El calentamiento solar del aire es una tecnología solar térmica en la que la energía del sol, la insolación , es capturada por un medio absorbente y utilizada para calentar el aire. [1] El calentamiento solar del aire es una tecnología de calefacción de energía renovable que se utiliza para calentar o acondicionar el aire para edificios o aplicaciones de calor de proceso. Generalmente es la más rentable de todas las tecnologías solares, especialmente en aplicaciones comerciales e industriales, y aborda el mayor uso de energía de edificios en climas cálidos, que es la calefacción de espacios y la calefacción de procesos industriales.
Los colectores solares de aire se pueden dividir en dos categorías: [2]
Los colectores solares para calor del aire se pueden clasificar por sus vías de distribución de aire o por sus materiales, como vidriados o no vidriados. Por ejemplo:
El término "colector de aire sin vidriar" se refiere a un sistema de calentamiento de aire solar que consiste en un absorbente sin vidrio ni vidriado en la parte superior. El tipo de colector no vidriado más común en el mercado es el colector solar transpirado. [3] Esta tecnología fue inventada y patentada por el ingeniero canadiense John Hollick de Conserval Engineering Inc. en la década de 1990, [4] quien trabajó con el Departamento de Energía de EE. UU. ( NREL ) y Recursos Naturales de Canadá en la comercialización de la tecnología en todo el mundo. . [5] La tecnología ha sido monitoreada extensamente por estas agencias gubernamentales, y Natural Resources Canada desarrolló la herramienta de viabilidad RETScreen [6] para modelar el ahorro de energía de los colectores solares transpirados. John Hollick y el colector solar transpirado fueron honrados por la Sociedad Estadounidense de Ingenieros Mecánicos (ASME) en 2014 como uno de los mejores inventos de la era industrializada, junto con Thomas Edison, Henry Ford, la máquina de vapor y el Canal de Panamá, en un Exposición de Nueva York que reconoce los mejores inventos, inventores y hazañas de ingeniería de los últimos dos siglos.
Se han instalado varios miles de sistemas de colectores solares de transpiración en una variedad de aplicaciones comerciales, industriales, institucionales, agrícolas y de procesos en más de 35 países de todo el mundo. [7] [8] La tecnología se utilizó originalmente principalmente en aplicaciones industriales, como plantas de fabricación y ensamblaje, donde había altos requisitos de ventilación, calor estratificado en el techo y, a menudo, presión negativa en el edificio. Ford Motor Company instaló el primer colector de transpiración sin vidriar del mundo en su planta de montaje de Oakville, Canadá. [9]
Con el creciente impulso para instalar sistemas de energía renovable en los edificios, los colectores solares de transpiración se utilizan ahora en todo el parque de edificios debido a la alta producción de energía (hasta 500-600 vatios térmicos máximos/metro cuadrado), la alta conversión solar (hasta el 90% ) y menores costos de capital en comparación con la energía solar fotovoltaica y el calentamiento solar de agua . [10]
Los colectores de aire sin vidriar calientan el aire ambiente (exterior) en lugar del aire recirculado del edificio. Los colectores solares transpirados generalmente se montan en la pared para capturar el ángulo más bajo del sol en los meses de calefacción del invierno, así como el reflejo del sol en la nieve, y lograr su rendimiento óptimo y retorno de la inversión cuando funcionan a caudales de entre 4 y 8 CFM por pie cuadrado. (72 a 144 m3/h.m2) de área de colectores.
La superficie exterior de un colector solar transpirado consta de miles de pequeñas microperforaciones que permiten capturar la capa límite de calor y atraerla uniformemente hacia una cavidad de aire detrás de los paneles exteriores. Este aire de ventilación calentado por energía solar ingresa al sistema de ventilación del edificio desde las salidas de aire ubicadas a lo largo de la parte superior del colector y luego el aire se distribuye en el edificio mediante medios convencionales o mediante un sistema de conductos solares.
El extenso monitoreo realizado por Natural Resources Canada y NREL ha demostrado que los sistemas de colectores solares transpirados reducen entre un 10% y un 50% de la carga de calefacción convencional y que RETScreen es un predictor preciso del rendimiento del sistema. [11]
Los colectores solares transpirados actúan como una pantalla contra la lluvia y también capturan la pérdida de calor que se escapa de la envolvente del edificio, que se recoge en la cavidad de aire del colector y se devuelve al sistema de ventilación. No se requiere mantenimiento con los sistemas solares de calefacción de aire y la vida útil esperada es de más de 30 años. [12]
Los colectores de transpiración no vidriados también se pueden montar en el tejado para aplicaciones en las que no hay una pared adecuada orientada al sur o por otras consideraciones arquitectónicas. Varias empresas ofrecen colectores de aire transpirado adecuados para montaje en techo, ya sea montados directamente sobre un techo metálico inclinado o como módulos fijados a conductos y conectados a ventiladores y unidades HVAC cercanas.
También son posibles temperaturas más altas con colectores de transpiración que se pueden configurar para calentar el aire dos veces para aumentar el aumento de temperatura, lo que los hace adecuados para la calefacción de espacios en edificios más grandes. En un sistema de 2 etapas, la primera etapa es el típico colector de transpiración sin vidriar y la segunda etapa tiene un acristalamiento que cubre el colector de transpiración. El acristalamiento permite que todo el aire calentado de la primera etapa se dirija a través de un segundo conjunto de colectores transpirados para una segunda etapa de calentamiento solar.
Otra innovación es recuperar el calor de los módulos fotovoltaicos (FV) (que a menudo es cuatro veces más que la energía eléctrica producida por el módulo FV) montando los módulos FV en el sistema de aire solar. En los casos en los que existe una necesidad de calefacción, la incorporación de un componente de aire solar al sistema fotovoltaico proporciona dos ventajas técnicas; elimina el calor fotovoltaico y permite que el sistema fotovoltaico funcione más cerca de su eficiencia nominal (que es 25 C); y reduce el período total de recuperación de la energía asociado con el sistema combinado porque la energía térmica se captura y se utiliza para compensar la calefacción convencional.
Los sistemas, que funcionan de manera similar a una caldera de aire forzado convencional, proporcionan calor recirculando el aire acondicionado del edificio a través de colectores solares . Mediante el uso de una superficie colectora de energía para absorber la energía térmica del sol y canalizar el aire para que entre en contacto con ella, se puede fabricar un colector simple y eficaz para una variedad de aplicaciones de procesos y aire acondicionado.
Un colector solar de aire simple consta de un material absorbente, que a veces tiene una superficie selectiva , para capturar la radiación del sol y transferir esta energía térmica al aire mediante transferencia de calor por conducción. Este aire calentado luego se conduce al espacio del edificio o al área de proceso donde el aire calentado se utiliza para calefacción de espacios o necesidades de calefacción de procesos.
La figura pionera en este tipo de sistema fue George Löf , quien construyó un sistema de aire calentado por energía solar para una casa en Boulder, Colorado, en 1945. Más tarde incluyó un lecho de grava para almacenar calor. [13]
En la configuración de paso, el aire conducido hacia un lado del absorbente pasa a través de un material de tipo fibroso o perforado y se calienta a partir de las propiedades conductoras del material y las propiedades convectivas del aire en movimiento. Los absorbentes de paso tienen la mayor superficie, lo que permite tasas de transferencia de calor conductivo relativamente altas, pero una caída de presión significativa puede requerir una mayor potencia del ventilador, y el deterioro de ciertos materiales absorbentes después de muchos años de exposición a la radiación solar puede crear además problemas con la calidad y el rendimiento del aire. .
En las configuraciones de tipo de paso posterior, paso frontal y combinación, el aire se dirige hacia la parte posterior, frontal o a ambos lados del absorbente para calentarse desde el retorno a los cabezales de los conductos de suministro. Aunque pasar el aire por ambos lados del absorbente proporcionará una mayor superficie para la transferencia de calor conductivo, pueden surgir problemas con el polvo (incrustaciones) al pasar aire por el lado frontal del absorbente, lo que reduce la eficiencia del mismo al limitar la cantidad de luz solar recibida. . En climas fríos, el aire que pasa junto al acristalamiento provocará además una mayor pérdida de calor, lo que se traducirá en un menor rendimiento general del captador.
Una variedad de aplicaciones pueden utilizar tecnologías de calor del aire solar para reducir la huella de carbono del uso de fuentes de calor convencionales, como los combustibles fósiles , para crear un medio sostenible para producir energía térmica. Aplicaciones como calefacción de espacios , extensión de la temporada de invernaderos, precalentamiento del aire de reposición de ventilación o calor de proceso pueden abordarse mediante dispositivos solares de calor de aire. [14] En el campo de la 'cogeneración solar', las tecnologías solares térmicas se combinan con la energía fotovoltaica (PV) para aumentar la eficiencia del sistema enfriando los paneles fotovoltaicos para mejorar su rendimiento eléctrico y al mismo tiempo calentar el aire para calentar espacios. [ cita necesaria ]
La calefacción de espacios para aplicaciones residenciales y comerciales se puede realizar mediante el uso de paneles solares de calentamiento de aire. Esta configuración opera extrayendo aire de la envolvente del edificio o del ambiente exterior y haciéndolo pasar a través del colector donde el aire se calienta por conducción desde el absorbente y luego se suministra al espacio habitable o de trabajo ya sea por medios pasivos o con la ayuda de un admirador.
El calor del aire solar también se puede utilizar en aplicaciones de procesos como el secado de ropa, cultivos (es decir, té, maíz, café) y otras aplicaciones de secado. El aire calentado a través de un colector solar y luego pasado sobre un medio para secarlo puede proporcionar un medio eficaz para reducir el contenido de humedad del material.
El enfriamiento por radiación del cielo nocturno se basa en el principio de la pérdida de calor por radiación de onda larga desde una superficie cálida (techo) a otro cuerpo con una temperatura más baja (cielo). En una noche despejada, una superficie típica orientada hacia el cielo puede enfriarse a una velocidad de aproximadamente 75 W/m2 (25 BTU/h/pie2). Esto significa que un techo de metal orientado hacia el cielo estará más frío que la temperatura del aire circundante. Los coleccionistas pueden aprovechar este fenómeno de enfriamiento. Cuando el aire cálido de la noche toca la superficie más fría de un colector respirado, el calor se transfiere al metal, se irradia al cielo y luego el aire enfriado ingresa a través de la superficie perforada. Luego se puede aspirar aire frío hacia las unidades HVAC. Véase también [9] [15] [16]
Al aspirar aire a través de un colector de aire o calentador de aire diseñado adecuadamente, el aire fresco calentado por energía solar puede reducir la carga de calefacción durante el funcionamiento soleado. Las aplicaciones incluyen colectores de transpiración que precalientan el aire fresco que ingresa a un ventilador de recuperación de calor, o succión creada al ventilar aire caliente de alguna otra chimenea solar .
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