INTRODUCCIÓN
En la actualidad el problema que se suscita en los diversos ecosistemas debido a los residuos contaminantes de las fuentes de energía que más se utilizan (como la quema de combustibles fósiles, gas, carbón, etc..) están orillando a la utilización de energías más limpias y renovables para evitar un problema mayor en el equilibrio ecológico. Una de estas energías es la solar, la cual actualmente se encuentra todavía en desarrollo debido a que no se ha alcanzado una eficiencia que pueda servir para sustituir a los sistemas actuales de generación de energía. Pero aún así, existen diversas aplicaciones en las cuales el uso de la energía solar térmica y fotovoltaica puede ser aplicada con éxito para sustituir otras fuentes de energía. Algunas de las aplicaciones para la energía solar térmica son:
- Sistema de producción de agua caliente sanitaria (ACS).
- Sistemas de calefacción.
- Refrigeración solar.
- Climatización de piscinas.
- Desaladoras solares de agua marina.
- Secaderos de productos agrícolas.
- Centrales solares termoeléctricas, etc.
La única desventaja, que tiene el sistema de energía solar térmica, es que muchas veces se necesita más energía de la que proporciona el sol, y se hace preciso la instalación un sistema de energía de apoyo. Existen dos grupos de sistemas que utilizan la energía solar térmica, estos son: Los de temperatura alta o media, utilizados para calentar agua, aceite o aire utilizados térmicamente o para la producción de electricidad, y los de baja temperatura, utilizados para obtener agua caliente para usos sanitarios.
Como se puede apreciar el calentamiento del agua es una de las aplicaciones que más se está utilizando actualmente con la energía solar térmica debido a que contribuye al ahorro energético y es rentable económicamente. En este tipo de sistemas es posible elevar la temperatura del agua hasta temperaturas superiores al punto de ebullición, o a temperaturas más bajas como de aproximadamente 27 a 80°C para aplicaciones donde se requieran temperaturas más bajas.
En este trabajo se estudiara la aplicación de la energía solar térmica para el calentamiento del agua de piscinas, esto permitirá sustituir el sistema tradicional de calentamiento de piscinas utilizando gas, y cuyo objetivo es extender los meses de uso de estas , ya sea durante meses posteriores y anteriores a los meses más cálidos (junio, julio, agosto) o todo el año. Afortunadamente en México el clima es tropical, y hace calor la mayor parte del año en algunos estados, lo cual hace más eficiente este sistema durante más meses en comparación con países con clima más templado o frío.
Una instalación de este tipo que utiliza la energía solar térmica se compone de un sistema de colectores, por los cuales la energía solar es captada y luego se transforma en térmica, al pasar por una serie de calderas, válvulas y bombas, que se encargan del transporte del agua caliente partiendo del sistema colector, hasta llegar al de acumulación y finalmente a los puntos de consumo.
CALENTAMIENTO DE PISCINAS
Por lo regular una piscina requiere que el sistema de calentamiento mantenga el agua a una temperatura de entre 22° y 27° C. Se cuenta con 2 formas de realizar este sistema, la forma directa, donde el circuito es abierto (utilizado para climatizar piscinas descubiertas), y la forma indirecta, donde se utiliza un intercambiador (utilizado para piscinas cubiertas). En estos dos casos es necesaria la circulación forzada, debido a que los colectores se hallan más elevados que la piscina, por lo que se hace necesario el uso de bombas.
Normalmente para este tipo de instalaciones los materiales más usados son el polietileno y el polipropileno, quienes dan buen rendimiento a bajas temperaturas de trabajo, costo accesible, no reaccionan con el cloro, sal, cal, etc., de las piscinas, son resistentes a la corrosión, y agregando que los colectores solares empleados para esta aplicación con estos materiales permiten también que sean resistentes a los rayos UV del Sol, y se instalan sin recubrimiento generalmente encima del techo.
Se suelen utilizar en placas de polipropileno flexible, que son livianas, resistentes y duraderas tendiéndose en zonas donde halla buena la exposición al Sol, y dentro de las cuales circula la misma agua de la piscina. Estos colectores se utilizan por lo general en piscinas descubiertas y son usados para cierto tiempo, es decir, no calientan la piscina todo el año (meses más fríos), debido a que no disponen de una cubierta de cristal por lo cual sufren grandes pérdidas cuando baja de forma considerable la temperatura ambiente.
A continuación se anexa una tabla que compara las propiedades de un colector de piscina y uno para utilización de agua caliente sanitaria:
Cuando la piscina que se va a calentar, va ser durante todo el año, se utilizan colectores solares planos con efecto invernadero, es decir, que captan la radiación solar en su interior, la transforma en energía térmica y evitan la salida al exterior , y dentro de los cuales circula un fluido caloportador anticongelante, para conseguir buenos rendimientos al trabajar a temperaturas de ambiente frías.
CALENTAMIENTO CON SISTEMA DE CLIMATIZACIÓN DIRECTO (UTILIZADO PARA PISCINAS EXTERIORES CON UN PERIODO DE USO DE 6 A 8 MESES AL AÑO)
En este sistema es la misma agua de la piscina la que circula por los colectores del sistema de captación, donde el agua es impulsada por la bomba del sistema de filtración. Una vez que el agua es filtrada se calienta y regresa a la piscina, que en este caso adquiere la función de acumulador y también como vaso de expansión, por lo cual no habrá sobrepresiones por efecto de la dilatación del agua. En el sistema se emplea un reloj temporizador para poner en marcha una depuradora, y por lo tanto el circuito solar, a las horas de más radiación.
Una desventaja que se presenta en este sistema, es que, no se puede añadir anticongelante al fluido de circulación, por lo que no podría utilizarse durante los meses más fríos del año. Obviamente el uso de la piscina exterior está condicionada al día soleado o a la temperatura agradable de baño.
-Dimensiones, ganancias e instalación
En este tipo de instalación los paneles se montan en paralelo, dependiendo de su tamaño y acoplándose con tubos.
Como regla general el área de los paneles solares debe ser un 50% del área de la piscina. Generalmente el agua de una piscina en el verano oscila entre los 18 y 22°C, y un panel solar puede aumentar desde 8°C hasta 12°C manteniendo una relación de los paneles ocupando el 50% del área de la piscina, logrando de esta manera llegar a tener la temperatura normal de una piscina con calefacción por combustible convencional.
La instalación normalmente consta de:
→Paneles solares.
→Uniones.
→Tapones.
→Válvula motorizada de control de 3 vías (1.5 ̎ ó 2 ̎) opcional.
→Reloj temporizador opcional.
→Tubo de PVC.
→Uniones.
→Tés (generalmente de 1.5 ̎).
→Llaves de cierre.
→Purgador.
El panel se puede montar sobre el techo de la casa, en el suelo, etc., y con la parte plana orientada en dirección hacia el sur o dentro de los 30° del sur y una inclinación entre los 25° y 40°, no menor de 15° para poder vaciarlos en el mes más caliente cuando la temperatura del agua en la piscina ha llegado a la deseada o en el caso de heladas. La instalación de los tubos debe inclinarse levemente hacia arriba en la misma dirección del caudal de agua. Los paneles se sujetan al armazón o al tejado con tornillos y es recomendable que estén protegidos contra vientos fuertes.
Los tubos que se utilicen deben permitir el paso aproximado de 3 a 6 litros de agua por minuto y por metro cuadrado (180-360 litros por hora y por m2).
En este intervalo no hay mucha diferencia de efectividad y la mayoría de las piscinas tienen entre 30 y 40 m2 de área, por lo que la cantidad de agua no sobrepasa los 5000 litros/hora. Tomando estas consideraciones, se emplea un tubo de 40mm que solamente tendrá una pérdida de presión de 25mm por metro. Para piscinas más grandes es necesario dimensionar la tubería.
Si el tubo no está bien hermético, se verán burbujas en la entrada del panel solar, por tal motivo es recomendable controlar la instalación de la tubería antes de conectar el panel solar.
La válvula de 3 vías se instala como recomiende el fabricante y si la válvula está montada por debajo del nivel de agua de la piscina, es necesario vaciarla en invierno.
No se emplea un equipo de control diferencial de temperatura dado que la diferencia de temperatura de la piscina y del colector es mínima, pero se puede utilizar un reloj temporizador.
•Cálculo de paneles necesarios para piscinas de profundidad media de aprox. 1.5 a 2.5 metros:
Para una piscina con un área de 50 m2, se necesita cubrir la mitad del área de la piscina con paneles solares, es decir: 50m2 / 2 / 3.6m2 por panel (valor estándar) = 6.9 ≈ 7 paneles solares.
-Método de funcionamiento
La bomba de circulación (3) hace circular el agua desde el fondo de la piscina (1) y desde los skimers (2) a través de la depuradora (4). Cuando el control (8) decide que es posible calentar el agua, activa la válvula motorizada (6) que está conectada a la red eléctrica de 220 volts (9) y el agua de la piscina entra a los paneles solares (7). Los paneles están conectados a un purgador de aire (13) y una llave de fondo (12) que puede montarse opcionalmente. La salida del panel solar (10) lleva el agua nuevamente al tubo original de PVC que va a la piscina, inclusive puede pasar por un intercambiador (11), si lo hubiera. Todos los tubos están normalmente sin aislar y solamente si la tubería es larga y va por el suelo se recomienda aislarla.
Método de funcionamiento
Otra opción en la instalación es colocar los paneles solares separados totalmente del mismo sistema de depuración, así se ahorra la válvula motorizada de 3 vías y el control activaría solamente una bomba de circulación en la entrada del panel solar. Si esta bomba se monta por debajo del nivel del agua de la piscina, se asegurará que siempre trabaje con agua.
Las temperaturas alcanzadas en la piscina con paneles solares son entre 8-12°C mayores que una piscina similar sin paneles solares. Por consiguiente, el agua normalmente llega a más de 25°C ya en los meses de primavera y otoño, durante los meses de verano y sin utilización de una manta térmica, la temperatura del agua puede llegar hasta los 30°C dependiendo la ubicación de la piscina con respecto al viento.
Si la temperatura es muy alta, se puede activar manualmente una llave o válvula para que el caudal no pase por los paneles solares.
-Arranque del circuito
La prueba de funcionamiento del sistema se realiza en un día soleado en el que sea posible calentar el agua de la piscina. Los puntos que deben considerarse son:
• Verificar que la bomba trabaja al volumen requerido.
•Controlar que la temperatura del agua sea mayor en la entrada que en la salida de la piscina.
•Verificar que el flujo de agua que circula en los paneles solares sea casi igual o suficiente.
•Observar que no se produzcan burbujas en la entrada al panel solar después de 2 minutos de funcionamiento.
Si la instalación es correcta, todos los paneles solares alcanzaran la misma temperatura y no estarán más calientes al contacto que la temperatura ambiente, dado que el calor absorbido estará siendo enviado directamente a la piscina. Si los paneles están calientes al contacto, el calor absorbido no estará siendo enviado a la piscina tal como debería ser.
-Mantenimiento
Dentro de las recomendaciones para el buen funcionamiento del equipo se debe asegurarse una vez al año que los paneles sigan bien montados, y si es necesario ajustar los tornillos de sujeción del soporte. Cuando va utilizarse la piscina después de que paso el invierno hay que repasar las uniones y si es necesario ajustarlas.
Debe leerse el manual de mantenimiento de la válvula de tres vías para ser controlado antes de comenzar la utilización de la piscina. Se recomienda activar la válvula manualmente unas veces antes que el motor la active cuando ha estado parada todo el invierno.
Cuando finaliza la época de utilización de la piscina se deben vaciar los paneles solares y hay que asegurarse que la tubería relacionada esté vacía hasta donde hay posibilidad de congelamiento.
En los meses más fríos se recomienda instalar una manta isotérmica flotante sobre el agua de la piscina para evitar un enfriamiento nocturno.
Ejemplo de manta térmica
La manta térmica flota sobre el agua de la piscina y permite incrementar algunos grados la temperatura del agua ya que evita que los grados ganados durante el día se pierdan por la noche.
-Curva de efectividad
La siguiente gráfica muestra la curva de efectividad relacionada a la entrada angular solar con variación entre la temperatura media de la placa solar y la temperatura del aire en el exterior. Dado que en el panel solar circulan grandes cantidades de agua de la piscina, la placa solar absorbedora estará como máximo 2°C por encima de la temperatura de la piscina, por tal motivo se calcula la temperatura de la piscina más la temperatura exterior.
Por ejemplo:
Con una temperatura del agua de la piscina de 24°C y una exterior de 20°C se tiene:
Tm – T1 = 24 – 20 = › 4°C
Con 4°C el efecto del sol es del 71%. Como se aprecia en el gráfico, el límite inferior del efecto con el agua de la piscina en 24°C es:
24 – 18 = › 6°C de temperatura exterior
Cuando la temperatura exterior sobrepasa la temperatura del agua con más de 2.5°C, el efecto sobrepasa el 100%. La razón es la entrega de calor exterior al agua, este efecto está contenido en la parte superior del diagrama.
En esta instalación se produce la transferencia de calor desde el sistema captador hasta un sistema separado de acumulación de agua potable, utilizando dos circuitos independientes el circuito primario (circuito captador) y el circuito secundario (circuito de la piscina), lo cual permite utilizar líquidos diferentes en ambos sistemas, así es posible utilizar en el primario anticongelantes y otras sustancias que permitan proteger contra la corrosión y mantengan en buen estado la instalación. Este sistema es empleado para piscinas que se utilizarán todo el año.
En este sistema el agua de la piscina es impulsada por la bomba del sistema de filtrado desde las tomas de fondo. Una vez filtrada, el agua de la piscina pasa por un intercambiador de calor para absorber el calor generado de los captadores de vidrio. Una variante de este sistema consiste en utilizar en el primario un intercambiador integrado en forma de suelo radiante, el cual permite un mejor rendimiento térmico, ya que aprovecha la estratificación del agua por temperatura y calienta siempre la parte más fría.
El sistema integrado tiene la ventaja de funcionar independientemente de los horarios de depuración, pero añade más costo a la instalación. El intercambiador independiente es más fácil de mantener y es una opción más barata. Aquí el agua de la piscina es impulsada por la bomba del equipo de filtración; una vez filtrada, el agua de la piscina pasa por el intercambiador de calor para absorber el calor generado en el sistema de captación. Cada sistema tiene su propia bomba. Si el intercambiador es independiente la regulación será como en el caso directo, con la diferencia que el mando de la bomba impulsora del circuito de depuración, también debe accionar la bomba del circuito primario. Generalmente la elección en el circuito con intercambiador integrado es la del uso de un termostato diferencial que acciona la bomba del primario en función de la diferencia entre la temperatura de la piscina y la de los captadores. Se necesitará un termostato de seguridad para cerrar el sistema de caldeo cuando la temperatura del vaso supere en 10°C la temperatura de uso.
Por lo regular este tipo de piscinas techadas son usadas en lugares donde existe un fuerte contraste de temperaturas, en las que puede helar por las noches durante el periodo de utilización de la piscina, como ejemplo las zonas montañosas o piscinas utilizadas todo el año. Al igual que en las piscinas utilizadas en el sistema directo, se recomienda la utilización de mantas térmicas para evitar la pérdida de calor durante la noche.
Otro equipo que debe disponerse en un sistema de climatización de una piscina interior es el de deshumidificación, el hecho de tener una piscina, grande o pequeña, en un local cerrado hace que el ambiente interior sea muy húmedo y que la humedad penetre por las paredes y mobiliario.
Para crear una atmósfera más confortable para los usuarios y evitar que se degrade la pintura de la pared, haya infiltraciones o se degrade el mobiliario es necesario deshumidificar el aire.
Un sencillo equipo de deshumidificación consigue mantener caliente el ambiente mientras elimina la humedad excesiva del aire.
BIBLIOGRAFIA
•Energía solar térmica
Miguel Ángel Sánchez Maza
Editorial Limusa
•Energía solar térmica manual de instalación
R. Lemuigh – Müller
Editorial Era Solar
