Sistemas de calefacción solar: de soluciones pasivas a activas para calefacción sostenible del hogar

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Introducción

En un segundo, el Sol emite 13 millones de veces más energía de la que Estados Unidos consume en un año. Aunque solo una minúscula fracción llega a la Tierra, esa cantidad alimentaría cómodamente todo el planeta.

La energía solar demostró su potencial eléctrico en la década de 1950, cuando la NASA requería una fuente de energía fiable para satélites espaciales. Las pioneras celdas de silicio producidas en Bell Labs aún convierten solo alrededor del 18 % de la luz solar en electricidad. A pesar de esta eficiencia modesta, la energía solar ha impulsado con éxito proyectos de alto perfil como la carrera International Solar Challenge.

La captura de calor del Sol ha resultado especialmente eficaz para agua caliente doméstica y control climático de edificios. Las piscinas usan rutinariamente colectores solares. Para calefacción espacial residencial, existen dos tipos principales de sistemas:

• Calefacción solar pasiva admite luz solar directamente en un edificio a través de ventanas orientadas al sur (hemisferio norte) o mediante un muro o techo que absorbe, almacena y transfiere calor al interior. Una variante —sistema de ganancia aislada— almacena calor en una cámara separada como un lecho de rocas.
• Calefacción solar activa usa agua o aire como medio de transporte de calor. Colectores en un techo orientado al sur canalizan calor a lechos de roca o depósitos de agua. El calor almacenado puede entonces distribuirse mediante conductos, unidades fancoil o circulación directa de aire.

Los sistemas de refrigeración también se dividen en diseños pasivos y activos, aprovechando flujo de aire nocturno y condensación para bajar temperaturas interiores.

Diferentes tipos de colectores se adaptan a aplicaciones específicas. Colectores de placa plana, con cubierta de vidrio y placa absorbente negra, se adecúan a uso doméstico. Colectores concentradores —con forma de canal o cuenco— sirven aplicaciones industriales.

Historia

El Sol siempre ha sido la fuente de calor principal de la humanidad, pero el primer colector solar humano documentado data de 1776, cuando el científico suizo Horace de Saussure construyó una simple "caja caliente".

Sir John Herschel usó luego cajas calientes para cocinar alimentos durante su expedición africana de 1830. La cocción solar térmica y la destilación de agua se extendieron entonces en partes de África.

En Estados Unidos, pioneros a finales del siglo XIX usaban ollas y sartenes negras para calentar agua a la luz del día, despertando adopción generalizada en regiones que de otro modo dependían de combustibles importados. Para 1897, casi el 30 % de hogares en Pasadena, California, usaban calentadores solares de agua.

La tecnología solar creció constantemente durante el siglo XX, alcanzando su punto máximo durante la crisis energética de la década de 1970. Tras la crisis, el interés decayó, para resurgir en la década de 1990 ante crecientes preocupaciones por emisiones de combustibles fósiles y seguridad nuclear.

Materias primas

Los sistemas de calefacción solar varían, pero lo siguiente se centra en una configuración básica residencial pasiva y activa.

Un sistema pasivo requiere un panel colector de placa plana negro: una placa absorbente de acero coronada con dos láminas de vidrio, rodeada de aislamiento de fibra de vidrio o espuma de poliuretano con barrera de humedad de lámina de aluminio. La unidad se encierra en una caja poco profunda de madera, acero galvanizado o aluminio. Un contenedor de almacenamiento de calor —lleno de guijarros o rocas secas— captura el exceso de calor. Un termostato diferencial proporciona control manual de temperatura, y un módulo de manejo de aire (conductos, filtros, ventilador, compuertas automáticas) circula el aire calentado.

Un sistema activo que almacena calor en agua necesita un colector de placa plana con una o dos capas transparentes, tubería metálica negra y aislamiento. El sistema también incorpora bomba de agua, tanque de almacenamiento, serpentines de intercambio de calor, calentador auxiliar, ventilador, filtros y válvula de control. Si se usa almacenamiento en roca en lugar de agua, un contenedor aislado contiene las rocas y elimina la necesidad de bombas y serpentines.

Todas las instalaciones de calefacción solar usan masilla, revestimiento de aluminio y tiras de cierre de goma, pintura o madera para sellar juntas y proteger el sistema.

Proceso de fabricación

Colectores

1. Los colectores de placa plana se montan en techos inclinados o paredes verticales fijando bandejas colectoras de chapa poco profundas —parecidas a grandes bandejas de horno— en cada extremo y asegurándolas a las vigas. Masilla se aplica alrededor del borde superior de la bandeja. Luego se instala el revestimiento, y todas las juntas se sellan con masilla. Ranuras de la bandeja se cortan en el revestimiento, y bloqueos se fijan alrededor del perímetro.
2. La placa absorbente se posiciona sobre el revestimiento, extendiéndose hasta el bloqueo externo de la bandeja. Cierres de extremo —usualmente de goma— sellan los extremos, y los bordes superior e inferior se masillan.
3. Listones se fijan a la placa absorbente, y se instala un sistema de acristalamiento —una capa de vidrio en techos o doble en paredes.
4. Perfiles de acristalamiento de aluminio enmarcan el perímetro del colector.

Manejo de aire y sistema de control

1. En un sistema pasivo, la unidad de manejo de aire consiste solo en conductos entre el colector y el espacio habitable, un ventilador y un interruptor manual. Un sistema de ganancia aislada añade una cámara de almacenamiento separada y conductos que la conectan al edificio.
2. En un sistema activo, un contenedor de almacenamiento (rocas o agua) almacena calor excedente. Conductos con compuertas on‑off enlazan el colector con el contenedor, el contenedor con la casa, y el colector directamente con la casa. Dos ventiladores circulan el aire.

Almacenamiento

1. Un sistema de almacenamiento en roca usa un contenedor aislado lleno de rocas pequeñas (1–5 pulg, 2,5–12,7 cm) espaciadas para permitir paso de aire a través de conexiones de conductos.
2. Un sistema de almacenamiento en agua replica la configuración de roca pero almacena calor en agua en lugar de rocas.

Control de calidad

Para instalaciones residenciales, el ajuste de cierres de extremo e integridad de masilla se verifican con prueba de bomba de humo antes del acristalamiento. Esta prueba detecta fugas y asegura rendimiento hermético.

El futuro

A medida que maduran prototipos de hogares y edificios comerciales calefaccionados y alimentados por energía solar, la energía solar pasa de experimental a mainstream. ONG ambientales, el Departamento de Energía de EE. UU. y organismos internacionales promueven activamente una adopción más amplia y continúan innovando nuevas aplicaciones.

La Instalación de Investigación de Energía Solar del DOE muestra avances fotovoltaicos, mientras su propio edificio ejemplifica los beneficios del diseño impulsado por luz diurna. Su arquitectura escalonada con abundantes ventanas demuestra cómo la calefacción solar puede integrarse perfectamente en la arquitectura.

La Sociedad Americana de Energía Solar destaca proyectos solares prácticos mediante sus giras anuales de casas solares e informa a miembros sobre desarrollos legislativos. Por ejemplo, en julio de 1996, la sociedad presionó por legislación de financiación de energías renovables —esfuerzo que, aunque no se aprobó, señaló interés congressional en energía solar. La Sociedad Internacional de Energía Solar persigue metas similares a escala global, abogando por mayor dependencia de la energía solar en todo el mundo.