Luchando contra la crisis energética: Mi sistema solar para ACS

Introducción

Los que ya son asiduos de mis artículos conocen mi interés por el tema del ahorro energético, especialmente en estos tiempos de crisis, y también la búsqueda de opciones de aprovechamiento de las distintas energías que están ahí, a nuestro servicio, y que podemos explotar con un poco de ingenio y maña.

Recordarán mis propuestas para aprovechar las calorías de las cocinas de leña (bilbainas), chimeneas, estufas, etc; y también las obtenidas mediante colectores solares. Pues bien, algo que he observado en muchos comentarios, tanto a mis artículos como a los de otros compañeros de fatigas en estos asuntos e inventos de andar por casa, es la necesidad de almacenar la energía térmica que hemos obtenido mediante alguno de esos sistemas, con objeto de utilizarlos más tarde cuando las fuentes de esas energías ya no estén disponibles o sean insuficientes. Pongo el ejemplo de la energía solar térmica, la cual puede entregarnos una elevada cantidad de energía aprovechable durante el día, pero que no somos capaces de consumir en su totalidad durante las horas de insolación. Lo deseable sería poder conservarla para su uso posterior durante las horas nocturnas.

Otro ejemplo son las cocinas de leña. Al cocinar en ellas se desprende una notable cantidad de calorías que no se aprovechan al 100%, desapareciendo buena parte de ellas a través del tiro de la chimenea. A las estufas le ocurre algo similar.

Los acumuladores de energía térmica

La idea, pues, sería acumular la energía térmica excedente que hemos obtenido mediante algún sistema de captación de fuentes de calor como el sol, para tenerla a disposición cuando esas fuentes no aporten calorías suficientes. En este caso, se trataría de acumular agua caliente sanitaria, que nos serviría para cualquiera de los servicios ACS habituales de un hogar.

Sabemos, que un acumulador de agua caliente no es un producto económico, pero las mentes inquietas siempre buscamos las forma de sortear los inconvenientes. El que disponga de un simple termo eléctrico de agua que ya no utilice, o no funcione, ya tiene un acumulador de agua caliente.
En último extremo, adquirir un termo eléctrico nuevo para utilizarlo sólo como acumulador, es muchas veces más económico que un acumulador expresamente fabricado para esa función, pues podríamos encontrar muchas ofertas que raramente hallaríamos en los acumuladores, al ser éstos productos menos demandados por el mercado doméstico.

Sea un acumulador específico, o sea un termo eléctrico, ambos comparten una misma característica, y es que el depósito que guarda el líquido caliente está muy bien aislado del ambiente exterior mediante materiales que retienen las calorías . Por ese motivo, estos depósitos conservan el agua caliente durante muchas horas aunque haya desaparecido la fuente de calor original.

Esquema de mi instalación solar térmica

Yo me decidí por un sistema solar térmico con circuito abierto. Este sistema es sencillo porque no utiliza serpentines ni circuitos independientes (primario y secundario), en su lugar optamos por un acumulador dotado con las medidas de seguridad habituales (válvula de seguridad de presión y temperatura, válvula antiretorno…), y un colector solar que trabaja de forma directa a la presión de la red. Como acumuladores aproveché dos termos eléctricos de 150 litros cada uno de la marca Geiser, que conseguí a buen precio debido al cierre de la empresa en España.

Esquema de la instalación solar térmica de circuito abierto

He podido ver en internet muchas variantes de este esquema, e incluso cómo los más mañosos han introducido un serpentín en el interior del termo, aprovechando la boca de la resistencia calefactora, inutilizando ésta y convirtiendo el termo en un acumulador con circuito primario.

Lo ideal sería que el circuito del colector fuese independiente de la red, para así evitar que en épocas de heladas quedase inoperativo por congelación del circuito solar. Éste sería para mi el único inconveniente de este sistema, aunque se puede suavizar notablemente el fenómeno utilizando mangas aislantes para las tuberías exteriores y cubriendo el colector durante la temporada en que no se le vaya a dar uso. Por lo demás, si se adopta este sistema nos ahorraremos una buena cantidad de dinero, ya que prescindiremos de algunos componentes que son habitualmente caros, como es el intercambiador.

Como acumuladores utilizo dos termos eléctricos de 150 litros cada uno, que compré a buen precio aprovechando que la casa Geiser cerró su fábrica en España

Para evitar desperdiciar agua caliente, lo ideal es solicitar a los acumuladores agua a la temperatura de consumo. Para ello, he incluido una válvula termostática mezcladora. Esta válvula recibe agua fría de la red por una entrada y agua caliente por la otra; en su salida se obtiene agua a la temperatura que se haya seleccionado en el selector que posee en el cabezal. Lo habitual es seleccionar 38º C, que es la temperatura perfecta para la ducha.

Válvula termostatica mezcladora

El colector solar

El colector solar puede ser también un elemento que podemos fabricar nosotros mismos, utilizando por ejemplo un marco de aluminio o de madera de una ventana vieja, una chapa galvanizada para la parte posterior, aislante de poliuretano, tubo de cobre recocido de 15 mm (que es maleable) para construir el serpentín, y cubrir todo con una lámina de policarbonato o un simple plástico de invernadero. Para las tuberías podemos utilizar PB (polibutileno), que es más económico que el cobre y no necesita soldaduras (las uniones se roscan a mano).

Ilustración de un serpentín, que podemos diseñar nosotros mismos para construir un colector solar plano. Podemos utilizar cobre recocido de 15 mm, que es maleable y nos permite formar las curvas sin tener que cortar, soldar o empatar el cobre mediante codos. 

Aunque el colector de serpentín es de construcción sencilla, no me pareció adecuado realizar los codos sin una herramienta de acodar (si no se curvan con cuidado puede doblar el cobre), así que opté finalmente por construir un colector de tubos paralelos, consistente en una barra emisora y otra colectora entre los cuales van soldados los tubos. Yo utilicé tubos de cobre de 15mm, incluso para las barras emisora y colectora (las barras horizontales inferior y superior).  Los expertos me dirán que estas barras deberían ser de mayor sección (22 mm, por ejemplo), dado que la colectora recibe la suma de todas las aguas de las ramas paralelas. No lo hice así por dos motivos: 1) construyendo todo el conjunto con tubos de 15 mm obtengo un notable ahorro, además de simplificar el montaje al utilizar tes no reductoras; 2) aunque es cierto que la barra colectora recoge la suma de las aguas de cada rama paralela, en este caso no obtendría más rendimiento aumentando su diámetro, pues la tubería de unión con el acumulador es PB de 15mm, por tanto el volumen de agua caliente en movimiento no sería superior. 

Imágenes del colector solar en construcción. Arriba, con los tubos al aire recién soldados. Sobre estas líneas, con la chapa colectora ya instalada y cubierto de cinta de aluminio, pendiente de pintar de negro.

La bomba recirculadora

Para que el agua calentada por el colector solar pueda ser almacenada en los depósitos acumuladores, necesitamos o bien un sistema tipo termosifón, o bien una bomba recirculadora. Como en este proyecto no existe un circuito primario independiente (el agua del colector solar es la misma y está a similar presión que la del agua de red), no podemos utilizar el método de termosifón, pues el agua subiría con mucha dificultad hacia los depósitos debido a las pequeñas diferencias de presión entre la entrada y la salida del colector.

Opté pues por utilizar una bomba recirculadora. El problema, es que este tipo de bombas son habitualmente caras, pues deben estar preparadas para trabajar con agua caliente, a determinadas velocidades y tener un perfecto aislamiento, entre otras características especiales. Así que traté de conseguir alguna bomba de segunda mano, la cual pude adquirir a un instalador vía Internet en buen estado y a un precio muy razonable.

Cuando me dispongo a realizar las conexiones de la bomba a unas tomas de material PB de 1/2 pulgada, me percato que los racor de acople que trae no son en pulgadas, sino en milímetros, lo cual me indica que posiblemente procedía de alguna instalación inglesa. 

Problema: Las conexiones de la bomba tienen rosca de 1.5 pulgadas, pero los racor están en milímetros y no encuentro adaptadores para acoplarlos a las PB de 1/2 pulgada.

La solución me la dieron en la empresa de materiales de construcción García Araujo (http://www.garciaaraujo.com/). Entre Manolo y Amador, dos personas siempre atentas y dispuestas a solucionarme cualquier problema por complicado que sea, se pusieron manos a la obra. Primero intentaron un acople reductor, pero no hallaron ninguna pieza que permitiese una reducción directa entre dos valores tan distantes. Una opción que propusieron era utilizar un machón de 1,5 pulgadas y sucesivas tuercas reductoras hasta llegar a 1/2 pulgada. El problema quedaba resuelto, pero la imagen del conjunto era impresionante: un montón de tuercas unidas a un enorme machón y en medio la pequeña bomba recirculadora. La cosa no terminaba ahí: el precio total de estos materiales era superior al de una bomba totalmente nueva.

Se abandonó esta idea y en su lugar me propusieron algo mucho más económico pero efectivo: utilizar unos racors de hierro fundido de 1,5 pulgadas y una tuerca reductora de latón de 3/4. Todo el conjunto no superaba los 15 euros. Sólo había un pequeño problema, cada racor poseía una superficie saliente circular que tendría que cortar para poder acoplarlo a la bomba. No tuve ninguna dificultad para cortar ese extremo utilizando un disco de corte para metal. Posteriormente lo limé y quedó listo para colocarle una junta de caucho. En la imagen se puede observar el antes y después del corte.

A la derecha, el racor antes del corte. A la izquierda ya realizado el corte y limada la superficie para que pueda acoger una junta de caucho.

La bomba con sus acoples lista para conectarla a los tubos PB.

Y así quedó la bomba recirculadora, con sus acoples laterales de 1.5 pulgadas en hierro fundido, una tuerca reductora de 3/4 a 1/2 pulgada, y las tomas PB de 1/2 a los cuales se unirán sendos tubos PB de 15 mm.

El diferencial electrónico de temperatura

Cuando me propuse acumular agua caliente en un depósito, me encontré con la obvia necesidad de hacer circular el agua calentada entre la fuente de calor y el propio acumulador, lo cual no plantea en principio ningún problema técnico. Se trataría de usar un diferencial electrónico que controlase la marcha de la bomba cuando la temperatura de la fuente fuese superior a la del acumulador, y su parada cuando la temperatura del acumulador se acercase a la de la fuente.

Hasta aquí todo normal, pero cuando me disponía a adquirir el citado diferencial observé con sorpresa los elevados precios de este dispositivo, aún revisando concienzudamente variadas tiendas de suministros del ramo. Me parecieron precios exagerados, porque el circuito de estos dispositivos es tecnológicamente muy simple; cualquiera con apenas conocimientos de electrónica, unos pocos componentes y algo de maña y sentido común podría montar uno de ellos.

En consecuencia, me propuse construir yo mismo ese diferencial, y para ello revisé un buen número de esquemas tanto en internet como en revistas de electrónica, para confirmar el diagrama general que ya tenía en mente. Pero lo único que hallé fueron simples termostatos electrónicos, es decir, circuitos que se limitaban a activar un relé cuando la temperatura de la fuente de calor subía de cierto valor, y que lo desactivaba cuando descendía. Eso no sirve a nuestros propósitos, pues al hacer circular agua caliente hacia un depósito acumulador, necesitamos que el termostato también pueda detener la bomba si el agua caliente acumulada ha alcanzado su máximo valor de temperatura con respecto a la fuente de calor, en otro caso la bomba no se detendría salvo que la fuente cesase, con el consiguiente consumo eléctrico innecesario.

Un diferencial electrónico comercial para energía solar térmica

Así que decidí diseñar, montar y probar yo mismo el diferencial. Será de funciones más sencillas que las del modelo que se muestra en la imagen, pero cumplirá con lo mínimo que se solicita a este tipo de dispositivos, que es controlar el almacenamiento de agua caliente vigilando siempre la diferencia de temperatura entre la fuente de calor y el depósito.

Él circuito

El diferencial que propongo se encarga de controlar la bomba de recirculación, muestreando en todo momento tanto la temperatura de salida del colector solar, como la de retorno del acumulador de agua caliente.

Todos los componentes del diferencial electrónico que propongo son muy económicos y de fácil adquisición. Todo el circuito puede ser alimentado con cualquier voltaje desde 9 a 15 voltios, sólo habría que cambiar el relé por el correspondiente al voltaje aplicado. El esquema que presento funciona con 12 voltios.

Patillaje del integrado LM741

Listado de componentes

R1, R2 – Termistores de 10K
R3, R4 – Resistencias de 10K
R5 – Resistencia de 1Mohm.
Vr1 – Resistencia variable lineal de 10K
D1 – Diodo 1N4001
Q1 – Transistor BD137
RL1 – Relé de 12V
IC1 – Circuito integrado operacional LM741 

El corazón del diferencial es un circuito integrado muy común, el LM741, que podría ser sustituido por cualquier otro operacional de 8 patillas. Este integrado, al igual que todos los operacionales, posee dos entradas marcadas con signo – y +, que se corresponden con la patilla 2 y 3, respectivamente. A estas entradas se les puede aplicar un voltaje de referencia fijo o variable. Así, si mantuviésemos fijo el voltaje de la patilla 2 (marcado con signo –), por ejemplo en 4 voltios, y fuésemos elevando el voltaje de la patilla 3 (marcado con signo +), cuando éste fuese superior a 4 voltios aparecería instantáneamente un voltaje de salida en la patilla 6 que haría conducir al transistor Q1 y activar el relé. Y viceversa, al ir reduciendo el voltaje de la patilla 3, en el momento que descendiese de los 4 voltios desaparecería el voltaje en la salida, y por tanto se desactivaría el relé.

Como este circuito es un diferencial, se produciría el mismo proceso, pero al contrario, si el voltaje fijo de 4 voltios fuese aplicado a la patilla 3, y el voltaje variable a la patilla 2. Por tanto, si antes un mayor voltaje en la patilla 3 hacía que se activara el relé, ahora un mayor voltaje en la patilla 2 hace que se desactive.

El sensor del circuito: el “termistor”

De lo explicado se deduce inmediatamente que, si dispusiéramos de algún dispositivo que nos permitiera hacer corresponder una determinada temperatura con un determinado voltaje, podríamos hacer que una bomba de agua arrancase y parase automáticamente cada vez que una de las temperaturas creciera con respecto a la otra, y viceversa. Eso ya existe, y se llama “termistor”, y va a ser el sensor de nuestro circuito, capaz de identificar la temperatura a la que se encuentra un material o un líquido.

Un termistor no es más que el acrónimo de “term” (termo o temperatura) y “resistor” (resistencia), es decir, una resistencia que varía con la temperatura. Así, un termistor presenta más o menos oposición a la circulación de la corriente (resistencia) dependiendo de la temperatura que se le aplique. Se trata de un componente muy económico (yo adquirí 20 termistores en Asia vía Ebay por menos de 3 euros, transporte incluido).

Los termistores se pueden encontrar en muchos aparatos que seguramente utilizas a diario; por ejemplo, tu PC o tu ordenador portátil tienen un termistor que detecta cuando la temperatura del equipo se eleva por encima de determinado valor, haciendo que arranque un ventilador, o que detenga el equipo si es muy peligroso para su funcionamiento. Los modernos frigoríficos utilizan termistores para saber cuándo deben arrancar o parar el compresor. Tu termómetro electrónico tiene en su extremo un pequeño termistor como sensor de la temperatura del cuerpo. Tu vehículo tiene varios termistores en diferentes partes del motor para controlar el ventilador del radiador, el régimen de ralentí, etc. Y así otros numerosos aparatos, como lavadoras, hornos y calentadores eléctricos, etc.

Termistor NTC de 10K

Hay termistores de coeficiente negativo (NTC) y de coeficiente positivo (PTC). Para este circuito yo utilizo termistores NTC. Eso quiere decir, que si la temperatura aumenta positivamente, la resistencia lo hará negativamente. Por ejemplo, si a 25 grados el termistor presenta una resistencia de 10K (10.000 ohmios) y la temperatura se incrementa a 50 grados, entonces la resistencia se reduce aproximadamente a la mitad (5K). Y viceversa, si la temperatura se reduce a 0 grados, la resistencia aumenta aproximadamente al doble (20K).

Ya sólo nos queda introducir sendos termistores en las entradas positiva y negativa del circuito integrado operacional, equilibrándolos con unas resistencias en serie, y tras un ajuste mediante una resistencia variable ya tendremos nuestro diferencial electrónico listo para funcionar.

Como se puede observar en el esquema, los dos termistores R1 y R2 forman un puente equilibrado junto con sus respectivas resistencias en serie R3 y VR1. Como cada termistor tiene un valor medio de 10K, y cada resistencia en serie es también de unos 10K (la que es variable totalmente girada a su máximo valor), entonces en la unión de ambos componentes habría exactamente la mitad de tensión de la fuente de alimentación; si la fuente es de 12 voltios, habría por consiguiente 6 voltios en cada rama. O sea, el integrado operacional tendría 6 voltios en la patilla 2 y otros 6 voltios en la patilla 3. En esta situación el circuito está equilibrado y el relé estaría desactivado. Pero, como ambas entradas son diferenciales, en el momento que una de esas tensiones creciese o decreciese, activaría o desactivaría el relé, según fuese la rama positiva del integrado o la negativa.
Conectando los contactos del relé a una bomba hidráulica y a la red de 220V, tendríamos un sistema de control por temperatura del almacenamiento de agua caliente, sencillo y barato.

Así me ha quedado el frontal del diferencial, una vez instalado en la caja de un viejo cargador de baterías.

Un diferencial alternativo

Tras varias experiencias con diversos circuitos diferenciales, he diseñado el que presento a continuación. Con un solo componente resistivo variable (VR1) podemos hacer un ajuste global del sistema, y no sólo de una de las ramas del comparador (el comparador se puede ajustar tanto en directa como en inversa a todo lo ancho de los 12 V de la fuente). Además, la etapa de salida es más robusta, al dotar un transistor TIP30A, capaz de pilotar un potente relé de 12V.
PD. En el esquema, por error, figura TIS30A, en vez de TIP30A.

Cualquiera de los dos diferenciales que propongo funcionarán perfectamente, aunque en mi instalación está funcionando éste otro, con muy buenos resultados.

Cómo aplicar todo esto al sistema de acumulación de agua caliente…

De día y con sol nos interesa que el agua caliente del colector sea transportada al acumulador por impulsión mediante una bomba, y que ésta deje de trabajar si la temperatura baja o se hace de noche.

Necesitamos pues, colocar un termistor en la salida del colector solar y otro termistor en el retorno del acumulador. Lo ideal es ajustar la resistencia variable VR1, de forma que la bomba arranque cuando la temperatura en la fuente de calor sea superior a la del agua que hay almacenada en el acumulador. Podemos hacer el ajuste para que el relé se active cuando haya una diferencia de unos 5ºC entre ambas entradas.

Por ejemplo, está naciendo un día con sol, en el acumulador (que se encuentra en un cuarto protegido) hay una temperatura de 25ºC y en el colector hay 15ºC, éste comenzará a calentarse al recibir la radiación solar y cuando alcance una temperatura 5ºC superior a la del acumulador, es decir 30ºC, arrancará la bomba y comenzará a impulsar el agua caliente del colector hacia el acumulador. Con sol, la tendencia del colector solar es aumentar de temperatura (en un día muy caluroso puede alcanzar fácilmente los 100ºC), lo cual hará que el diferencial electrónico mantenga la bomba funcionando para intentar conseguir que el agua del acumulador se acerque lo más posible a la del colector. Cuando el agua caliente almacenada alcance una temperatura con sólo una diferencia de 5ºC con respecto al colector, la bomba se detendrá.

Del mismo modo, si la temperatura del colector se reduce (se oculta el sol o se hace de noche), al sobrepasar los 5ºC de temperatura hacia abajo con respecto al acumulador, hará que la bomba se detenga pues de no hacerlo estaría impulsando agua más fría que la que ya está almacenada. Ejemplo, si se ha conseguido acumular agua a 50ºC, en el momento que el colector solar baje de 55ºC la bomba se detendrá.

Para acoplar los termistores a las tuberías ingenié un sistema que me ha funcionado a la perfección: desoldé las pequeñas cápsulas metálicas de un fusible y las utilicé como recipiente, introduciendo en su interior la pequeña lenteja o cabezuela del termistor encolada con cola de montaje. Posteriormente soldé a las cápsulas una chapita de cobre y les di forma semicircular, para así poder abrazar las tuberías donde deben detectar la temperatura (la salida del colector o la salida del acumulador).

En la imagen se puede observar un fusible al cual desoldé las cápsulas de sus extremos, unos termistores, y dos sensores ya montados con sus correspondientes termistores en el interior de las cápsulas.

Finalmente, indicar que el diferencial nos servirá para cualquier instalación de acumulación de agua caliente, no sólo solar. Por ejemplo, cambiando el colector solar por el serpentín de una cocina de leña, o una estufa, para así captar el calor excedente que desaprovechamos a través de la chimenea.

Cualquier pregunta o aportación al proyecto, dejadlo abajo en un comentario .

Suerte.