Si utiliza un calentador de agua y su vivienda tiene el techo orientado hacia el sur, con acceso directo a los rayos del sol, un calentador solar es una buena alternativa.

Por: Ing. Ana Quirós Lara

Coordinadora Comisión de Construcción Sostenible del CFIA y del Colegio de Ingenieros Civiles de Costa Rica

Colaboración de: Ing. Rogelio Hernández

Existen diversas formas de utilizar la energía solar para calentar el agua, de las cuales las dos más frecuentes en la región son los calentadores térmicos, los más difundidos; y los fotovoltaicos. Su aplicación más habitual es calentar el agua de spas, piscinas, duchas, equipos de lavado y griferías de baños y cocinas. Alrededor de 1 500 000 casas, locales comerciales e industrias en EE. UU., cuentan hoy con sistemas de calentamiento que funcionan con energía solar.

Las estadísticas indican que un calentador solar puede disminuir el consumo energético, dependiendo de las condiciones climáticas, entre el 20 y el 75%, e incluso hasta un 100%, cuando se logra sustituir completamente el consumo de gas o electricidad. Actualmente, la eficiencia de los calentadores solares puede ser hasta de un 80%, dependiendo de los materiales utilizados, la tecnología instalada, el mantenimiento y el uso que se le da.

Se debe tener presente que no es lo mismo un panel fotovoltaico (FV) que un calentador solar térmico, pues el primero no se utiliza para calentar líquidos directamente con la radiación del sol, o mediante un intercambiador de calor, sino para generar electricidad a partir de la luz solar mediante un sistema más complejo y sofisticado que el del calentador solar.

El sistema FV está compuesto por un conjunto de colectores, hechos con celdas cubiertas de silicón, que se instalan con los elementos necesarios para conducir, convertir, distribuir y almacenar la energía producida por el conjunto. En cambio, el calentador térmico es un sistema compuesto por un panel solar y un tanque de agua, unidos por una aleta de cobre pintada de color negro. El sol incide directamente sobre el panel solar calentando el agua en el tanque, que luego llegará a las griferías. Es en general un mecanismo sencillo y resistente que puede tener una vida útil de hasta 20 años con escaso mantenimiento.

En su reciente gira por América Latina, la Agencia de Cooperación Alemana presentó la Casa Alemana, un prototipo cuyo principal atributo es la eficiencia energética que logra a través de paneles fotovoltaicos incorporados estratégicamente y en forma modular en su fachada externa. Esta innovación, galardonada con el primer lugar en el Solar Decathlon 2007 del Departamento de Energía de los EE. UU., visitó Costa Rica y Guatemala. En la muestra se pudo comprobar que es usual encontrar en EE. UU. y otras partes del mundo sistemas híbridos, en los que se instalan paneles FV junto con calentadores solares de agua.

Uso de los paneles térmicos

La calefacción de habitaciones y edificios en zonas con bajas temperaturas es un tema prioritario. Hoy, cuando la cuenta petrolera es un problema para la mayoría de los países, se hace cada vez más atractiva la inversión en sistemas alternativos, como los que ofrece la energía solar. Pero aún para aquellos que viven en zonas tropicales, el tema es de gran interés, porque un calentador de agua reduce en forma significativa el tercer gasto más importante de un hogar, ya que puede llegar a representar desde el 10 al 20% de la cuenta de electricidad o de gas.

Con más de 2000 sistemas solares térmicos para el calentamiento del agua potable instalados en todo el territorio costarricense (aproximadamente 5000 colectores solares) y más de 500 sistemas para la calefacción de piscinas, Swissol asegura haber generado un ahorro de energía acumulado superior a los 200 000 000 kWh.

La empresa guatemalteca Enercom explica que en el sector residencial, para una familia de cinco miembros, un calentador representa aproximadamente un consumo de 350 kWh/mes. Esto puede representar entre el 25 y el 60% de su consumo eléctrico el que puede ser reducido, y en lo que al agua caliente respecta, hasta en un 100% con el calentador Solare. 

Insagro Solar, de Honduras, cuenta con estudios y análisis de ahorros energéticos basados en las dimensiones de las placas solares, que determinan los kilovatios por m2 logrados, los costos y precios actuales de combustible y de la energía convencional, las pérdidas de temperaturas por las noches, las temperaturas a elevar y el ahorro que se puede obtener al utilizar un sistema de calentamiento de agua con energía solar. El ahorro promedio que se puede alcanzar al utilizar uno de estos sistemas va del 27 al 31%, en relación con la energía convencional.

Con los equipos de uso doméstico que ofrece Carso en Guatemala, el ahorro oscila entre el 25 y el 35% mensual de la factura eléctrica, aunque hay casas en las que llega al 40%. A nivel industrial varía según el uso, ya que puede ser desde una máquina lavadora de trastos hasta una caldera para precalentamiento de agua.

El ahorro energético con los calentadores solares de la empresa costarricense Industrias Montero es del 80%, debido al clima que presenta este país. También comercializa calentadores electrónicos ecológicos, desarrollados por la NASA, que ahorran un 60% de energía eléctrica.

Los beneficios de ahorro energético de este tipo de sistemas llevaron a Linda Lingle, gobernadora de Hawaii, a dictar una resolución que prohíbe la emisión de permisos para construcción u operación de nuevas casas de habitación que no incorporen en su diseño los calentadores solares de agua. Esta ley estatal se ha convertido en un hito para la sociedad norteamericana, pues se trata del primer estado en implantar dicha medida. Todas las nuevas casas tendrán calentadores solares, salvo escasas excepciones, basadas en la sombra que disfrutan o de su limitada exposición a los rayos solares, por su orientación o ubicación geográfica.

En la región, la primera iniciativa gubernamental para promover el uso de estos dispositivos se dio en Costa Rica, donde desde hace algunos años existe un convenio entre la Compañía Nacional de Fuerza y Luz (CNFL) y varios proveedores privados, para alentar a los costarricenses a comprar y usar estos calentadores. El convenio ofrece para los adquirentes facilidades de pago, con tasas de interés atractivas y plazos que varían de 5 a 10 años. A la fecha, el convenio registra cuatro proveedores que ofrecen estos equipos, con distintas marcas y características (ver recuadro). Los proveedores deben realizar el estudio técnico, para recomendar la mejor solución, realizar la instalación y brindar el mantenimiento, que en los primeros 2 años de operación es mínimo, pues se limita al control de posibles fugas. La CNFL es la encargada de recaudar los pagos, los cuales se descuentan del recibo mensual de electricidad. A marzo del 2011, la CNFL reporta que unos 700 de sus clientes se han acogido a este beneficio.

Pero la popularidad de los sistemas solares de calentamiento de agua no responde únicamente al aspecto económico o a la motivación de cumplir con las leyes que compelen a su instalación; pues ofrecen a sus usuarios otra gran ventaja, la cual atrae a todos aquellos que se preocupan por una construcción más sostenible: su operación contribuye a reducir la huella de carbono que se genera al calentar el agua mediante otras fuentes de generación de calor. Estos calentadores no emiten los gases de efecto invernadero asociados con la producción de electricidad de fuente fósil. Se estima que en un periodo de uso de 20 años, el calentador solar de agua evitaría la emisión a la atmósfera de unas 50 toneladas de dióxido de carbono, en especial en las zonas donde la mezcla energética es altamente dependiente del petróleo.

Los ingenieros y arquitectos de la región tienen la capacidad para lograr que estas unidades sean incorporadas a estructuras nuevas o existentes, de forma tal que la intervención en el espacio construido resulte arquitectónicamente interesante y estructural y técnicamente segura.

Tipos y características de los calentadores

Según su funcionamiento, los calentadores solares de agua se clasifican en activos y pasivos. En los segundos, el sistema se coloca en el techo de la casa u oficina, de manera que el tanque queda unido al panel solar y por gravedad el agua baja por una tubería hacia el interior del inmueble. En el sistema activo se requiere el uso de energía eléctrica, a través de una resistencia, para que el agua alcance la temperatura ideal, aunque el consumo energético es muy reducido. En este caso, los tanques se ubican dentro del inmueble y el calor se transfiere a través de espigas de cobre, que se encuentran dentro de la tubería.

En términos generales, el costo de los calentadores pasivos es menor que el los activos y tienen una vida útil mayor, mientras que los activos ofrecen mayor eficiencia.

Componentes de un calentador térmico

Son cuatro los componentes básicos de un calentador solar típico: colector, contenedor, sistema y sustancia.

• El colector, también llamado captador solar o panel termosolar, es el que traslada la energía solar hacia el agua, a través de tuberías o conductos por donde fluye la sustancia. Se pintan de negro para incrementar la absorción de calor.
• El contenedor o tanque, que es donde se almacena el agua, se conecta con la entrada y salida del colector. Durante el día, el agua circula entre ambos componentes y se almacena. En el momento de requerirse agua, esta se saca del tanque y en el colector se sustituye el volumen extraído con agua fría, con lo que se reinicia el ciclo de calentamiento. El tanque tiene un aislamiento térmico que evita pérdidas y mantiene caliente el agua el mayor tiempo posible. En el caso de un sistema activo, el contenedor suele incorporar un calentador eléctrico de apoyo, que se activa cuando no se alcanza la temperatura deseada, según lo requerido por el usuario. En los calentadores solares de agua para piscinas, el contenedor es por lo general la propia piscina.
• El sistema. Designa a todas las tuberías, bombas, equipamiento de control, llaves de paso y accesorios que acompañan y son propios de cualquier calentador solar. El sistema conecta, por medio de tuberías y aditamentos, el colector con el contenedor, así como también el calentador con las tuberías o el sistema mecánico de la casa.
• Sustancia. Es el líquido que deseamos calentar, por lo general agua potable. El agua pasa por el colector para ser almacenada en el contenedor, en lo que se conoce como circulación directa. Si se trata de un calentador de circulación indirecta, se utiliza una sustancia de trabajo, por lo que cuenta con dos circuitos separados: uno con el agua potable y otro con el fluido caloportador, una mezcla de agua y glicol. Los dos circuitos se ceden energía mediante un intercambiador de calor alojado generalmente en el contenedor. En este caso, el agua potable no pasa directamente por el colector, sino por el contenedor, donde el intercambiador de calor le transfiere la energía captada por el fluido caloportador. El sistema de circulación indirecta no se utiliza en la región, ya que es para climas más fríos.

La empresa panameña Pass señala que la cantidad de agua que se puede calentar con un sistema solar no depende solo de la capacidad del colector, pues una misma placa puede calentar mayor o menor cantidad de agua, según la temperatura de entrada del agua, la deseada en la salida y la del ambiente; la irradiación solar en la zona, la presencia de sombras, el caudal deseado, etc.

La principal característica de los equipos de la empresa dominicana Remsa son los tubos al vacío recubiertos de nitrito de aluminio (AL2O2). Este material produce calor con solo recibir los rayos ultravioleta del sol, es decir que aún en un día nublado los tubos generan calor. Al ser redondos (180º), reciben los rayos del sol tanto en la mañana como en la tarde. Esta nueva tecnología incluye un intercambiador de calor en el interior del tanque, lo que significa que el agua caliente no se consume, sino su temperatura. El agua caliente está almacenada en el interior del tanque con aislamiento en poliuretano en tres pulgadas. Este sistema de calentador solar no requiere mantenimiento.

El sistema estándar (con un colector) que ofrece Solar de Costa Rica proporciona 80 galones de agua caliente, lo cual suple las necesidades de una familia de cuatro a seis personas en el valle Central, o hasta 100 galones (ocho personas) cuando se instala en la playa o zonas calientes. El sistema tiene respaldo eléctrico en caso de días sin sol.

Aquacorp comercializa paneles de uso doméstico que calientan desde 200 hasta 300 litros por día, a altas temperaturas que van desde 30 hasta 60° C, dependiendo del tanque de captación.

La empresa Energía Natural, de Costa Rica, cuenta con sistemas con una eficiencia certificada de entre el 65 y el 70%, fabricados en Israel. El colector tiene sistemas de soldado ultrasónicos y láser para la mejor transferencia de calor, pintura especial que atrapa los rayos del sol y una capa aislante para no perder la energía capturada.

La empresa dominicana Megasol comentó que un grupo de científicos alemanes e israelíes desarrollan la tercera y última generación de calentadores solares, con tubos al vacío, construidos en su totalidad en acero inoxidable, que generan agua caliente en cualquier región del mundo, gracias a que su interior está revestido con nitrito de aluminio, el cual genera agua caliente simplemente con los rayos ultravioletas del sol. El interior del tanque de acero inoxidable contiene un intercambiador de calor (coil o serpentín), el cual evita que el agua fría y el agua caliente se unan, lo que le otorga una alta eficiencia incluso en las noches. Son resistentes a los vientos huracanados. Tienen una garantía de 10 años y son libres de mantenimiento, a diferencia del antiguo calentador solar de placas.

La empresa tica Termisolar ofrece los colectores de la marca Ecosol para el calentamiento de agua de uso doméstico, diseñados y fabricados bajo estándares europeos, que cuentan con la certificación de calidad del Instituto de Energía Solar de Florida. Sus sistemas para calefacción de piscinas cuentan con la misma certificación.

Ubicación ideal

Los colectores se deben colocar en lugares despejados. En el caso de América Central y el Caribe deben estar orientados de manera que su superficie esté perpendicular, con cara hacia el sur, en un ángulo proporcional a la latitud del lugar. Para definir su posición ideal conviene consultar los mapas sobre la radiación solar y potencial de energía, además de su efecto de calentamiento.

La empresa costarricense Green Energy explica que en Costa Rica la mayor cantidad de radiación solar se presenta en las regiones del Pacífico norte, Pacífico central y en algunas zonas del valle Central. Sin embargo, en comparación con otros países a mayores latitudes, Costa Rica tiene una ubicación privilegiada, ya que por estar cerca del Ecuador goza de altos niveles de radiación solar que fluctúan relativamente poco durante las dos épocas del año.

La empresa Seesa, de El Salvador, asegura que en todo el país es posible instalar paneles solares para la generación de energía eléctrica, así como colectores solares para el calentamiento de agua, ya que cuenta con irradiación solar durante todo el año, pero hacen hincapié en que, de acuerdo con la zona, se debe escoger la tecnología adecuada para obtener los resultados deseados, por lo que resalta la importancia de un estudio realizado por personal técnico capacitado, como el que posee la empresa.

Es importante tener en cuenta que si se instala el calentador solar en el techo, la estructura debe ser capaz de soportar el peso del sistema, alrededor de 250 kg, aunque esta cifra puede variar según la tecnología. El espacio debe estar libre de sombra, pues aunque el equipo funciona con radiación, es necesario su contacto directo con los rayos solares. La casa debe contar con una tubería para la conducción de agua caliente y una instalación de 220 voltios, cuando el calentador tiene un sistema eléctrico auxiliar.

¿Cuál tecnología usar?

El consumo, que es el factor crítico para determinar la tecnología a aplicar, se expresa en los términos del flujo a suplir (por ejemplo, litros por segundo) y el aumento de la temperatura.

El flujo necesario surge de la suma de las diferentes solicitaciones que tendrá el sistema, por ejemplo, si la de la ducha es de 8 l/m y la del lavatorio de 5 l/m, la demanda que debe suplir el calentador es de 13 l/m. En cuanto a la demanda del aumento de temperatura, generalmente se espera una temperatura de salida del orden de 50˚ C, lo que determinará el aumento que deba producirse, a partir de la temperatura de entrada del agua fría al calentador solar.

A nivel mundial hay referencias sobre tendencias, costos y mejores experiencias. A nivel regional, la información es cada vez más amplia y mejor.

La inversión en un calentador solar de agua no es un tema solo de tecnología; sino también y, sobre todo, de servicio y garantía. Por lo tanto, es importante escoger un proveedor reconocido y con buenas referencias en el mercado, además de elegir un instalador debidamente capacitado para realizar el trabajo.

Termotanques

Sistema que utilizan: Las placas de vidrio funcionan solamente para calentar el agua, no para almacenarla. El termotanque es la sección del equipo en donde el agua se almacena, y éste cuenta con un recubrimiento especial para aislar el agua caliente y evitar la pérdida de temperatura.

Frecuencia de limpieza de colector: Recomiendan hacer una limpieza externa e interna del sistema cada 2 años. 

Tipos de calentadores (activos o pasivos): Ofrecen los dos tipos de sistemas. El sistema pasivo el sistema más sencillo y económico, en el cual el colector y el termotanque son una sola pieza. El sistema activo es más complejo y más costoso, debido que al tener el colector solar separado del tanque de almacenaje, es necesario contar con una estación solar que circule el agua por medio de una bomba desde el colector solar hacia el tanque y viceversa. 

Ambos sistemas son igual de eficientes, varían solamente en la forma en la que el termotanque y el colector están relacionados en el sistema. 

Fuente. Enertiva

Aislamiento de poliuretano inyectado

Sistema que utilizan: El tanque donde se almacena el agua tiene un aislamiento de 10 cm de espesor de poliuretano inyectado que no permite perdidas de temperaturas mayores de 3 °C durante toda la noche. Lo cual no es significativo ya que todos los días calienta más de 50 °C.

Frecuencia de limpieza de colector: Se recomienda dar mantenimiento al sistema una vez al año. Consiste en drenar el tanque para dejar salir sedimentos que puedan estar atrapados, revisar el ánodo de sacrificio cuya función es absorber los minerales presentes en el agua para que no se incrusten en las tuberías y también limpiar la superficie del colector únicamente con agua.  

Tipos de calentadores (activos o pasivos): Ofrecen ambas alternativas, eso sí los sistemas pasivos (termosifón) son los que recomiendan por ser más accesibles, de más fácil instalación y no requieren de bombas para hacer circular el agua ya que la circulación del agua se da por un efecto de convección natural en el cual el agua más caliente se vuelve menos densa por lo que sube y se almacena en el tanque mientras que el agua más fría con mayor densidad baja al panel para ser calentada. Los sistemas activos (forzados) requieren una bomba para hacer circular el agua entre el tanque y los paneles. Este tipo de sistema se enfoca en consumos grandes de agua caliente o soluciones industriales.

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