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Zak Vetter contribuyó a este artículo, que apareció originalmente en la revista Home Energy. Se reimprime con permiso.

Allá por 1978, instalé mi primer sistema solar de calentamiento de agua. Continué con la energía solar térmica, instalando nuevos sistemas hasta que los créditos fiscales expiraron en 1986, y mantuve casi todos los sistemas locales en funcionamiento durante años después. Me resultó dolorosamente obvio que la simplicidad es esencial para la durabilidad y longevidad de cualquier sistema solar térmico. Los sistemas complejos mueren jóvenes. Por aquel entonces, el santo grial de la energía solar térmica era conseguir un sistema que costara 1.000 dólares, algo que nadie consiguió. Hoy en día, se espera pagar entre 6.000 y 10.000 dólares por un sistema de agua caliente solar, instalado.

Mi amigo Martin Holladay publicó un artículo en marzo de 2012, titulado «La energía solar térmica ha muerto». Generó mucha discusión con ese artículo, incluyendo algunas disidencias, por lo que publicó otro artículo en diciembre de 2014, titulado «La energía solar térmica está realmente, realmente muerta.» Martin analizó los precios de la energía solar térmica y los comparó con el uso de la energía fotovoltaica y un calentador de agua con bomba de calor para hacer el mismo trabajo. Después de hacer los cálculos, la energía fotovoltaica y una bomba de calor parecían vencer a la energía solar térmica para el calentamiento de agua.

Pero a menudo la respuesta que obtienes depende de tus suposiciones, y al diseñar y construir este sistema elegimos desafiar algunas de esas suposiciones comúnmente sostenidas. Por un lado, los calentadores de agua con bomba de calor son tan nuevos que no sabemos realmente cuánto durarán. Por otro lado, la instalación de un sistema que, aunque no esté protegido contra la congelación, no se dañará con ella tiene grandes ventajas. Estas son razones para seguir explorando cómo hacer funcionar la energía solar térmica simple.

El proyecto

Entre Zak Vetter. Zak me pidió ayuda para diseñar e instalar un sistema de agua caliente solar para su casa cerca de Carmel, California. Se trata de un sistema montado en el tejado de un edificio que combina vivienda y tienda. Había establecido una serie de objetivos sencillos para el proyecto:

• Reducir en gran medida o eliminar la necesidad de energía externa para proporcionar toda el agua caliente deseada.
• Construir un sistema que funcione bien en condiciones no ideales. Esto significa que incluso en un día nublado, la mayor parte (o incluso toda) la demanda de agua caliente se satisface con la energía solar recogida y almacenada en el sistema.
• Construir un sistema que requiera un mantenimiento casi nulo.

Nunca había trabajado con una lista tan exigente. El diseño y la construcción de un sistema tradicional de energía solar térmica se basan en muchas suposiciones, que fueron cuestionadas por los objetivos de Zak. Estas son algunas de las suposiciones con las que solemos trabajar:

• La energía solar puede proporcionar, en el mejor de los casos, el 75% del calentamiento del agua.
• Con la protección contra las heladas, la energía solar es compleja.
• El sobrecalentamiento es un gran problema para la energía solar.
• La instalación de la energía solar térmica es complicada.
• Los sistemas solares térmicos necesitan un mantenimiento anual.

Las normas de diseño también implican suposiciones:

• Queremos los colectores más eficientes.
• Diseñar un sistema para el invierno causará sobrecalentamiento en el verano.
• Las tuberías paralelas reúnen la mayor cantidad de Btu.
• Los tanques de almacenamiento no deben ser sobredimensionados ya que esto creará problemas de estancamiento.
• La protección contra la congelación dicta el diseño del sistema.

Claramente, los objetivos de Zak no se alinearon con las suposiciones estándar. Pero me alegro de que desafiara las convenciones, porque al final construimos un sistema que cuesta menos y funciona mejor que cualquier sistema solar térmico que conozca. El sistema cuesta unos 4.000 dólares y proporciona el 95% del agua caliente anual que necesita la familia de Zak. Alguien bueno con sus manos podría hacer el mismo trabajo por alrededor de $ 3,000, si construyeron sus propios colectores.

Los colectores

El siguiente es el pensamiento que nos llevó allí. Querer colectores eficientes nos habría obligado a construir un sistema más complejo y caro, para evitar la congelación y el sobrecalentamiento. Así que en su lugar, ¡usamos colectores realmente ineficientes! Se trata simplemente de bobinas de tubo de polietileno de ¾ de pulgada bajo un acristalamiento acrílico (véase la imagen nº 2, abajo).

No hay aislamiento en los colectores, por lo que no pueden sobrecalentarse y es poco probable que se dañen por congelación. La temperatura máxima que hemos medido en verano sin flujo de agua es de 170 °F en los colectores, y se han congelado muchas veces sin problema. Este tipo de colector ha sido probado en San José, California, durante 16 años y no ha surgido ningún problema. Básicamente, se trata de colectores para piscinas, modificados para producir agua caliente sanitaria simplemente añadiendo un acristalamiento. Los fabrica comercialmente Gull Industries en San José, California.

Cada serpentín mide 26 pies cuadrados. Otra de las ventajas de utilizar colectores «ineficientes» es que eliminamos la necesidad de colocar tuberías de cobre hacia y desde ellos, colocando en su lugar tubos de PEX. Con los colectores de cobre tradicionales, que pueden estancarse en el sol de verano a una temperatura de hasta 400 °F, los tubos de PEX se derretirían muy rápidamente. Pero pudimos utilizar tubos de polietileno y PEX para casi todo, simplificando aún más el trabajo (véase la imagen 3, abajo). A propósito sobredimensionamos el sistema, para que pudiera pasar por períodos sin sol y recuperarse rápidamente cuando el sol regresara.

El tanque

El tanque fue otra consideración. Normalmente, con cualquier tanque revestido de vidrio (casi todos los calentadores de tipo tanque en los Estados Unidos están revestidos de vidrio), usted quiere volcar el volumen del tanque diariamente para evitar problemas de estancamiento y olor. Resulta que el ánodo que viene con todos los tanques revestidos de vidrio genera gas hidrógeno, que a algunas bacterias les gusta mucho. Lo evitamos instalando un tanque Marathon de Rheem de 105 galones (ver Imagen #4, abajo). Se trata de un tanque no metálico que no necesita ánodo, por lo que el agua no se envejece, ni se contamina, por la lenta rotación. La ventaja de este almacenamiento es que el sistema puede seguir suministrando agua caliente durante los días sin sol.

Otra ventaja del depósito Marathon es su aislamiento. Tiene 3 pulgadas de espuma, y la literatura dice que sólo pierde 5 °F en 24 horas. Nuestro registro de datos sugiere que es más bien 6-8°F en nuestra situación, pero aún así, no está mal. El aislamiento fue otra cosa con la que jugamos.

El aislamiento de las tuberías rara vez es realmente grueso, sin embargo, mantener la pérdida de calor baja aumenta la fracción solar real y reduce la cantidad de energía de respaldo necesaria. Así que decidimos duplicar el aislamiento siempre que fuera posible.

Esta es una tubería PEX de ¾ de pulgada con dos capas de aislamiento, con un grosor total de pared de 1½ pulgadas. Parece una gran tubería cuando se instala.

Los calentadores de agua solares se diseñan normalmente como sistemas de uno o dos depósitos. Un tanque es mejor, si usted puede hacer que funcione, ya que hay menos equipo de la que perder el calor. Hoy en día, esto sólo se puede hacer fácilmente con respaldo eléctrico. Así que otra cosa que hicimos fue desconectar el elemento inferior en nuestro tanque único y utilizar sólo el elemento superior como respaldo. Esto evita que la fuente de calor eléctrica compita con la solar. Lo conectamos a 120 voltios en lugar de 240, así que no hubo necesidad de hacer nada más que enchufarlo. Sí que tarda 4 veces más en calentar con la mitad de voltaje, pero Zak quería una buena prueba de la solar. El sistema se instaló en noviembre de 2014, y todavía tiene que utilizar la copia de seguridad!

El controlador

El sistema se gestiona simplemente con un controlador solar Goldline GL-30 de venta en el mercado (ver Imagen #5, abajo). Mide la temperatura en el colector solar y en el fondo del tanque. Compara las dos y, cuando el colector está suficientemente caliente, enciende la bomba. El control dispone de ajustes para regular este punto de consigna. Afortunadamente, no necesitamos el control que protege contra la congelación o el sobrecalentamiento.

El sistema fue sencillo de instalar. Si nos fijamos sólo en el tiempo de instalación, sólo se necesitaron seis horas-persona, lo cual es muy rápido. En los viejos tiempos, una instalación rápida solía requerir tres personas y un largo día, o unas 24 horas-persona. Este sistema se instaló tan rápidamente por varias razones:

• Utilizamos tubos de PEX y polietileno.
• Montamos las conexiones expuestas con racores Sharkbite.
• El fabricante del colector nos suministró una estación de control preconstruida.
• Los colectores se instalaron en el tejado utilizando sólo un perno central.
• Tenemos fácil acceso a la parte inferior del tejado.
• Los colectores son algo flexibles y ligeros.
• El depósito de 105 galones es ligero y fácil de mover.

El rendimiento del sistema

El rendimiento hasta ahora ha sido bueno. Hemos registrado datos en múltiples puntos del sistema para entender cómo está funcionando.

El término fracción solar se utiliza para indicar qué porcentaje del agua caliente es calentado por el sol. Si se hace bien, la determinación de la fracción solar implicaría medir el uso total de agua caliente y restar la parte del calentamiento del agua no proporcionada por el sol.

En su lugar, optamos simplemente por observar cuándo el agua calentada por el sol estaba lo suficientemente caliente como para ducharse. Si el agua almacenada está alrededor de 105 °F, es buena para ducharse. Cuando decimos que el sistema está produciendo el 95% del agua caliente, significa que Zak obtiene temperaturas aceptables en la ducha el 95% del tiempo. Es una forma rápida y no matemática de entender en general el rendimiento del sistema. Si tomáramos medidas precisas para determinar la fracción solar, probablemente sería superior al 95%. Pero como consideramos que todo lo que está por debajo de los 105°F es inadecuado, no nos atribuimos el mérito de un agua que no está lo suficientemente caliente, pero que ciertamente está muy por encima de la temperatura del agua subterránea.

El gráfico de la imagen #6, a continuación, muestra el sistema durante los primeros días de la primavera, cuando el sistema está haciendo una contribución admirable al suministro de agua caliente de la casa.

El gráfico de la imagen #7 muestra el sistema en su peor momento. Las barras verticales amarillas representan períodos de sol, y las barras verticales azules representan la noche. Entre el 21 y el 22 incluso se ve la lluvia. Pero observe cómo unas pocas horas de sol invernal el día 23 aumentan el depósito en casi 20°F.

Los otros dos gráficos, mostrados en la Imagen #8, ilustran las diferencias entre diciembre y marzo. En estos gráficos, medimos las salidas de cada colector para ver si los cuatro proporcionaban una salida útil. Resulta que los dos primeros colectores recogieron más Btu, pero los dos segundos colectores cada uno de ellos aumentó la temperatura, por lo que realmente ayudaron – en particular durante las épocas más frías del año.

La relevancia de este diseño

Claramente hay limitaciones en donde este tipo de sistema puede ser instalado con éxito. Si estos colectores se cubren de nieve, puede que no funcionen demasiado bien, por lo que tendría sentido evitar las zonas que permanecen bajo cero durante largos periodos de tiempo. Pero como no hay tuberías metálicas en este sistema, puede soportar las heladas ocasionales. Y si los créditos fiscales son la principal motivación para instalar agua caliente solar, este sistema no servirá, porque aún no está certificado por la Solar Rating and Certification Corporation. Aun así, este sistema debería costar menos que la mayoría de los otros sistemas, incluso sin el beneficio de los créditos fiscales.

Está claro que es bueno aportar nuevas perspectivas al calentamiento solar del agua. Al cuestionar inteligentemente las viejas ideas y al utilizar materiales y hardware más nuevos -como el depósito Marathon, las tuberías PEX y los colectores de polietileno- Zak nos empujó a hacerlo mejor de lo que yo creía posible.

Larry Weingarten se crió en la península de Monterey, en California, y ha sido autónomo durante la mayor parte de su vida laboral. Obtuvo su licencia de contratista general en 1982. Larry ha escrito artículos sobre el calentamiento del agua y la energía para varias revistas especializadas; ha enseñado sobre estos temas para PG&E, California State Parks, Affordable Comfort, y otros; y recientemente ha ayudado a crear DVDs sobre estos y otros temas relacionados. En 2006, terminó de construir una casa sin conexión a la red; diseñada para ser muy eficiente, cómoda y barata, fue la decimotercera casa en cumplir el 1000 Home Challenge, una competición para crear casas supereficientes. Le gustan los gatos.

Zak Vetter colaboró en este artículo. También se crió en la costa de Monterey, y lleva más de diez años trabajando por cuenta propia, reparando y enseñando sobre ordenadores. Desde 2008, Zak ha estado aprendiendo sobre el amplio mundo de la eficiencia energética mientras mejoraba su propia propiedad. El sistema de agua solar en este artículo se inspiró en una visita a la casa de Larry fuera de la red, que demostró lo mucho que era posible con la energía solar.