Conceptos climáticos para proyectos de arquitectura solar

ÍNDICE
Prólogo .....................................................................................................................
1. Los componentes climáticos de la arquitectura solar
1.1 Los rayos solares y su intensidad .......................................................
1.2 Duración de la insolación ....................................................................
1.3 Probabilidad de insolación ....................................................................
2. Elementos específicos básicos de la técnica de la edificación solar
2.1 Colectores solares ..............................................................................
2.1.1 Colectores concentradores de alta temperatura ...............................
2.1.2 Colectores de temperatura media con protección de vidrio .............
2.1.3 Colectores de baja temperatura, sin protección de vidrio .................
2.1.4 La cubierta colectora de energía y sus problemas constructivos .....
2.1.5 La cubierta de teja como colector de absorción a baja temperatura
2.2 Sistemas de acumulación de calor......................................................
2.2.1 Acumulación de calor sensible ............................................................
2.2.2 Acumulación del calor latente .............................................................
3. Principios fundamentales de la calefacción solar de locales
3.1 Sistemas pasivos de calefacción solar................................................
3.2 Sistemas activos de calefacción solar, sin bomba térmica ...............
3.3 Sistemas activos de calefacción solar, con bomba térmica .............
3.4 Sistemas de calefacción biosolary otros ............................................
4. Bases de cálculo para los proyectos de edificación solar
4.1 Cálculo analítico y minoración de la demanda térmica para
calefacción .............................................................................................
4.2 Bases de cálculo para la irradiación solar directa a través de las
ventanas ..............................................................................................
4.3 Cálculo de las cantidades de energía internas del edificio ...............
4.4 Cómo puede calcularse la energía térmica absorbida por los
colectores solares ...............................................................................
4.5 Cálculo de la radiación solar técnicamente aprovechable ................
4.6 Bases de cálculo para el dimensionamiento de los acumuladores ..
4.7 Cálculo analítico y balance total de una estrategia de calefacción
energéticamente optimizada ...............................................................

5. Materiales y arquitectura solar
6. Análisis detallado de los sistemas típicos de edificación solar
6.1 Edificio solar pasivo sin colectores solares con calefacción por
acumulador ............................................................................................. 67J
6.2 Edificio solar con colectores de agua y bomba de calor .......................
6.3 Edificio solar con colectores de agua y de aire y con recuperación de
calor......................................................................................................... 711
6.4 Edificio autónomo con colectores focales y acumulador de larga
duración .....................................................................................................
6.5 Edificio autónomo con jardín de invierno en el atrio ............................
6.6 Edificio biosolar con colectores de aire, acumulador de grava y
calefacción por chimenea de leña ..........................................................
6.7 Edificio solar con colectores de baja temperatura como cubierta
energética y bomba de calor accionada porgas ....................................
6.8 Edificio solar con cubierta absorbente de teja por producción de
calor y electricidad ..................................................................................
7. Principios fundamentales del urbanismo solar
Unidades y tablas de conversión ............................................................................... 1(
Apéndice ...................................................................................................................... 1(

1. Los componentes climáticos de la arquitectura solar
«Debiéramos construir más alta la cara sur de las casas para captar el sol en el invierno»
escribió hace miles de años el historiador griego Jenofonte como consejo valioso para sus
contemporáneos que ya entonces querían ahorrar energía de calefacción por medio de las
radiaciones solares. La arquitectura popular de muchos países nos demuestra que se
sabe desde hace mucho tiempo que, teniendo en cuenta los componentes climáticos
naturales, determinados esencialmente por el sol, se podían construir edificios capaces
de dar a sus ocupantes las máximas condiciones de confort, tanto desde el punto de
vista energético como de salubridad, con un mínimo de gastos técnicos. Esta verdad
cayó muchas veces en el olvido a lo largo de la historia de la arquitectura, especialmente
en los últimos decenios. La contaminación del medio ambiente y el derroche de energía
causados por la «arquitectura moderna» nos obliga a redescubrir el sol como suprema ley
natural de la arquitectura, no sólo en el campo de la técnica energética, sino también
desde el punto de vista higiénico de la vivienda.
El «portador» de la energía solar es la radiación, que está formada por los rayos de luz
visible y por los rayos invisibles, ultravioletas e infrarrojos.
En el límite exterior de la envoltura de aire que rodea la Tierra, el flujo de la radiación es
aún de 1394 W/m2
. Este valor se denomina «constante solar». Al penetrar en la atmósfera,
una gran parte de esta radiación queda absorbida.
La duración de la insolación y la intensidad de la radiación dependen, en cada lugar de la
estación del año, de las condiciones atmosféricas y de la posición geográfica. En la
mayoría de los países se miden, desde hace muchos años, la duración de la insolación y
la intensidad de la radiación. Para los cálculos de la técnica solar se dispone de datos
medios de varios años. Se han calculado cifras para superficies horizontales y verticales
con distintas orientaciones. Gracias a estos datos es posible calcular los valores
correspondientes a la potencia de la radiación para cada hora del día.
ante solar
¿Cuáles son los conceptos climáticos más importantes para los proyectos de arquitectura
solar?
1.1. Las radiaciones solares y su intensidad
Los meteorólogos definen los diversos tipos de energía de radiación electromagnética
emitidos por el Sol con una terminología cuyos conceptos más importantes para la
práctica son los siguientes:
Radiación solar directa: Radiación procedente del ángulo sólido del
disco solar sobre una superficie perpendicular a la dirección de los
rayos.
Radiación recibida por una superficie plana procedente de un ángulo
sólido n. (fuera del disco solar).
Componente vertical de la radiación difusa (superficie receptora
horizontal).
Radiación, directa y difusa, reflejada por la superficie de la tierra
que incide sobre una superficie receptora plana.
Radiación difusa:
Radiación cenital:
Radiación reflejada:
Radiación global: Suma de la radiación solar directa, la radiación difusa y la
9

SV (solsticio de veraní
SI (solsticio de ir
120
Nortesolar para la
latitud'geográfica48 "N
Oeste
radiación reflejada que incide sobre una superficie plan,
desde un ángulo sólido 2r.
Radiación global sobre Componente vertical de la radiación global; en el caso ideal,
superficies horizontales: suma de las componentes verticales de la radiación solar
directa y de la radiación cenital, sin la radiación reflejada.
Valores medios de la radiación global en kWh/m 2
día

Según W. Diamant (Coeficiente de transmisión: 0,7)
Grado de
latitud
Meses 0° 10° 20° 30° 40° 50° 60° 70° 80° 90°
Enero 5,8 4,8 3,7 2,5 J,3 0,5 0
Febrero 6,? 5,3 4,3 3,2 2,0 1,0 0,2 0
Marzo 6,4 6,0 5,3 4,4 3,4 2,2 1,1 0,3 0
Abril 6,3 6,3 6,1 5,6 4,9 3,9 2,8 1,7 0,6 0,1
Mayo 5,9 6,3 6,5 6,4 6,1 5,5 4,6 3,6 2,9 2,3
Junio 5,5 6,2 6,6 6,8 6,7 6,4 5,9 5,2 4,7 4,7
Julio 5,4 6,1 6,6 6,8 6,8 6,3 6,0 5,3 5,0 4,9
Agosto 5,7 6,2 6,3 6,5 6,2 5,7 5,0 4,0 3,2 3,0
Septiembre 6,1 6,3 6,2 5,8 5,1 4,3 3,2 2,1 1,0 0,4
Octubre 6,3 6,0 5,5 4,7 3,7 2,6 1,5 0,5 0
Noviembre 6,1 5,4 4,5 3,5 2,3 1,2 0,4 0
Diciembre 5,8 4,9 3,8 2,6 1,5 0,5 0
Valor medio
kWh/m2
día 5,95 5,8 5,5 4,9 3,9 3,3 2,5 2,3 2,15 2,5
(1) En el Apéndice pueden verse las cartas solares correspondientes a España para las latitudes aproximarlas de
Burgos, Madrid, Sevilla y media de las islas Canarias.10

Distribución de la radiación directa del sol sobre una superficie normal a los royos
solares según la hora del día y época del año
(47° N, valores numéricos en kcal/m2
hora), según P. Valko (2)
Altura en m
sobre el nivel del
mar
Hora Mes I II III IV V VI Vil VIII IX X XI XII
2000 6 18
9 15
12
453 578 619 594 520 677 764 817 827 822 823 813 810
805 779 699 638 850 882 900 891 878 870 868 871 873
866 838 820
4000 6 18
9 15
12
594 717 751 741 665 796 867 905 930 939 930 923 915
904 887 829 759 952 980 996 993 986 979 975 973 971
959 943 934
EQ (equinoccios) I
90 ——— Este I
La intensidad de la radiación se mide en W/m2
o en kCal/m2
hora. En las zonas climáticas
centroeuropeas a alturas normales sobre el nivel del mar (unos 400 m.s.n.m.) (3) los
valores máximos de la radiación solar directa no se tienen en junio, sino ya a primeros de
abril o a finales de septiembre. Para las horas de la mañana o de la tarde, estos máximos
se van desplazando cada vez más hacia el 21 de junio. A mayores alturas sobre el nivel del
mar, la intensidad de la radiación aumenta.
ció de verano)
I de la La intensidad de la radiación global y de la radiación difusa se mide por medio de diversos
aparatos registradores que tienen superficies medidoras en posición horizontal o en
posiciones verticales orientadas hacia el norte, sur, este y oeste.
Las observaciones muestran las siguientes características climáticas:
— en días muy buenos, las superficies verticales orientadas al este y al oeste reciben más
intensidad de radiación que las orientadas al sur en verano y mucha menos en
invierno;
— en condiciones atmosféricas medias (grado de frecuencia = 50 %), estas diferencias
debidas a la orientación sólo se acusan en invierno;
— en invierno, las superficies orientadas al este y al oeste casi no reciben más que
radiación difusa por la mañana o por la tarde respectivamente; las curvas son
simétricas con respecto al mediodía real;
— en los días largos del verano, con buen tiempo, las superficies orientadas al norte
reciben una intensa componente de radiación solar directa por la mañana temprano y a
última hora de la tarde.
Totales medios anuales de la radiación global para distintos lugares: (4)
Hamburgo 930kWh/m2
año Sahara oriental 2550 kWh/m2
- año
Berlín 1000kWh/m2
año Marsella 1860 kWh/m2
- año
Braunschweig 936 kWh/m2
año París 1500kWh/m2
-año
Würzburgo 1081 kWh/m2
año Florida 1800 kWh/m2
- año
Tréveris 1010kWh/m2
año
Graz 1198kWh/m2
-año
Zurich 1160kWh/m2
año Salzburgo 1086kWh/m2
-año
Montana 1300kWh/m2
año Viena 1120kWh/m2
-año
Lugano 1500kWh/m2
año Kew (Inglaterra) 927 kWh/m2
• año
(2) Para España, ver Tabla en el Apéndice. Se han tomado dos lugares de igual latitud (41 °N), uno al nivel del mar y
otro a 1.000 m de altura.
(3) De los datos para España se deduce que los valores máximos suelen obtenerse en los meses de julio o agosto.
(4) En el Apéndice se dan los datos correspondientes a diversos lugares de España.
11

1.2. Duración de la insolación
Depende de la posición geográfica y de las condiciones climáticas. Los valores máxí-l mos
se alcanzan en las zonas desérticas (por ejemplo, en el Sahara 4000 horas al añoll o en alta
montaña. La intensidad de la radiación y la duración anual de la insolación) determinan las
cantidades de energía de que dispondremos para una posición geográfica determinada.
Los meterorólogos distinguen dos tipos de duración de la insolación; son los si-| guientes:
Duración de la insolación astronómicamente posible: Se obtiene a partir del númeroj de
horas de sol suponiendo el cielo sin nubes; el punto de referencia se encuentra enf un
plano libre de obstáculos, con un horizonte perfectamente horizontal. Por lo tanto, esta
duración de la insolación sólo depende de la latitud geográfica del lugar.
Definiciones
meteorológicas
Número medio posible de horas de sol en cada uno de los meses del año (5)
Mes 47° 48° 49° 50° 51° 52° 53° Latitud geográfica norte
Enero 276 273 269 265 261 256 251
Febrero 286 284 282 280 278 275 273
Marzo 367 366 366 366 366 365 365
Abril 406 407 409 411 412 414 416
Mayo 464 468 471 475 479 483 488
Junio 473 477 482 486 491 497 503
Julio 478 482 486 491 495 500 505
Agosto 439 441 444 447 449 452 455
Septiembre 376 377 378 378 379 379 380
Octubre 337 335 334 333 331 330 328
Noviembre 281 277 274 271 268 264 260
Diciembre 264 260 257 251 246 241 235
Horas de sol anuales en distintos lugares (6)
Horas anuales Horas anuales
Berlín 1705 Marsella 2654
Bremen 1657 París 1840
Hamburgo 1559 Milán 1906
Munich 1730 Roma 2491
Stuttgart 1702 Sahara 4000
Basilea 1680 Túnez 3200
Berna 1756 Copenhague 1680
Ginebra 2037 Essen 1442
Lugano 2100 Tel-Aviv 3500
Zurich 1694 Niza 2775
Graz 1903 Genova 2288
Innsbruck 1765 Perpiñán 2560
Salzburgo 1712 Ñapóles 2396
Viena 1891 Brindis! 2591
(5) En la correspondiente Tabla del Apéndice se recogen los datos referentes a las latitudes de 28° 32' 30" (media
de las islas Canarias), 37° 30' (latitud aproximada de Sevilla), 40° (latitud aproximada de Madrid) y 42° 30'
(latitud aproximada de Burgos).
(6) En la Tabla del Apéndice se dan los valores correspondientes a diversos lugares de España.
12

Número medio de horas de sol en distintos lugares (7)
Meses 1 II III IV V VI Vil VIII IX X XI XII
Basilea 2 3 5 6 7 7 7 7 5 4 2 2
Berlín 2 3 5 6 8 8 8 7 6 4 2 1
Hamburgo 2 2 4 6 8 8 7 6 6 3 2 1
Viena 2 3 4 6 7 8 8 8 7 5 2 1
Zurich 2 3 5 6 7 7 7 7 6 3 2 2
Linz 2 3 5 6 7 8 8 7 6 4 2 1
Número medio de horas del sol para los días más largo y más corlo (8)
Latitud geográfica norte 22 de diciembre 22 de junio Diferencia
47° 8 h 26 m 1 5 h 50 m 7 h 24 m
48° 8 h 18 m 15 h 59 m 7 h 41 m
49° 8 h 9 m 16 h 8 m 7 h 59 m
50° 8 h 0 m 16 h 18 m 8 h 18 m
51° 7 h 50 m 16 h 29 m 8 h 39 m
52° 7 h 40 m 16 h 40 m 8 h 0 m
53° 7 h 29 m 16 h 52 m 9 h 23 m
Duración posible real de la insolación: Se determina a partir del número de horas de sol
anuales en un cielo sin nubes y en terrenos cualesquiera. La diferencia con la duración
astronómica se debe a la limitación del horizonte por diversas causas (montañas,
vegetación, edificios, etc.).
Duración efectiva de la insolación: Es igual al tiempo en que luce el sol. Además de las
limitaciones del horizonte, depende del grado de nubosidad del cielo. Duración relativa de
la insolación: Da la relación entre la insolación registrada realmente y la posible y se
expresa en tantos por ciento. Independientemente de la latitud geográfica y de la
limitación del horizonte, esta magnitud permite deducir el grado de beneficio solar que
recibe un lugar y la comparación directa con otros puntos.
1.3. Probabilidad de insolación
Como la mayor parte de la energía de que se dispone se debe a una irradiación directa
relativamente elevada, es importante saber qué magnitud tiene en un lugar la probabi-
lidad mensual de insolación. Este valor, que se da en tantos por ciento, depende de
numerosos factores, como son el grado de nubosidad, el coeficiente de enturbiamiento
atmosférico, el contenido de vapor de agua y otros parámetros que suelen expresarse
en distintas estadísticas de frecuencia, mensuales y horarias.
Para simplificar, se puede decir que una probabilidad mensual de insolación inferior al 20
% permite un aprovechamiento bastante desfavorable de la energía solar. Si está
comprendida entre el 20 y el 50 %, podemos esperar ya una aportación apreciable de
energía solar. Si el sol está cubierto por nubes o niebla durante menos del 50 % del
tiempo, existe ya la posibilidad de alimentar al edificio casi totalmente por energía solar,
según el nivel de temperaturas, adoptando disposiciones arquitectónicas y técnicas
adecuadas. La observación meteorológica se ocupa particularmente del problema de la
nubosidad. El grado de nubosidad se mide tres veces al día y se determina la media
diaria.
intes
(7) En el Apéndice se dan los valores correspondientes a diversos lugares de España.
(8) En el Apéndice se dan los datos aproximados para las latitudes de la N. del T. (5).
13

Con las medias diarias se forman las medias mensuales y de éstas se deduce la m anual.
Los valores correspondientes a 10, 20 ó 30 años dan los valores medios pk nuales. Las
medias diarias de nubosidad sirven también para determinar los < «claros» y «cubiertos»;
en las estadísticas, los días con menos de un 20 % (= octavos) de nubosidad se califican
de días «claros» y los que tienen más del 8( (= 6,4 octavos) de nubosidad son días
«cubiertos». Aunque la evaluación se haga octavos, la mayoría de las tablas y cartas dan
la nubosidad en tantos por ciento de superficie visible del cielo, que es mucho más
inteligible.
Valores meteorológicos
medios
La estructura de la nubosidad, necesaria para los cálculos de energía solar la analiz, los
institutos meteorológicos en un gran número de tablas y cuadros estadísticos. Li más
importantes son los siguientes:
— Medias mensuales y anuales de nubosidad en tantos por ciento.
— Promedio de las nubosidades medias mensual y anual en %.
— Promedio de las medias diarias de nubosidad en %.
— Medias mensuales y anuales de nubosidad en % a las 14 horas TLM.
— Promedio de las nubosidades medias mensual y anual en % a las 14 horas TLM.
— Número de días claros.
— Número medio de días claros.
— Número de días cubiertos.
— Número medio de días cubiertos.
A pesar de disponer de numerosos documentos meteorológicos muy detallados, no es
posible expresar numéricamente con seguridad plena las condiciones futuras de la
radiación referidas a un edificio solar.
La Naturaleza no puede reducirse a tablas y este hecho exige del proyectista un poco más
de intuición y de sensibilidad que para una Arquitectura puramente tecnocrática. Debiera
establecerse una relación de trabajo entre los meteorólogos y los proyectistas que
permitiese a ambas partes mejor comprensión de las necesidades totales y climatológicas
de la práctica de la Arquitectura solar.
Sólo con esta condición podrá lograrse la difusión general de un sistema constructivo
que, por medio de una tecnología adaptada al hombre armonice siempre con las
condiciones climatológicas naturales de su emplazamiento.
i
14

2. Elementos específicos básicos de la técnica de la
edificación solar
El aprovechamiento de la energía solar por parte de la ingeniería, sea para calefacción o
para producción de energía eléctrica, suele requerir el empleo de elementos constructivos
específicos.
- =? ar
como ;;-
Los más importantes son los colectores solares y los sistemas acumuladores de calor, así
como las distintas estructuras de cubierta energética que, en principio, constituyen un
caso particular de construcción con colectores solares.
2.1. Los colectores solares
Se denomina colector solar a cualquier forma de superficie que sirva para aprovechar la
energía de las radiaciones solares con fines térmicos o eléctricos. Según las posibilidades
de aprovechamiento, hay que distinguir entre colectores heliotérmicos, que producen
calor, y colectores heliovoltaicos, que sirven para la producción de. corriente eléctrica.
Hay también colectores híbridos capaces de producir al mismo tiempo calor y energía
eléctrica.
Los colectores heliotérmicos, que es a los que nos limitaremos, pueden tener formas muy
distintas según su construcción y sus aplicaciones. Hay que distinguir entre colectores
concentradores de alta temperatura, colectores planos de temperatura media con
protección de vidrio y colectores de baja temperatura sin protección de vidrio. Como
medio de transporte del calor suele elegirse entre el agua, el aceite, un líquido especial o
el aire.
los -
reres solares
2.1.1. Colectores concentradores de alta temperatura
Estos colectores tienen la superficie curvada formando concavidad. Por medio de un
efecto especular o de lente pueden concentrar los rayos solares. Con una concentración
débil (1:10) se pueden alcanzar de 200 a 500 °C. Con mayor concentración se llega a 4000
°C.
Los colectores concentradores, o en espejo, tienen que ser, en general, onentables y les
afecta mucho la suciedad. Es posible proteger el espejo contra la acción de la intemperie
por medio de un vidrio plano, pero el vidrio tiene que limpiarse con mucha frecuencia,
cosa que no ocurre con los colectores planos, para no reducir la intensidad de la radiación
directa por la dispersión que se produciría. Los concentradores de rayos sólo pueden
aprovechar, en general, la radiación directa, pero las últimas investigaciones han
demostrado que, a pesar de este inconveniente, pueden también utilizarse para las
condiciones climáticas centroeuropeas y para las viviendas.
Condiciones meteorológicas Radiación global Rendimiento en %
W/m2
Cielo sin nubes, despejado 800 61
Ligeramente nuboso 600 58
Cielo ligeramente cubierto 300 45
Cielo nublado 150 20
15

El colector solar construido por el laboratorio de investigación de Philips lleva un de
reflexión de calor de óxido de indio (In203) cuya transmisión para la luz solar e 85 % y
tiene una reflexión de R = 90 % para las radiaciones caloríficas. La | absorbente tiene
un factor de absorción a = 95 % para la luz solar. En la tabla se algunos valores del
rendimiento; para el colector Philips se dan con vidrio de pr< ción. Los valores dados
se han determinado experimentalmente para un casi aplicación a la producción de
agua caliente en verano (temperatura del agua 50 °C encima de la temperatura
exterior).
Colectores de alto
rendimiento
Hay otras empresas que fabrican colectores solares focales que, en su mayoría, e:
formados por un gran número de espejos cilíndrico-parabólicos. La radiación din
incidente se concentra sobre un tubo colocado en la línea focal por el que pas fluido
que se ha de calentar. Para evitar pérdidas de transmisión del calor, la ene
concentrada llega directamente al interior del tubo que es transparente. En el inte se
encuentra un elemento absorbente negro que transmite convectivamente la ei gía
absorbida al fluido portador del calor.
2.1.2. Colectores planos de temperatura medií con protección de vidrio
Se trata de colectores cuya superficie de absorc ón es plana y cuyo funcionamiento
basa en el principio del invernadero (trampa d.» calor). Los colectores planos esl
formados por un bastidor (plástico, metal o madara), un vidrio transparente (simp
doble o triple, de vidrio o de plástico), la superficie absorbente (selectiva o no),
aislamiento y un medio portador del calor (aire, agua, aceite, mezcla de agua y glic
etc.).
Las superficies selectivas, características de los modernos colectores solares fuen
fabricadas por primera vez en 1955, experimentalmente, por el Prof. H. Tabor. Media te
una adecuada combinación de dos capas muy delgadas, Tabor consiguió alcanz valores
de absorción de las radiaciones solares del 94 % en combinación con ur emisividad
relativa del 6 %.
Superficies selectivas
Todos estos elementos reunidos forman una caja absorbente de los rayos solares qu se
refrigera por medio del fluido portador del calor. La energía solar incidente sol puede
utilizarse en parte; otra parte se pierde por reflexión, absorción o por opacidaí de los
elementos constructivos.
Un buen colector plano para temperaturas hasta 100 °C debiera tener las propiedade:
siguientes:
— Debe poder montarse fijo integrado en una estructura de edificación.
— Si sólo se le exige una temperatura útil media, el rendimiento no debe ser inferior al 50
ó 60 %.
— Para bajas temperaturas debiera poderse alcanzar un rendimiento del 70 al 80 % (para
temperaturas elevadas, del 20 al 30 %).
— Los materiales empleados para el aislamiento y el colector mismo deben tener una
inercia térmica lo más pequeña posible para que al cabo de una acción muy corta de
las radiaciones solares se alcance lo más rápidamente posible la temperatura de
servicio del colector.
— La cara frontal del aislamiento térmico tiene que ser resistente contra todas las
acciones atmosféricas.
Las principales causas de pérdidas de los colectores son las siguientes:
— Suciedad.
— Sombras de los soportes y piezas del bastidor.
— Pérdidas por reflexión en el vidrio de protección.
— Pérdidas por transmisión a través del vidrio.
16

— Pérdidas de absorción del cuerpo absorbente.
— Calentamiento del vidrio de protección por la absorción de luz y de radiaciones
caloríficas.
— Pérdidas de calor en las tuberías. (Son proporcionales a la diferencia entre la
temperatura exterior y la de absorción por lo que pueden definirse por un valor K del
colector).
— Pérdidas de intensidad hasta la transformación de la luz en calor en la superficie de
absorción.
I
ACRISTALAMIENTO SENCILLO
J = INTENSIDAD DE LA RADIACIÓN EN W/m
2
OL
NDIMIOD
OR
-'a media con
- e "to sencillo
:='a distintas
-xión del
-- 'o de los

100 HO 120 130 UO 150 °C
TEMPERATURA DEL ABSORBEDOR ———c~
ACRISTALAMIENTO DOBLE
J = INTENSIDAD DE LA RADIACIÓN EN W/m
2
———I———
V
J= 200
_A
tOO 600 800 1000 W/m?
I 50
Q
100 110 120 130 UO 150 °C
TEMPERATURA DEL ABSORBEDOR ———">
17

— Pérdidas de radiación térmica. (Aparece como pérdida la diferencia entre la energía
transmitida por el colector y la recibida de su entorno).
— Pérdidas de transmisión térmica del cuerpo absorbente al agua de refrigeración.)
— Las corrientes térmicas de convección dentro de la capa de aire que se encuentra entre
la superficie del colector y el vidrio de protección.
— La conducción de calor a lo largo de los apoyos del vidrio protector o de las juntas •.
dentro de la capa de aire situada entre el colector y el vidrio protector.
— La radiación de calor entre el colector y el vidrio protector.
La relación entre la energía de radiación incidente y la energía térmica aprovechada de el
rendimiento del colector. La máxima temperatura que puede alcanzarse con ur colector
se consigue cuando no se escapa ninguna cantidad de calor útil a través de medio
portador del calor. Se le denomina temperatura de funcionamiento en vacío Según sea
la concepción o la calidad del colector solar y según la intensidad de radiación se
alcanzará una temperatura de funcionamiento en vacío u otra. En e Centro de Europa,
por ejemplo, cuando hace sol, se puede considerar un valor norma de 800 kCal/h. Con
esta incidencia de radiación, un colector plano protegido con un vidrio puede alcanzar
una temperatura de funcionamiento en vacío de unos 100 °C, el mismo colector, con
vidrio de protección triple, alcanzaría los 190 °C.
Rendimiento del
colector
El número de vidrios aumenta la cantidad de energía capturada pero, si se colocan más
de tres vidrios, las pérdidas por reflexión y absorción son demasiado grandes y no resulta
económico.
El rendimiento de un colector puede aumentarse por medio de un tratamiento especia! de
los vidrios y de las superficies de absorción. Las dimensiones necesarias para la
superficie colectora dependen de la cantidad de calor que se necesita, de cómo se han
concebido los colectores y el edificio y de dónde estará situada la instalación, geográfica y
climáticamente. Para la preparación de agua caliente sanitaria en la Europa Central
bastan de 6 a 10 m2
de colector solar por vivienda. Para la calefacción se necesita una
superficie entre 30 y 150 m2
según el valor del aislamiento y la situación climática.
La inclinación de los colectores se calcula, en general, para las condiciones invernales.
Pueden tomarse como valores experimentales lo siguientes:
Orientación de los
colectores solares
Inclinación = latitud geográfica +10 a 15°. Si los
colectores sólo se utilizan en verano, se tiene:
Inclinación = latitud geográfica -15°.
Los primeros colectores solares modernos fueron instalados ya en 1929 por Alexander
McNeilledge en California. Se trataba de colectores solares con doble vidrio y tubos de
cobre de 3/4" que utilizaban el agua como medio portador del calor. Desde entonces se
han construido los tipos más distintos de colectores de agua aunque todos ellos
responden al mismo principio de funcionamiento, incluso los tipos más modernos.
Como medio portador del calor se utilizan también distintas mezclas de agua y de aceite.
Colectores de agua
Los colectores de aire, que utilizan el aire como medio portador del calor, los utilizó por
primera vez Georg Lóf, ya en 1945. Los colectores de aire están menos expuestos a los
peligros de corrosión, falta de estanquidad, sobrecalentamiento y congelación, pero
necesitan mayores secciones de los conductos e instalaciones de ventilación
relativamente complicadas para transportar la misma cantidad de energía que los
colectores de agua. Los colectores de aire se utilizan preferentemente en combinación
con acumuladores de calor de grava. Sin embargo, es posible también conseguir el
aprovechamiento directo de la energía por medio de métodos naturales de ventila-
colectores de aira
18
I

ción. En estos dos principios básicos para colectores de temperatura media con pro-
tección de vidrio utilizando el aire como fluido transportador del calor se basan nume-
rosos modelos de distintos tipos pero análogos en su fundamento. En mi libro «Wie kann
ich mit Sonnenenergie heixen?» («¿Cómo puedo calentar con energía solar?») se describe
un gran número de ellos.
Resultados típicos de los ensayos de colectores de temperatura medía para
producción bruta de calor (según EIR)
Radiación global sobre
una superficie
horizontal kWh/m2
Radiación global en el
plano del colector
orientado al sur a 45°,
kWh/m2
Prnrliirrirm
de calor
Tk = 40 °C,
kWh/m2
Prnrliirriñn
de ualur TK =
60 °C,
kWh/m2
Enero 23,5 33,2 6,3 4,0
Febrero 45,3 66,3 23,0 15,9
Marzo 80,3 101,5 44,1 31,4
Abril 113,9 126,7 65,3 48,2
Mayo 151,2 150,9 81,6 63,1
Junio 165,2 157,1 91,7 69,5
Julio 179,4 174,2 109,3 82,3
Agosto 137,4 146,1 84,4 65,4
Septiembre 105,1 132,0 75,1 57,6
Octubre 60,4 87,2 41,7 30,6
Noviembre 26,7 40,6 11,5 7,7
Diciembre 16,9 24,9 3,7 2,2
Total 1105,3 1240,7 633,7 477,9
51,4% 38,5 %Rendimiento medio anual.
Influencia del ángulo de situación del colector sobre la producción de energía para
modelos de temperatura media (según Stohler)
Energía aprovechable media en el plano
del colector Gk (kWh/m2
• mes)
Mes
Ángulo de Ángulo de Ángulo de
inclinación 30° inclinación 45° inclinación 60°
Enero 30,9 33,2 34,4
Febrero 61,6 66,3 68,4
Marzo 98,0 101,5 100,9
Abril 127,1 126,7 121,5
Mayo 156,3 150,9 140,2
Junio 165,2 157,1 143,4
Julio 182,5 174,2 159,4
Agosto 148,6 146,1 138,1
Septiembre 128,3 132,0 130,0
Octubre 81,4 87,2 89,1
Noviembre 37,3 40,7 42,4
Diciembre 23,0 24,9 26,0
1 240,2 1240,8 1193,8
19

Los colectores solares, que trabajan en las más difíciles condiciones climáticas y térm-cas
tanto en verano como en invierno, están sometidos a numerosos peligros q deben
tenerse en cuenta en.su concepción. Los problemas más importantes q pueden
presentarse en los colectores solares son los siguientes:
Sobrecalentamiento
Peligro de heladas
Corrosión Suciedad
— Rotura
— Movimientos térmicos
— Fugas
Estos peligros pueden ser mayores o menores según las condiciones climatológicas las
soluciones preventivas difieren de unos modelos a otros.
El futuro de los colectores de temperatura media protegidos con vidrio como elemer-1 to
constructivo de la arquitectura solar dependerá, indudablemente, de la rapidez coque se
puedan resolver los problemas inherentes a su aplicación. El empleo de estos tipos de
colectores debiera efectuarse, sin embargo, ligado en lo posible a la pequeñr tecnología,
porque sólo de esta manera puede desarrollarse el aprovechamiento se cillo de la energía
concordante con la simplicidad de las radiaciones solares.
Colector solar y
pequeña tecnología
Límites de reacción de distintos tipos de colectores
(según MBB) (Temperatura ambiente: 10 °C, temperatura de funcionamiento: 50 °C)
Tipo de colector Número de
vidrios
Superficie
absorbente
Potencia de
radiación
Situación
climatológica
Colector sencillo
Colector «standard»
1 2 Negra
Negra
340 W 230 W
Cielo claro,
despejado
Ligeramente nuboso
Colector con 1 solo
vidrio, selectivo Colector
«standard»
1 2 Selectiva
S l ti
195 W 143 W
Nubosidad ligera a
media Nubosidad
media
selectivo
Colector de alta
temperatura
1 Selectiva 75 W Muy nuboso, lluvioso
Influencia de la construcción del colector sobre la obtención relativa de energía
(según MBB)
Colector
sencillo
Superficie
absorbente
negra
Colector de 1
solo vidrio
Superficie
absorbente
negra
Colector de
doble vidrio
Superficie
absorbente
negra
Colector de
1 solo vidrio
Superficie
absorbente
selectiva
Colector de
doble vidrio
Superficie
absorbente
selectiva
Colector de |
alta
temperatura
Rendimiento medio (%) 19 23 27,2 35,6 40,6 62,8
Obtención relativa de energía 0,83 1 1,18 1,55 1,76 2,73
Temperatura en vacío (°C) 100 130 180 180 200 250
2.1.3. Colectores de baja temperatura sin protección de vidrio
I
Utilizando diversas instalaciones técnicas de alta calidad, como bombas de calor, per
ejemplo, resulta posible concebir un tipo especial de colectores solares cuyo funcione
miento no se basa ya en el efecto de invernadero. Estos colectores que, en genera deben
tener gran superficie, no necesitan llevar una cubierta transparente porque
20

trabajan por medio de fenómenos físicos de otro tipo, en el intervalo de las bajas
temperaturas; se construyen de grandes dimensiones, como cubiertas o muros exte-
riores completos. Suelen denominarse cubiertas o muros absorbentes de la energía.
Las cubiertas y muros absorbentes sin protección de vidrio suelen construirse con distintos
metales o plásticos. Si se utiliza un metal, suele ser el cobre (espesor unos 0,6 mm) o
chapa de aluminio esmaltada al fuego unidos a tubos (situados cada 15-20 cm) llenos del
fluido portador del calor. Según el método de fabricación y el material empleado, los
diversos elementos absorbentes del calor pueden clasificarse, en esencia, en cuatro tipos
fundamentales distintos.
y muros
Ttes
'= de los
es de baja
Los cuerpos absorbentes se fabrican en distintas variantes por medio de la unión de
chapas don los tubos conductores de agua. Para que la transmisión térmica entre la chapa
y el tubo sea favorable debe haber un buen contacto térmico entre ambos, cosa que
puede conseguirse por medio de la unión metálica directa o por medio de un contacto
permanente en una gran superficie. También es importante para la buena transmisión del
calor que haya una relación determinada entre la distancia entre tubos y el espesor y
conductibilidad térmica de la chapa.
elemen- f
dez con de
estos
>equeña nto
sen-
En el segundo de los grupos fundamentales, el cuerpo absorbente lleva canales con-
ductores del fluido integrados en él mediante la soldadura de dos chapas. El calor puede
aquí transmitirse directamente de la chapa al fluido.
En el tercer tipo se trata de cuerpos huecos planos en los que la magnitud de la superficie
interior en contacto con el líquido portador coincide aproximadamente con la "magnitud
de la superficie exterior captadora del calor. Estos cuerpos huecos se fabrican con material
plástico, A pesar de que los plásticos tienen una conductibilidad térmica muy inferior a la
de los metales, la transmisión del calor del exterior al interior es buena porque el calor
tiene que transportarse a lo largo de un trayecto muy corto, igual al espesor de las
paredes y se dispone de una sección de la misma magnitud que la superficie exterior de
captación. Este tipo de cuerpo absorbente se utiliza preferentemente en cubiertas
planas.
El cuarto tipo es, por último, un cuerpo absorbente formado por una serie de tubos. Se
utilizan para ello preferentemente tubos de plástico resistentes a la intemperie. Las
superficies interior y exterior de transmisión del calor también son, en este caso,
aproximadamente iguales. Debido a los espacios que queden entre los distintos tubos, la
superficie de absorción de las radiaciones solares es mucho más pequeña que la
superficie intercambiadora de calor entre los tubos y el aire que los rodea. Los cuerpos
absorbentes formados por series de tubos son adecuados para la instalación sobre
superficies de tejado.
¿En qué consiste la diferencia fundamental entre los colectores planos de temperatura
media protegidos con vidrio y los cuerpos absorbentes de baja temperatura sin protección
de vidrio? Los colectores planos, que trabajan según el principio del efecto de
invernadero, consiguen temperaturas relativamente elevadas que pueden aprovecharse
de forma relativamente sencilla gracias a su protección transparente y a le coloración
selectiva del cuerpo absorbente cuando la radiación solar es directa c difusa.
Los cuerpos absorbentes o colectores de baja temperatura sin protección de vidrie
pueden extraer energía del aire ambiente, de la lluvia y de la nieve; sin embargo, e nivel
de temperaturas es tan bajo, como consecuencia de las grandes pérdidas de calor, que
es imprescindible instalar una bomba de calor para que se puedan producii temperaturas
aprovechables para la técnica doméstica. La mayoría de las bombas de calor, no sólo
son bastante caras, sino que, en su mayoría, consumen para su fundo namiento una
energía cara y valiosa como es la energía eléctrica.
21

bente está ventilada. Esto tiene la ventaja de que se duplica la superficie de intercambio
de calor. Desde luego, este sistema exige que por debajo del cuerpo absorbente vaya una
capa de cobertura absolutamente impermeable. Sin embargo, la impermeabilidad de esta
capa de cobertura no es, por sí sola, garantía de la eficacia de esta solución. Tampoco
debe formarse agua de condensación ni de transpiración por la cara inferior de la
cobertura ni en los elementos de cubierta que la sustentan a causa del efecto de
refrigeración del cuerpo absorbente.
La lámina encargada de repeler las condensaciones de agua suele estar rota en In.q puntos
en que va clavada al enlistonado. Por estos puntos puerle penetrar la humedad. También
puede producir problemas la congelación en la cara superior, subrtj todo si es intensa. Al
fundirse el hielo cuando suben las temperaturas es poaiblc que se desprendan pequeños
témpanos de hielo, cosa que puede constituir un auténtico peligro.
nación de
(condensaciones de
agua
4~~::'-ón esquemática :
^na cubierta
íí/ca construida >
colector de baja
ratura IDoc BBC)
Tubería de
tfstribución Tubería
de unión colectora
de calor Tubería
general
-esa/fo para
:;otación de calor
::-ambas caras
-roe/tura
-oermeable
térmicamente
aislada
, Estructura de la
cubierta
2.1.5. La cubierta de teja como colector de absorción a baja temperatura
Como las grandes superficies absorbentes de cubierta de metal o de plástico no sól< tienen
inconvenientes técnicos y estéticos, sino también problemas biológicos esen cíales, es
lógico que para la construcción de las superficies absorbentes suela recurrir se a la
cubierta de teja, tan conocida y apreciada por la construcción tradicional. La cubiertas de
teja tienen una gran capacidad de acumulación de calory son permeable al aire, es decir,
«respiran», y puede considerarse también, desde el punto de vista di la Física Aplicada,
que es posible utilizarlas favorablemente como absorbentes sola res. Es evidente que las
superficies absorbentes de poco espesor y muy sofisticadas vistas desde e( punto de
vista térmico, pueden afcanzar rendimientos bastante eleva dos, pero en muchos casos
hay que renunciar a ello por sus considerables ¡nconve
¡físicas y
tructivas de la
i a dos aguas
23

nientes físicos, técnico-sanitarios y estéticos. No podemos ya permitirnos el li
conseguir pequeñas ventajas técnicas, muchas veces sólo aparentes, por me<
insensateces arquitectónicas, como ha ocurrido en decenios anteriores en la fia
Arquitectura «moderna». Una «cubierta absorbente de energía» tiene tambiéi
considerarse en su totalidad por lo que no pueden desecharse los factores i
mantenimiento y durabilidad. Precisamente, las cubiertas de teja, utilizadas < hace
miles de años, tienen incomparables ventajas en estos dos aspectos.
Las cubiertas colectoras de energía construidas con tejas pueden realizarse segú tipos
heliotérmicos, heliovoltaicos o híbridos. En el tipo heliotérmico, el tejac construye,
por ejemplo, de modo que el fluido portador del calor pueda circuí, circuito abierto por
los huecos que quedan entre teja y teja y, de esta manera, el fl portador del calor se
lleva a una bomba de calor. En una fase ulterior pueden intei se unas células solares en
las tejas con lo que podrá producirse al mismo tie energía eléctrica y calor. En Alemania
se han fabricado para ello unas tejas plana las que se incluye una célula de silicio de
unos 10 cm de diámetro que produce 1 de energía eléctrica (2 A y 0,5 V) al incidir una
radiación de 1000 W/m2
. Las instalé nes ya realizadas con tejas funcionando como
colectores solares indican que sistema de construcción, capaz de reunir las ventajas de
la construcción tradicii con las posibilidades de la moderna técnica energética,
constituye una gran esperé para el aprovechamiento de la energía solar en forma
arquitectónicamente resp sable.
La cubierta de tejas
como colector térmico
y célula solar
¿Qué tipos de colector son los más ventajosos para su aplicación en las instalado
técnicas domésticas? Es prácticamente imposible responder a esta pregunta de for
unívoca porque todas las variantes tienen ventajas e inconvenientes y tienen camf de
aplicación muy específicos. Será la futura evolución de los sistemas lo que nos d hasta
qué punto los fabricantes de los diferentes modelos podrán perfeccionar < soluciones
técnicas en cuanto a costes, sencillez técnica y durabilidad. Además tener en cuenta
los problemas económicos y técnicos, no han de menospreciarse I aspectos ecológico
y bioconstructivo del empleo del colector solar. El colector so del futuro tendría que
convertirse en un elemento constructivo totalmente optimizac adecuado, no sólo a la
necesidad de ahorro de energía, sino también atendiendo a I aspectos de la estética
arquitectónica, salubridad de la vivienda y protección del m dio ambiente.
2.2. Sistemas de acumulación del calor
El mayor problema del aprovechamiento de la energía solar es que, en general, cuar do
se dispone de mucho calor solar, no se necesita calefacción. Por otra parte, I calefacción
se necesita cuando no luce el sol o sólo luce raras veces. Por lo tanto, para poder
aprovechar la energía solar cuando realmente se necesita, ne nos basta con captar este
calor, sino que tenemos que almacenarlo. Con un sisteme racional de acumulación de
energía podremos disponer de la del sol día y noche, er invierno y en verano.
El calor obtenido del sol se puede aprovechar también sin acumulador. En este caso
habrá que adaptar el consumo a la incidencia de calor o bien, si el consumo es tan
grande que la parte de energía que puede aportar el sol es más pequeña que la que se
consume, habrá que contentarse con obtener algo menos de energía de otros orígenes
(por ejemplo, del petróleo). Un acumulador a corto plazo puede suministrar calor durante
unas horas o durante unos días, pero, en este caso, se necesitará una calefacción
suplementaria casi normal. Según las condiciones climatológicas y el tipo de instalación,
con un acumulador a corto plazo podrá ahorrarse del 50 al 70 % de la energía. Con la
acumulación a largo plazo, el exceso de calor del verano puede almacenarse para el
invierno. Un acumulador puede almacenar energía por elevación de la
Acumuladores a corto y
a largo plazo
24

temperatura o por cambio de fase. En ambos casos, la energía interna del sistema se
modifica cambiando las energías potencial y cinética de sus átomos y moléculas. Este
cambio de la energía interna responde a la capacidad de calor almacenada depende de la
temperatura de calentamiento mientras que, en el segundo caso, el calor puede
almacenarse a temperatura constante. Por lo tanto, los acumuladores de calor pueden
clasificarse en acumuladores que utilizan el calor específico con aumento de temperatura
(acumuladores de calor sensible) y acumuladores que utilizan el calor de cambio de
estado (calor latente) sin cambio de temperatura por lo que también se denominan
«acumuladores de calor latente».
Metodos de
acumulación de calor
2.2.1. Acumulación de calor sensible
Si se eleva la temperatura de un material por aportación externa de calor sin modificar su
estado de agregación, el calor aportado puede utilizarse al enfriarse en material. Esto se
denomina «acumulación de calor sensible». Un sistema acumulador de calor está
formado por tres componentes: medio acumulador del calor, recipiente con aislamiento
térmico, instalación de transporte del calor. La capacidad de acumulación de un
acumulador se determina por el número de los posibles ciclos de acumulación, por la
capacidad del acumulador, por la duración de la carga y la descarga, por el intervalo de
temperaturas del medio, por las pérdidas y por el eventual consumo de energía auxiliar
(por ejemplo, para las bombas).
La duración para la cual puede almacenarse una cantidad determinada de calor se
establece por medio de la ecuación siguiente:
T-TU = (T0-TU)
T0 = temperatura inicial del acumulador
Tu = temperatura ambiente (se toma como constante)
T = temperatura del acumulador al cabo del tiempo t
t = constante de tiempo de la autodescarga
t = variable de tiempo
El problema de la autodescarga de un acumulador de calor sensible puede compararse a
la descarga de un condensador eléctrico a través de una resistencia. Al aumentar el
volumen del acumulador la constante de tiempo de la autodescarga se hace mayor. El
índice de carga indica la frecuencia con que se cambia en un año el contenido teórico de
calor del acumulador. Para optimizar el acumulador hay que buscar una solución de
compromiso entre un índice de carga grande y unas dimensiones grandes del
acumulador.
jiUEidescarga
La acumulación de calor sensible plantea, en general unas exigencias mínimas al medio
acumulador. El material debiera tener una capacidad calorífica muy grande, gran
densidad, pequeña tensión de vapor y poco coste. Por otra parte, no ha de atacar al
depósito y tiene que ser químicamente estable. Entre todos los materiales posibles, el
agua es la que mejor cumple todas estas condiciones en el intervalo de temperaturas
entre O y 100°C.
Sin embargo, aunque se utilice el agua, por razones económicas y ecológicas (pérdidas de
calor, gastos materiales) no es razonable pretender desarrollar para todas y cada una de
las viviendas acumuladores anuales que sólo se carguen con energía solar.
Hay que construir acumuladores de agua caliente de gran tamaño y unirlos al mayor
número posible de generadores de calor (casas con colectores en verano) y consumi-
dores de calor (las mismas casas en invierno).
¡óptimos de
Hiladores
25

Capacidad de los acumuladores
distintos materiales para calor
sensible (según Mattmann)
Volumen y temperatura de los distintos
acumuladores dk calor sensible (según
Mattmann)
Temperatura
Material del acumulador Volumen del
acumulador mínima máxima acumulador
Agua 40 °C 90 °C 100m3
Piedra 40 °C 300 °C 37 m3
Hormigón 40 °C 300 °C 43-32 m3
Arena 40 °C 300 °C 62 m3
Aceite 40 °C 300 °C 32 m3
I
Hierro
fundido 40 °C 300 °C 17 m3
Magnesita 40 °C 300 °C 23 m3
Energía
Material
acumulador
almacenada
en kWh/m3
• °C
1,16
0,63
Hasta ahora se han empleado con buenos resultados para el calor sensible los
materiales acumuladores siguientes:
Tipo de acumulador Medio acumulador Temperatura
máxima
Acumulador líquido Agua caliente Agua
sobrecalentada 110 °C 200 °C
Aceite 430 °C
Acumulador sólido Cerámica 600 °C
Hormigón Fundición 600 °C 500 °C
Magnesita 800 °C
La capacidad de acumulación de un material se mide por su calor específico «c» en
kcal/m3
-°C, es decir, la relación calor/volumen a nivel de temperaturas para un m3
de
material. (También puede medirse en kWh/m3
-°C).
Los criterios de calidad más importantes para la elección de la estrategia apropiada en
cuanto a acumuladores son:
— ¿Cuánto calor ha de ceder el acumlador, en qué momento y a qué nivel de tempera-
turas?
— ¿Qué pérdidas pueden producirse durante el período de acumulación?
— ¿Cuánto espacio necesita el acumulador?
— ¿Cómo debe construirse el acumulador para que cueste lo menos posible para una
potencia dada?
— ¿Cuál es la proporción entre la energía acumulada y el consumo de energía extraña?
Según el sistema de calefacción empleado, hay varias posibilidades de almacenar el
calor. Lo más frecuente es utilizar agua o grava suelta. A veces se utiliza también como
acumulador el terreno natural.
El almacenamiento del calor es siempre un problema relativamente caro. Para mantener
más bajos los precios se han ideado sistemas en que no se necesita un volumen
acumulador separado.
0,52-
0,690,36
0,69
1,31
Agua
Piedra
Hormigón
Arena
Aceite
Hierro
fundido
Magnesita
Criterios de calidad del
acumulador
26

Acumulador de agua caliente
El acumulador de agua caliente es el más extendido. Muchos opinan que se trata del
medio mejor para acumulación de calor, aunque los problemas de corrosión pueden crear
algunas dificultades. Para evitar pérdidas de calor, los depósitos de agua deben estar
bien aislados térmicamente. Algunas veces se utilizan en combinación el agua y el
acumulador de grava. El agua puede acumular unas 1000 kcal/°C (1,16 kWh/°C) en 1 m3
.
del
dor
El intervalo de temperaturas a que se puede utilizar el agua comienza a los 70-80 °C y
termina a unos 4 °C si se utiliza bomba de calor. Una vivienda unifamiliar rnn hiipn
aislamiento térmico con unos 100-200 m3
de agua caliente podría almacenar en verano
suficiente energía para el invierno si se tiene en menta la inriríenria normal fin ntono.
invierno y primavera. La cantidad de calor utilizable en un acumulador es menor que su
capacidad, ya que entre el almacenamiento y el uunbumu se pierde calor por las tuberías.
La constante de tiempo de la descarga depende de los parámetros geométricos y de los
parámetros del material, como:
~~-vao útil de
T — oeraturas'
— Volumen del acumulador;
— espesor del aislamiento térmico;
— calor específico del fluido acumulador;
— coeficiente de conductibilidad térmica del material aislante.
Si se quiere disponer de una cantidad determinada de calor durante un período de
tiempo dado, puede conseguirse de distintas maneras. Puede utilizarse un acumulador
pequeño muy bien aislado o instalar un acumulador grande con una constante de tiempo
pequeña, es decir, con muchas pérdidas.
La cuestión está en decidir donde está el óptimo. El problema de la optimización se
define por el parámetro de los costes y por los estados de carga exigidos al comienzo y al
fin del período de acumulación. Los elementos de cálculo más importantes son los
siguientes:
T
r-;-netros de costes
— Precio del metro cúbico del acumulador;
— precio por metro cúbido del aislamiento;
— mínima temperatura útil del acumulador;
— diferencia de temperaturas del acumulador con respecto a la temperatura ambiente;:» en
n3
de
Jaen
pera-
— duración del período de acumulación;
— cantidad de calor de que ha de disponerse aún al cabo de un cierto tiempo.
Mediante una estrategia racional de explotación pueden optimizarse los parámetros del
acumulador de modo que los costes dé instalación resulten mínimos. Si fuese posible,
todo el calor cedido al entorno (pérdidas del acumulador) debiera aprovecharse en la
vivienda caldeada. Es desfavorable disponer de un solo acumulador. Un buen
rsrrsregia de
--notación
Volumen necesario del acumulador de agua para almacenamiento a largo plazo de 6
Gcal para distintos intervalos de temperatura (según Kesselring)
ergíalar el
x>mo
i una Intervalo de temperaturas At
°C
Volumen del acumulador m3
30 °C 40 °C 60 °C 70 °C 200 m3
150m3
100 m3
40 m3
ante-
imen
27

Coeficientes de conductibilidad térmica A e índices de transmisión del calor k de
los materiales aislantes más usuales para el aislamiento de los acumuladores, a 50 '"I
Material aislante Coeficiente de
conductibilidad
térmica X
(W/mK) aprox.
Transmisión del calor k (W/m2
K)
para espesores de aislamiento de
30 mm 60 mm 100 mrr
aprox. aprox. aprox. j
Lana de vidrio y lana mineral Lana
de escorias Espuma de poliuretano
dura Espuma de poliuretano
semidura Espuma de poliuretano
blanda Espuma de poliéster
«Styropor»
0,041 0,040
0,027 0,035
0,042 0,040
0,036
1,37 0,68 0,41 ^ 1
,34 0,67 0,40 0,90
0,45 0,27 1,17 0,59
0,35 1,40 0,70 0,42
1,34 0,67 0,40 1,20
0,60 0,36
depósito acumulador almacena tres niveles de temperatura distintos en cámaras puestas
concéntricamente que, a continuación, se podrán utilizar para tres usos diferentes. (Agua
sanitaria: 50-80 °C, agua para calefacción a baja temperatura 30-50°C agua a menos de 30
°C).
Al terminar el período de carga, en otoño, las tres cámaras se han calentado a unes 80 °C,
son lo que al comenzar el período de calefacción se dispone de toda la capacidad de
acumulación de calor.
Acumuladora corto plazo para calentar el agua sanitaria
Estos acumuladores de un día permiten tomar cantidades grandes de agua en un corte
período de tiempo, como el que se necesita, por ejemplo, para el consumo de agu= para
baño. Si el contenido del acumulador está demasiado frío y falta el incremento de calor
aportado por los colectores solares, se consigue la continuidad de la temperatura del agua
por medio de un dispositivo de regulación que conecta, por ejemplo, ur calentador
eléctrico suplementario.
Acumulador de un día
El agua caliente sanitaria no puede hacerse pasar directamente por los colectores solares
para su calentamiento tanto por razones higiénicas como por los grandes peligros de
funcionamiento que se tendrían (vaporización al sobrecalentarse y congelación a bajas
temperaturas). Por esta razón se utilizan medios portadores del calor por ejemplo, agua
con aditivos u otros líquidos transportadores. Estos líquidos portadores del calor, que
circulan por un circuito independiente, comunican el calor al agua de consumo, como se
hace en los intercambiadores de calor de un sistema de calefacción a distancia. Por esta
razón, los acumuladores tienen la misma construcción que un intercambiador de calor.
Sin embargo, la acumulación del calor se hace directamente en el agua de consumo
porque tiene una capacidad calorífica específica mayor
que los otros medios portadores
de calor.
En los acumuladores caldeados por los líquidos calientes del circuito independiente se
montan serpentines tubulares o se envuelven en una envoltura caliente. Las superficies
emisoras de calor deben colocarse principalmente en la zona inferioras! acumulador con
objeto de que pueda aportarse la mayor cantidad posible de calor. Las dimensiones de la
superficie intercambiadora de calor dependen del índice de transmisión k y, por tanto, de
la construcción del intercambiador, de la velocidad del fluido portador y de las
propiedades físicas de ambos fluidos.
Dimensiones del
acumulador
28

El fluido portador del calor ha de cumplir determinadas condiciones. Las más impor-
tantes son:
— Bajo punto de congelación (-30 °C);
— punto de ebullición lo más alto posible;
— poca viscosidad (¡pérdidas de presión!);
— buena conductibilidad térmica;
— alta capacidad calorífica (calor contenido);
— a ser posible, que no sea tóxico;
— a ser posible, que no sea inflamable;
— que no tenga acción corrosiva.
No hay ningún líquido «ideal» que cumpla todas estas condiciones. Hay que buscar
soluciones de compromiso y, sobre todo, tener en cuenta la seguridad de funciona-
miento de la instalación.
Los acumuladores de corto plazo no deben ser demasiado pequeños. Se aconseja
calcular el volumen para dos días con objeto de asegurar un cierto período de tiempo de
reserva. El volumen, ligeramente mayor, aumenta considerablemente la economía del
sistema con un aumento de coste muy reducido.
El consumo de agua caliente difiere mucho de unas instalaciones a otras según las
exigencias personales de los habitantes de la casa. Oscila entre 30 y 80 litros por persona
y día con agua a la temperatura de 50 °C. Por término medio hay que contar "con 55 litros
de consumo de agua caliente a 50 °C por persona y día. En una familia de 2 a 5 personas
basta con acumulador de corto plazo de 200 a 500 litros de capacidad para cubrir las
necesidades de dos días. La fórmula práctica para calcular el volumen del acumulador
necesario es:
'Iníces de consumo de
maja
Volumen del acumulador = Número de personas x 100 litros.
Los acumuladores deben colocarse en posición vertical o bien, si se construyen de varias
células, se colocarán superpuestos o alineados. De esta manera se consigue una
gradación favorable de las temperaturas. La alimentación de agua fría debe disponerse de
modo que se evite la mezcla con el agua caliente manteniéndose la gradación de
temperaturas. Según la disposición de la toma de agua caliente, el agua fría debe entrar
en las zonas ya precalentadas por el agua caliente extraída, hacia arriba. En la
construcción de acumuladores debe siempre tenerse en cuenta que sus dimensiones
deben permitir fácilmente la colocación en el sótano.EU~ -'adores
Debe elegirse un aislamiento térmico con bajo coeficiente de transmisión; es muy
importante este punto en los grandes acumuladores solares adecuados para un largo
período de reserva. El proveedor debiera indicar las pérdidas de calor con el aislamiento
terminado. Las pérdidas de calor dependen, ante todo, del coeficiente de conductibilidad
térmica y del espesor del aislamiento y de la diferencia de temperaturas entre las paredes
metálicas del acumulador y el aire ambiente del sótano.
Acumuladores de grava suelta y acumuladores de tierra
La grava o zahorra y las masas de tierra tienen una capacidad calorífica relativamente
buena con poco coste de los materiales. Sin embargo, estos materiales, por el peque ño
intervalo útil de temperaturas que tienen, requieren varios m3
de volumen df acumulador
para salvar, por ejemplo, el período nocturno en una vivienda unifamilia utilizando
colectores solares normales, planos con el máximo rendimiento que puede alcanzarse.
Aunque el coste de los materiales es casi despreciable, debe tenerse er cuenta el coste de
los depósitos y del espacio que hay que prever para el acumulador el de las instalaciones
para cargar y descargar el acumulador. El transporte del calodel calor
2£

suele ser bastante sencillo: en los acumuladores de materiales sólidos, circula aire
directamente a través del lecho de grava o por conductos abiertos en la masa de tierra,
calentándose o enfriándose. La carga y descarga de estos acumuladores con cambios
constantes de temperatura exige, sin embargo, una regulación automática que adapte el
sistema estacionario a las condiciones constantemente variables. Con un 30 % de
huecos, la grava tiene triple peso que el agua y sólo la tercera parte de capacidad
volumétrica de acumulación. Estos acumuladores de grava suelen precisar un volumen
cuatro veces mayor que un acumulador de agua de igual potencia. grava suele tener un
diámetro de unos 5 cm, o menor para altas temperaturas. 1 m3
de grava puede almacenar
unas 400 kcal/°C.
Georg G. Lóf construyó en 1945 la primera casa solar (Boulder-House, en Colorado) en ] la
que el almacenamiento de calor se hacía con ocho toneladas de gravilla (unos 5 m3
) En
casos especiales puede utilizarse el terreno natural como acumulador de calor.
Si no se aporta el calor a alta temperatura, el terreno natural tiene una temperatura!
insuficiente para su aprovechamiento directo. Por esta razón se utiliza una bomba del
calor instalada como aparato de calefacción que eleva la energía calorífica a baja'
temperatura hasta la temperatura de calefacción transformando así el calor disponible i en
el entorno en calor de calefacción. Para ello se monta un colector de tierra situado a la
profundidad de 0,5 a 2 m. Por estos tubos circula el líquido portador, que suele ser( agua
con anticongelante y, algunas veces, es directamente el medio refrigerante.
Temperatura del
acumulador
Capacidad de acumulación de calor para distintas masas acumuladoras de tierra
Coeficiente de Capacidad Contenido
conductibilidad
térmica X (W/m •
K)
calorífica
específica c
(Wh/kg • K)
Densidad p
(kg/m3
)
de agua (% en
peso)
Arena seca 0,18 0,2 1500 10
Tierra arcillosa 0,4 0,3 1500 18
Arcilla húmeda 0,7 0,35 1800 30
Humus 0,2 0,5 1400 15
Antes de construir un acumulador de tierra hay que considerar algunos puntos impor-
tantes:
— No debe producirse un enfriamiento del terreno natural superior al que se presenta en
la naturaleza (enfriamiento próximo a cero grados).
— No debe influir en la vegetación.
— Garantizar su potencia, incluso en inviernos poco soleados.
— ¿Qué normas pueden admitirse para las plantaciones del terreno por encima del
colector?
— ¿Qué cambios de potencia producirán la orientación, inclinación del terreno, som-
breado y características del suelo?
— ¿Qué seguridades ha de ofrecer la potencia energética del colector de tierra?
— ¿Qué durabilidad ha de tener el colector de tierra como sistema irreversiblemente
enterrado (fugas, corrosión, resistencia contra corrimientos de tierras)?
— ¿Qué condiciones ha de cumplir el fluido portador del calor que circula por los tubos?
Hay que tener en cuenta también los siguientes factores de influencia:
— Energía calorífica acumulada al comenzar la toma de calor.
— Radiación global absorbida durante el invierno.
30

— Calor aportado por el agua (lluvia, rocío).
— Calor aportado del exterior (por ejemplo, a través de colectores solares).
— Calor latente del agua al congelarse.
— Intercambio de calor con el aire exterior.
— Energía geotérmica que desde el interior de la tierra fluye hacia el colector de tierra.
— Calor que fluye a las zonas marginales del colector.
— Extracción de calor por las bombas de calor.
Es frecuente utilizar como material para las tuberías el polietileno, conocido desde hace
muchos años en la técnica de instalaciones; es absolutamente resistente a la corrosión,
suficientemente seguro contra la temperatura y la presión, tiene gran resistencia
mecánica, es fácil de colocar y, además, sale barato. Los distintos tubos van de un
distribuidor a un colector. No se efectúa ninguna unión mecánica en el terreno. El
dimensionamiento se hace de modo que la potencia necesaria se transporte aunque se
averien uno o dos tubos. La diferencia media de temperaturas entre el fluido portador del
calor y el terreno no suele ser mayor que 1 K.
:'ón del :or
de tierra
2.2.2. Acumulación de calor latente
Si la aportación o cesión de energía hacen que una materia pase de un estado de
agregación a otro, el calor de transformación o de cambio de estado se denomina «calor
latente».
Los cambios de fase más conocidos y más aplicados en la técnica son los del agua con una
energía de transformación de 93 kWh/m3
en la congelación o en la fusión, y de 626 kWh/m3
en la evaporación o condensación.
Por razones económicas apenas se pueden considerar los sistemas acumuladores de
calor latente con transformación a la fase gaseosa. En cambio, son interesantes los
sistemas que tengan un cambio de fase en el intervalo de temperaturas comprendido
entre +30 y +95 °C, ya que en estos casos, es posible la aportación de energía por medio
de agua caliente procedente de colectores planos. Hay una serie de sales cristalizadas
hidratadas, fáciles de encontrar y baratas apropiadas para el intervalo de temperaturas
citadas. Hasta ahora, la sal más utilizada era la sal de Glauber (sulfato sódico) [(Na2S04) •
10 H20)]. El sulfato sódico fundido tiene una capacidad calorífica parecida a la del agua.
Entre 90 °C y la temperatura de solidificación, a 32 °C, el acumulador de sulfato sódico
puede utilizarse como acumulador de calor sensible y puede ceder unos 67 kWh por m3
.
Al solidificarse libera otros 98 kWh. Por lo tanto, cede en total unos 165 kWh por m3
lo que
equivale aproximadamente a dos veces y media la energía que podría ceder un
acumulador de agua en el mismo intervalo de temperaturas.
Los acumuladores de calor latente tienen una curva característica de descarga extraor-
dinariamente favorable. Mientras que en el caso del acumulador de calor sensible la
temperatura del acumulador varía constantemente, en el caso del acumulador de calor
Capacidad de acumulación de distintos materiales en el sistema de calor latente
(según Mattmann)
Material
acumulador
Temperatura de
cambio de estado
en °C
Energía
almacenada en
kWh/m3
CaCI2 • 6H20
Na2S04- 10H20
29-39 32 81
98
31

latente la temperatura se mantiene constante durante bastante tiempo. Por ejem
para el sulfato sódico, alrededor del 60 % del total del calor almacenado se cede a
temperatura que apenas sería adecuada como inicial para una calefacción a t
temperatura.
En los acumuladores de calor latente, la absorción y cesión del calor de transforr
ción debiera producirse en forma estrictamente reversible e isotrópicamente a trai
de todo el material acumulador.
Una de las dificultades de la cristalización es que ía masa fundida de las sales q pueden
utilizarse como material acumulador suelen tener tendencia al subenfriamie to, por lo que
la cristalización tiene que iniciarse por medio de la siembra de cristale Los materiales que
podrían utilizarse como gérmenes cristalinos tienen que cump una serie de condiciones
para que el sistema pueda funcionar incluso pasados varic años. Por ejemplo, no deben
ser solubles en la masa fundida del acumulador de calo su punto de fusión debe ser
superior a la temperatura de trabajo del acumulador; s densidad debiera ser
aproximadamente igual a la de la masa fundida con objeto d que no se precipiten durante
el año. Además, la retícula cristalina del germen cristal no debe ser semejante a la del
material acumulador, al menos en dos dimensiones Estos problemas fueron conocidos ya
en 1946 cuando la Dra. María Teíkes comprob< que en un acumulador de sulfato sódico
montado en una vivienda unifamíliar di Dover (Massachusetts) los fenómenos de
precipitación redujeron la capacidad de acumulación a menos del 80 % de la capacidad
primitiva al cabo de un año. Como consecuencia se intentó impedir la precipitación
agregando unos armazones de materiales sólidos o armazones en forma de gel. Su
misión era la de mantener en suspensión los gérmenes de los cristales.
Cristalización de la
masa acumuladora
dé cstidad¿w,(? eíe&ctán de i'as masas
— Entaipía de transformación io mayor posibfe referida al volumen del acumulado-
— Buena conductibilidad calorífica tanto en estado de carga como descargado.
— Poca variación de volumen durante la transformación o cambio de fase.
— Deben ser, en lo posible, químicamente estables y no reaccionar químicamente
con los materiales usuales que forman el depósito.
— Precio lo más bajo posible. _ |
Para los acumuladores que utilizan calor latente, se utilizan, ante todo, sales hidratadas
que se licúan en su agua de cristalización por lo que pueden absorber grandes cantidades
de calor de licuación y de calor de hidratación. Debe disponerse de ellas er gran cantidad
a bajo precio.
•I
Naturalmente, también puede utilizarse una serie de sustancias de otro tipo, inclusc
compuestos orgánicos como, por ejemplo, la parafina, como acumuladores de calo-
latente. Los acumuladores de calor latente pueden absorber, por unidad de volumen una
cantidad de energía, en el intervalor de bajas temperaturas, notablemente mayo-que los
acumuladores de capacidad. Los acumuladores químicos tienen una capacidad de
almacenamiento que puede alcanzar, por unidad de volumen, más del quíntuplo que un
acumulador de agua caliente. En comparación con un acumulador ú-, grava, el
acumulador de calor latente lo supera, desde este punto de vista, en u-factor 9.
Materias químicas para
la acumulación
Numerosos institutos de investigación de todo el mundo están trabajando para perfec-
cionar el acumulador químico de calor para resolver así el problema más difícil de
aprovechamiento de la energía solar, que es la acumulación de la energía.
32
1É

3. Principios fundamentales de la calefacción solar de
locales
" rapios
éntales de la
Los trabajos prácticos realizados nos indican que, durante los últimos años, han crista-
lizado dos variarles de los principios íundamentales para el aprovechamiento de la
energía solar para, calefacción; se trata de los sistemas de calefacción solar pasivo v
activo. Los sistemas pasivos tratan de aprovechar directamente las radiaciones solares
mediante disposiciones constructivas adecuadas. Por el contrario, en los sistemas activos
predomina el aprovechamiento de la energía solar por medio de trabajos de ingeniería e
instalaciones técnicas.
Los métodos de calefacción solar activa se dividen en dos grupos: los que trabajan
valiéndose de colectores solares y los sistemas acoplados a bombas de calor.
La refrigeración por medio de la energía solar puede realizarse también por medio de
disposiciones constructivas naturales o empleando diversos aparatos técnicos relati-
vamente complicados entre los cuales los más importantes en la actualidad son las
máquinas refrigeradoras de absorción.
3.1. Sistemas pasivos de calefacción solar
-:-~;
ento El aprovechamiento directo de las radiaciones solares por medio de disposiciones
; s energía constructivas suele denominarse «aprovechamiento pasivo de la energía solar». Esta
expresión, no muy acertadamente elegida (¡los «edificios solares pasivos» correcta
mente concebidos tienen que ser, en realidad, muy activos térmicamente y suscepti
bles de adaptación!), quiere señalar que con relativamente pocas instalaciones técni
cas, sólo por un concepto lógico de la arquitectura, pueden utilizar directamente la
energía solar. El intento de concebir edificios solares «pasivos» data ya de una historia
de milenios. Hay documentos escritos de que ya Sócrates y Jenofonte habían pensado
sobre este problema, y la arquitectura popular ha realizado, en casi todo el mundo,
muchas soluciones valiosas que, desgraciadamente, han sido olvidadas por la «mo
derna» arquitectura de bloques cúbicos.
En nuestro siglo, como consecuencia del abaratamiento de la fabricación del vidrio, se
realizaron, ya en los años treinta, algunos ensayos de aprovechar directamente la energía
solar mediante su incidencia en las ventanas acristaladas (Wagner, Keck-Slona, etc.).
Estos primeros edificios, por desgracia, no pudieron cumplir óptimamente su función por
falta de conocimientos suficientes de la relación que existe entre incidencia de
radiaciones y acumulación de energía. En particular, quedaron sin resolver los problemas
del sobrecalentamiento durante los meses de verano y las excesivas pérdidas de calor
durante los períodos fríos, debidos a las grandes dimensiones de las superficies
acristaladas.
En la actualidad, cuando ya se han construido en varios países un gran número de
edificios solares pasivos, podemos concretar una relación de las disposiciones cons-
tructivas más importantes que permiten el aprovechamiento óptimo y económico de la
energía solar.
Plano de situación favorable desde el punto de vista técnico de la energía
El arquitecto debiera elegir, en lo posible, un solar que permita la orientación óptima, al
sur o al suroeste, de la mayor fachada del edificio. Un microclima tranquilo, protegido
contra el viento, reduce también el consumo de energía del edificio. Unas laderas
33

Variantes de estructuras
Heteras para
aprovechamiento activo
y pasivo de la energía
solar, según S. Gilí
1.1
y v
5.1
3.4
3.52.5Í.5
convenientemente situadas pudieran utilizarse como taludes de protección contr
viento. Los árboles ofrecen una buena protección contra los temporales, con lo <
pueden reducirse las pérdidas por las rendijas en las fachadas acristaladas. Los ár
les dan sombra en verano, pero en invierno dejan pasar las benefactoras radiacioi
solares. Para un edificio biosolarmente concebido debiera también estudiarse el p
blema de una posible radiación de la tierra. Las radiaciones telúricas nocivas debiei
evitarse por medio de disposiciones constructivas en el proyecto. |
Aumento de la captación directa de la energía medíante la orientación al sur de las
mayores superficies de fachada ]
La teoría y la práctica han demostrado que las fachadas orientadas al sur en un edifk son
óptimas para la captación de energía solar en invierno y en las estaciones interrr dias.
En verano se pueden proteger fácil y efectivamente contra las radiaciones térn cas no
deseadas. Las ventanas orientadas al sur aportan indudablemente una capí ción de calor
muy aprovechable. Por esta razón, los edificios debieran abrirse en posible hacia el sur y
prever en las otras direcciones las habitaciones que necesiti menos luz y, por lo tanto,
ventanas de menor superficie. El problema es relativamen fácil de resolver en los
edificios pequeños; en los grandes edificios suelen ser inevit bles las soluciones de
compromiso, ya que hay que asegurar la suficiente iluminacic
34

instrucción de las -
3das como jardines
^vierno produce orro
de energía por el
<o de la energía iar
y permite, al wiu
tiempo, como
í ^instrucción del
-r de les Halles» de
:- s formación de
- -asantes espacios : -
tectónicos (Arq. íianí.
Penereach, .Ton).
natural para todos los locales. Los edificios con grandes fachadas al sur pueden apro-
vechar óptimamente la energía solar como radiación directa incidente a través de las
ventanas (aprovechamiento pasivo de la energía solar) o indirectamente, con la ayuda de
colectores solares integrados (aprovechamiento activo de la energía solar).
Configuración energéticamente óptima de las ventanas y paredes orientadas al sur
Todos los elementos de ventana y de muro de un edificio solar pasivo tienen que
optimizarse energéticamente, dedicando una atención especial a la fachada sur, porque
el edificio recibe por su cara sur el mayor flujo de energía aprovechable.
El cálculo y la experiencia práctica señalan, sin lugar a dudas, que la concepción correcta
de las ventanas orientadas al sur permite una valiosa captación de energía incluso durante
los meses de invierno. Es importante, sin embargo, que las ventanas estén provistas de
elementos protectores que las protejan en verano contra el exceso de incidencia de
radiaciones solares y que, en invierno, puedan impedir las mayores pérdidas de calor
durante las horas de la tarde y de la noche.
35

Estructura de jardín do
¡nviernu r/e grandes
dimensiones para un
proyecto de
urbanización solar de
usos múltiples (Arq. P.
Soleri).
Las superficies acristaladas en las fachadas orientadas al sur permiten también afi rros de
energía utilizándolas como jardines de invierno o como paredes soíares. jardines solares
orientados al sur y las paredes solares, que suelen poder cumplir; mismo tiempo
funciones de captación y acumulación de energía, son disposiciones . --clásicas para la
captación de la energía solar para uso de calefacción. (Los jardines z^ invierno actúan
también como zonas de regulación térmica). Hay que atender especialmente a que los
valores del aislamiento sean los correctos y a que las relaciones CT dimensionamiento
entre las superficies acristaladas transparentes y las masas terr-;-les sean adecuadas.
Según la experiencia americana es favorable dotar en algur:; casos a las ventanas con
vidrio Texural que transmiten la luz difusa a todas las supe"" cíes interiores. Esta radiación
difusa es captada por las superficies de todas las masí-termales de las paredes, suelos y
techos. El acristalamiento puede hacerse con vidr
: normal o con vidrio especial. Si las
paredes interiores, los suelos y los techos s-e-utilizan como acumuladores de calor, el
vidrio Texural debiera dispersar la luz ~-válido cualquier vidrio de superficie rugosa). Hay
que señalar que las ventanas dobles con 2-4 cm de distancia entre los dos vidrios, son
ideales para todo el edificio. Si se utiliza vidrio muy «transparente», o bien vidrio con
poco contenido de hierro, lo ms; económico es utilizar triple vidrio en Ja fachada sur ya
que, por la noche, no se necesiií más protección, como, por ejemplo, contraventanas. Las
persianas en que puede variarse el ángulo de inclinación de las lamas, pueden ser
necesarias para dar sombra En todo caso deben situarse fuera del vidrio.

tiento de
iones» de la
arquitectura
mediante la
iona'ede
invierno y
(Doc.
Configuración de la cubierta para aprovechamiento de la energía
La cubierta debe volar, hacia el sur, lo suficiente para que, dejando pasar el sol en
invierno, no lo deje en verano. Sería preferible un voladizo susceptible de adaptación ya
que, como es sabido, a igualdad de ángulo solar, en primavera se necesita más sol que
en otoño. Las cubiertas inclinadas son mucho más favorables que las cubiertas planas
porque pueden servir al mismo tiempo como zonas de regulación térmica y como
superficies de captación para los colectores solares.
Instalación de «masas termales» internas
Las ventanas orientadas al sur pueden tener el inconveniente de sobrecalentar la
habitación, por lo que el interior del local debe proveerse de masas acumuladoras
debidamente dimensionadas en forma de paredes, suelos y techos (ladrillos, bloques,
etc.). Unas masas acumuladoras excesivamente grandes pueden resultar térmicamente
desfavorables porque su caldeo exige demasiado tiempo por la mañana. Para permitir el
efecto acumulador de los elementos interiores del local, deben impedirse, en lo posible,
las pérdidas de calor hacia el exterior mediante un buen aislamiento.
Es muy interesante, sin duda, citar los dos primeros sistemas de edificio solar pasivo de
la arquitectura moderna. Se trata del «edificio creciente» del Arquitecto Wagner (1931) y
de la St. George School, en Liverpool, de A. E. Morgan (1961). En el sistema Wagner, las
radiaciones solares se transforman directamente en calor. No hay colectores solares, sino
que el edificio está envuelto, total o parcialmente, en una envoltura transparente. Entre la
pared exterior y la segunda envoltura de vidrio hay una cámara que se calienta por los
rayos del sol incidentes (efecto de invernadero). Mediante esta
37

disposición, se reducen las péridas de calor del edificio y puede aprovech energía
solar incidente. La acumulación de calor puede hacerse, en parte, elementos de
la construcción.
La «casa creciente» de M. Wagner, se presentó en una exposición de Arquitei tenía
una superficie útil de unos 94 m2
. En el núcleo del edificio estaba la sala de Las
demás habitaciones estaban colocadas periféricamente. El edificio estaba p do en
todo su entorno por una envoltura de vidrio que dejaba una cámara Ínter de 1,5 m
de anchura. En este «invernadero» se producía la conversión de las ra< nes solares
en energía calorífica. Los problemas principales del edificio en verán su inercia
térmica, demasiado pequeña, y la falta de protección de las paredes a ladas.
Sistema Morgan El sistema de edificio solar de Morgan fue el primer ensayo de aplicar disposic
«pasivas» a grandes edificios. El edificio de la St. George School sólo se calde;
diante las radiaciones solares y otros tipos de energía ya existentes. No hay colee
solares en el sentido usual ni tampoco acumuladores ya que el calor se almacei las
paredes y forjados del edificio. La escuela, capaz para 320 alumnos tiene 67 longitud
y dos plantas. La fachada sur está acristalada en un 90 % y detrás del ac (amiento
lleva un muro de hormigón pintado de negro. Los forjados de hormigón paredes de
ladrillo están dimensionadas de modo que puedan captar una gran c dad de calor,
almacenarlo y cederlo más adelante. No existe calefacción auxiliar energía
suplementaria que se necesita la producen el calor humano y los aparate luz.
Autonomía del edificio: 7 días. Las mediciones efectuadas por la Universida Liverpool
(M. G. Davies) consideran que el sistema de calefacción es muy sat¡sfact<
3.2. Sistemas activos de calefacción solar sin bomba de calor
Aunque el escritor griego Jenofonte escribió, hace ya más de 2400 años, sobr posible
aprovechamiento de la energía solar mediante disposiciones constructivas arquitectura
popular de muchos países puede presentar un gran número de realiza nes muy
sencillas pero muy bien pensadas, los primeros intentos modernos de útil el sol para la
calefacción de locales no se iniciaron hasta 1929. Debido a que fueron mayoría
ingenieros quienes se ocuparon del tema en los sistemas de casas sola realizados, se
consideró que el aprovechamiento de la energía solar era cuest técnica de ingeniería y
no tanto de arquitectura. De estos esfuerzos surgieron llamados «sistemas activos de
casas solares» en los que el papel principal correspc de a los colectores solares y a los
elementos técnicos de acumulación. Con bastai rapidez se elaboraron algunos
conceptos típicos de sistemas «activos» que, ha; ahora, constituyen los tipos
fundamentales clásicos de la construcción de casas so res. Los sistemas activos de
calefacción solar de locales constan, en principio, de I elementos siguientes:Los elementos básicos
del sistema de
calefacción solar. — Colector solar, que transforma las radiaciones solares en calor.
— Circuito del colector, que lleva el calor captado por el colector al acumulador.
— Acumulador de calor, que almacena el calor de reserva.
— Circuito distribuidor que lleva el calor del acumulador a los locales habitados doi de
lo cede.
Los dos elementos más importantes para el funcionamiento de la mayoría de
sistemas de calefacción solar son el agua y el aire.
la
Las instalaciones construidos hasta ahora constituyen, sin embargo, múltiples varían tes
del sistema, es decir, todas las partes del sistema pueden concebirse de acuerc con
diversos principios físicos y construirse con diversos materiales. Los tres problemas
principales de la calefacción solar de locales, es decir, la captacid del calor, su
afmacenamiento y el transporte del calor pueden resolverse de distinta
38

fVoyecto de edificio
t'oficinas de J. I con
sistema tivo de don
solar y :iones
"••Kfruct/Vas pasivas.
media en Saint--
r
ancia) con
semiactivo de .-
jon solar
maneras según el método de transformación de la energía, según el material del
acumulador de calor y según el medio de transporte del calor.
= las Podemos clasificar los sistemas de acuerdo con tres puntos de vista distintos, aunque,
es solares naturalmente, las variantes citadas pueden combinarse entre sí para dar un sistema de
calefacción solar completo:
Así, por ejemplo, la captación de la energía puede hacerse por medio de colectores de
agua, de aire o de líquido especial de distintas formas (planos o concentradores). Las
posibilidades más importantes de acumulación de calor son el agua, la grava, la tierra,
masas químicas o elementos del edificio. La distribución del calor se efectúa por medio de
circulación natural o forzada con la ayuda de agua, líquidos especiales o aire.
I 39

Se ve inmediatamente que las posibilidades de combinación, aún sin bomba de cali
son numerosísimas, aunque la práctica ha demostrado que pueden definirse variant)
inequívocamente «activas» del principio fundamental.
Son las siguientes (denominación por su primer usuario):
1. Principio de McNeílledge
Captación del calor:
Acumulación del calor:
Distribución del calor:
2. Principio MIT
3. Principio de Lóf
4. Principio de Telkes-Raymond
5. Principio de Lefever
Colectores de agua
Acumulador de agua
Sistema de agua
Colectores de agua
Acumuladores de agua
Sistema de aire
Colectores de aire
Grávida silícea
Sistema de aire
Colectores de aire
Acumulador de calor latente
Sistema de aire
Los ejemplos realizados según estos principios fundamentales indican cómo se K=
resuelto en la práctica los problemas técnicos de calefacción.
N
NEl aprovechamiento
activo de la energía
solar suele requerir
faldones de cubierta de
gran superficie
relativamente bien
orientados (Doc. Báhr-
Gansfort).
N
REFORMA
CABALLETES
EN FORMA
DE SIERRA
EN FORMA
DE SIERRA
ACENTUANDO
LAS
GIRO
HASTIAL
SUPERFICIE
PLANA
GABLETE CON
LUCERNARIO
GABLETE CON
LUCERNARIO
GABLETE CON
LUCERNARIO
A través de elementos del edificio
En elementos del edificio
Circulación natural del aire
40

Centro eclesiástico en
Colorado con 288 m
2
'de
colectores de agua de
temperatura media y
sistema activo de
calefacción solar.
Probablemente, el primer edificio moderno del mundo caldeado «activamente» energía
solar fue concebido en 1929 por Alexander McNeilledge, que se sirvió agua como medio
para la captación, almacenamiento y distribución del calor, ty's Castle, en el Valle de la
Muerte, California). Este principio fundamental es el utilizado hasta ahora por su sencillez.
La instalación pionera llevaba colectores solar con doble vidrio con tubos de cobre de 3/4"
colocados, en partes independientes edificio, con una inclinación de 4U° y orientados al
sur. Muchos edificios solar incluso los más modernos, construidos para una autonomía
energética casi comple han sido concebidos de acuerdo con este principio de calefacción
solar, que es el antiguo. El edificio de oficinas Bridges-Paxton, en Alburquerque (Nuevo
México) i una gran instalación pionera construida según el principio de McNeilledge. El
ediflc tiene una superficie útil de 410 m2
, la superficie de los colectores solares es de 71 mí.
Los colectores son de aluminio (Roll Bond) y las tuberías están integradas en la superficies
de absorción. El acristalamiento es de vidrio sencillo de ventana y la superficies de
absorción no son selectivas. La superficie colectora está compuesta , 55 elementos y tiene
una inclinación de 60° hacia el sur.
Sistema de
McNeilledge
El medio de transporte del calor es el agua; la cesión del calor se efectúa por medio <
calefacción en el suelo y en el techo. El almacenamiento del calor se efectúa en ud
depósito enterrado de agua (0 1,5 m) de 23.000 litros. La autonomía del acumulador es de
23 días.
El Massachusetts Institut of Technology (MIT) construye desde 1939, con la colaboración
de H. Hottel, B. Woertz, A. Dietz y C. Engebreston, varios sistemas típicos de casas solares
con colectores de agua y distribución de energía por aire. Los colectores solares, llenos de
agua, captan el calor del sol. Este agua caliente se bombea ai acumulador, que se
encuentra en el sótano, calentándose el agua del acumulador con ayuda de
intercambiadores de calor. El agua caliente del acumulador calienta el aire, que se
impulsa hacia los locales de habitación.
Sistema solar «MIT»
Para una de las instalaciones realizadas (MTI 1) se instalaron 37,2 m2
de colectores agua con
triple acristalamiento para una superficie caldeable de vivienda de 46 m2
. E
almacenamiento del calor se efectúa con 62.000 litros de agua que, al final del verano
42

Hotel de lujo en Ginebra
con instalación
complementaria de 203
m
2
de colectores solares
que economizan
anualmente 141.600
kWh de energía de
calefacción (Doc. Noel-
Saugey).
En este método, en el que desempeñan un papel importante las disposiciones c
tructivas activas y pasivas para la obtención de energía, se suele hablar de «sistf
semiactivos» (también se les podría llamar «semipasivos»).
Típica de este sistema es la de Lefever-House en Stowerstone. La superficie útil
deada es de 116 m2
. Los colectores solares del tipo de aire (superficie 41,8 m2
)
montados verticalmente en la planta de ático, orientados al sur y llevan doble acr
(amiento. La superficie colectora es negra y no selectiva. No lleva acumulador de c
especial ya que el almacenamiento del calor se hace solamente en las paredes,
habitaciones se caldean por circulación de aire caliente. La demanda total de ene del
edificio se cubre en un 40 a 40 % por medio de la energía solar.
Una variante del principio de Lefever es el conocido Sistema Trombe-Michel. rayos
solares son captados por medio de superficies de triple acristalamiento vert les y
orientadas al sur montadas sobre un muro de hormigón negro (30-40 cm) (suf ficie
acristalada = 10 % del volumen total del edificio). El aire caliente penetra a tra de
pequeñas aberturas en las habitaciones y distribuye el calor por circulación nati del
aire. En Francia se han construido numerosos edificios de este sistema.
Sistema Trombe-
Michel
Sistemas de Hay-Yellott
y Baer
Otras aplicaciones, de distinto tipo, del principio de Lefever, con acumulación del ca en
el cuerpo del edificio, fueron elaborados por Hay-Yellott (captación del caloi
almacenamiento por agua en la estructura de la cubierta) y por Baer (depósitos agua
integrados en las paredes exteriores) llevaban consigo problemas arquitecto eos de
difícil solución.
Estas variedades de la calefacción solar activa sin bombas de calor no constituyen única
posibilidad de clasificación, pero contienen los principios básicos más importa tes entre
los sistemas solares hasta ahora construidos. El número de posibilidades c combinación
puede, naturalmente, incrementarse mediante la adición de elemente complementarios,
como sistemas de combustión cíe íeña, instalaciones de biogai instalaciones de
recuperación de calor, bombas de calor, células solares, etc., pero, e lo que afecta al
aprovechamiento activo de las radiaciones solares, se mantienen la mismos principios
básicos generales.
46

3.3. Sistemas activos de calefacción solar con bomba de calor
Los sistemas de calefacción de locales, activos y pasivos, antes mencionados aprovechan
la energía del sol mediante la Incidencia directa en las ventanas o con ayuda de colectores
protegidos con vidrio. Los colectores activos de temperatura media con cubierta
transparente se calientan mediante el efecto de invernadero por la incidencia de la luz; el
aprovechamiento de la energía se hace a la temperatura alcanzada en cada momento. Es
frecuente que las altas temperaturas originen pérdidas de calor relativamente elevadas y,
por tanto, pueden hacer que el rendimiento sea muy bajo; por otra parte, si la incidencia
de radiaciones es escasa, el calentamiento es pequeño y el gradiente de temperaturas
apenas resulta aprovechable; por estas razones, en ciertas condiciones puede ser útil el
empleo de un aparato auxiliar: la bomba de calor.
Las bombas de calor extraen el calor de materiales relativamente fríos y lo ceden a un
sistema de calefacción a un nivel de temperatura aprovechable. Los elementos funda-
mentales más importantes de una instalación de bombas de calor son: el vaporizador, el
condensador y el compresor, unidos entre sí por medio de un circuito con un agente
refrigerante. El compresor tiene que accionarse con un mntor que necesita energía
exterior. Para ello pueden utilizarse gas, gasóleo, electricidad u otro tipo de energía por lo
que, a ser posible, convendrá utilizar energía de bajo precio.
is.de calor Como fuentes de calor pueden utilizarse las aguas subterráneas, las aguas superficia
les, el terreno natural, las radiaciones solares, el aire, la humedad del aire y la lluvia
aunque se ha de tener en cuenta que el enfriamiento puede ocasionar daños biológi
cos a los animales y a las plantas.
Fuente de calor: aguas subterráneas
Las aguas subterráneas son la mejor fuente de calor ya que, con pequeñas variaciones,
mantienen una temperatura de unos 10 grados durante todo el año. Si se extrae calor a 5
m3
de agua subterránea bajando su temperatura de 10 a 6 °C, se liberan 20.000 kcal/h
(unidades termodinámicas) que bastan para calentar una vivienda unifa-miliar. Por
desgracia, no siempre se dispone de agua subterránea por lo que hay que recurrir a oirás
fuentes efe calor.
Fuente de calor: aguas superficiales
Las aguas superficiales, si no están muy impurificadas, tienen la misma eficiencia que ias
aguas subterráneas. Las oscilaciones estacionales de temperatura son más acusadas que
en las aguas subterráneas. El agua que esté muy alejada del edificio puede llevarse hasta
él por medio de una bomba para extraerle el calor.
Fuente de calor: terreno natural
El terreno natural que, por su estructura, es una materia heterogénea formada por
diversos componentes de distintas propiedades físicas, puede también utilizarse para la
extracción de calor. Su conductibilidad térmica y, por tanto, la posibilidad de utilizarlo
como fuente de calor, depende de su estructura y debe estudiarse en cada caso. Las
oscilaciones estacionales de temperatura superficial del terreno influyen muchísimo en la
cantidad de calor y deben tenerse en cuenta al efectuar una instalación.
Fuente de calor: Incidencia de las radiaciones solares por medio del principio de
elemento absorbente de calor
Por los elementos absorbentes de calor circula un fluido formado por agua, un anti-
congelante y un anticorrosivo (salmuera). Mientras que un colector solar está cubierto por
un vidrio aislante, el elemento absorbente de calor se encuentra en contacto
47

Por las mediciones efectuadas se ha visto que la precipitación de humedad asciende, por
hora, a 0,1 mm o bien a 0,1 litros por metro cuadrado de superficie absorbente. Esto
equivale a la obtención, por la condensación del vapor de agua, 2 de unos 60 W/m2
• hora
procedentes del calor latente. Si no se dispusiese de esta ganancia de energía procedente
de la humedad del aire, habría que enfriar la superficie del absorbedor muy por debajo de
la temperatura ambiente para extraer esta energía del calor sensible contenido en el aire.
Sin embargo, para enfriar tanto el absorbedor se necesita mayor consumo de energía en
la bomba de calor. De esta manera, la obtención de energía de la humedad del aire hace
que el calor necesario para la calefacción se componga de una gran proporción de energía
del medio ambiente y de una pequeña parte de energía de accionamiento: es decir,
mejora el rendimiento de la bomba de calor.
Con temperaturas exteriores próximas al punto de congelación, la temperatura del
absorbedor es inferior al cero. En estas condiciones, la humedad del aire que se deposita
sobre la superficie del absorbedor se convierte en escarcha. Con ello, además de obtener
energía por la condensación se obtiene también energía por la congelación de la
humedad. Esta energía aumenta la obtención de energía lalerile en un 15%
aproximadamente.
Mientras las capas de escarcha no alcanzan un espesor de varios centímetros apenas
impiden la extracción de calor del aire ambiente. La formación de cristales de hielo
aumenta la superficie de intercambio de calor y se mejora la transmisión del calor
exterior.
Durante los breves intervalos de parada de la bomba de calor a temperaturas superiores a
O °C o cuando hace sol, el absorbedor se descongela por sí mismo sin necesidad de
utilizar energía exterior.
La lluvia como suministrador de energía
Mediante el enfriamiento se extrae energía del agua de lluvia que corre por la superficie
del absorbedor. Esta aportación suplementaria de energía reduce también el enfriamiento
necesario del circuito líquido por debajo de la temperatura ambiente. Cuando llueve, las
condiciones de extracción de calor son tan favorables que la temperatura de salida del
líquido del absorbedor apenas es inferior a la temperatura ambiente.
Los días de tiempo húmedo, frío y ventoso, la demanda de energía de la calefacción es
muy alta. Estas condiciones climatológicas son muy favorables para el absorbedor de
calor. Se puede obtener suficiente cantidad de energía de la humedad del aire, de la lluvia
y del viento para cubrir el aumento de demanda calorífica.
De la concepción del edificio y del nivel de precios dependerá el que el empleo de bombas
de calor con absorbedor o sin él, resulte económico. En todo caso, el proyectista debiera
tener en cuenta que la instalación de una bomba de calor no ocasiona ningún perjuicio
adicional al medio ambiente y que la totalidad de consumo de energía está en relación
lógica con la obtención efectiva de energía.
Tanto si se propugna el aprovechamiento «pasivo» de la energía solar como el «activo»,
de la optimización del funcionamiento se han deducido ya determinadas formas de
arquitectura solar, máxime teniendo en cuenta que ambas disposiciones debieran,
lógicamente, aplicarse a la vez. Así pues, hay determinadas formas de plantas y de
secciones que se han convertido en típicas de la arquitectura solar. Como hay determi-
nadas formas de construcción que son muy favorables desde el punto de vista de la
técnica solar y, sin embargo, pueden ser caras y complicadas, siempre habría que intentar
tener a la vista el mayor número posible de aspectos de las necesidades del edificio y no
sólo uno de ellos. La optimización de la arquitectura en su totalidad, en
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