Calentamiento solar de agua

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El calentamiento solar de agua ( SWH, por sus siglas en inglés) consiste en calentar agua con la luz solar , utilizando un colector solar térmico . Hay una variedad de configuraciones disponibles a distintos costos para brindar soluciones en diferentes climas y latitudes. Los SWH se utilizan ampliamente para aplicaciones residenciales y algunas industriales. ^{[1] [2]}

Un colector orientado hacia el sol calienta un fluido de trabajo que pasa a un sistema de almacenamiento para su uso posterior. Los sistemas de calefacción solar son activos (bombeados) y pasivos ( accionados por convección ). Utilizan solo agua, o tanto agua como un fluido de trabajo. Se calientan directamente o mediante espejos que concentran la luz. Funcionan de forma independiente o como híbridos con calentadores eléctricos o de gas. ^[3] En instalaciones a gran escala, los espejos pueden concentrar la luz solar en un colector más pequeño. ^{[ ¿Investigación original? ]}

En 2017, la capacidad térmica mundial de agua caliente solar (ACS) es de 472 GW y el mercado está dominado por China , Estados Unidos y Turquía . ^[4] Barbados , Austria , Chipre , Israel y Grecia son los países líderes en capacidad per cápita. ^[4]

Los registros de colectores solares en los Estados Unidos datan de antes de 1900, ^[5] que involucran un tanque pintado de negro montado en un techo. En 1896, Clarence Kemp de Baltimore encerró un tanque en una caja de madera, creando así el primer "calentador de agua por lotes" como se los conoce hoy. Frank Shuman construyó la primera central solar térmica del mundo en Maadi, Egipto , utilizando colectores parabólicos para alimentar un motor de 45 a 52 kilovatios (60 a 70 caballos de fuerza) que bombeaba 23.000 litros (6.000 galones estadounidenses) de agua por minuto desde el río Nilo hasta los campos de algodón adyacentes.

Los colectores de placa plana para calentar agua con energía solar se utilizaron en Florida y el sur de California en la década de 1920. El interés creció en América del Norte después de 1960, pero especialmente después de la crisis del petróleo de 1973 .

La energía solar se utiliza en Australia , Canadá , China , Alemania , India , Israel , Japón , Portugal , Rumania , España , el Reino Unido y los Estados Unidos .

Israel, Chipre y Grecia son los líderes per cápita en el uso de sistemas de calentamiento solar de agua que abastecen entre el 30% y el 40% de los hogares. ^[6]

Los sistemas solares de placa plana se perfeccionaron y utilizaron a gran escala en Israel. En la década de 1950, una escasez de combustible llevó al gobierno a prohibir calentar agua entre las 10 p. m. y las 6 a. m. Levi Yissar construyó el primer prototipo de calentador de agua solar israelí y en 1953 lanzó la empresa NerYah, el primer fabricante comercial de calentadores de agua solares de Israel. ^[7] Los calentadores de agua solares eran utilizados por el 20% de la población en 1967. Después de la crisis energética de la década de 1970, en 1980 Israel exigió la instalación de calentadores de agua solares en todas las casas nuevas (excepto las torres altas con una superficie de techo insuficiente). ^[8] Como resultado, Israel se convirtió en el líder mundial en el uso de energía solar per cápita con el 85% de los hogares que utilizan sistemas solares térmicos (3% del consumo nacional de energía primaria), ^[9] lo que se estima que ahorra al país 2 millones de barriles (320.000 m ³ ) de petróleo al año. ^{[10] [11]}

En 2005, España se convirtió en el primer país del mundo en exigir la instalación de generación de electricidad fotovoltaica en edificios nuevos, y el segundo (después de Israel) en exigir la instalación de sistemas de calentamiento solar de agua, en 2006. ^[12]

Después de 1960, los sistemas se comercializaron en Japón. ^[5]

Australia tiene una variedad de regulaciones nacionales y estatales para la energía solar térmica, comenzando con MRET en 1997. ^{[13] [14] [15]}

Los sistemas de calentamiento solar de agua son populares en China, donde los modelos básicos cuestan alrededor de 1.500 yuanes (235 dólares estadounidenses), alrededor de un 80% menos que en los países occidentales para un tamaño de colector determinado. Al menos 30 millones de hogares chinos tienen uno. La popularidad se debe a los eficientes tubos de vacío que permiten que los calentadores funcionen incluso bajo cielos grises y a temperaturas muy por debajo del punto de congelación. ^[16]

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El tipo, la complejidad y el tamaño de un sistema de calentamiento solar de agua están determinados principalmente por:

• Cambios en la temperatura ambiente y la radiación solar entre verano e invierno
• Cambios en la temperatura ambiente durante el ciclo día-noche
• Posibilidad de sobrecalentamiento o congelamiento del agua potable o del fluido colector

Los requisitos mínimos del sistema suelen estar determinados por la cantidad o la temperatura del agua caliente necesaria durante el invierno, cuando la temperatura del agua de salida y de entrada del sistema suele ser la más baja. La salida máxima del sistema está determinada por la necesidad de evitar que el agua del sistema se caliente demasiado.

Las medidas de protección contra el congelamiento evitan que el sistema sufra daños debido a la expansión del fluido de transferencia de calor. Los sistemas de drenaje por reflujo drenan el fluido de transferencia del sistema cuando la bomba se detiene. Muchos sistemas indirectos utilizan anticongelante (por ejemplo, propilenglicol ) en el fluido de transferencia de calor.

En algunos sistemas directos, los colectores se pueden vaciar manualmente cuando se prevén heladas. Este método es común en climas donde las temperaturas de congelación no se producen con frecuencia, pero puede ser menos confiable que un sistema automático, ya que depende de un operador.

El tercer tipo de protección contra la congelación es la tolerancia a la congelación, en la que las tuberías de agua de baja presión hechas de caucho de silicona simplemente se expanden al congelarse. Uno de estos colectores ahora cuenta con la acreditación European Solar Keymark.

Cabe destacar que, si bien la necesidad de protección contra la congelación ha sido tradicionalmente un factor de complicación, los sistemas que utilizan colectores de tubos de vacío se pueden utilizar en climas con heladas moderadas sin necesidad de drenaje ni anticongelante. Esto se debe a que un sistema de tubos de vacío solo tiene agua en el colector con aislamiento térmico, no en los propios tubos de vacío. El controlador también proporciona protección adicional: si la temperatura del colector cae por debajo de un valor establecido (normalmente de 2 a 4 °C), la bomba de circulación se enciende automáticamente durante un breve período para pasar agua más caliente al colector.

Cuando no se utiliza agua caliente durante uno o dos días, el fluido en los colectores y el acumulador puede alcanzar altas temperaturas en todos los sistemas que no son de "retorno". Cuando el tanque de almacenamiento en un sistema de "retorno" alcanza la temperatura deseada, las bombas se detienen, terminando el proceso de calentamiento y evitando así que el tanque de almacenamiento se sobrecaliente.

Algunos sistemas activos enfrían deliberadamente el agua del tanque de almacenamiento haciendo circular agua caliente a través del colector en momentos en que hay poca luz solar o por la noche, perdiendo calor. Esto es más eficaz en las tuberías de almacenamiento térmico o directo y es prácticamente ineficaz en los sistemas que utilizan colectores de tubos de vacío, debido a su aislamiento superior. Cualquier tipo de colector puede sobrecalentarse. Los sistemas solares térmicos sellados de alta presión dependen en última instancia del funcionamiento de válvulas de alivio de temperatura y presión . Los calentadores de baja presión con ventilación abierta tienen controles de seguridad más simples y confiables, generalmente una ventilación abierta.

Los diseños simples incluyen una simple caja aislada con tapa de vidrio con un absorbedor solar plano hecho de chapa de metal de color oscuro, unido a tubos de intercambiador de calor de cobre , o un conjunto de tubos de metal rodeados por un cilindro de vidrio evacuado (casi al vacío). En casos industriales, un espejo parabólico puede concentrar la luz solar en el tubo. El calor se almacena en un tanque de almacenamiento de agua caliente . El volumen de este tanque debe ser mayor con sistemas de calefacción solar para compensar el mal tiempo ^{[ aclaración necesaria ]} y porque la temperatura final óptima para el colector solar ^{[ aclaración necesaria ]} es menor que un calentador de inmersión o combustión típico. El fluido de transferencia de calor (HTF) para el absorbedor puede ser agua, pero más comúnmente (al menos en sistemas activos) es un circuito separado de fluido que contiene anticongelante y un inhibidor de corrosión entrega calor al tanque a través de un intercambiador de calor (comúnmente una bobina de tubería de intercambiador de calor de cobre dentro del tanque). El cobre es un componente importante en los sistemas de calefacción y refrigeración solares térmicos debido a su alta conductividad térmica, resistencia a la corrosión atmosférica y del agua, sellado y unión por soldadura y resistencia mecánica. El cobre se utiliza tanto en receptores como en circuitos primarios (tuberías e intercambiadores de calor para tanques de agua). ^[17]

El "drenaje hacia atrás" es otro concepto que requiere menos mantenimiento. ^[18] No se necesita anticongelante; en su lugar, todas las tuberías están inclinadas para que el agua se drene hacia el tanque. El tanque no está presurizado y funciona a presión atmosférica. Tan pronto como se apaga la bomba, el flujo se invierte y las tuberías se vacían antes de que pueda producirse la congelación.

Las instalaciones térmicas solares residenciales se dividen en dos grupos: sistemas pasivos (a veces denominados "compactos") y activos (a veces denominados "bombeados"). Ambos suelen incluir una fuente de energía auxiliar (elemento calefactor eléctrico o conexión a un sistema de calefacción central de gas o fueloil) que se activa cuando el agua del depósito desciende por debajo de una temperatura mínima, lo que garantiza que siempre haya agua caliente disponible. La combinación del calentamiento solar del agua y el calor de reserva de una chimenea de estufa de leña ^[19] puede permitir que un sistema de agua caliente funcione todo el año en climas más fríos, sin que el requisito de calor suplementario de un sistema de calentamiento solar del agua se satisfaga con combustibles fósiles o electricidad.

Cuando se utilizan juntos un sistema de calefacción central de agua caliente y un sistema de calentamiento solar de agua, el calor solar se concentrará en un tanque de precalentamiento que alimenta el tanque calentado por la calefacción central , o bien el intercambiador de calor solar reemplazará el elemento de calentamiento inferior y el elemento superior permanecerá para proporcionar calor complementario. Sin embargo, la necesidad principal de calefacción central es por la noche y en invierno, cuando la ganancia solar es menor. Por lo tanto, el calentamiento solar de agua para lavar y bañarse es a menudo una mejor aplicación que la calefacción central porque la oferta y la demanda están mejor adaptadas. En muchos climas, un sistema de agua caliente solar puede proporcionar hasta el 85% de la energía de agua caliente doméstica. Esto puede incluir sistemas térmicos solares de concentración no eléctricos domésticos. En muchos países del norte de Europa, se utilizan sistemas combinados de agua caliente y calefacción de espacios ( combisistemas solares ) para proporcionar entre el 15 y el 25% de la energía de calefacción doméstica. Cuando se combina con el almacenamiento , la calefacción solar a gran escala puede proporcionar entre el 50 y el 97% del consumo anual de calor para la calefacción urbana . ^{[20] [21]}

Los sistemas de circuito abierto o directo hacen circular agua potable a través de los colectores. Son relativamente económicos. Entre sus desventajas se incluyen:

• Ofrecen poca o ninguna protección contra el sobrecalentamiento a menos que tengan una bomba de exportación de calor.
• Ofrecen poca o ninguna protección contra la congelación, a menos que los colectores sean tolerantes a la congelación o sean del tipo de tubo de vacío.
• Los colectores acumulan sarro en zonas de agua dura, a menos que se utilice un suavizante de intercambio iónico.

La aparición de diseños resistentes a las heladas amplió el mercado de los sistemas de calefacción solar a climas más fríos. En condiciones de congelación, los modelos anteriores se dañaban cuando el agua se convertía en hielo y se rompían uno o más componentes.

Los sistemas indirectos o de circuito cerrado utilizan un intercambiador de calor para transferir calor desde el fluido de transferencia de calor (HTF) al agua potable. El HTF más común es una mezcla de anticongelante y agua que normalmente utiliza propilenglicol no tóxico . Después de calentarse en los paneles, el HTF viaja al intercambiador de calor, donde su calor se transfiere al agua potable. Los sistemas indirectos ofrecen protección contra el congelamiento y, por lo general, protección contra el sobrecalentamiento.

Los sistemas pasivos se basan en la convección impulsada por el calor o en tubos de calor para hacer circular el fluido de trabajo. Los sistemas pasivos cuestan menos y requieren poco o ningún mantenimiento, pero son menos eficientes. El sobrecalentamiento y la congelación son preocupaciones importantes.

Los sistemas activos utilizan una o más bombas para hacer circular el agua y/o el fluido calefactor . Esto permite una gama mucho más amplia de configuraciones del sistema.

Los sistemas de bombeo son más costosos de adquirir y de operar, pero funcionan con mayor eficiencia y se pueden controlar con mayor facilidad.

Los sistemas activos cuentan con controladores con funciones como interacción con un calentador de agua eléctrico o a gas de respaldo, cálculo y registro de la energía ahorrada, funciones de seguridad, acceso remoto y pantallas informativas.

Un sistema de almacenamiento con colector integrado (ICS o calentador por lotes) utiliza un tanque que actúa como almacenamiento y colector. Los calentadores por lotes son tanques delgados y rectilíneos con un lado de vidrio orientado hacia el sol al mediodía . Son simples y menos costosos que los colectores de placas y tubos, pero pueden requerir soportes si se instalan en un techo (para soportar entre 400 y 700 lb (180 y 320 kg) de agua), sufren una pérdida de calor significativa por la noche ya que el lado que mira al sol está en gran parte sin aislamiento y solo son adecuados en climas moderados.

Un sistema de unidad de almacenamiento de calor por convección (CHS) es similar a un sistema ICS, excepto que el tanque de almacenamiento y el colector están separados físicamente y la transferencia entre los dos es impulsada por convección. Los sistemas CHS suelen utilizar colectores de tubo de vacío o de placa plana estándar. El tanque de almacenamiento debe estar ubicado por encima de los colectores para que la convección funcione correctamente. El principal beneficio de los sistemas CHS sobre los sistemas ICS es que se evita en gran medida la pérdida de calor, ya que el tanque de almacenamiento se puede aislar por completo. Dado que los paneles están ubicados debajo del tanque de almacenamiento, la pérdida de calor no causa convección, ya que el agua fría permanece en la parte más baja del sistema.

Los sistemas anticongelantes presurizados utilizan una mezcla de anticongelante (casi siempre propilenglicol de baja toxicidad) y agua para HTF con el fin de evitar daños por congelación.

Aunque son eficaces para prevenir daños por congelación, los sistemas anticongelantes tienen desventajas:

• Si el HTF se calienta demasiado, el glicol se degrada en ácido y luego no proporciona protección contra el congelamiento y comienza a disolver los componentes del circuito solar.
• Los sistemas sin tanques de drenaje deben hacer circular el HTF, independientemente de la temperatura del tanque de almacenamiento, para evitar que se degrade. Las temperaturas excesivas en el tanque provocan una mayor acumulación de sarro y sedimentos, posibles quemaduras graves si no se instala una válvula de templado y, si se utiliza para almacenamiento, posible falla del termostato.
• El HTF de glicol/agua debe reemplazarse cada 3 a 8 años, dependiendo de las temperaturas que haya experimentado.
• Algunas jurisdicciones exigen intercambiadores de calor de doble pared, más costosos, aunque el propilenglicol es poco tóxico.
• Aunque el HTF contiene glicol para evitar la congelación, hace circular agua caliente desde el tanque de almacenamiento hacia los colectores a bajas temperaturas (por ejemplo, por debajo de 40 °F (4 °C)), lo que provoca una pérdida de calor sustancial.

Un sistema de drenaje es un sistema indirecto activo en el que el HTF (normalmente agua pura) circula a través del colector, impulsado por una bomba. La tubería del colector no está presurizada e incluye un depósito de drenaje abierto que se encuentra en un espacio acondicionado o semiacondicionado. El HTF permanece en el depósito de drenaje a menos que la bomba esté funcionando y regresa allí (vaciando el colector) cuando la bomba se apaga. El sistema colector, incluida la tubería, debe drenar por gravedad hacia el tanque de drenaje. Los sistemas de drenaje no están sujetos a congelamiento ni sobrecalentamiento. La bomba funciona solo cuando es apropiado para la recolección de calor, pero no para proteger el HTF, lo que aumenta la eficiencia y reduce los costos de bombeo. ^[22]

Los planos de sistemas de calentamiento solar de agua están disponibles en Internet. ^[23] Los sistemas de calentamiento solar de agua caseros suelen ser más baratos que los comerciales y se utilizan tanto en el mundo desarrollado como en el mundo en desarrollo. ^{[24] [25]}

Característica	ICS (lote)	Termosifón	Activo directo	Activo indirecto	Drenaje inverso	Bomba de burbujas
Perfil bajo, discreto			Y	Y	Y	Y
Colector ligero			Y	Y	Y	Y
Sobrevive al clima gélido			Y	Y	Y	Y
Bajo mantenimiento	Y	Y	Y		Y	Y
Simple: sin control auxiliar	Y	Y				Y
Potencial de modernización de una tienda existente			Y	Y	Y	Y
Ahorro de espacio: no necesita tanque de almacenamiento adicional	Y	Y
Comparación de sistemas de calefacción solar. Fuente: Conceptos básicos del calentamiento solar de agua—homepower.com [26]

Los colectores solares térmicos capturan y retienen el calor del sol y lo utilizan para calentar un líquido. ^[27] Dos principios físicos importantes rigen la tecnología de los colectores solares térmicos:

• Cualquier objeto caliente finalmente vuelve al equilibrio térmico con su entorno, debido a la pérdida de calor por conducción , convección y radiación. ^[28] La eficiencia (la proporción de energía térmica retenida durante un período de tiempo predefinido) está directamente relacionada con la pérdida de calor de la superficie del colector. La convección y la radiación son las fuentes más importantes de pérdida de calor. El aislamiento térmico se utiliza para ralentizar la pérdida de calor de un objeto caliente. Esto sigue la segunda ley de la termodinámica (el "efecto de equilibrio").
• El calor se pierde más rápidamente si la diferencia de temperatura entre un objeto caliente y su entorno es mayor. La pérdida de calor está determinada predominantemente por el gradiente térmico entre la superficie del colector y las temperaturas ambientales. La conducción, la convección y la radiación se producen más rápidamente en gradientes térmicos grandes ^[28] (el efecto delta- t ).

Los colectores de placa plana son una extensión de la idea de colocar un colector en una caja tipo "horno" con vidrio orientado directamente hacia el sol. ^[29] La mayoría de los colectores de placa plana tienen dos tubos horizontales en la parte superior e inferior, llamados colectores, y muchos tubos verticales más pequeños que los conectan, llamados elevadores. Los elevadores están soldados (o conectados de manera similar) a delgadas aletas absorbentes. El fluido de transferencia de calor (agua o mezcla de agua y anticongelante) se bombea desde el tanque de almacenamiento de agua caliente o intercambiador de calor hasta el colector inferior de los colectores, y viaja hacia arriba por los elevadores, recolectando calor de las aletas absorbentes, y luego sale del colector por el colector superior. Los colectores de placa plana serpentina difieren ligeramente de este diseño de "arpa" y, en su lugar, utilizan un solo tubo que sube y baja por el colector. Sin embargo, dado que no se les puede drenar el agua correctamente, los colectores de placa plana serpentina no se pueden usar en sistemas de drenaje.

El tipo de vidrio que se utiliza en los colectores de placa plana es casi siempre vidrio templado con bajo contenido de hierro . Este tipo de vidrio puede soportar granizos importantes sin romperse, lo que es una de las razones por las que los colectores de placa plana se consideran el tipo de colector más duradero.

Los colectores no vidriados o formados son similares a los colectores de placa plana, excepto que no están aislados térmicamente ni protegidos físicamente por un panel de vidrio. En consecuencia, estos tipos de colectores son mucho menos eficientes cuando la temperatura del agua supera la temperatura del aire ambiente. Para aplicaciones de calentamiento de piscinas, el agua que se va a calentar suele estar más fría que la temperatura ambiente del techo, en cuyo caso la falta de aislamiento térmico permite que se extraiga calor adicional del entorno circundante. ^[30]

Los colectores de tubos de vacío (ETC) son una forma de reducir la pérdida de calor, ^[29] inherente a las placas planas. Dado que la pérdida de calor debido a la convección no puede atravesar el vacío, forma un mecanismo de aislamiento eficiente para mantener el calor dentro de los tubos del colector. ^[31] Dado que dos láminas de vidrio planas generalmente no son lo suficientemente fuertes como para soportar el vacío, el vacío se crea entre dos tubos concéntricos. El tubo interior está recubierto con un absorbente térmico. ^[32] La vida útil del vacío varía de un colector a otro, de 5 a 15 años.

Además, los tubos de vacío contienen un sistema interno muy eficiente para transferir calor desde los tubos al agua en el cabezal en la parte superior del conjunto. Este consta de un tubo de cobre parcialmente lleno de un líquido volátil, sellado en ambos extremos y que corre por el centro del tubo. El extremo superior de este tubo se conecta a un receptáculo en el cabezal (lleno de agua). El calor absorbido por el tubo de vacío hace que parte del líquido volátil en el tubo de cobre se evapore y pase al cabezal. En el cabezal, el gas se condensa, liberando calor allí, y el líquido vuelve a bajar por el interior del tubo. Dado que los tubos de vacío en sí no contienen agua, no son vulnerables a la congelación. El agua pasa solo a través del cabezal aislado térmicamente y, en climas con heladas moderadas, no se requiere un sistema de drenaje.

También vale la pena señalar que, dado que los ETC están (también) expuestos en la parte inferior: cuando se instalan elevados del techo (como en la ilustración), capturarán no solo el calor directo desde arriba, sino también el calor irradiado desde el techo circundante en la parte inferior.

Los colectores de placa plana son generalmente más eficientes que los ETC en condiciones de pleno sol. Sin embargo, la producción de energía de los colectores de placa plana se reduce ligeramente más que los ETC en condiciones nubladas o de frío extremo. ^[29] La mayoría de los ETC están hechos de vidrio recocido, que es susceptible al granizo , fallando debido a partículas del tamaño aproximado de una pelota de golf. Los ETC hechos de "vidrio de coque", que tiene un tinte verde, son más fuertes y tienen menos probabilidades de perder su vacío, pero la eficiencia se reduce ligeramente debido a la menor transparencia. Los ETC pueden recolectar energía del sol durante todo el día en ángulos bajos debido a su forma tubular. ^[33]

Una forma de alimentar un sistema activo es mediante un panel fotovoltaico (PV) . Para garantizar el rendimiento y la longevidad adecuados de la bomba, la bomba (CC) y el panel fotovoltaico deben estar adecuadamente emparejados. Aunque una bomba alimentada por energía fotovoltaica no funciona de noche, el controlador debe asegurarse de que la bomba no funcione cuando hay sol y el agua del colector no está lo suficientemente caliente.

Las bombas fotovoltaicas ofrecen las siguientes ventajas:

• Instalación y mantenimiento más sencillos y económicos
• El exceso de producción fotovoltaica se puede utilizar para el consumo eléctrico doméstico o devolver a la red.
• Puede deshumidificar el espacio habitable ^[34]
• Puede funcionar durante un corte de energía.
• Evita el consumo de carbono por el uso de bombas alimentadas por la red eléctrica

Una bomba de burbujas (también conocida como bomba de géiser) es adecuada para sistemas de paneles planos y de tubos de vacío. En un sistema de bomba de burbujas, el circuito cerrado de HTF está bajo presión reducida, lo que hace que el líquido hierva a baja temperatura a medida que el sol lo calienta. Las burbujas de vapor forman un géiser, lo que provoca un flujo ascendente. Las burbujas se separan del fluido caliente y se condensan en el punto más alto del circuito, después de lo cual el fluido fluye hacia abajo hacia el intercambiador de calor causado por la diferencia en los niveles de fluido. ^{[35] [36] [37]} El HTF generalmente llega al intercambiador de calor a 70 °C y regresa a la bomba de circulación a 50 °C. El bombeo generalmente comienza a aproximadamente 50 °C y aumenta a medida que sale el sol hasta que se alcanza el equilibrio.

Un controlador diferencial detecta las diferencias de temperatura entre el agua que sale del colector solar y el agua del tanque de almacenamiento cerca del intercambiador de calor. El controlador pone en marcha la bomba cuando el agua del colector es entre 8 y 10 °C más caliente que el agua del tanque, y la detiene cuando la diferencia de temperatura alcanza los 3-5 °C. Esto garantiza que el agua almacenada siempre gane calor cuando la bomba funciona y evita que la bomba se encienda y apague excesivamente. (En los sistemas directos, la bomba se puede activar con una diferencia de alrededor de 4 °C porque no tienen intercambiador de calor).

El colector más sencillo es un depósito metálico lleno de agua situado en un lugar soleado. El sol calienta el depósito. Así funcionaban los primeros sistemas. ^[5] Esta configuración sería ineficiente debido al efecto de equilibrio: en cuanto comienza a calentarse el depósito y el agua, el calor obtenido se pierde hacia el medio ambiente y esto continúa hasta que el agua del depósito alcanza la temperatura ambiente. El reto es limitar la pérdida de calor.

• El tanque de almacenamiento se puede ubicar más abajo que los colectores, lo que permite una mayor libertad en el diseño del sistema y permite utilizar tanques de almacenamiento preexistentes.
• El tanque de almacenamiento se puede ocultar de la vista.
• El tanque de almacenamiento se puede colocar en un espacio acondicionado o semi acondicionado, reduciendo la pérdida de calor.
• Se pueden utilizar tanques de drenaje.

Los colectores ICS o por lotes reducen la pérdida de calor aislando térmicamente el tanque. ^{[29] [38]} Esto se logra encerrando el tanque en una caja con tapa de vidrio que permite que el calor del sol llegue al tanque de agua. ^[39] Las otras paredes de la caja están aisladas térmicamente, lo que reduce la convección y la radiación. ^[40] La caja también puede tener una superficie reflectante en el interior. Esto refleja el calor perdido del tanque hacia el tanque. De manera simple, se podría considerar un calentador de agua solar ICS como un tanque de agua que ha sido encerrado en un tipo de "horno" que retiene el calor del sol, así como el calor del agua en el tanque. El uso de una caja no elimina la pérdida de calor del tanque al medio ambiente, pero reduce en gran medida esta pérdida.

Los colectores ICS estándar tienen una característica que limita fuertemente la eficiencia del colector: una pequeña relación superficie-volumen. ^[41] Dado que la cantidad de calor que un tanque puede absorber del sol depende en gran medida de la superficie del tanque expuesta directamente al sol, se deduce que el tamaño de la superficie define el grado en que el agua puede ser calentada por el sol. Los objetos cilíndricos como el tanque en un colector ICS tienen una relación superficie-volumen inherentemente pequeña. Los colectores intentan aumentar esta relación para calentar el agua de manera eficiente. Las variaciones de este diseño básico incluyen colectores que combinan contenedores de agua más pequeños y tecnología de tubos de vidrio evacuados, un tipo de sistema ICS conocido como colector de lotes de tubos evacuados (ETB). ^[29]

Los colectores solares de tipo ETSC pueden resultar más útiles que otros colectores solares durante la temporada de invierno. Los colectores solares de tipo ETSC pueden utilizarse para calefacción y refrigeración en industrias como la farmacéutica, la papelera, la del cuero y la textil, y también en viviendas, hospitales, residencias de ancianos, hoteles, piscinas, etc.

Un ETC puede funcionar en un rango de temperaturas desde media a alta para agua caliente solar, piscinas, aire acondicionado y cocina solar.

El rango de temperatura operativa más alto de los ETC (hasta 200 °C (392 °F)) los hace adecuados para aplicaciones industriales como generación de vapor, motores térmicos y secado solar.

Para calentar piscinas se utilizan sistemas de cubierta de piscina flotante y STC separados.

Los sistemas de cobertura de piscinas, ya sean láminas sólidas o discos flotantes, actúan como aislante y reducen la pérdida de calor. Gran parte de la pérdida de calor se produce por evaporación, y el uso de una cubierta la ralentiza.

Los colectores de temperatura diferencial para uso en piscinas con agua no potable suelen estar fabricados de plástico. El agua de la piscina es ligeramente corrosiva debido al cloro. El agua circula a través de los paneles utilizando el filtro de piscina existente o una bomba complementaria. En entornos templados, los colectores de plástico sin esmaltar son más eficientes como sistema directo. En entornos fríos o ventosos, se utilizan tubos de vacío o placas planas en una configuración indirecta junto con un intercambiador de calor. Esto reduce la corrosión. Se utiliza un controlador de temperatura diferencial bastante simple para dirigir el agua a los paneles o al intercambiador de calor, ya sea girando una válvula o haciendo funcionar la bomba. Una vez que el agua de la piscina ha alcanzado la temperatura requerida, se utiliza una válvula desviadora para devolver el agua directamente a la piscina sin calentarla. ^[42] Muchos sistemas están configurados como sistemas de drenaje en los que el agua se drena hacia la piscina cuando se apaga la bomba de agua.

Los paneles colectores se suelen montar en un tejado cercano o en el suelo sobre un bastidor inclinado. Debido a la baja diferencia de temperatura entre el aire y el agua, los paneles suelen estar formados por colectores o colectores de placa plana sin esmaltar. Una regla empírica sencilla para la superficie de panel necesaria es el 50% de la superficie de la piscina. ^[42] Esto es para zonas donde las piscinas se utilizan solo en la temporada de verano. Añadir colectores solares a una piscina exterior convencional, en un clima frío, normalmente puede prolongar el uso confortable de la piscina durante meses o más si se utiliza una cubierta aislante. ^[30] Cuando se dimensionan con una cobertura del 100%, la mayoría de los sistemas de agua caliente solar son capaces de calentar una piscina desde tan solo 4 °C para una piscina expuesta al viento, hasta tanto como 10 °C para una piscina protegida del viento cubierta de forma constante con una manta solar para piscina. ^[43]

Se puede utilizar un programa de análisis activo del sistema de energía solar para optimizar el sistema de calentamiento solar de la piscina antes de construirlo.

La cantidad de calor que proporciona un sistema de calentamiento solar de agua depende principalmente de la cantidad de calor que proporciona el sol en un lugar determinado ( insolación ). En los trópicos, la insolación puede ser relativamente alta, por ejemplo, 7 kWh/m2 ^al día, frente a, por ejemplo, 3,2 kWh/m2 ^al día en las zonas templadas . Incluso en la misma latitud, la insolación media puede variar mucho de un lugar a otro debido a las diferencias en los patrones climáticos locales y la cantidad de cielo nublado. Hay calculadoras disponibles para estimar la insolación en un sitio. ^{[44] [45] [46]}

A continuación se muestra una tabla que ofrece una indicación aproximada de las especificaciones y la energía que se podría esperar de un sistema de calentamiento solar de agua que incluya aproximadamente 2 m2 ^de área de absorción del colector, que muestra dos sistemas de calentamiento solar de agua con tubos de vacío y tres con placas planas. Se utiliza información de certificación o cifras calculadas a partir de esos datos. Las dos filas inferiores ofrecen estimaciones de la producción diaria de energía (kWh/día) para un escenario tropical y uno templado . Estas estimaciones son para calentar agua a 50 °C por encima de la temperatura ambiente.

En la mayoría de los sistemas de calentamiento solar de agua, la producción de energía aumenta linealmente con el área de superficie del colector. ^[47]

Las cifras son bastante similares entre los colectores anteriores, produciendo unos 4 kWh/día en un clima templado y unos 8 kWh/día en un clima tropical cuando se utiliza un colector con un absorbedor de 2 m2 ^. En el escenario templado , esto es suficiente para calentar 200 litros de agua en unos 17 °C. En el escenario tropical, el calentamiento equivalente sería de unos 33 °C. Muchos sistemas de termosifón tienen una producción de energía comparable a los sistemas activos equivalentes. La eficiencia de los colectores de tubos de vacío es algo menor que la de los colectores de placa plana porque los absorbedores son más estrechos que los tubos y estos tienen espacio entre ellos, lo que da como resultado un porcentaje significativamente mayor de área total de colector inactivo. Algunos métodos de comparación ^[48] calculan la eficiencia de los colectores de tubos de vacío basándose en el área real del absorbedor y no en el espacio ocupado como se ha hecho en la tabla anterior. La eficiencia se reduce a temperaturas más altas.

En lugares soleados y cálidos, donde no es necesaria la protección contra el congelamiento, un calentador de agua solar de tipo ICS (por lotes) puede resultar rentable. ^[40] En latitudes más altas, los requisitos de diseño para climas fríos aumentan la complejidad y el costo del sistema. Esto aumenta los costos iniciales , pero no los costos del ciclo de vida. Por lo tanto, la consideración más importante es el gran desembolso financiero inicial de los sistemas de calentamiento solar de agua. ^[49] Compensar este gasto puede llevar años. ^[50] El período de recuperación es más largo en entornos templados. ^[51] Dado que la energía solar es gratuita, los costos operativos son pequeños. En latitudes más altas, los calentadores solares pueden ser menos efectivos debido a una menor insolación, posiblemente requiriendo sistemas de calefacción más grandes y/o duales. ^[51] En algunos países, los incentivos gubernamentales pueden ser significativos.

Los factores de costo (positivos y negativos) incluyen:

• Precio del calentador de agua solar (los sistemas más complejos son más caros)
• Eficiencia
• Costo de instalación
• Electricidad utilizada para bombeo
• Precio del combustible para calentar agua (por ejemplo, gas o electricidad) ahorrado por kWh
• Cantidad de combustible para calentar agua utilizado
• Subsidio gubernamental inicial y/o recurrente
• Costo de mantenimiento (por ejemplo, reemplazo de anticongelante o bombas)
• Ahorro en mantenimiento del sistema convencional de calentamiento de agua (eléctrico/gas/gasoil)

Los tiempos de recuperación pueden variar mucho debido a la luz solar regional, los costos adicionales debido a las necesidades de protección contra heladas de los colectores, el uso de agua caliente doméstica, etc. Por ejemplo, en el centro y sur de Florida, el período de recuperación podría ser fácilmente de 7 años o menos en lugar de los 12,6 años indicados en el gráfico para los Estados Unidos. ^[52]

Costes y periodos de amortización de los sistemas residenciales de calefacción solar con ahorros de 200 kWh/mes (según datos de 2010), excluidos los costes de mantenimiento, subvenciones y costes de instalación

País	Divisa	Costo del sistema	Subvención(%)	Costo efectivo	Coste de la electricidad/kWh	Ahorro de electricidad/mes	Periodo de recuperación(y)
Brasil	BRL	2500 [53]	0	2500	0,25	50	4.2
Sudáfrica	ZAR	14000	15 [54]	11900	0.9	180	5.5
Australia	Dólar australiano	5000 [55]	40 [56]	3000	0,18 [57]	36	6.9
Bélgica	EUR	4000 [58]	50 [59]	2000	0,1 [60]	20	8.3
Estados Unidos	Dólar estadounidense	5000 [61]	30 [62]	3500	0,1158 [63]	23.16	12.6
Reino Unido	GBP	4800 [64]	0	4800	0,11 [65]	22	18.2

El período de recuperación de la inversión es más corto si la insolación es mayor. Sin embargo, incluso en áreas templadas, el calentamiento solar del agua es rentable. Históricamente, el período de recuperación de la inversión de los sistemas fotovoltaicos ha sido mucho más largo. ^[51] Los costos y el período de recuperación de la inversión son más cortos si no se requiere un sistema complementario o de respaldo. ^[50] Por lo tanto, se extiende el período de recuperación de dicho sistema.

Australia opera un sistema de créditos de energía renovable, basado en objetivos nacionales de energía renovable. ^[56]

La Iniciativa de Vecindarios Solares de Toronto ofrece subsidios para la compra de unidades de calentamiento solar de agua. ^[66]

La fuente de electricidad en un sistema de calefacción solar activa determina el grado en que un sistema contribuye al carbono atmosférico durante su funcionamiento. Los sistemas solares térmicos activos que utilizan la red eléctrica para bombear el fluido a través de los paneles se denominan "sistemas solares de bajo carbono". En la mayoría de los sistemas, el bombeo reduce el ahorro de energía en un 8% aproximadamente y el ahorro de carbono de la energía solar en un 20% aproximadamente. ^[67] Sin embargo, las bombas de baja potencia funcionan con 1-20 W. ^{[68] [69]} Suponiendo un panel colector solar que suministre 4 kWh/día y una bomba que funcione de forma intermitente con la red eléctrica durante un total de 6 horas durante un día soleado de 12 horas, el efecto potencialmente negativo de dicha bomba se puede reducir a aproximadamente el 3% del calor producido.

Sin embargo, los sistemas solares térmicos activos alimentados con energía fotovoltaica suelen utilizar un panel fotovoltaico de 5 a 30 W y una bomba de diafragma o centrífuga pequeña y de bajo consumo para hacer circular el agua, lo que reduce la huella de carbono y de energía operativa.

Los sistemas de bombeo alternativos no eléctricos pueden emplear expansión térmica y cambios de fase de líquidos y gases.

Se pueden utilizar normas reconocidas para ofrecer evaluaciones del ciclo de vida (ECV) sólidas y cuantitativas. Las ECV tienen en cuenta los costes financieros y ambientales de adquisición de materias primas, fabricación, transporte, uso, mantenimiento y eliminación del equipo. Los elementos incluyen:

• Costos y ganancias financieras
• Consumo de energía
• CO ₂ y otras emisiones

En términos de consumo de energía, aproximadamente el 60% va al tanque, y el 30% al colector ^[70] (placa plana termosifón en este caso). En Italia ^[71] se utilizan unos 11 gigajulios de electricidad en la producción de equipos de calefacción centralizada, de los cuales aproximadamente el 35% va al tanque y el otro 35% al ​​colector. El principal impacto relacionado con la energía son las emisiones. La energía utilizada en la fabricación se recupera en los primeros 2-3 años de uso (en el sur de Europa).

En cambio, en el Reino Unido, el tiempo de recuperación de la energía se estima en tan solo dos años. Esta cifra corresponde a un sistema directo, instalado en un depósito de agua existente, bombeado con energía fotovoltaica, resistente a las heladas y con una abertura de 2,8 m2. A modo de comparación, una instalación fotovoltaica tardó unos cinco años en recuperar la energía, según el mismo estudio comparativo. ^[72]

En términos de emisiones de CO ₂ , una gran fracción de las emisiones ahorradas depende del grado en que se utilice gas o electricidad para complementar la energía solar. Si se utiliza el sistema de 99 puntos del Eco-indicator (es decir, la carga ambiental anual de un habitante europeo medio) en Grecia ^[70] , un sistema impulsado únicamente por gas puede tener menos emisiones que un sistema solar. Este cálculo supone que el sistema solar produce aproximadamente la mitad de las necesidades de agua caliente de un hogar. Pero como las emisiones de metano (CH ₄ ) del ciclo de combustible de gas natural ^[73] eclipsan el impacto de invernadero del CO ₂ , las emisiones netas de gases de efecto invernadero (CO ₂ e) de los sistemas impulsados ​​por gas son mucho mayores que las de los calentadores solares, especialmente si la electricidad complementaria también proviene de generación libre de carbono. ^{[ cita requerida ]}

Un sistema de prueba en Italia produjo alrededor de 700 kg de CO2 _, considerando todos los componentes de fabricación, uso y eliminación. El mantenimiento se identificó como una actividad costosa en términos de emisiones cuando se reemplazó el fluido de transferencia de calor (a base de glicol). Sin embargo, el costo de las emisiones se recuperó en aproximadamente dos años de uso del equipo. ^[71]

En Australia también se recuperaron las emisiones del ciclo de vida. El sistema de calefacción solar térmica probado tuvo aproximadamente el 20% del impacto de un calentador de agua eléctrico y la mitad del de un calentador de agua a gas. ^[50]

Al analizar su sistema de calentamiento solar de agua tolerante al congelamiento y modernizado de menor impacto, Allen et al. (qv) informaron un impacto de CO2 en la producción _de 337 kg, que es aproximadamente la mitad del impacto ambiental informado en el estudio de Ardente et al. (qv).

• La mayoría de las instalaciones de SWH requieren calefacción de respaldo.
• La cantidad de agua caliente que se consume cada día debe reponerse y calentarse. En un sistema que funciona únicamente con energía solar, consumir una fracción elevada del agua del depósito implica variaciones significativas de la temperatura del mismo. Cuanto mayor sea el depósito, menor será la variación diaria de la temperatura.
• Los sistemas SWH ofrecen importantes economías de escala en costos de colectores y tanques. ^[70] Por lo tanto, la escala económicamente más eficiente satisface el 100% de las necesidades de calefacción de la aplicación.
• Se pueden instalar sistemas directos (y algunos sistemas indirectos que utilizan intercambiadores de calor) en tiendas existentes.
• Los componentes del equipo deben estar aislados para aprovechar al máximo los beneficios del sistema. La instalación de un aislamiento eficiente reduce significativamente la pérdida de calor.
• Las bombas fotovoltaicas más eficientes arrancan lentamente cuando hay poca luz, por lo que pueden provocar una pequeña cantidad de circulación no deseada mientras el colector está frío. El controlador debe evitar que el agua caliente almacenada sufra este efecto de enfriamiento.
• Los conjuntos de colectores de tubos de vacío se pueden ajustar quitando o agregando tubos o sus conductos de calor, lo que permite la personalización durante o después de la instalación.
• Por encima de los 45 grados de latitud, los colectores montados en el techo orientados al sol tienden a producir más energía que los colectores montados en la pared. Sin embargo, los conjuntos de colectores inclinados montados en la pared a veces pueden producir más energía útil porque las ganancias de energía utilizada en invierno pueden compensar la pérdida de energía no utilizada (excedente) en verano.

• EN 806: Especificaciones para instalaciones en el interior de edificios destinadas al transporte de agua para consumo humano. Generalidades.
• EN 1717: Protección contra la contaminación del agua potable en instalaciones de agua y requisitos generales de los dispositivos para evitar la contaminación por reflujo.
• EN 60335: Especificación para la seguridad de los aparatos electrodomésticos y análogos. (2–21)
• UNE 94002:2005 Sistemas solares térmicos para producción de agua caliente sanitaria. Método de cálculo de la demanda térmica.

• OG-300: Certificación OG-300 de Sistemas de Calentamiento Solar de Agua. ^[74]

• Serie 11 CAN/CSA-F378 (Colectores solares)
• CAN/CSA-F379 Serie 09 (Sistemas solares de agua caliente sanitaria empaquetados)
• Norma SRCC 600 (Norma mínima para colectores de concentración solar térmica)

• Ley de energía renovable (electricidad) de 2000
• Ley de 2000 sobre energía renovable (electricidad) (cargo por déficit de generación a gran escala)
• Ley de 2010 sobre energía renovable (electricidad) (cargo por déficit de tecnología a pequeña escala)
• Reglamento sobre energías renovables (electricidad) de 2001
• Reglamento sobre energías renovables (electricidad) de 2001: metodología de cálculo de STC para calentadores de agua solares y calentadores de agua con bomba de calor de fuente de aire
• Reglamento de modificación (disposición transitoria) de 2010 sobre energías renovables (electricidad)
• Reglamento de modificación de la legislación sobre energía renovable (electricidad) (disposiciones transitorias) de 2009

Todos los participantes relevantes del Plan de Energía Renovable a Gran Escala y del Plan de Energía Renovable a Pequeña Escala deben cumplir con las leyes mencionadas anteriormente. ^[75]

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Principales países que utilizan energía solar térmica en todo el mundo (GW _th ) ^{[12] [76] [77] [78] [79] [80] [81]}

#	País	2005	2006	2007	2008	2009	2010	2011	2012	2013
1	Porcelana	55,5	67,9	84.0	105.0	101.5	117.6	-	-	262.3 [82]
–	UE	11.2	13.5	15.5	20.0	22.8	23.5	25.6	29.7	31.4
2	Estados Unidos	1.6	1.8	1.7	2.0	14.4	15.3	-	-	16.8 [82]
3	Alemania	–	–	–	7.8	8.9	9.8	10.5	11.4	12.1
4	Pavo	5.7	6.6	7.1	7.5	8.4	9.3	-	-	11.0 [82]
5	Australia	1.2	1.3	1.2	1.3	5.0	5.8	-	-	5.8 [82]
6	Brasil	1.6	2.2	2.5	2.4	3.7	4.3	-	-	6.7 [82]
7	Japón	5.0	4.7	4.9	4.1	4.3	4.0	-	-	3.2 [82]
8	Austria	–	–	–	2.5	3.0	3.2	2.8	3.4	3.5
9	Grecia	–	–	–	2.7	2.9	2.9	2.9	2.9	2.9
10	Israel	3.3	3.8	3.5	2.6	2.8	2.9	-	-	2.9 [82]
	Mundo (GW th )	88	105	126	149	172	196	-	-	-

Calefacción solar térmica en la Unión Europea (MW _th ) ^{[83] [84] [85]}

#	País	2008	2009	2010 [78]	2011	2012	2013
1	Alemania	7.766	9.036	9,831	10,496	11.416	12.055
2	Austria	2.268	3.031	3.227	2.792	3.448	3.538
3	Grecia	2.708	2.853	2.855	2.861	2.885	2.915
4	Italia	1.124	1.410	1.753	2.152	2.380	2.590
5	España	988	1.306	1,543	1.659	2.075	2.238
6	Francia	1.137	1.287	1.470	1.277	1.691	1.802
7	Polonia	254	357	459	637	848	1.040
8	Portugal	223	395	526	547	677	717
9	República Checa	116	148	216	265	625	681
10	Suiza	416	538	627	-	-	-
11	Países Bajos	254	285	313	332	605	616
12	Dinamarca	293	339	379	409	499	550
13	Chipre	485	490	491	499	486	476
14	Reino Unido	270	333	374	460	455	475
15	Bélgica	188	204	230	226	334	374
16	Suecia	202	217	227	236	337	342
17	Irlanda	52	85	106	111	177	196
18	Eslovenia	96	111	116	123	142	148
19	Hungría	18	59	105	120	125	137
20	Eslovaquia	67	73	84	100	108	113
21	Rumania *	66	80	73	74	93	110
22	Bulgaria *	22	56	74	81	58	59
23	Malta*	25	29	32	36	34	35
24	Finlandia *	18	20	23	23	30	33
25	Luxemburgo *	16	19	22	25	23	27
26	Estonia*	1	1	1	3	10	12
27	Letonia *	1	1	1	3	10	12
28	Lituania *	1	2	2	3	6	8
Total	UE27+Sw (GW miles )	19,08	21,60	23,49	25,55	29,66	31.39
* = estimación, F = Francia en su conjunto

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