11-02 - Centro atómico Bariloche

Tercer Congreso Nacional – Segundo Congreso Iberoamericano
Hidrógeno y Fuentes Sustentables de Energía – HYFUSEN 2009
11-02
NUEVO DISEÑO CONCEPTUAL DE TECHO SOLAR PARA CALEFACCIÓN Y
REFRIGERACIÓN DE VIVIENDAS
Juanicó L.E.
Conicet, Centro Atómico Bariloche, Bariloche, Argentina
juanico@cab.cnea.gov.ar
RESUMEN
Se presenta un nuevo diseño conceptual de techo solar configurable. Su novedad radica en integrar un
techo y un colector solar en un único sistema, que utiliza la redistribución de agua para cambiar su
configuración, adaptándose así a los ciclos térmicos de la Naturaleza. Este nuevo diseño permite una
solución mecánica sencilla para los techos inclinados. Se estiman sus rendimientos térmicos en verano
(refrigeración) e invierno (calefacción) y sus costos, que pueden llegar a ser similares al de un techo
convencional.
Palabras Claves: arquitectura solar, sistemas solares pasivos, colectores solares
1. INTRODUCCIÓN
Existen numerosos diseños de casas con techos
solares técnicamente factibles que han sido
desarrollados desde hace cincuenta años pero que
requieren elevadas inversiones, siendo ésta la
causa principal de su limitada aplicación al
presente [1]. Por otra parte, los colectores solares
integrados al techo han demostrado que, dada la
gran superficie disponible en el techo, es posible
satisfacer la demanda familiar promedio de
calefacción en latitudes de 40º [16].
En el diseño Skytherm de Hay [2], precursor de
los sistemas configurables de techado, se utilizan
bolsas de agua desplegadas sobre un techo
metálico simple para proveer desde el mismo
techo, calefacción invernal y refrigeración
estival. Como Hay demostró esto es factible aún
en climas áridos extremos, con la ayuda de una
cubierta plegable que proteja térmicamente las
bolsas de agua durante la noche. Este diseño
trabaja bajo cuatro configuraciones de uso,
combinando las opciones verano/invierno y
día/noche. Sin embargo, el costo excesivo de la
cubierta plegable y térmica ha limitado su
aplicación práctica.
Se presenta un nuevo diseño conceptual de techo
solar configurable. Presentando este elemento en
común con Skytherm, propone la redistribución
de agua para obtener nuevas sinergias entre el
colector solar y el techo mismo. Este nuevo
concepto de techado ha sido recientemente
presentado en congresos y publicaciones
internacionales [3-6] y ha sido reclamado en dos
patentes de invención [7-8]. Su desarrollo
experimental se presentará en otro trabajo [9]. Se
ha demostrado que las múltiples cámaras de agua
integradas al techo son resolubles mediante
materiales y técnicas de construcción
convencionales, para el caso de un techo
horizontal. Sin embargo, la solución propuesta
no es aplicable a techos inclinados, debido a las
vastas superficies estancas requeridas.
En este trabajo se presentará por primera vez este
nuevo
diseño
conceptual
recientemente
patentado por el Conicet [8], diseñado
especialmente para favorecer su aplicación en
techos inclinados. Se estudiará su rendimiento
térmico, discutiendo su aplicación en nuevos
hogares construidos bajo diferentes patrones
climáticos de la Argentina.
2. TECHOS CONFIGURABLES
2.1 Conceptos clásicos de techado
Es interesante considerar la evolución del techo
convencional, de la mano de los avances de
nuevos materiales y técnicas constructivas. Un
techo metálico moderno se construye con chapas
enterizas y de perfiles rectangulares para
aumentar su resistencia mecánica, con un
acabado superficial anticorrosivo y uniendo las
contiguas por soldadura por deformación. Estos
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cambios tecnológicos han tenido notable impacto
tanto en labor como en costos, siendo que
reducen la superficie por la menor pendiente.
El concepto “clásico” de techo se ha mantenido
casi inalterable durante largo tiempo. Éste
persigue dos objetivos: proveer un sistema
impermeable y casi adiabático, disponiendo
varias capas aislantes por debajo de la exterior
impermeable. Obtenemos así un techo de buena
calidad pero de alto costo. En contraposición, el
nuevo diseño persigue lograr el mayor grado de
adaptabilidad posible al entorno, desarrollando
un sistema fuertemente configurable, que utilice
inteligentemente los ciclos térmicos naturales:
verano/invierno y día/noche.
Nótese que los nuevos desarrollos en ventanas de
buen aislamiento pueden ser aplicados en este
techo solar, hay ventanas de U=0.6W/m2K,
(www.efficientwindows.org). También podemos
explorar nuevas alternativas muy económicas, tal
como ventanas multicapas de Mylar [10], debido
a la ausencia del requerimiento óptico.
2.2 Nuevo techo adaptable
La Figura 1 ilustra un esquema general de
funcionamiento del sistema de techo solar
operando en la configuración invierno-día.
Consta de:
• Una base metálica de perfil rectangular (chapas
enteras) que da un escalón sobre el que se apoya
• Un techo vidriado doble; en la inferior se
dispone
• Una cámara somera de agua (≈4cm) que
acumula la energía solar absorbida por el techo
metálico.
• Este inventario de agua se conecta con un
tanque de acumulación, el cual alimenta al
• Sistema convencional de agua caliente y de
calefacción, impulsado por medio de una
• Bomba recirculadora que también sirve para
bombear el agua hacia el techo.
• Un toldo parasol desplegable se dispone sobre
el conjunto anterior, formando una tercera
cámara de aire de noche. Este conjunto alcanza
un coeficiente de transmisión global de 0,6
W/m2K. Es interesante destacar que el techo
metálico está en contacto directo con el hábitat,
permitiendo calefaccionar éste por radiación
térmica.
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Figura 1. Esquema general del sistema
3. CONFIGURACIONES OPERATIVAS
DEL NUEVO TECHO SOLAR
3.1 Invierno-Día
En invierno durante el día (Figura 2) se genera
una cámara de agua entre el primer vidrio y la
base metálica para almacenar energía solar y
calentar la vivienda por radiación infrarroja.
Figura 2. Configuración invierno-día.
3.2 Invierno-Noche
El inventario de agua es derivado en el
crepúsculo al tanque de acumulación, y
bombeado para calefaccionar el hábitat por un
sistema convencional de agua caliente. Este
sistema se proyecta trabajando con un sistema
convencional de calefacción como respaldo. En
días nublados, se suplementa el aporte solar con
combustibles fósiles. Durante la noche (Figura 3)
se genera una triple cámara estanca de aire que
aísla eficazmente el techo. También se puede
bombear parte del inventario de agua caliente al
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techo para asegurar que la temperatura del techo
no baje del punto de confort (20ºC).
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pérdidas de calor por convección. En climas
cálidos en cambio, es conveniente elegir mayores
cámaras de aire (de 5 a 20 cm) para minimizar
las pérdidas por conducción en verano, siendo
que se anula la convección debido a la posición
superior de la fuente de calor. Finalmente, una
configuración intermedia es factible de utilizar
en climas templados, para atender a ambas
requerimientos. Esto se logra eligiendo espesores
pequeños para las cámaras intermedias, y un gran
espesor para la cámara superior, entre el vidrio
superior y el toldo enrollable.
Figura 3. Configuración invierno-noche.
3.3 Verano-Noche
En las noches de verano (Figura 4) se genera una
cámara de agua sobre el vidrio y abierto al
exterior, siendo posible enfriar (por evaporación
y radiación infrarroja) hasta 10ºC por debajo de
la temperatura ambiente [17].
Figura 5. Configuración verano-día.
4. DISEÑO PARA TECHOS INCLINADOS
Figura 4. Configuración verano-noche
3.4 Verano-Día
Durante el día el agua enfriada es derivada hacia
la cámara inferior techo-vidrio (protegida por el
toldo), para proporcionar refrigeración por
convección natural (Figura 5). Cabe acotar que
más del 50% del calentamiento de una vivienda
en verano se origina en la irradiación solar sobre
el techo [17]. Una cualidad interesante de este
sistema, es que puede optimizarse para distintos
climas. En climas fríos, en los cuales de demanda
de calefacción en superior a la de refrigeración,
se pueden elegir espesores pequeños en todas las
cámaras de aire (~ 1cm) para minimizar las
Presentamos ahora un nuevo diseño, creado
especialmente para viabilizar la aplicación de
este concepto de techado solar a techos
inclinados. En este caso, la realización práctica
antes vista no es factible, por cuanto se debería
asegurar la estanqueidad de extensas superficies
y perímetros.
Este nuevo diseño trata de sintetizar las ventajas
del Skytherm y las del nuevo concepto; fue
recientemente reclamado en una patente de
invención [8]. La innegable ventaja del Skythem
radica en su simplicidad para solucionar la
estanqueidad de las cámaras de agua, provista
por el uso de bolsas plásticas cerradas. De esta
forma, el Skytherm se puede aplicar
universalmente
sobre
cualquier
techo,
simplemente colocando sobre éste bolsas de agua
y un toldo plegable con buena aislación. Su
punto débil de diseño radica en que el toldo
requiere excelente aislación térmica (para
proteger de noche el inventario de agua). Esto
fue resuelto en nuestro sistema retirando el agua
del techo durante la noche. Así, el toldo
requerido se limita a un simple parasol.
Planteada la síntesis anterior de ambos diseños,
surge claramente una nueva dimensión de diseño
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que permite sintetizar ambos conceptos; se
propone ahora colocar bolsas plásticas
conectadas por cañerías a un reservorio, para
llenar las mismas con agua (en invierno-día y en
verano) o con aire (invierno-noche). Este
conexionado se simplifica reduciendo el número
de bolsas, aumentando el tamaño de éstas. El
techo solar multicapas se puede reproducir en
cámaras flexibles multicapas, siendo todas las
superiores transparentes y la inferior opaca. El
inflado de las cámaras se puede automatizar con
una aspiradora hogareña conectada en paralelo a
la bomba de agua, y una válvula de tres vías.
Todas las tecnologías involucradas en esta
propuesta son convencionales y simples.
Aplicando este concepto a un techado inclinado
en la cara orientada favorablemente a la
irradiación solar (al norte o noroeste en el
hemisferio austral), se mejora apreciablemente la
captación solar respecto del techo horizontal. En
la próxima sección analizaremos el balance
energético en ambos casos, para diferentes
locaciones.
5. BALANCE ENERGÉTICO
El estudio del balance energético del colector
solar permite evaluar su desempeño. Siendo una
parte insoslayable del análisis, puede ser
desarrollado con modestos esfuerzos basados en
la numerosa bibliografía. Utilizando el mapa de
irradiación solar argentino [11] obtenemos un
flujo de irradiación solar diario promedio en el
mes de julio en Bariloche (latitud 42ºS) G”=1,5
kWh/m2 y en Buenos Aires (latitud 34ºS)
G”=2.0 kWh/m2, sobre una superficie horizontal.
Fijemos el caso de una vivienda de área de
implantación (área útil) de 100 m2 en una planta,
que puede ser construida con el techo solar
horizontal o inclinado.
Para el techo horizontal, asumiendo una
eficiencia de colector solar ξ=50% (valor
promedio), la energía diaria promedio captada,
Ed, se calcula como: Ed = G”ξA. Se obtiene:
Ed=75 kWh=0.27 GJ para Bariloche y Ed=100
kWh =0.36 GJ para Buenos Aires.
Debemos comparar la energía solar captada con
la demanda de calefacción en ambos sitios. El
consumo anual de gas natural para calefacción de
una vivienda unifamiliar promedio en Bariloche,
es de 144 GJ [6] o de 20 GJ en La Plata, similar a
Buenos Aires [12]. Si prorrateamos este
consumo entre 6 meses (en Bariloche) ó 3 meses
(en Buenos Aires), obtenemos valores diarios de
0,8 GJ y de 0,22 GJ respectivamente. Es decir
que el diseño del techo horizontal alcanzaría a
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cubrir cómodamente la demanda promedio de
calefacción en Buenos Aires, pero solamente un
tercio en Bariloche. Cabe acotar que como fue
antes señalado por otros investigadores [13], el
consumo de calefacción en Bariloche (1,5
GJ/m2/año) se encuentra sobredimensionado
respecto de viviendas construidas en países
desarrollados, debido a la conjunción de mala
calidad general de la envuelta térmica y la baja
tarifa de gas natural. Así, por ejemplo, se ha
ilustrado este comportamiento, comparando que
este el consumo específico en Bariloche es el
triple del de Estocolmo (0,5 GJ/m2/año) [14], en
59ºN, siendo el invierno sueco mucho más
riguroso que el barilochense. Si se empleasen
aquí casas de similar calidad a las suecas,
bastaría incluso el techo solar horizontal para
cubrir la demanda de calefacción.
Se puede mejorar la captación solar para
Bariloche, recurriendo al nuevo techo inclinado.
Esta elección se justifica en este caso además,
por la consideración de las cargas níveas. Es
común en Bariloche utilizar techos de dos aguas
de gran pendiente, típicamente de 60º. En este
caso, para la misma área habitable de 100 m2,
necesitaremos dos techos de 100 m2 cada uno.
Es lógico aplicar el nuevo techo solar sobre uno
sólo de ellos (el orientado al norte). En este caso,
considerando la latitud de Bariloche, en el mes
de julio tendremos un flujo de irradiación solar
casi igual al doble que en uno horizontal (dado
que se intercepta un área equivalente doble),
obteniendo Ed = 150 kWh = 0.54 GJ. Con esta
energía podríamos cubrir 2/3 de la demanda de
calefacción actual, y muy fácilmente toda la
demanda, si la envuelta térmica de la vivienda
tuviese una calidad ligeramente mejor, sin llegar
a los niveles de los países desarrollados.
6. ESTUDIO DE COSTOS
Sirviéndonos de ejemplos de techados reales
típicos de Bariloche de buen aislamiento térmico
(U = 0,4 W/m2K), obtuvimos costos específicos
de 100 U$D/m2. Para el nuevo techo en su
versión horizontal, alcanzamos costos totales de
120 U$D/m2 considerando un toldo quitasol de
30 U$D/m2 [15]. Sin embargo, al considerar una
inclinación promedio de sólo 45º en el techo
convencional, el costo anterior se incrementa a
140 U$D por m2 de área habitable, superando así
al del techo solar horizontal. En la versión actual
del techo inclinado, el costo de las cámaras de
agua/aire es muy inferior, pero no obtenemos la
reducción de costo por la menor inclinación.
Podemos estimar, dentro del nivel conceptual de
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este primer trabajo, costos totales de 100 a 130
U$D/m2, similar a los del techo convencional de
igual (alta) calidad térmica.
Por otra parte, los costos operativos menores son
la fortaleza del sistema, como en la mayoría de
los sistemas solares. Para Buenos Aires
cualquiera de los techos propuestos permitiría
ahorrar 900 m3 de gas natural, asumiendo una
eficiencia del sistema de calefacción del 60%,
típica de calefactores de tiro balaceado [6]. A la
tarifa
residencial
promedio
(0,25$/m3)
representan $225 anuales. Para el caso de
Bariloche, el ahorro obtenido con el techo
horizontal es de 2.000 m3 de gas natural, y hasta
el doble (4.000 m3) con el techo inclinado, que
representan $300 y $600 respectivamente, debido
a la menor tarifa residencial de la zona
patagónica (0,15$/m3). Estos modestos ahorros
se convierten en significativos para casas no
conectadas a la red de gas natural. Si se
suplantaran por ejemplo con GLP a granel de
YPF (precios del orden de 10 veces mayor,
siendo la tarifa de $2/litro y considerando el
poder calorífico del GLP de 6.100 Kcal/litro), se
obtendrían ahorros anuales de $2.250 en Buenos
Aires, y de $5,000 (techo horizontal) y $10,000
(techo inclinado) en Bariloche, de la Tabla I.
Las tarifas nacionales residenciales del gas
natural son extremadamente bajas, si los
comparamos con países desarrollados, y son la
causa del pobre desempeño económico. A fines
ilustrativos, consideremos la tarifa residencial R1
en Barcelona (ver www.gasban.com), de 0,6125
euros/m3,
unos
3$/m3.
Siguiendo
la
comparación del caso anterior, el ahorro
proyectado para Buenos Aires sería de $2,700, y
de hasta $20,000 para Bariloche (ver Tabla II).
Tabla I. Ahorros anuales con el techo solar
propuesto según tarifas locales.
Local.
Gas natural
GLP
horiz
incl
Horiz.
Incl
Bs. As.
$225
$225
$2,250
$2,250
Bariloche
$300
$600
$5,000
$10,000
Tabla II. Ahorros anuales según tarifa de España
Local.
Gas natural
Horizontal Inclinado
Buenos Aires
$2,700
$2,700
Bariloche
$6,000
$12,000
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Cabe acotar que el consumo de electricidad de la
bomba de agua, siendo por otra parte modesto, es
muy inferior al ahorro proporcionado por la
refrigeración pasiva. Dada la diversidad de
climas y tarifas energéticas del vasto territorio
argentino, no es posible calcular aquí todos los
casos reales. El punto importante a considerar
aquí, es que si logramos equiparar el costo total
de este sistema al de un techo convencional, se
justificaría económicamente, el ahorro energético
y la mejora medioambiental obtenida.
7. CONCLUSIONES
Se presenta aquí un nuevo concepto de techo
solar adaptable. Ciertamente requerirá en el
futuro de mayores investigaciones y del concurso
de colegas interesados en el mismo. Sin
embargo, y utilizando la vasta bibliografía
presente como una herramienta que permite
extrapolar con un margen de error razonable su
desempeño, es esperable que satisfaga la mayor
parte de la demanda de calefacción y
refrigeración hogareñas, instalado éste en la
mayoría del territorio argentino.
El ahorro monetario originado en la calefacción
solar para casas argentinas con red de gas, va de
modesto (zonas templadas) a moderado (zonas
frías). Dadas las bajísimas tarifas domiciliarias
de gas natural actuales en nuestro país (muy
inferiores a las internacionales), no debe
sorprender este resultado, muy conocido en
evaluaciones de alternativas renovables. El
elemento nuevo aquí, es la casi nula inversión
inicial requerida, si el nuevo techo solar alcanza
costos similares a los de techos convencionales
equivalentes.
Por otra parte, para el 40% de los hogares
argentinos que no están conectados a la red de
gas, el ahorro esperable puede llegar a ser muy
significativo. Este resultado se potencia aún más
en escenarios internacionales, con tarifas de
combustibles fósiles aún mayores.
Es interesante también notar que en climas
templados, (mayoritarios del territorio argentino)
en los cuales el ahorro en calefacción es menor,
se sumaría un ahorro de electricidad en
refrigeración estival. Este último efecto quizás
sea más interesante ponderarlo no sólo por el
ahorro energético, sino por la mejor
confortabilidad alcanzada. Y por supuesto, no
debe menospreciarse el compromiso ambiental
que significa el ahorro de combustibles fósiles.
Este último elemento, siendo común a todas las
propuestas basadas en energías renovables, aquí
presenta la conveniencia de no implicar casi
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sobrecostos
cuando
consideramos
la
construcción de nuevos techos, tanto en la
versión del techo horizontal como inclinado, y
con sobre costos accesibles en techos
preexistentes, cuando se implementa sobre ellos
el nuevo sistema solar propuesto en este trabajo.
El nuevo diseño presentado, orientado a
satisfacer el requerimiento de techos inclinados,
permite incluir este sistema en la mayoría de las
casas nuevas, y también en casas preexistentes.
Esta última característica es quizás las mejor
carta de presentación de esta versión mejorada
del techo solar configurable recientemente
inventado. Dado que esta solución emplea
elementos comunes al Skytherm (bolsas de agua
sobre un techo metálico simple) que han ya
demostrado ampliamente su factibilidad y
sencillez técnica, es esperable que el mismo
pueda ser aplicado en forma rápida. Su uso sería
potenciado si se complementa con el nuevo
diseño de toldo enrollable presentado también en
este congreso.
Este diseño de sistema colector solar no fue
creado empeñados en obtener el “mejor sistema
posible”, sino en el más económico factible. Su
mérito ha sido justamente darse cuenta (y llamar
la atención sobre ello) de que dada la gran
superficie de techado disponible, no se requiere
diseñar el sistema más eficiente para obtener
réditos significativos. Su principal virtud es la
baja inversión requerida, que lo vuelve
competitivo frente a las construcciones
tradicionales. Para lograr esta condición, el
diseño propuesto ha sabido explorar nuevas
sinergias entre el colector solar y el techo
tradicional, cuestionando fuertemente este
último. En este sentido, podría ser que diera
origen a una nueva generación de viviendas, más
amigables con el entorno.
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