquest als punts de consum. Si les necessitats de calor al llarg de l’any no coincideixen amb l’energia solar que rebem, podem instal·lar una font d’energia complementària que només s’activarà quan l’energia emmagatzemada als captadors no sigui suficient.

A les ciutats, els captadors solars es poden instal·lar a terrasses, teulades, façanes o patis assolellats, sempre seguint criteris arquitectònics que permetin la màxima integració dels elements en l’edificació i minimitzin l’impacte visual. Els captadors han d’orientar-se al sud, i amb una inclinació que maximitzi l’energia captada. Per a un consum d’aigua calenta sanitària constant al llarg de l’any, la inclinació aconsellada és de 45 graus. Aquestes instal·lacions poden aportar, als habitatges, més del 60% de l’energia necessària per a escalfar l’aigua sanitària domèstica. La resta pot ser aportada, per exemple, per una caldera de gas convencional de modulació termostàtica i eficient.

Malgrat el cost inicial d’aquest tipus d’instal·lacions, l’alta rendibilitat de l’energia solar permet recuperar a mig termini la inversió inicial, que pot reduir-se significativament gràcies a les subvencions proporcionades per les administracions. Malgrat tot, la implementació d’aquesta tecnologia encara ha de lluitar amb el gran desconeixement de les seves aplicacions per part de la major part de la societat.

Saber com funciona…

Una instal·lació d’energia solar tèrmica capta la calor del Sol a través dels captadors i la transmet, bé a l’aigua corrent que usem a les nostres cases per a dutxar-nos, netejar, etc., bé al fluid portador que transmetrà posteriorment la calor al circuit d’aigua sanitària o al de calefacció o terra radiant. És, per tant, un sistema que concentra la calor solar i la transmet des d’un lloc a un altre.

L’aigua pot ser usada tant a un edifici unifamiliar com a edificis plurifamiliars.

Els captadors absorbeixen el calor solar i la concentren gràcies a l’efecte hivernacle creat a l’interior del captador, a l’aïllament del medi exterior, i a la capacitat d’absorció dels cossos (ajudat pel tractament químic al que es sotmet l’absorbidor). A l’interior dels captadors existeix un circuit pel qual discorre un fluid amb anticongelant. Aquest líquid arriba a temperatures superiors a 100ºC als captadors amb recobriment selectiu, i es fa circular, sempre en circuit tancat, fins a l’interior d’un dipòsit anomenat acumulador, si el circuit primari entra a l’acumulador a través d’un bescanviador de serpentí intern, l’anomenarem inter-acumulador, en aquest moment alliberem la calor a l’aigua que nosaltres usarem posteriorment a la nostra casa (circuit secundari).

La calor del fluid que travessa el serpentí es transmet a l’aigua que l’envolta, destinada al consum, augmentant la seva temperatura. En cas de necessitat, per exemple dies nuvolosos, es fa ús d’un equip d’energia auxiliar, per a elevar la temperatura els graus que sigui necessari.

Tot aquest procés està controlat per un dispositiu electrònic central que és el que s’encarrega d’automatitzar i coordinar la circulació de l’aigua del circuit primari quan és necessària una major aportació tèrmica, controlar la temperatura dels captadors, garantir la seguretat del sistema, etc…

Legislació

L’aplicació actual de la energia solar tèrmica a Espanya i l’estalvi energètic a les noves construccions es regula des de Setembre de 2006 en el RD 314/2006.

Els objectius com les exigències bàsiques s’estableixen a l’article 15 de la Part I del CTE “Codi Tècnic de l’Edificació” i són els següents:

“Article 15. Exigències bàsiques d’estalvi d’energia” (HE)

1. L’objectiu del requisit bàsic “Estalvi d’energia” consisteix a aconseguir un ús racional de l’energia necessària per a la utilització dels edificis, reduint a límits sostenibles el seu consum i aconseguir tanmateix que una part d’aquest consum procedeixi de fonts d’energia renovable, com a conseqüència de les característiques del seu projecte, construcció, ús i manteniment.

2. Per a satisfer aquest objectiu, els edificis es projectaran, construiran, utilitzaran i mantindran de manera que es compleixin les exigències bàsiques que s’estableixen en els apartats següents.

3. El Document Bàsic “DB HE Estalvi d’energia” especifica paràmetres objectius i procediments, el compliment dels quals, assegura la satisfacció de les exigències bàsiques i la superació dels nivells mínims de qualitat propis del requisit bàsic d’estalvi d’energia.

15.1 Exigència bàsica HE 1: Limitació de demanda energètica

Els edificis disposaran d’una envoltant de característiques tals que limiti adequadament la demanda energètica necessària per a arribar a el benestar tèrmic en funció del clima de la localitat, de l’ús de l’edifici i del règim d’estiu i d’hivern, així com per les seves característiques d’aïllament i inèrcia, permeabilitat a l’aire i exposició a la radiació solar, reduint el risc d’aparició d’humitats de condensació superficials i intersticiales que puguin perjudicar les seves característiques i tractant adequadament els ponts tèrmics per a limitar les pèrdues o guanys de calor i evitar problemes higrotèrmics en els mateixos.

15.2 Exigència bàsica HE 2: Rendiment de les instal•lacions tèrmiques Els edificis disposaran d’instal•lacions tèrmiques apropiades destinades a proporcionar el benestar tèrmic dels seus ocupants, regulant el rendiment de les mateixes i dels seus equips. Aquesta exigència es desenvolupa actualment en el vigent Reglament d’Instal•lacions Tèrmiques en els Edificis, RITE, i la seva aplicació quedarà definida en el projecte de l’edifici.

15.3 Exigència bàsica HE 3: Eficiència energètica de les instal•lacions d’il•luminació

Els edificis disposaran d’instal•lacions d’il•luminació adequades a les necessitats dels seus usuaris i alhora eficaces energèticament disposant d’un sistema de control que permeti ajustar l’encès a l’ocupació real de la zona, així com d’un sistema de regulació que optimitzi l’aprofitament de la llum natural, a les zones que reuneixin unes determinades condicions.

15.4 Exigència bàsica HE 4: Contribució solar mínima d’aigua calenta sanitària

Als edificis, amb previsió de demanda d’aigua calenta sanitària o de climatització de piscina coberta, en els que així s’estableixi en aquest CTE, una part de les necessitats energètiques tèrmiques derivades d’aquesta demanda es cobrirà mitjançant la incorporació de sistemes de captació, emmagatzematge i utilització d’energia solar de baixa temperatura, adequada a la radiació solar global del seu emplaçament i a la demanda d’aigua calenta de l’edifici. Els valors derivats d’aquesta exigència bàsica tindran la consideració de mínims, sense perjudici de valors que puguin ser establerts per les administracions competents i que contribueixin a la sostenibilitat, atenent a les característiques pròpies de la seva localització i àmbit territorial.

15.5. Exigència bàsica HE 5: Contribució fotovoltaica mínima d’energia elèctrica

En els edificis que així s’estableixi en aquest CTE s’incorporaran sistemes de captació i transformació d’energia solar en energia elèctrica per procediments fotovoltaics per a ús propi o subministrament a la xarxa. Els valors derivats d’aquesta exigència bàsica tindran la consideració de mínims, sense perjudici de valors més estrictes que puguin ser establerts per les administracions competents i que contribueixin a la sostenibilitat, atenent a les característiques pròpies de la seva localització i àmbit territorial.

Tipus d’instal·lacions

Segons la norma UNE-EN ISO 9488 “Energia solar. Vocabulari”, avui per avui es defineixen els següents tipus d’instal·lacions solars tèrmiques

Instal·lació solar tèrmica
Instal·lació formada per captadors solars i altres components per a l’obtenció d’energia tèrmica.

Instal·lació solar sense suport
Instal·lació solar tèrmica sense font tèrmica de suport.

Instal·lació solar amb suport
Instal·lació solar tèrmica que utilitza de manera integrada l’energia solar i l’energia de suport, per a satisfer la càrrega tèrmica de la instal•lació amb independència de la disponibilitat d’energia solar.

Instal·lació solar per a preescalfament
Instal·lació solar tèrmica per a preescalfar l’aigua o l’aire abans de la seva entrada a qualsevol altre sistema d’escalfament d’aigua o d’aire.

Instal·lació de passada única
Instal·lació solar tèrmica en la qual el fluid a escalfar passa directament des d’un punt d’alimentació a un dipòsit d’emmagatzematge o a un escalfador que utilitza energia de suport, o a un punt de consum, travessant el captador una sola vegada.

Instal·lació amb captador i dipòsit integrat
Instal·lació solar tèrmica en la qual el captador solar funciona també com un acumulador de calor (generalment, mitjançant aigua).

Instal·lació amb circulació
Instal·lació en la qual, durant els períodes de funcionament, el fluid portador circula entre el captador i un acumulador o un bescanviador de calor.

NOTA — La circulació pot ser forçada mitjançant una bomba o un ventilador, o per convecció natural.

Instal·lació amb circulació forçada
Instal·lació que utilitza una bomba o un ventilador per a fer circular el fluid portador a través del captador o captadors

Instal·lació per termosifó
Instal·lació que utilitza únicament els canvis de densitat del fluid portador, per a aconseguir la seva circulació entre el captador i l’acumulador, o entre el captador i el bescanviador de calor.

Instal·lació amb circuit directe
Instal·lació solar tèrmica en la qual l’aigua calenta que serà consumida o utilitzada per l’usuari passa directament a través del captador.

Instal·lació amb circuit indirecte
Instal·lació amb bescanviador Instal·lació solar tèrmica en la qual un fluid portador diferent de l’aigua que consumeix o utilitza l’usuari, circula a través del captador o captadors.

Instal·lació amb circuit tancat
Instal·lació en la qual el fluid portador no està en contacte amb l’atmosfera.

Instal·lació amb circuit obert
Instal·lació en la qual el fluid portador està en ampli contacte amb l’atmosfera.

Instal·lació amb circuit ventilat
Instal·lació en la qual el contacte entre el fluid portador i l’atmosfera, està restringida a la superfície lliure d’un vas d’expansió o a una canonada de ventilació oberta a l’atmosfera.

Instal·lació solar compacta
Instal·lació en la que l’acumulador està muntat directament amb el captador en una estructura comuna.

Instal·lació amb emmagatzematge separat
Instal·lació en la qual l’acumulador està separat del captador i situat a certa distància d’aquest.

Instal·lació amb captador ple
Instal·lació en la qual el captador roman sempre ple amb el fluid portador.

Instal·lació amb drenatge interior
Instal·lació solar tèrmica en la qual, com part del cicle de funcionament normal, el fluid portador és drenat des del captador solar a un dipòsit d’emmagatzematge quan la bomba es para, i torna a omplir el captador quan la bomba s’activa de nou.

Instal·lació amb drenatge exterior
Instal·lació solar tèrmica amb circuit directe en la qual els captadors poden buidar-se d’aigua, que s’envia al desguàs, generalment per a evitar la seva congelació.

Elements de la instal·lació

Com en totes les tasques que Solcam ocupa per a la realització de les seves instal·lacions, també hem volgut ser metòdics en l’ús dels termes adequats per a descriure els elements d’una instal·lació solar, per això la majoria de les següents definicions provenen de la norma UNE-EN ISO 9488:1999 “Energia solar. Vocabulari”
> Captador solar
> Captador solar tèrmic
> Panell (terme en desús)
> Panell solar (terme en desús)
Dispositiu dissenyat per a absorbir la radiació solar i transmetre l’energia tèrmica així produïda, a un fluid portador que circula pel seu interior.
NOTA — L’ús del terme “panell solar” està desaconsellat per a evitar qualsevol confusió amb els panells fotovoltaics.

> Circuit de captació
Circuit que inclou captadors, bomba o ventilador, canonades o conductes, i bescanviador de calor (si existeix), per a transferir la calor extreta des dels captadors a l’acumulador de calor.
> Fluid portador
Fluid utilitzat per a transferir energia tèrmica entre els components d’una instal·lació.
> Acumulador d’aigua
Dipòsit on s’acumula l’aigua que posteriorment es destina al consum domèstic, bé a través d’aixetes i dutxa, bé al sistema de calefacció. L’acumulador sol ser també escalfador, ja que el sistema queacumula l’aigua es troba al seu interior.
Els acumuladors d’aigua calenta són un element clau a la instal·lació, ja que permeten emmagatzemar l’aigua escalfada durant el dia per a ser consumida quan convingui. Gràcies a ells, es pot disposar d’aigua calenta durant les 24h del dia, i per això han d’estar molt ben aïllats.
Un acumulador està format per un dipòsit amb un serpentí al seu interior, pel qual circula el fluid calent que procedeix dels captadors solars i que cedeix la calor a l’aigua que l’envolta. Està perfectament aïllat amb escuma dura i poliestirè.
Una altra varietat d’acumuladors és la doble envoltant, un dipòsit dintre d’un altre. A l’interior s’hi allotja l’aigua a escalfar i per l’exterior circula el fluid calent procedent dels captadors solars.
D’aquesta forma s’obté una major superfície de contacte.

> Volum de l’acumulador volum del dipòsit
Volum mesurat del fluid contingut a l’acumulador quan està ple.
> Font tèrmica de suport
Font tèrmica, diferent de la solar, utilitzada per a complementar l’energia proporcionada per la instal·lació solar tèrmica.
> Fracció solar
Percentatge de consum energètic cobert per l’energia solar.
> Bescanviador
És el dispositiu mitjançant el qual es transmet la calor generada als captadors a l’aigua que posteriorment farem servir. En sistemes solars tèrmics, sol ser un tub amb forma de serpentí -situat dintre del tanc acumulador o escalfador- a través del qual discorre l’aigua calenta provinent dels captadors. L’aigua a consumir entra en contacte amb aquest serpentí i rep la calor.
> Sistema de control
Sistema que controla la temperatura i el correcte funcionament de la instal·lació. Pot arribar a un alt grau de sofisticació, podent, fins i tot, enviar correus electrònics a l’adreça pertinent en cas d’avaria.

Algunes aplicacions

Aigua calenta sanitària
Amb una senzilla instal·lació pot aconseguir-se aigua calenta per a l’ús domèstic que cobreixi completament les necessitats d’una família durant tot l’any. L’aigua calenta sanitària (ACS) és l’aigua potable d’ús domèstic que escalfem per a usar q banys i dutxes.
Es pot aconseguir aquesta aigua calenta de forma neta i gratuïta de la naturalesa, instal·lant captadors solars tèrmics, que és l’opció més rendible que ofereix l’energia solar tèrmica. La instal·lació és simple, el cost assequible i s’amortitza en poc temps.

Calefacció
Avui dia és totalment viable utilitzar l’energia solar per a escalfar una llar a l’hivern, l’estació amb menys hores de sol. En realitat, però, amb una instal·lació d’aquest tipus s’aconsegueix entre un 30 i un 50% de les necessitats tèrmiques d’un habitatge. Per a això, es realitza la instal·lació de captadors solars, que absorbeixen la calor del sol i la transmeten a un circuit tancat pel qual discorre un fluid que, al seu torn, transmet la calor al sistema de calefacció.

Generació de fred
Un sistema no molt conegut, però no per això evolucionat, són les màquines d’absorció, que generen fred a partir d’una font de calor. Els cicles d’absorció es basen físicament a la capacitat que tenen algunes substàncies, tals com l’aigua i algunes sals com el Bromur de Liti, per a absorbir, en fase líquida, vapors d’altres substàncies tals com l’amoníac i l’aigua, respectivament.
A partir d’aquest principi és possible concebre una màquina en la qual es produeix una evaporació amb la consegüent absorció de calor, que permet el refredament d’un fluid secundari al bescanviador de calor que actua com a evaporador, per a tot seguit recuperar el vapor produït dissolent una solució salina o incorporant-lo a una massa líquida. La resta de components i bescanviadors de calor que configuren una planta frigorífica d’absorció, s’utilitzen per a transportar el vapor absorbit i regenerar el líquid corresponent per a que l’evaporació es produeixi d’una manera contínua. En els cicles d’absorció es parla sempre d’agent absorbent, designant així a la substància que absorbeix els vapors, i d’agent refrigerant, o agent frigorífic, a la substància que s’evapora i dóna lloc a una producció frigorífica aprofitable. Serien absorbents l’aigua i la solució de Bromur de Liti, i refrigerants l’amoníac i l’aigua destil•lada, en els cicles d’absorció Aigua-Amoníac i Bromur de Liti-Aigua, respectivament. És important conèixer les possibilitats dels equips d’absorció per a ser utilitzats per a la refrigeració i climatització en aplicacions en les quals es disposa de fonts alternatives d’energia. Energies no convencionals com la Geotèrmica, la Biomassa i la Solar Tèrmica poden ser emprades com a font d’aportament energètic als concentradors de simple efecte de plantes d’absorció, per a valors de temperatura d’aigua compresos entre 80 i 130°C, si bé és veritat que amb COPs bastant baixos, al voltant de 0,5, però amb l’avantatge que suposa la independència de fonts convencionals d’energia i, sobretot, l’estalvi de combustibles fòssils i la reducció de l’impacte ambiental que el seu ús implica.

Climatització de piscines
Tant per a piscines cobertes com descobertes, utilitzar energia solar tèrmica per a escalfar-les és l’opció més rendible. Si, per exemple, disposem d’un sistema solar tèrmic per a la calefacció, en els mesos que no s’usa aquesta, és molt útil per a piscines descobertes, ja que augmentant la temperatura de l’aigua uns pocs graus, s’aconsegueix allargar el seu període d’utilització. El benefici que aporta i el millor confort no van a canvi d’augmentar el consum energètic ni les emissions de gasos d’efecte hivernacle.