Luchando contra la crisis energética (2)

En la primera parte de este artículo (www.natureduca.com/blog/?p=245) arranqué con un análisis acerca de lo mal que veia el futuro en materia energética (para los consumidores, no para los productores de petróleo, claro), salvo que nos pusiéramos manos a la obra y comenzáramos a investigar y desarrollar las energías alternativas, y en el caso de los usuarios a poner en práctica medidas que eviten el derroche energético.

Expuse mi caso personal y aporté un circuito para su desarrollo y debate, que podría además servir a otros interesados en el asunto. Afortunadamente han comenzado a responder y mi iniciativa le aportó a alguien ideas nuevas, de lo cual me alegro enormemente.

Ahora, pretendo ampliar el circuito (e incluso darle la vuelta) para incorporar o adaptarlo a otras energías que están a nuestro alcance, sea como fuente única o complementaria de las que ya disponemos en nuestros hogares (calentadores eléctricos, a gas, calderas, etc.).

Esta vez os propongo centrarnos en la energía solar y, además, construirnos nosotros mismos aquellos componentes del circuito que podamos, o aprovechar otros en desuso (que no averiados), porque la vida está muy cara y hay que sacudir el ingenio que todos llevamos dentro. Muchos de esos componentes necesitarían espacios monográficos para explicar su construcción, pero puedo dar ideas generales y, si hay demandas de los usuarios en ese sentido, podría dedicar un poco de tiempo suplementario a ese tema.

Antes de nada, deciros que existen múltiples modalidades y posibilidades en el diseño de circuitos de agua caliente sanitaria (en adelante ACS) y calefacción, pues a su vez pueden utilizar de forma individual o complementaria variadas combinaciones de fuentes y equipos. Consulté numerosos esquemas, y para un mismo fin pude contar docenas de circuitos diferentes, aunque al final simplificando los circuitos se quedasen en eso, en simples.

Algo que saqué en limpio de los circuitos que utilizan energía solar es que, si el sol va a ser la única fuente de energía, podemos simplicar bastante el montaje utilizando una técnica que no es novedosa por su funcionamiento, pero que sí ha cobrado popularidad desde hace un tiempo. Me estoy refiriendo al «termosifón».

El termosifón es algo que no deja de maravillarme por su simpleza, y porque sencillamente «funciona». Un termosifón no necesita bombas de recirculación, ni energía eléctrica, ni controles electrónicos (salvo para instalaciones de cierta complejidad), ni mecanismos sofisticados. En un termosifón el agua caliente sube por si sola hasta el depósito acumulador y se queda allí almacenada, a la espera que la necesitemos.

El siguiente esquema, extraido de Wikimedia Commons, explica de forma sencilla cómo funciona un termosifón:

 

 

1: hacia los servicios de agua caliente
2: depósito acumulador
3: entrada de agua caliente
4: colector solar térmico
5: entrada de agua fría

Como se puede ver, el esquema superior destaca por su simpleza, y su funcionamiento es muy fácil de explicar:

Tenemos un panel o colector solar térmico (4) encargado de captar la radiación solar y transferirla al agua fría que entra por su base (5). El tubo del circuito está lleno de agua, y al calentarse a lo largo de la superficie del panel se vuelve más ligera (pierde densidad), con lo cual tiende a ascender, de la misma forma que sucede con el aire cuando se calienta (que asciende). Este efecto es fácil de reconocer en muchos casos (un globo que se eleva al calentar el aire de su interior, el tiro de una cocina de leña que empuja el calor hacia el extremo superior de la chimenea…).

En consecuencia, el agua caliente entra en el depósito (2) y desplaza el agua fría (que es más pesada), enviándola al fondo, la cual a su vez baja por el tubo y regresa al panel para su calentamiento. Este proceso es continuo mientras la temperatura del agua que entra (3) en el acumulador sea mayor que la que sale de él, pues al existir diferencias de temperatura entre ambas también existirán diferencias de densidad, manteniéndose por tanto una recirculación del agua en tanto no se igualen.

Para que el circuito funcione por si mismo, el depósito tiene que situarse siempre por encima del panel solar, pues si estuviera por debajo no se produciría el efecto termofusión, ya que el agua caliente sólo puede subir, no bajar. En un caso así sería preciso utilizar una bomba de recirculación para mantener el agua caliente en movimiento, lo cual deja sin razón de ser a nuestro maravilloso invento.

Por otro lado, el circuito explicado arriba es demasiado simple (se mostró sólo para entender el funcionamiento del termosifón), pues en la práctica el agua calentada y los servicios a los que suministra deberían estar independizados, por razones obvias, por ejemplo, para evitar que una congelación del circuito del panel en un tiempo extremo dejase todo el sistema de agua caliente inoperativo.

Véase una típica instalación de termosifón, extraida de Wikimedia Commons, situada a nivel del suelo. Observad que el acumulador se encuentra situado en un nivel superior al de los colectores, pocos centímetros, pero suficientes para que se produzca el efecto «termosifón».

Ahora que sabemos cómo trabaja un termosifón, voy a proponer un circuito para que le saquéis todas las pegas que se os ocurran. Si tiene fallos de funcionamiento los corregiremos hasta hacerlo trabajar. También podéis aportar vuestras ideas con objeto de mejorarlo.

Veamos el circuito:

 

 

1   – Panel solar térmico
2   – Vaso de expansión abierto
3   – Intercambiador de calor
4   – Acumulador (calentador eléctrico)
5   – Válvula antiretorno
6   – Válvula de seguridad (3 bar)
7   – Válvula mezcladora
8   – Llave de paso
9   – Válvula reguladora de presión (3 bar)
10 – Llave de vaciado para mantenimiento
11 – Llave de pasoA – Entrada agua fría de la red
B   – Descarga por presión extrema
C   – Vaciado para mantenimiento
D   – Descarga por rebosamiento del vaso de expansión
E   – Entrada de agua fría de la red
F   – Salida de agua caliente sanitaria

Las dos primeras cosas que saltan a la vista es el intercambiador de calor (3) y el acumulador (4). El intercambiador es un circuito que se compra, pero que podemos fabricar nosotros mismos (de momento dejaremos eso para otro momento); su función es aislar el circuito del colector solar del otro circuito de ACS.

Debo decir, que por norma general el intercambiador se encuentra alojado dentro del cuerpo del acumulador, con objeto de calentar el agua que tiene a su alrededor (véase la siguiente ilustración extraida de un esquema general):

 

Como se puede ver, en el interior tiene alojado un serpentín por donde circula el agua caliente del circuito primario del colector solar, el cual está independizado del agua que se mueve por el otro circuito (el que suministra el agua caliente a los distintos servicios). Ambos interactúan, cediendo o aceptando calor, de tal forma que el calor de un circuito pasa al otro sin que los líquidos se toquen físicamente.

Entonces, ¿porqué en el circuito que propongo el intercambiador está fuera del acumulador? Aquí es donde entra en juego la economía, pues en el esquema estoy utilizando un sencillo calentador eléctrico (aunque no funcione, pues sólo lo vamos a usar como depósito). Un acumulador de energía solar quintuplicaría el precio de un calentador eléctrico, pero nosotros podemos solventar ese inconveniente modificando el circuito, y sacando el intercambiador al exterior.

Precisemos, que si el calentador tiene la resistencia eléctrica en buen estado, entonces podemos utilizarlo como apoyo a la energía solar. Por ejemplo, si posicionamos el termostato que posee en 35 ó 40º, nos permitirá precalentar el agua cuando el sol caliente menos. Sin embargo, en un día soleado el panel solar puede suministrar agua a temperaturas muy superiores, y por tanto la resistencia eléctrica ni siquiera se encendería. Esto nos permitiría disponer de ACS en cualquier momento, sea de día o de noche.

Así pues, en nuestro esquema podemos identificar claramente los dos circuitos independientes: el del colector solar (1), el primario del intercambiador (3), con su entrada de agua caliente (3a) y su salida o retorno (3b), además de otros elementos complementarios que veremos más adelante.

Por su parte, el circuito de ACS lo constituyen el secundario del intercambiador (3), con su entrada de agua fría (3d), la salida de agua caliente (3c), el acumulador (4) con su entrada de agua caliente (4a), su salida para suministro (4b), y otros elementos complementarios que también veremos más tarde.

Después de darle muchas vueltas al circuito, creo que no se me ha quedado nada sustancial para que funcione tal y como está diseñado, pero algo ineludible a tener en cuenta para que este montaje funcione de verdad es respetar los niveles de altura de determinados componentes.

Me explico: no olvidemos que queremos hacer funcionar al sistema como termosifón, y por tanto la altura del depósito acumulador tiene que ser superior al del colector para que el agua caliente ascienda y se almacene. Pero, en nuestro caso al encontrarse el intercambiador en el exterior del depósito, nos obliga a crear dos niveles distintos, para hacer funcionar dos sifones igualmente distintos (uno el del colector y otro el del intercambiador). Para ello, tenemos que situar ambos circuitos en rampa, es decir, primero se sitúa el colector solar, seguidamente en un segundo plano más elevado situamos el intercambiador, y finalmente en lo más alto de todo que se pueda situamos el acumulador. Por su parte, el vaso de expansión del circuito lo situaremos por encima del intercambiador, para que actúe por gravedad.

En el esquema, los elementos de ambos termosifones están dibujados con alturas diferentes, para emular tal como serían instalados en su ubicación final. Observad que el colector solar está abajo de todo, en un plano intermedio pero más alto se sitúa el intercambiador, y finalmente arriba de todo se encuentra el depósito acumulador.

La mejor disposición de todos estos elementos sería, por ejemplo, situando el acumulador bajo la cubierta de un desvan o buhardilla (en posicición horizontal para aprovechar la altura y mejorar el efecto termosifón), en un estante por debajo colocaríamos el intercambiador, y finalmente llevaríamos las tuberías de entrada y salida de éste hasta el colector, que colocaríamos en la parte más baja de la cubierta. Si disponemos de un jardín, nada impide colocar el colector a nivel del suelo, y situar el resto de elementos más elevados en otra ubicación al efecto. Véase la siguiente ilustración del ejemplo:

Dicho todo lo anterior, vamos a simular el funcionamiento del montaje. Comencemos por la parte del colector solar: damos por hecho que el circuito del colector está lleno de agua (los sistemas profesionales suelen utilizar otros líquidos, o gases, o vacío, por rendimiento o también para evitar congelaciones, pero nosotros somos más pobres), para ello nos aseguramos que no está cerrada la llave de paso (11) y que el vaso de expansión abierto (2) se ha llenado hasta su cierre automático mediante la válvula que es manejada por la boya que está ubicada en el recipiente.

En presencia de radiación solar, el agua se calentará en el colector (1) y subirá hasta el intercambiador (entrando por 3a), y el agua más fría será empujada hacia abajo (descendiendo por 3b) y retornando al colector, haciendo un circuito cerrado. Si el agua alcanzase temperaturas extremas, se dilataría y subiría hasta el vaso de expansión (2), y una vez recuperada la temperatura el vaso devolvería el agua al circuito, rellenando la que falta con agua de la red a través de la entrada (E).

Entretanto, mientras que en el intercambiador vaya entrando calor, éste es transferido al circuito secundario, siendo recogido entre los puntos (3c) y (3d). Este segundo circuito está lleno de agua de la red, y en consecuencia al calentarse entre esos dos puntos tiende a subir hasta el depósito del acumulador, que se encuentra más alto. Para que exista recirculación, se ha previsto la válvula (5), que es antiretorno, es decir, deja pasar el agua en un sentido pero la bloquea en sentido contrario permitiendo que el agua caliente que entra por (4a), empuje a la fría dentro del acumulador y obligue a ésta a salir por 4b, retornando así a la entrada (3d) del intercambiador. La válvula impide que cuando se abre un grifo y se solicita agua desde algún servicio a través de la salida (F), el agua que entra por (A) no pase en dirección contraria por la válvula (5), lo cual dejaría inutilizado todo el circuito y no cumpliría con su función.

Debido al efecto ya explicado, la acumulación del agua caliente dentro del depósito se realiza en su parte alta, mientras que la fría queda en la más baja. Al instalar el acumulador (estamos hablando de un calentador eléctrico utilizado como tal) hay que tener la precaución de que la toma de ACS de salida (4b) quede encima de la de entrada (4a), ya que en muchos de estos aparatos en el interior del depósito la toma de entrada se prolonga hasta un extremo formando una ligera curva (véase en le dibujo la línea de puntos interna), con objeto de que pueda disponerse en sentido horizontal (tal como se muestra en el esquema) y aspirar el agua de la parte más alta. Ello es debido a que el agua más caliente, como ya se dijo, estará siempre en la parte alta del depósito, que es la que nos interesa obtener para los servicios de ACS.

Otro elemento interesante (el 7). Se trata de una vávula mezcladora. Su función es reducir la temperatura de servicio del agua caliente a un nivel adecuado. Normalmente, cuando abrimos un grifo y el agua nos quema la piel, el acto instintivo es abrir inmediatamente el de agua fría para mezclarla y ajustarla a nuestro gusto (esto es algo habitual en la ducha); con esta válvula automatizaremos el proceso, pudiendo seleccionar la temperatura a la cual nos será servida el agua. No se trata de algo caprichoso, pues ahorraremos mucha energía con este aparato. Observad, que la válvula está situada en el circuito de salida del acumulador, su funcionamiento es el siguiente:

Cuando abrimos un grifo de agua caliente, solicitamos ACS a través de la salida (F), pero la salida 4b del acumulador tiene que pasar a través de la citada válvula, la cual estará tarada a una temperatura concreta, por ejemplo 45º; si el acumulador está suministrando agua a temperatura superior (por ejemplo 60º), la válvula tomará agua de la entrada de red (A) y la mezclará con la caliente para entragarla en la salida (F) a la temperatura de 45º establecida. Esto nos permite ahorrar mucha energía, pues el agua caliente sobrante se queda en el acumulador, en vez de llegar al grifo para que nosotros la mezclemos, y en consecuencia tendremos más agua caliente disponible para otros usos.

Otro componente que podemos ver en el esquema es la vávula de presión (9), su función es mantener todo el circuito de ACS a una presión establecida (la que nosotros seleccionemos en la propia válvula, por ejemplo 3 bar), de esta forma evitamos averías por sobrepresión de la red.

Finalmente, citaré la válvula de seguridad (6), que mantendrá el circuito ACS bajo control por exceso de presión, descargando en caso de emergencia a través de la salida (B).

Sólo me queda hacer un comentario respecto del material de las tuberías: en las partes del intercambiador conviene utilizar cobre (ya veremos en otro artículo cómo construir un intercambiador con tubo recocido de cobre); por su parte, en el resto podemos utilizar tubo PB (polibutileno), que es muy económico, resistente a altas temperaturas y fácil de manejar (son muy flexibles). Recordar que todos los tubos que transporten agua caliente conviene aislarlos con coquillas, lanas de vidrio, plietileno o cualquier otro material aislante, con objeto de que el calor no se pierda por el camino.

En mi próximo artículo veré la forma de aprovechar la energía de la cocina de leña, o la estufa, para apoyar a este circuito solar, y también daré ideas de cómo construirnos algunos de los componentes del circuito que ya hemos visto. Mientras tanto, espero comentarios, críticas y mejoras al circuito.