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Calefacción solar rentable mediante acumulación estacional y paneles solares híbridos

Marta Cañada Gracia, Alejandro del Amo Sancho y Fernando Pérez Clemente, UZ y Abora Energy

A pesar de la crisis climática global y acuerdos internacionales para mitigarla, según la encuesta a expertos realizada por BPIE (Buildings performance Institute Europe), la UE no está en camino de alcanzar el objetivo de descarbonización para 2050. Son necesarias soluciones que amplíen la capacidad de las renovables y que sean rentables para conseguir que se extienda su implementación.

 

Algunas de las barreras a las que se enfrentan estas tecnologías son la falta de espacio en los tejados y los consumos de calor estacionales. Mediante la incorporación a los edificios de acumulación estacional y paneles solares híbridos de alto rendimiento se consigue un salto disruptivo en la reducción de emisiones de CO2 y de energía consumida con una optimización del espacio necesario en superficie.

Los edificios residenciales (incluyendo hospitales, residencias de la tercera edad, etc.) reparten su demanda de calor en 20% para ACS (agua caliente sanitaria) y 80% para calefacción, o un 50% para cada uso en viviendas PassiveHaus. En caso de edificios del sector terciario sin consumo de ACS diario por persona (colegios, ambulatorios, oficinas, etc.) la demanda de calor para ACS no supera el 5% frente al 95% necesaria para calefacción.

Por ello, para conseguir los objetivos previstos por la UE para los edificios, las energías renovables deben empezar a jugar un papel importante en la cobertura del consumo de calefacción (entre el 85-90% de la demanda total de calor).

La energía solar térmica es la tecnología renovable más eficiente para la producción de calor. Sin embargo su implantación para calefacción no está muy extendida, debido sobre todo a dos razones: las normativas de obligatoriedad hasta la fecha solo tienen en cuenta la demanda de ACS y lo que es más importante la rentabilidad de esas instalaciones es muy baja debido a la estacionalidad del consumo y falta de sincronización con el recurso solar.

Esta estacionalidad y falta de sincronización supone que cuando la demanda de calor para la producción de calefacción es mayor (invierno) el recurso solar es menor y cuando el recurso solar es más abundante (verano) la demanda de calefacción es nula, existiendo en su caso solo el consumo de ACS. La consecuencia es energía no utilizada que debe ser disipada al ambiente, lo que supone tanto una reducción de la eficiencia del sistema como de los ahorros potenciales. (Ver imagen 1).

Imagen 1: Perfil demanda de calor (ACS y Calefacción), Irradiación solar anual y energía a almacenar.

Una solución a esta barrera es la acumulación estacional con la que se almacena el calor sobrante en los meses más cálidos para utilizarlo en los meses fríos. Se contribuye de esta manera a la conservación de la energía, a mejorar significativamente la eficiencia energética del sistema, reducir las emisiones de gases a la atmósfera y aumentar la rentabilidad económica de la instalación.

 

Implementación
La implementación de estos proyectos con la máxima rentabilidad, eficiencia y reducción de emisiones para un edificio tiene tres elementos principales: acumulador estacional, paneles solares híbridos de segunda generación y bomba de calor. En la imagen 2 puede verse en un esquema básico de principio la relación entre todos ellos.

Imagen 2: Esquema de principio de acumulación estacional con paneles solares híbridos.(Fuente Abora Solar)

En los meses cálidos el calor producido por los paneles solares híbridos y no consumido se almacena en el depósito estacional. En invierno la bomba de calor trabajará utilizando este almacenamiento como foco frío consiguiendo un COP y SPF muy elevados, la electricidad consumida por la bomba podrá ser suministrada por los mismos paneles solares híbridos. Este sistema puede producir también el agua caliente sanitaria para el edificio y en balance anual los paneles solares híbridos suministraran una parte del consumo eléctrico del edificio.

Acumulador Térmico Estacional
Existen diferentes tipologías de acumulación estacional y es una temática de investigación activa en la actualidad. Hay tres tecnologías: almacenamiento de calor sensible, almacenamiento de calor latente y almacenamiento de químicos.

El almacenamiento de calor sensible es la tecnología más madura utilizando el agua o rocas por ejemplo como materiales de almacenamiento. La aplicación con agua requiere grandes volúmenes de almacenamiento de bajo costo (en comparación con el resto) y la solución más eficiente es bajo tierra. Con una doble ventaja el aprovechamiento del aislamiento térmico de la tierra y un ahorro de espacio por encima de la superficie.

Paneles Solares Híbridos (PVT)
La energía renovable aplicada en edificios es principalmente fotovoltaica (PV) y solar térmica (ST). La combinación de ambas tecnologías se conoce como colectores solares híbridos, también conocidos como PVT. Un panel solar híbrido (PVT) convierte la radiación solar en energía térmica y eléctrica. Con ventajas tan destacables como el ahorro de superficie ocupada hasta la mitad si se compara con la necesaria utilizando paneles solares térmicos y eléctricos conjuntamente para la misma producción de energía además de mayor rentabilidad.

Existen diferentes tecnologías de paneles solares híbridos con aire y con líquido (agua o agua con líquido caloportador). Los más eficientes son con líquido y dentro de estos se debe distinguir entre los PVT unglazed o PVT glazed, también llamados PVT-1 (primera generación) o PVT-2 (segunda generación). Los PVT-2 incorporan una cubierta transparente aislante por la cara frontal que aumenta en 3 veces la producción térmica respecto a las demás tecnologías.

Bomba de Calor (BdC)
Una bomba de calor agua-agua será la encargada de transportar energía el calor del agua almacenada en acumulador estacional al sistema de calefacción del edificio. El COP (Coefficient of Performance) de bomba de calor aumentará con este sistema ya que la temperatura del depósito (foco frío) es siempre superior a la del terreno o a la del ambiente, reduciendo el consumo eléctrico.

 

Referencias
La empresa Abora Solar, fabricante de paneles solares híbridos, ya ha participado en varios proyectos de acumulación estacional aprovechando las ventajas de sus paneles solares híbridos de alto rendimiento. Entre otros: Colegio Británico Zaragoza; polideportivo municipal Sant Cugat (proyecto europeo Chess Setup ID: 680556); sede de la industria ARPA; Facultad de Filosofía (UZ); Centro de Salud Barrio Jesús; Centro Salud Barbastro; Hotel Tobazo en la estación de ski de Candanchú, etc.

   
   
   
   
   
   
   

En la siguiente tabla se muestran los resultados más importantes conseguidos por medio de la instalación en el Colegio Británico de Zaragoza. Para poder visualizar los resultados del sistema se simuló su comportamiento en los primeros años mediante simulación dinámica con TRNSYS. El edificio tiene una superficie construida de 2.199 m2 y el ratio de calefacción es de 60kWh/m2·año. La instalación solar consta de 100 paneles solares híbridos de 1,65m2 (modelo aH-60). La acumulación estacional se realiza bajo tierra y tiene un volumen de 200m3.

 

Discusión y conclusiones
Una instalación con estas tecnologías aporta las siguientes ventajas:

  • Impacto energético: con la instalación de Acumulación Solar Estacional propuesta se pueden consiguen ahorros del 80% de la demanda de ACS y calefacción de los edificios. Lo cual supone reducir la demanda de energía primaria muy por debajo de las recomendaciones establecidas para el obtener edificios EECN (NZEB).
  • Rentabilidad económica: la inversión de la instalación se recupera con los ahorros conseguidos por la misma en unos plazos entre 6-8 años.
  • Impacto social: esta instalación requiere un CAPEX (inversión) importante, pero un menor OPEX (costes de operación), lo cual descarga de los costes energéticos mensuales al usuario del edificio.
  • Impacto medioambiental: instalaciones de gran cobertura solar (incluida la calefacción) consiguiendo una disruptiva reducción en las emisiones de CO2 apoyando decididamente en la transición energética.
  • Reducido espacio ocupado en superficie: la instalación de captación solar ocupará en tejado un 20% de lo que sería necesario si se planteará algo similar solo con fotovoltaica. Y la acumulación estacional se realiza soterrada.
Artículos sobre solar térmica | 25 de julio de 2019

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