Descripción general de los Sistemas Solares de Calentamiento de agua
En los Estados Unidos, el agua de calefacción ocupa una parte importante de los gastos operativos de un edificio. A nivel nacional, alrededor del 18% del uso de energía en viviendas residenciales se destina a calentar agua, pero solo el 4% del uso de energía en edificios comerciales.
Actualmente, el agua calentada con energía solar solo cumple con aproximadamente el 2% de los posibles sistemas solares de calentamiento de agua para todas las residencias en los Estados Unidos.
Generalmente, puede usar instalaciones de calefacción solar en residencias con techo orientado al sur (o cerca de él) o terrenos sin sombra para instalar un colector (para enfrentar los rayos del sol y absorber la energía solar).
En 2021, esos estados eran los más populares para el mercado de la calefacción solar: California, Texas, Carolina del Norte, Florida, Arizona, Nevada, Nueva Jersey, Massachusetts, Georgia y Nueva York.
Las menciones de Nueva Jersey, Massachusetts y Nueva York muestran que los sistemas solares de agua no siempre tienen que estar en una mancha solar.
Curiosamente. A nivel mundial, a partir de 2017, Barbados, Austria, Chipre, Israel y Grecia son los países líderes en agua calentada con energía solar por capacidad por persona.
¿Valen La Pena Los Calentadores Solares de Agua de Bricolaje?
BRICOLAJE significa hágalo usted mismo, en lugar de contratar a una empresa de construcción para que haga su trabajo.
Un calentador de agua solar no se conecta a la red eléctrica para recoger energía; absorbe energía del sol y la devuelve al sistema de calentamiento de agua de su casa.
Para ser claros, un sistema de calentamiento de agua solar solo proporciona agua caliente y no puede alimentar sus electrodomésticos, por ejemplo. Así que una opción es instalar un sistema solar fotovoltaico en su lugar, que suministraría energía solar a su calentador de agua eléctrico.
El uso de un sistema fotovoltaico significa que puede mantener su sistema de agua caliente normal, pero puede hacer paneles solares y sistemas de calentamiento de agua solar.
Un calentador solar utiliza un colector solar en el techo en un ángulo que captura mejor los rayos del sol y calienta directamente el agua de su casa.
Un calentador de agua solar típico puede reducir los costos de energía eléctrica convencional en aproximadamente un 40-50% y ahorrar dinero en sus facturas de energía.
Comprenda que el calentador de agua solar no elimina la energía de la red, actúa como un respaldo, uno que potencialmente puede ahorrar mucho dinero, ya que no está pagando por la energía de la red que ya no necesita cuando está soleado.
El calentador de agua solar de bricolaje y la red eléctrica funcionan uno al lado del otro, actuando como socios, especialmente en climas cálidos donde el sol es potente durante largas horas cada día.
Los sistemas solares de agua caliente de bricolaje de hecho cuestan dinero para instalar; sin embargo, pueden devolver su inversión cuando necesita menos energía de la red y, por lo tanto, tienen facturas de servicios públicos más bajas al ahorrar en costos de energía.
Una vez que la inversión se haya devuelto con esta energía gratuita, puede disfrutar de agua caliente casi gratuita durante la vida útil restante del calentador de agua solar.
Además, en los Estados Unidos, el Congreso ha ofrecido un crédito fiscal a la inversión, conocido como crédito federal de energía solar residencial (siga verificando la disponibilidad; la última indicación es que expirará el 31 de diciembre de 2024).
Este crédito fiscal es una reducción dólar por dólar en sus impuestos sobre la renta. Así, por ejemplo, si obtiene un crédito fiscal federal de 1 1,000, y sus impuestos federales, de lo contrario adeudados, son 1 1,000 o más, obtiene una reducción de taxes 1,000 en sus impuestos federales.
También puede solicitar un crédito fiscal estatal, dependiendo de su estado.
Para obtener más detalles sobre los créditos fiscales a la inversión para la energía solar, visite este sitio web.
Los paneles solares son un asunto diferente. Los paneles solares convierten la luz solar en electricidad, que alimenta su casa. Aquí, solo cubrimos los sistemas solares de calentamiento de agua.
La economía de los calentadores solares de agua de bricolaje
Los sistemas solares de calentamiento de agua de bricolaje suelen ser más caros de comprar e instalar que los calentadores de agua a gas o los calentadores de agua eléctricos convencionales.
Sin embargo, el uso de un sistema de calentamiento de agua solar de bricolaje puede ahorrarle dinero a largo plazo.
La economía del ahorro para los sistemas solares de calentamiento de agua depende de muchos factores diferentes:
· Nivel de consumo de agua caliente
· Rendimiento del sistema solar de calentamiento de agua
· Ubicación geográfica y exposición al sol y, por lo tanto, energía solar disponible
· Créditos fiscales y financiación gubernamentales disponibles
· Costos comparativos de calentadores de agua de gas y calentadores eléctricos convencionales
Factores utilizados para estimar la eficiencia energética de un sistema solar sistema de agua caliente son factor de energía solar y fracción solar.
El factor de energía solar se calcula dividiendo la energía suministrada por el sistema general por la cantidad de energía convencional que ingresa al sistema.
Si el factor es 5, significa que el sistema solar de calentamiento de agua bombea cinco veces más energía que la energía consumida por los sistemas de calentamiento de agua a gas o eléctricos que respaldan el sistema solar de agua caliente.
Por lo general, el factor de energía solar es de 2 o 3.
La fracción solar es la proporción de la carga total de calentamiento de agua caliente proporcionada por la calefacción solar. Así que, naturalmente, oscilaría entre 0 y 1.0.
Los sistemas solares de calentamiento de agua suelen tener una fracción solar de 0,5 a 0,75.
¿Cuáles son los diferentes tipos de Calentadores de Agua Solares de Bricolaje?
Hay muchos tipos diferentes de sistemas solares de agua caliente de bricolaje. En primer lugar, está el calentador de agua solar activo, que generalmente requiere una bomba. En contraste, también tenemos el calentador de agua solar pasivo, que no usa una bomba; en su lugar, utiliza convección.
El modelo de agua solar pasiva permite que el agua caliente suba y el agua fría se hunda, por lo que no se necesita una bomba.
Hay dos tipos principales de modelos pasivos:
1. Almacenamiento de colectores integrado. Estos también se llaman calentadores por lotes y usan tanques que actúan como colectores de almacenamiento y calentamiento de agua solar (colector significa que expone el agua a los rayos del sol, recolectando así el calor del sol). (Se les conoce cariñosamente como «cajas de pan» debido a su apariencia voluminosa).
2. Almacenamiento de calor por convección. Esos son principalmente colectores de placa plana, y el tanque está ubicado en el sótano. Por lo tanto, los colectores y los tanques de almacenamiento están separados. El almacenamiento se refiere al lugar donde se guarda el agua caliente.
Nos centraremos más en los sistemas solares pasivos de agua porque son más baratos y fáciles de instalar.
Además, nos centraremos en la siguiente subcategoría de los colectores de placa plana porque son más fáciles de construir e instalar que los calentadores por lotes. Es bueno estar al tanto de las diferentes posibilidades de los calentadores de agua solares de bricolaje.
Los colectores de placa plana también se denominan sistemas de termosifón porque se basan en la premisa de que «el calor aumenta.»
El agua más caliente se eleva para salir del sistema para calentar la casa, y el agua más fría se precipita en el fondo a través de una tubería inferior para reemplazar el agua más caliente.
La gravedad potencia el flujo convectivo en un sistema termosifón. Para obtener los mejores resultados, coloque la parte superior de los colectores al menos un pie por debajo de la parte inferior del tanque.
Una mayor diferencia de altura dará como resultado un mayor flujo. Sin embargo, las tuberías más grandes, los tramos más cortos y las curvas suaves proporcionarán un caudal adecuado.
Si necesita protección contra congelación, no es difícil hacerlo. Los colectores se pueden llenar con una solución anticongelante (el propilenglicol es el más común y no tóxico).
Puede transferir el calor al agua doméstica a través de un intercambiador de calor.
¿Funcionan los Calentadores Solares de Agua de Bricolaje?
Sí, pero ten en cuenta la zona climática en la que vives. Por ejemplo, los sistemas de termosifón no funcionan en climas fríos donde el invierno está helado porque no tienen protección contra la congelación.
En ese caso, es mejor drenar el agua del calentador de agua solar para que no se congele durante el invierno. De esta manera, son ideales para cabañas o segundas residencias que no se utilizan en invierno.
Los calentadores de agua solares que cumplen con el American National Standards Institute o la Organización Internacional de Normalización tendrán protección en ambos extremos de temperatura.
En verano, los controles automáticos evitan que el agua se sobrecaliente.
En invierno, los sistemas anticongelantes utilizan un líquido especial que no congela para correr a través de los colectores y drenar el calor del colector hacia el tanque para que no se canalice agua al exterior.
Lo mejor es montar el calentador de agua solar en el lado del techo que mira hacia el sur y colocarlo en un ángulo de 18º a 50º hacia abajo desde el plano horizontal para obtener la mejor luz solar directa. De esa manera, maximizas la energía solar usando energía libre.
Para determinar el tamaño que necesita, considere 30 galones de agua caliente por persona en su hogar. Si su familia está muy preocupada por la conservación, es posible que se las arregle con diez galones de agua caliente por persona. ¡Y también ahorra costos de energía!
Un tanque de agua caliente eléctrico típico de 80 galones que sirve a una familia de cuatro personas consumirá aproximadamente 150 millones de BTU en sus siete años de vida útil.
El tanque de agua caliente generalmente tiene un tamaño para manejar el consumo de un día. Para una familia de cuatro, un tanque de 80 galones suministraría 20 galones de agua caliente por persona por día.
Además, para dimensionar el colector solar térmico en función de su región climática:
· En el cinturón solar, use 1 pie cuadrado de colector por 2 galones de capacidad del tanque (uso doméstico diario).
· En los estados del Sudeste y de las montañas, use 1 pie cuadrado de colector por 1,5 galones de capacidad de tanque
· En los estados del Medio Oeste y del Atlántico, use 1 pie cuadrado de colector por 1,0 galones de capacidad de tanque.
* En Nueva Inglaterra y el noroeste, use un colector de 1 pie cuadrado por cada 0,75 galones de capacidad del tanque.
De acuerdo con estas reglas generales, un hogar de cuatro personas con un tanque de 80 galones necesitará aproximadamente 40 pies cuadrados del colector en Arizona, 55 pies cuadrados del colector en Carolina del Sur, 80 pies cuadrados del colector en Iowa y 106 pies cuadrados del colector en Vermont.
Para esos sistemas activos (y por lo tanto requieren una bomba), un dispositivo controlador conectado a su calentador de agua solar detectará la luz solar directa y verificará si el agua ha alcanzado la temperatura deseada.
Cuando el controlador esté listo para enviar agua caliente al tanque de almacenamiento dentro de la casa, activará la bomba.
De la misma manera, en climas fríos de invierno, si el controlador detecta que la temperatura congelará las bombas, drenará el agua del calentador de agua solar a través de tuberías de drenaje hacia el exterior.
Los componentes importantes de un Sistema de Calentador de Agua Solar
Las partes principales de un sistema de circuito cerrado incluyen colectores solares, bombas de circulación, un control diferencial con sensores, intercambiadores de calor y un tanque de almacenamiento.
Las piezas menores pero esenciales incluyen un tanque de expansión, una válvula de alivio de presión, una válvula de retención, un conjunto de drenaje y llenado y medidores de presión y temperatura.
Controlador y sensores
Cuando el controlador detecta que un sensor es más cálido que el otro, activará un interruptor que puede encender una bomba u otro dispositivo eléctrico.
Cuando ya no hay una diferencia de temperatura o muy pequeña, el termostato diferencial apagará la bomba.
En un sistema de agua caliente solar, un sensor (colocado para medir agua caliente) está en la tubería muy cerca de la salida del colector solar, y el otro sensor (colocado para medir agua fría) está cerca del fondo del tanque de almacenamiento.
Cuando salga el sol, el colector se calentará muy rápido. El sensor del colector activará el interruptor en el controlador para encender una bomba.
Cuando el sol se pone, aparecen nubes oscuras o el tanque de almacenamiento se calienta lo suficiente, ya no habrá un gran «diferencial» entre los dos sensores. Luego, el termostato apagará la bomba.
Intercambiador de calor
El intercambiador transfiere el calor solar del circuito cerrado calentado por energía solar al agua doméstica. Los factores que aumentan la transferencia de calor son:
* Mayor área de superficie
* Alta conductividad térmica
* Diferencial de temperatura máxima entre los dos fluidos
Los intercambiadores se pueden clasificar como de una sola pared o de doble pared, lo que se refiere al número de barreras entre los dos fluidos que intercambian calor. Por ejemplo, los sistemas que usan glicol no deben usar un intercambiador de una sola pared debido a la posibilidad de contaminación del agua potable.
Un intercambiador puede ser tan simple como una bobina de cobre dentro del tanque de almacenamiento, donde se permiten intercambiadores de calor de pared simple. El agua calentada con energía solar circula a través de la bobina con la ayuda de una bomba de circulación.
Los intercambiadores se instalan en una configuración de contracorriente en la que los dos fluidos fluyen en direcciones opuestas a través del intercambiador de calor. Esto maximiza el intercambio de calor térmico al mantener la mayor diferencia de temperatura entre los fluidos.
La selección de un intercambiador se basa en su capacidad para transferir calor (en BTU por hora) producido por los colectores solares.
El fabricante o distribuidor del intercambiador especificará qué modelo es adecuado, dependiendo de la superficie total del colector a instalar.
Los fabricantes también especificarán un caudal mínimo recomendado en la orilla del agua del intercambiador de calor para lograr una tasa adecuada de transferencia de calor.
Válvula de retención
Una válvula de retención permite que el fluido fluya en una sola dirección. Evita la pérdida de calor por la noche por flujo convectivo desde el tanque de almacenamiento caliente a los colectores fríos. Las válvulas de retención pueden ser del tipo «oscilante» o del tipo «resorte».
Tanque de expansión
Un tanque de expansión permite que el fluido en circuito cerrado se expanda y contraiga en el ciclo de calefacción y refrigeración. Sin el tanque de expansión, la tubería podría estallar cuando se calienta el fluido.
¿Cómo Se Hace un Calentador de Agua Solar?
Para este artículo, dado que hay tantas variaciones de calentadores de agua solares hágalo usted mismo, nos centraremos en el modelo de placa plana, especialmente el tipo que calienta una tubería que corre en forma de espiral.
Diseñe el Colector Solar de calentamiento de agua
Si está inclinado a seguir la ruta de hágalo usted mismo, puede hacer su propio colector. Las tuberías de cobre blando son ideales para calentar el agua dentro del colector porque el cobre transporta bien el agua y se puede doblar a su gusto.
El polietileno reticulado («PEX») sustituye a las tuberías tradicionales de cobre y acero galvanizado en proyectos de renovación de viviendas y en el sector de la construcción convencional. Aquí hay un video para la opción PEX.
Puede montar estas tuberías (hechas de cobre blando o PEX u otros materiales) dentro de una caja aislada grande hecha a mano y usar un panel de vidrio templado como cubierta para permitir que los rayos del sol entren fácilmente.
Sería aconsejable pintar con aerosol el interior de la caja de madera y las tuberías para aumentar la absorción de los rayos del sol.
Aquí hay un video de muestra sobre cómo construir su propio calentador de agua solar de placa plana. Hay muchos otros videos instructivos similares en la aplicación.
Curiosamente, el patrón utilizado para el tubo de cobre en el video nos recuerda a una manguera de jardín tumbada en el césped. Recordarás que cuando recogiste la manguera de jardín recostada para regar el césped en un buen día caluroso, sentiste el agua tibia al salir de la manguera.
¡Imagine lo que la pantalla plana puede hacer por el agua dentro de la tubería de cobre cuando está en su techo! Y sigue pensando en ahorrar esos costos de energía.
Otra opción, aunque más cara, son los colectores de tubos evacuados. Este es solo otro término para los tubos de vacío, que funcionan junto con el funcionamiento similar de los termos de café. Consisten en dos capas de vidrio con un vacío entre las capas.
En los colectores de tubos evacuados, el agua potable se calienta rápidamente, ya que los tubos están estructurados para absorber los rayos del sol de manera muy eficiente.
Monte el Colector Solar del Calentador de agua en el techo
En general, cualquier techo estándar puede soportar un colector de placa plana montado en la parte superior. Compruebe que las tejas y el sistema de chapa y armadura estén estructuralmente sanos antes de colocar la caja del colector. Si se trata de un sistema de calentador de agua solar de bricolaje, podría ser una caja de madera.
Fije clips de montaje a la superficie del techo. Luego conectará la caja del colector a esos clips de montaje. Finalmente, debe insertar el deslizamiento de montaje debajo de las tejas para proteger el techo del sol y la lluvia.
Debe insertar el perno de retardo en una viga de soporte de armadura para obtener la máxima resistencia. Además, debe esparcir material de sellado alrededor de cualquier punto de contacto para evitar que el agua de lluvia se filtre debajo del techo.
Los colectores de placa plana pueden pesar entre 100 y 150 libras, por lo que a menudo se necesitan dos personas que usen escaleras para levantarlo en el techo.
El colector se conecta a los clips de montaje y se fija en su lugar, listo para la acción.
Inserte tuberías en el techo para Transportar el Flujo de agua
Luego perforará dos orificios en el techo, uno para la línea de alimentación del colector (agua entrante fría que corre hacia el colector) y otro para la línea de retorno del colector (agua caliente que regresa a la casa para alimentar el tanque de agua caliente).
Es importante comprar tapajuntas particulares (láminas de metal o plástico diseñadas para alejar el agua del área afectada) que se ajusten alrededor de una tubería donde se cruza con el techo.
Por lo general, el tapajuntas para una tubería parece una estructura en forma de cono, con la punta cortada a lo grande. O podrías usar una gorra en su lugar.
Además, esta estructura en forma de cono tiene un cuello ancho en su parte inferior, lo que le da la impresión de que realmente está tratando de alejar el agua.
Una vez que el tapajuntas está asegurado alrededor del punto donde el tubo de cobre entra en el techo, puede terminar todos los puntos de contacto con un sellador.
Para aquellos que tienen cuidado con las presiones externas no deseadas en el calentador de agua solar, sería una buena idea agregar lo siguiente:
* Válvula de prevención de congelación (para abrir solo cuando la temperatura del agua se cierne cerca del punto de congelación, para drenar las tuberías, para que no revienten al congelarse)
* Válvula de alivio de presión (para dejar salir el exceso de agua en caso de que la presión del agua sea demasiado alta dentro de las tuberías, y por lo tanto evitar que estallen)
Inserte tuberías desde el Colector en el techo hasta el tanque del sótano
Ahora que estamos aquí, podemos abordar la división de trabajo de parto si estás usando un equipo. Una o dos personas pueden instalar el colector en el techo, mientras que la otra o dos trabajan en el sótano, instalando tuberías y conectándolo al tanque de agua caliente.
Con bastante frecuencia, se utilizan tuberías de cobre blando, ya que pueden atravesar el ático hasta el sótano sin necesidad de soldar dentro del ático.
Los tubos de cobre en el interior del ático están forrados con aislamiento para evitar la fuga de calor.
Los conductos de aire dentro de la casa a menudo son buenos compañeros de las tuberías, ya que ya tienen una red a través de la casa, incluida la canalización del horno.
El calentador de agua en el sótano sirve para dos propósitos. Primero, almacena el agua caliente que ha sido canalizada desde el techo. En segundo lugar, tendrá una fuente de energía de respaldo (calefacción eléctrica) si el colector de agua solar no produce agua calentada.
El tanque de agua caliente convencional en el sótano no tiene las tuberías de alimentación o retorno del colector necesarias para intercambiarlas con el colector en el techo, por lo que el fontanero tiene que readaptar el tanque de agua caliente.
El instalador instalará el nuevo tanque de agua caliente y la tubería del colector solar. Una vez que se haya instalado toda la tubería, debe cubrirla con material aislante de fibra de vidrio para evitar pérdidas de calor innecesarias.
Ayudaría si colocara el nuevo calentador de agua solar lo más cerca posible del sistema de agua caliente normal para que puedan sinergizarse en la proximidad.
El último paso para el calentador de agua es configurar el termostato para prepararse para el cambio automático del calentamiento solar de agua a la calefacción eléctrica, según sea necesario.
Echa un vistazo a este video para ver un buen ejemplo de instalación y preparación de un calentador de agua en el sótano.
Coloque el Controlador y los Sensores Cerca del tanque de Agua caliente
Ya hemos hablado sobre el controlador diferencial y lo que hace. Aquí, sin embargo, este controlador debe instalarse cerca del calentador de agua, y viene con pantallas LED (diodo emisor de luz), lecturas digitales y otras opciones.
El controlador tiene varias configuraciones. Estos incluyen el ajuste de alta temperatura, el diferencial de temperatura y el ajuste de» apagado».
En cuanto a otro elemento eléctrico que debe instalarse, los sensores vienen con su propio cableado, y si se enrutan al exterior, deben protegerse de la intemperie con revestimiento de plástico o goma.
Los cables del sensor pueden correr a lo largo de las tuberías en el exterior, ya que esencialmente comparten el mismo camino de todos modos, lo que es más eficiente.
Puede utilizar la pasta térmica para proporcionar una buena unión entre los cables del sensor y la superficie de las tuberías.
El sensor de alimentación del colector generalmente se coloca en el punto más caliente del colector de placa plana para registrar la temperatura máxima posible.
Coloque las Bombas y Válvulas Cerca del tanque de agua caliente
Hay muchos otros componentes críticos del calentador de agua solar, como bombas y válvulas. Una es la bomba del sistema (circulador) para hacer circular el fluido del sistema (agua o propilenglicol) desde los tanques del sótano hasta el colector que está montado en el techo.
Las válvulas que son importantes para el calentador de agua solar son;
· Válvula de retención (evita que el proceso de termosifón recircule el agua caliente a través del colector por la noche).
· Válvula de desagüe (si el colector necesita ser drenado, por ejemplo, si llega el invierno y no está adecuadamente protegido contra la congelación).
· Válvula de aislamiento (ya que sus únicas opciones posibles son completamente abiertas o completamente cerradas, su función es detener la circulación del agua caliente como una parada de seguridad, sin drenar el sistema).
· Válvula antiescaladura (opcional, destinada a evitar que el agua caliente entre en los circuitos de la casa a una temperatura demasiado alta).
Finalmente, debe almacenar el manual de operación del calentador de agua solar en un lugar accesible.
Además, debe colocar la etiqueta que explica el método de protección contra la congelación para el sistema solar de calentamiento de agua en un lugar visible en el propio calentador.
Material adicional: Sistemas Solares de calentador de agua por lotes
Hasta ahora, hemos cubierto principalmente sistemas de calefacción de placa plana porque son mucho más compactos. Sin embargo, los calentadores por lotes también son populares. La clave a recordar es que son mucho más voluminosos, por lo que a menudo no están montados en un techo.
En cambio, como se mencionó, un calentador de agua por lotes podría usar un tanque grande dentro y mantener mucha más agua caliente que un sistema de placa plana.
El calentador de agua por lotes es el mejor para los climas del sur y ha existido durante cientos de años, ya que es relativamente simple de diseñar. Según se informa, el primer calentador de agua por lotes en los Estados Unidos se construyó en Baltimore en 1896.
Los calentadores por lotes son populares en hogares de temporada e instalaciones recreativas donde la propiedad es el único verano. Sin embargo, durante los inviernos, especialmente en climas fríos, debe drenar el calentador de lotes.