Cómo construir un calentador de agua solar pasivo

¿Cómo funciona un calentador de agua solar? Explore los diversos tipos de calentadores solares de agua. Reduzca su dependencia de las emisiones de combustibles fósiles mediante la construcción de un calentador de agua solar pasivo.

Algunos principios básicos y consideraciones rigen el diseño, la instalación, el uso y el mantenimiento de los calentadores por lotes. Los IPSWH se denominan calentadores por lotes porque el corazón del sistema es el "lote" de agua almacenada en los tanques. El diseño básico del calentador por lotes se basa en un tanque o en una serie de tuberías o tanques de gran diámetro. El depósito está pintado de negro mate o revestido con una superficie selectiva que absorbe fácilmente el calor solar y lo transfiere al agua almacenada en su interior. Para aumentar la recolección de calor y reducir la pérdida de calor, el tanque está encerrado en una caja aislada cubierta en el lado que mira hacia el sur o en la parte superior con un material vidriado.

En el calentador por lotes estándar, el agua fría ingresa al tanque de recolección solar a través de una entrada lateral cerca de la parte inferior o a través de un "tubo de inmersión" que ingresa por la parte superior y descarga agua fría cerca de la parte inferior. El agua calentada sale a través de una salida cerca de la parte superior donde el agua está más caliente, luego pasa a un calentador convencional de respaldo (alimentado por gas, electricidad o madera) donde se calienta hasta la temperatura deseada. Los calentadores por lotes utilizan la presión de la línea de agua para la circulación, lo que elimina la necesidad de bombas y controles costosos. Durante los meses de verano, o cuando hace calor y sol todo el año, el calentador de respaldo a menudo se puede apagar y pasar por alto, y el calentador de lotes proporciona todas sus necesidades de agua caliente. En Davis, California, mi calentador de tres tanques proporcionó toda nuestra agua caliente durante nueve meses.

La temperatura relativamente baja del colector minimiza la expansión y contracción de los componentes, lo que reduce el desgaste. La masa del agua en el sistema ayuda a protegerlo de la congelación y las altas temperaturas extremas que pueden dañar los materiales, lo que conduce a una vida útil prolongada del sistema. La investigación en Europa sugiere que hasta el 20 por ciento del agua en el colector puede congelarse sin dañar el tanque, pero tenga en cuenta que las tuberías aún están en riesgo a menos que estén protegidas o drenadas.

Para el aficionado al bricolaje que busca un sistema solar de calentamiento de agua económico y fácil de construir, el calentador de agua solar pasivo integral (IPSWH, pronunciado ips-wah) es un sueño hecho realidad. Todo lo que necesita para construir este calentador de agua con los pies en la tierra es un tanque de calentador de agua eléctrico desechado, una caja de madera contrachapada aislada hecha en casa para alojar el tanque, una hoja o dos de vidrio de ventana usado o plástico transparente, algunos accesorios de plomería comunes, algunos tubería y un poco de aislamiento. Agregue unas cuantas horas satisfactorias de medir, pensar, aserrar, martillar, pintar y girar llaves, y tendrá un suministro continuo de agua caliente, provisto prácticamente sin costo por ese amigable horno en el cielo (el único reactor nuclear seguro). , 93 millones de millas de distancia).

Primero, repasemos los conceptos básicos de la calefacción solar para los nuevos reclutas en el maravilloso mundo de las energías renovables. Hay dos tipos básicos de calentadores solares de agua, activos y pasivos. Los sistemas activos dependen de la energía externa para hacer funcionar las bombas y hacer circular el calor que acumulan; las configuraciones pasivas no. Los sistemas pasivos pueden ser menos eficientes en un momento dado, pero son mucho más confiables y cuestan menos por unidad de calor capturado. Los calentadores de agua solares pasivos integrales, también llamados calentadores por lotes, son los más simples de los sistemas pasivos, y su confiabilidad e independencia de la energía externa conducen a una producción a largo plazo a un costo muy bajo. Conozco un sistema en Davis, California, que ha funcionado durante 30 años a un costo por kilovatio-hora equivalente a un centavo.

Los calentadores por lotes se conocen desde hace mucho tiempo como la mejor opción en climas cálidos o para uso estacional en áreas más frías, y un trabajo reciente con materiales y diseños mejorados sugiere que también pueden ser la mejor opción incluso en áreas más frías. Para aplicaciones construidas por el propietario, eclipsan a la competencia de placas planas y tubos de vacío en casi todos los sentidos, incluidas la confiabilidad y la facilidad de instalación. Tienen un excelente potencial para reacondicionamientos y son ideales para una variedad de aplicaciones agrícolas y comerciales, proporcionando agua caliente o tibia a bajo costo para lavar o precalentar para usos a temperaturas más altas.

Ahora que conoce los conceptos básicos, echemos un vistazo a cinco de los muchos tipos de calentadores por lotes que se usan hoy en día.

La ducha solar es realmente un calentador de lotes a pequeña escala, un diseño clásico que utiliza plástico transparente y negro para hacer un calentador de agua solar portátil y sorprendentemente eficaz. El agua se coloca en la bolsa y luego se coloca con el lado transparente hacia el sol. En una hora, el agua comienza a calentarse, brindando una deliciosa ducha incluso en un día fresco si el sol brilla. Los he usado durante años mientras acampaba y siempre estoy impresionado con lo bien que funcionan.

El calentador por lotes de un solo tanque a menudo se denomina calentador de "caja de pan", porque algunos de ellos se parecen mucho a una caja de pan antigua de gran tamaño. En general, es probablemente el calentador por lotes permanente más económico y menos complicado de construir, ya que solo requiere materiales fáciles de adquirir y habilidades básicas de construcción. Para la caja de pan "modelo económico", un tanque de calentador de agua eléctrico estándar recuperado se aloja en una caja de madera contrachapada aislada o en un viejo refrigerador o congelador. El material de vidriado (generalmente vidrio, fibra de vidrio o plástico moldeado resistente a altas temperaturas) cubre la caja.

El agua entrante ingresa a la caja de pan cerca del fondo del tanque, y el agua calentada por el sol se extrae de cerca de la parte superior y se dirige a la unidad de respaldo en la casa. Una panera orientada horizontalmente es más fácil de construir y menos visible que una vertical, pero inclinar el tanque aumenta la estratificación del agua y mejora el ángulo solar, lo que resulta en temperaturas más altas.

El calentador por lotes vertical de tres tanques es similar pero aumenta el rendimiento con más área de almacenamiento y colector. Para el tanque triple, tres tanques centrales de calentadores de agua están encerrados en una caja grande y bien aislada. El material de vidriado cubre el lado orientado al sur y la parte superior de la caja. Se podría instalar una tapa aislante o una cubierta enrollable para mejorar la retención de calor, pero nunca me pareció necesario. Los tres tanques están conectados en serie, con el tanque central (por lo tanto, mejor aislado) sirviendo como etapa final antes de que se descargue el agua calentada.

La mayor área de superficie de recolección, la estratificación térmica mejorada causada por la posición inclinada y la conexión en serie brindan un mejor calentamiento que la caja de pan más pequeña, horizontal y de un solo tanque. Para probar la eficiencia del calentador de tres tanques, instalé y supervisé uno durante un año completo en mi casa en el centro-norte de California y ¡descubrí que suministraba un impresionante 70 por ciento del agua caliente de mi familia!

Un calentador por lotes de invernadero puede ser la mejor opción para el rendimiento y la protección contra congelamiento en climas más fríos o durante los meses de invierno. Casi cualquier configuración se puede utilizar dentro de su espacio solar o invernadero. Por lo general, el calentador de agua solar se coloca cerca de la parte superior del techo del invernadero para aprovechar el aire más cálido y la mejor exposición al sol (vea la ilustración de la galería). Para una máxima eficiencia y protección contra congelamiento en climas fríos, puede ser deseable una caja vidriada y aislada. Aísle sus tuberías si el espacio solar se enfría por la noche.

Se instala un calentador por lotes integrado en el edificio en el ático o en una pared orientada al sur, donde el tanque se protege más fácilmente contra la congelación. Las tuberías pueden correr en un espacio calentado. Cuando llega el momento de cambiar el techo, no hay necesidad de quitar y reemplazar el calentador. (Aquí es cuando muchos sistemas solares se desechan, incluso si todavía funcionan). Se crea una caja aislada en el ático con una claraboya de vidrio. Una bandeja de drenaje puede ser una buena idea para minimizar el riesgo de fugas. Asegúrese de que puede alcanzar el calentador fácilmente para repararlo o reemplazarlo si es necesario.

Si las especificaciones y la instalación de su calentador siguen estos seis mandamientos, funcionará admirablemente y suministrará agua calentada por energía solar económica, sin importar el diseño específico que elija.

1. Ubique su calentador para una máxima exposición solar. Encuentre una ubicación soleada orientada al sur, preferiblemente cerca del calentador de respaldo para minimizar la distancia de las tuberías. Es posible que deba hacer algunos cálculos para asegurarse de que su colector solar estará expuesto al sol cuando desee agua caliente, pero la ubicación y la orientación de la altitud y el acimut del sol o la luna durante un día son las consideraciones más importantes. Recuerda que el sol está alto en verano, bajo en invierno.

A continuación, determine dónde se instalará su calentador (techo, plataforma, pared o suelo), teniendo en cuenta que un sistema lleno de tres tanques de 90 galones puede pesar más de 800 libras cuando está lleno de agua. Para la mayoría de las aplicaciones, es mejor mantener un calentador solar grande en el suelo o en una plataforma construida especialmente. Una instalación de techo puede colocarse sobre un muro de carga o una sección reforzada del techo. El montaje en el suelo es más fácil y elimina el problema del peso.

2. Haga que los tanques colectores y de almacenamiento sean lo más eficientes posible. Primero, decida el tipo de tanque(s) que usará para su calentador. Los tanques vienen en una amplia variedad de formas y tamaños, pero los cilindros largos y delgados son los más eficientes (tienen la mayor relación entre el área superficial y el volumen de agua). Los más baratos y fáciles de obtener son los núcleos de calentadores de agua eléctricos usados. Examine el "ánodo de sacrificio", una varilla de metal con baja resistencia a la corrosión que se inserta en el tanque desde la parte superior para atraer cualquier elemento corrosivo en el agua. Reemplácelo si la corrosión y/o el consumo son evidentes. Uno nuevo cuesta solo unos cuantos dólares y contribuirá considerablemente a la longevidad de su sistema. Verifique cuidadosamente si hay fugas y nunca use un tanque sobre el que tenga dudas. Cepíllelo con alambre y píntelo con pintura negra mate resistente a la corrosión, o aplique un revestimiento de superficie selectivo si puede permitírselo.

Si prefiere tanques nuevos, puede pedir núcleos de calentadores de agua eléctricos revestidos de vidrio, menos el elemento calefactor, el aislamiento exterior y la cubierta de lámina de metal. Los tanques de acero inoxidable también pueden estar disponibles en algunas áreas. (Consulte "Fuentes solares" a continuación).

3. Asegúrese de que su sistema retenga el calor. Hay una serie de opciones para acristalar la parte superior y la pared orientada al sur de su unidad, que incluyen vidrio o fibra de vidrio de uno o dos paneles y plásticos diseñados para una exposición solar prolongada. En la mayoría de los casos, debe usar dos capas del material de vidriado elegido con un espacio de aire entre ellas para proporcionar la máxima retención de calor. El vidrio es generalmente un acristalamiento adecuado para los calentadores construidos por el propietario, a menos que reciba granizo severo. El policarbonato de doble pared es una alternativa resistente. Asegúrese de sellar el vidriado con cuidado para evitar fugas y calafatear y sellar los paneles para evitar la condensación, que puede limitar la captura de energía.

4. Dimensione su calentador apropiadamente. Para determinar el tamaño que necesita, permita 30 galones de agua caliente por persona en su hogar (una familia preocupada por la conservación podría sobrevivir con solo 10 galones por persona). Dependiendo de su entorno y vidriado, querrá planificar de 1 a 2.5 galones de agua por pie cuadrado de vidriado como proporción general para una buena calefacción. Una proporción menor de agua a glaseado acelera considerablemente la ganancia de calor, pero puede aumentar el riesgo de congelamiento. Si no puedes alcanzar el ideal, no te desanimes. Un sistema más pequeño aún proporcionará un precalentamiento de agua solar económico y conservará energía no renovable y dinero en efectivo. Los sistemas por lotes con tanques relativamente pequeños y recintos simples son comunes, y muchos siguen funcionando bien después de 30 años, mucho después de que la mayoría de los sistemas más complejos hayan desaparecido.

5. Realice una conexión eficiente y resistente a la congelación con el sistema de respaldo. Minimice los tramos de tubería y aísle la tubería con cuidado utilizando aislamiento de espuma o fibra de vidrio con revestimiento de aluminio. Constrúyalo para que dure: si solo usa espuma, se descompondrá en unos pocos años. Puede tomar hasta 72 horas a 12 grados congelar un tanque de calentador de agua expuesto, pero las tuberías son mucho más vulnerables. En una congelación breve, puede dejar el agua caliente un poco para evitar que las tuberías se congelen. En climas invernales muy fríos, drene el tanque colector y las tuberías en el otoño.

Configure el sistema para que pueda apagar el calentador de respaldo y hacer funcionar el agua caliente solar directamente a los usuarios, y así puede omitir el sistema de agua solar si desea drenarlo y apagarlo en invierno. Asegúrese de que las conexiones estén aprobadas por el código de construcción. Después de terminar el sistema de plomería, purgue el aire del tanque a través del tapón roscado en la parte superior del tanque hasta que el sistema esté lleno de agua.

6. Construya su sistema para que dure. Utilice los mejores materiales que pueda pagar o escatime y tenga el cuidado adecuado en la construcción de su unidad. Debería funcionar durante 20 a 30 años, por lo que vale la pena hacerlo bien. Esté seguro: asegúrese de que los soportes del tanque sean lo suficientemente fuertes para soportar la carga que llevarán y obtenga ayuda para mover los tanques de manera segura. Si construye un calentador de alto rendimiento, considere agregar una válvula de templado cerca del calentador de respaldo para que nadie se queme en la ducha.

Si utiliza tanques y accesorios galvanizados con tubería de cobre, asegúrese de que los dos metales estén separados por accesorios dieléctricos no conductores apropiados para evitar la corrosión acelerada. He tenido buena suerte usando tubería de cobre, conexiones dieléctricas de plástico y accesorios galvanizados en mis tanques.

El único inconveniente de los calentadores por lotes son las temperaturas más bajas a primera hora de la mañana como resultado de la pérdida de calor durante la noche; no es un problema para las personas a las que les gusta ducharse antes de irse a la cama, sino un factor de "despertar" potenciado para quienes se duchan temprano en la mañana .

Investigaciones más recientes han demostrado que podemos reducir el enfriamiento nocturno de varias maneras. La estrategia más eficaz es un conjunto de tapas aisladas que se cierran por la noche y se levantan durante el día, con partes inferiores reflectantes que atrapan y dirigen la energía solar adicional a los tanques. Pero esto puede ser difícil de operar a menos que el sistema esté montado en el suelo. Las tapas automáticas también podrían fabricarse utilizando elevadores térmicos comúnmente utilizados para ventilar invernaderos. Si es posible una tapa, es una buena idea: es fácil hacer que una tapa con bisagras aislada cumpla una doble función como reflector cuando se eleva a su posición diurna y, por lo tanto, mejora la eficiencia. Los reflectores pueden extender la temporada hasta el otoño y permitir que comience antes en la primavera.

Un método más simple para minimizar la pérdida de calor se basa en un revestimiento de superficie selectivo especial ultramoderno, como la pintura Thurmalox. Una lata de pintura en aerosol suficiente para cubrir 50 pies cuadrados cuesta menos de $20.

¡El descuido de su calentador de respaldo convencional puede resultar en facturas de calentamiento de agua innecesariamente altas, a pesar del calentador solar! Cuatro formas comunes de negligencia son aislar inadecuadamente la habitación en la que se encuentra el calentador de agua convencional; no aislar suficientemente el tanque (se pueden agregar "mantas térmicas" económicas y fáciles de instalar en minutos); mantener un ajuste de temperatura innecesariamente alto (a veces por culpa de un mal termostato); y permitiendo que se acumule sedimento en el fondo del tanque, aislando el agua de la fuente de calor (drene el sedimento del tanque una vez al año).

Verifique su calentador de respaldo cuando instale su calentador solar. De hecho, incluso si su unidad solar es solo un sueño en este momento, tiene sentido energético ajustar su calentador de agua convencional ahora mismo. Si está llegando al final de su vida útil, considere reemplazarlo con un calentador de agua flash o "a pedido" que calienta el agua solo cuando se necesita. Hace mucho tiempo que los consumidores de los países europeos se dieron cuenta de que no tiene sentido mantener 30 o 60 galones de agua caliente durante las horas en que nadie la necesita.

Los calentadores de agua solares pasivos son rentables en una amplia gama de climas, pero son más fáciles de construir y operar en climas cálidos. Esta tecnología ofrece a los aficionados al bricolaje conscientes de la energía una alternativa atractiva al costoso agua caliente y la dependencia energética convencional.

Una de las mejores formas de empezar es con un grupo de amigos. Construyan juntos una serie de calentadores de agua y conviértanlo en un proyecto divertido, compartiendo trabajo y experiencia. Alguien tendrá las herramientas y habilidades de plomería; otra persona, las habilidades y herramientas de carpintería. El buen sentido combinado del grupo hará el trabajo de forma rápida y segura.

Si no es un aficionado al bricolaje, existen numerosos sistemas comerciales solares de agua caliente disponibles para prácticamente cualquier lugar del mundo. En áreas más frías, un sistema de termosifón suele ser una buena opción. La protección contra congelamiento puede incluir anticongelante líquido con intercambiadores de calor, drenaje u otros sistemas para evitar daños por congelamiento. Muchos productos ahora usan colectores de tubos de vacío para calentar el agua, que luego sube a un tanque de almacenamiento bien aislado.

Por supuesto, no tienes que creer en mi palabra. Mire a su alrededor, lea alrededor, compare precios y, lo más importante, construya para usted mismo. Creo que llegará a la misma conclusión que yo llegué hace años de que los calentadores de agua solares pasivos integrales brindan el método más económico, eficiente y práctico para calentar el agua bajo el sol.

Los principios que se utilizan en los calentadores por lotes modernos son los mismos que se aplicaron por primera vez al calentamiento solar de agua hace más de 100 años. Robber's Roost, el escondite de Butch Cassidy en la década de 1880 en Utah, según los informes, todavía incluye los restos de un calentador de agua solar pasivo: una gran lata negra llena de agua y colocada al sol. El primer calentador de agua solar comercial, patentado en 1891 por Clarence Kemp, usaba cuatro tanques de agua cilíndricos alojados en una caja de pino cubierta con vidrio de un solo panel. Para 1900, más de 1600 de estas unidades estaban en uso en los Estados Unidos. En 1898, Frank Walker, de Pasadena, California, solicitó una patente para un diseño mejorado. El modelo de Walker estaba empotrado en el techo, en lugar de estar expuesto en la parte superior del techo como los calentadores de Kemp. La unidad Walker también incorporó conexiones a una estufa de leña con un tanque de calentamiento de agua para calefacción de respaldo, el precursor directo de la aplicación de calentador por lotes más común en la actualidad: un precalentador solar que alimenta un calentador de agua estándar en la casa.

A pesar del éxito que tuvieron estos primeros calentadores, desaparecieron gradualmente a medida que se dispuso de petróleo, electricidad y gas natural. Estas fuentes de energía nuevas y aparentemente baratas generaron altos costos en daños ambientales, salud humana, calentamiento global y daños al hábitat, pero estos costos fueron, y aún son, ignorados.

Afortunadamente, estos nuevos desarrollos energéticos no paralizaron por completo la investigación sobre el calentamiento solar del agua. En la Universidad de California, Davis, en 1936, FA Brooks probó varios diseños de calentadores y demostró que los calentadores solares tipo tanque podían producir temperaturas del agua superiores a los 120 grados. También descubrió que los tanques verticales colocados en una pendiente entregaban agua más caliente que las unidades horizontales. Brooks concluyó que los calentadores por lotes podrían producir agua caliente a un costo consistentemente inferior al de los sistemas solares de placa plana.

Materiales de fuente solar

David A. Bainbridge recibió el prestigioso premio Passive Solar Pioneer Award de la American Solar Energy Society en 2004. Es profesor asociado en la Universidad Alliant International en San Diego.