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 calentamiento de energía renovable que se utiliza para calentar o acondicionar el aire de los edificios o para aplicaciones de calor de procesos. Por lo general, es la más rentable de todas las tecnologías solares, especialmente en aplicaciones comerciales e industriales, y aborda el mayor uso de energía de los edificios en climas de calefacción, que es la calefacción de espacios y la calefacción de procesos industriales.
Los colectores de aire solares se pueden dividir en dos categorías: [2]
Los colectores solares para calentar el aire se pueden clasificar según sus vías de distribución del aire o según sus materiales, como vidriados o no vidriados. Por ejemplo:
El término "colector de aire sin vidrio" se refiere a un sistema de calentamiento solar de aire que consiste en un absorbedor sin ningún vidrio o acristalamiento sobre la parte superior. El tipo más común de colector sin vidrio 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 los EE. UU. ( NREL ) y Recursos Naturales de Canadá en la comercialización de la tecnología en todo el mundo. [5] La tecnología ha sido ampliamente monitoreada por estas agencias gubernamentales, y Recursos Naturales de Canadá desarrolló la herramienta de viabilidad RETScreen [6] para modelar los ahorros de energía de los colectores solares transpirados. John Hollick y el colector solar descubierto fueron reconocidos por la Sociedad Americana 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 una 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 transpirados en una variedad de aplicaciones comerciales, industriales, institucionales, agrícolas y de proceso 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, calefacción estratificada en el techo y, a menudo, presión negativa en el edificio. El primer colector solar transpirado sin vidriar del mundo fue instalado por Ford Motor Company en su planta de ensamblaje en Oakville, Canadá. [9]
Con el creciente impulso para instalar sistemas de energía renovable en los edificios, los colectores solares transpirados ahora se utilizan en todo el parque de edificios debido a la alta producción de energía (hasta 500-600 vatios térmicos pico/metro cuadrado), alta conversión solar (hasta 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 acristalamiento calientan el aire ambiente (exterior) en lugar del aire recirculado del edificio. Los colectores solares transpirados suelen montarse en la pared para captar el ángulo inferior del sol en los meses de calefacción de invierno, así como el reflejo del sol en la nieve, y logran un rendimiento óptimo y una rentabilidad de la inversión cuando funcionan a caudales de entre 4 y 8 CFM por pie cuadrado (72 a 144 m3/h.m2) de superficie del colector.
La superficie exterior de un colector solar transpirado consta de miles de pequeñas microperforaciones que permiten capturar la capa límite de calor y conducirla uniformemente hacia una cavidad de aire detrás de los paneles exteriores. Este aire de ventilación calentado por el sol se introduce en el sistema de ventilación del edificio a través de las salidas de aire ubicadas a lo largo de la parte superior del colector y luego se distribuye en el edificio a través de medios convencionales o utilizando un sistema de conductos solares.
El amplio seguimiento realizado por Recursos Naturales de Canadá y NREL ha demostrado que los sistemas de colectores solares transpirables reducen entre el 10 y el 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 envoltura del edificio, que se recoge en la cavidad de aire del colector y se devuelve al sistema de ventilación. Los sistemas de calefacción solar de aire no requieren mantenimiento y su vida útil estimada es de más de 30 años. [12]
Los colectores de aire transpirado sin vidriar también se pueden montar en el techo para aplicaciones en las que no hay una pared orientada al sur adecuada o por otras consideraciones arquitectónicas. Varias empresas ofrecen colectores de aire transpirado adecuados para montaje en el techo, ya sea montados directamente sobre un techo de metal inclinado o como módulos fijados a conductos y conectados a ventiladores y unidades de HVAC cercanas.
También es posible alcanzar temperaturas más altas con colectores transpirados que se pueden configurar para calentar el aire dos veces y aumentar la temperatura, lo que lo hace adecuado para la calefacción de espacios en edificios más grandes. En un sistema de dos etapas, la primera etapa es el colector transpirado típico sin vidriar y la segunda etapa tiene un vidriado que cubre el colector transpirado. El vidriado permite que todo ese aire calentado de la primera etapa se dirija a través de un segundo conjunto de colectores transpirados para una segunda etapa de calefacción solar.
Otra innovación es recuperar el calor de los módulos fotovoltaicos (que suele ser cuatro veces más que la energía eléctrica producida por el módulo fotovoltaico) mediante el montaje de los módulos fotovoltaicos en el sistema de aire solar. En los casos en que se requiere calefacción, la incorporación de un componente de aire solar en el 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 de 25 °C); y reduce el período total de recuperación de energía asociado con el sistema combinado porque la energía térmica se captura y se utiliza para compensar la calefacción convencional.
Los sistemas funcionan de manera similar a un horno de aire forzado convencional y proporcionan calor mediante la recirculación del aire acondicionado del edificio a través de colectores solares . Mediante el uso de una superficie de recolección 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 aire acondicionado y procesos.
Un colector de aire solar simple consta de un material absorbente, a veces con una superficie selectiva , para captar la radiación del sol y transferir esta energía térmica al aire mediante transferencia de calor por conducción. Este aire calentado se conduce luego al espacio del edificio o al área de proceso donde se utiliza para calentar el espacio o para calentar el proceso.
La figura pionera de 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. Posteriormente incluyó un lecho de grava para almacenar calor. [13]
En la configuración de paso pasante, el aire conducido a un lado del absorbedor pasa a través de un material perforado o de tipo fibroso y se calienta gracias a las propiedades conductoras del material y las propiedades convectivas del aire en movimiento. Los absorbedores de paso pasante tienen la mayor superficie, lo que permite tasas de transferencia de calor conductiva 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 del aire y el rendimiento.
En las configuraciones de paso trasero, paso delantero y combinación, el aire se dirige hacia la parte trasera, delantera o ambos lados del absorbedor para calentarse desde el retorno hasta los cabezales de los conductos de suministro. Si bien el paso del aire por ambos lados del absorbedor proporcionará una mayor superficie para la transferencia de calor conductiva, pueden surgir problemas con el polvo (incrustaciones) al pasar el aire por el lado delantero del absorbedor, lo que reduce la eficiencia del absorbedor 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 dará como resultado un menor rendimiento general del colector.
Una variedad de aplicaciones pueden utilizar tecnologías de calentamiento solar del aire 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 la calefacción de espacios , la extensión de la temporada de invernaderos, el precalentamiento del aire de reposición de la ventilación o el calor de proceso pueden abordarse mediante dispositivos de calentamiento solar del 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 mientras se calienta simultáneamente el aire para la calefacción de espacios. [ cita requerida ]
La calefacción de espacios para aplicaciones residenciales y comerciales se puede realizar mediante el uso de paneles de calefacción solar de aire. Esta configuración funciona tomando 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 absorbedor y luego se suministra al espacio habitable o de trabajo por medios pasivos o con la ayuda de un ventilador.
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 ser secado puede proporcionar un medio eficiente para reducir el contenido de humedad del material.
El enfriamiento por radiación del cielo nocturno se basa en el principio de pérdida de calor por radiación de onda larga desde una superficie cálida (techo) a otro cuerpo a una temperatura más baja (cielo). En una noche despejada, una superficie típica orientada al cielo puede enfriarse a una velocidad de aproximadamente 75 W/m2 (25 BTU/h/ft2). Esto significa que un techo de metal orientado al cielo estará más frío que la temperatura del aire circundante. Los colectores pueden aprovechar este fenómeno de enfriamiento. A medida que el aire cálido de la noche toca la superficie más fría de un colector transpirado, el calor se transfiere al metal, se irradia al cielo y el aire enfriado luego es aspirado a través de la superficie perforada. El aire frío puede luego ser aspirado hacia las unidades HVAC. Véase también [9] [15] [16]
Al extraer 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 aire transpirado que precalientan el aire fresco que ingresa a un ventilador de recuperación de calor o succión creada al ventilar el aire calentado a través de alguna otra chimenea solar .
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