Calefacción solar: Tecnologías activas y pasivas para captar la energía del Sol

• Radiación solar en España
• Arquitectura bioclimática
• Instalaciones solares térmicas y fotovoltaicas
• Ventajas e inconvenientes de la calefacción solar
• Comparación de rendimientos de instalación solar térmica y fotovoltaica

La radiación procedente del Sol es un tipo energía emitida por medio de ondas electromagnéticas en los espectros de infrarrojo, luz visible y ultravioleta. Es causante de muchos procesos naturales y necesarios que ocurren en la superficie terrestre como, por ejemplo, la fotosíntesis de las plantas o la formación del viento.

Los valores de la radiación solar se miden en unidades de potencia, watios por metro cuadrado (W/m2) sobre una superficie horizontal.

La potencia radiante del Sol es de 1367 W/m2 (constante solar). Sin embargo, este valor se ve atenuado a su llegada a la superficie terrestre debido a la influencia de la atmósfera (polvo, humedad, nubosidad), el ángulo de incidencia de los rayos del Sol sobre la superficie (latitud), el ciclo día y noche y la órbita elíptica de la Tierra. En función de todos estos parámetros se puede afirmar que la irradiancia que incide en un plano horizontal sobre la superficie terrestre un día claro al mediodía en España podría alcanzar un valor cercano a 1000 W/m2 aproximadamente.

Si se suma toda la radiación global que incide sobre una determinada superficie de un lugar en un periodo de tiempo (por ejemplo, en horas) se obtiene la energía en kWh/m2 de origen solar. 

Radiación Solar en España

Como bien se sabe, España es uno de los países de Europa con mayor cantidad de horas anuales de Sol. Además, gran parte de la estrategia europea en materia de transición, sostenibilidad y seguridad energética se basa en el fomento de las energías renovables de forma que el potencial que España tiene para el presente y futuro en este ámbito es enorme.

El Ministerio para la Transición Ecológica y el Reto Demográfico (MITECO) ha diseñado un mapa solar que propone una categorización en cinco zonas climáticas en función de los niveles de radiación solar que reciben a lo largo del año y que también se utiliza, por ejemplo, en el Código Técnico de la Edificación (CTE).

Mapa de radiación solar media DIARIA en España sobre superficie horizontal

Con estos valores, un m2 que captase toda la energía solar incidente en superficie horizontal ubicada en la Zona 5 (Sevilla, Huelva) podría disponer de unos 1800-2000Kwh al año procedentes del Sol.

Teniendo en cuenta que el consumo promedio de energía para calefacción en una vivienda española se sitúa, de media, entre los 5.000-7.000 kWh al año según el Informe SPAHOUSEC II del IDAE (Instituto para la Diversificación y Ahorro de la Energía), tan sólo con 4m2 de captación máxima (rendimiento 100%) de la radiación solar podríamos satisfacer la demanda energética de calefacción.

Sin embargo, ninguna tecnología es capaz de transformar el 100% de la energía solar en energía térmica. Por el contrario, la eficiencia de conversión es bastante baja. Los paneles solares fotovoltaicos rondan el 15-20% de rendimiento, mientras que en los captadores solares térmicos la cifra se puede aumentar hasta al 25-60% en función de las condiciones climatológicas exteriores.

A pesar de estas restricciones tecnológicas, el potencial del Sol en España para aplicaciones energéticas es sencillamente brutal.

La clasificación de las tecnologías existentes para la absorción de esta radiación solar para calefacción es la siguiente:

• Arquitectura bioclimática solar pasiva que aprovecha directamente el calor del Sol sin necesidad de ningún equipo.
• Instalaciones de captación solar térmica que convierten el calor del Sol en calor útil para calentar agua o para calefacción.
• Instalaciones fotovoltaicas que transforman la energía solar en energía eléctrica gracias al efecto fotoeléctrico, para después volver a transformarla en energía térmica.
• Tecnología solar mixta que combine algún tipo de diseño pasivo (arquitectura bioclimática) con otra de base activa (solar térmica o solar fotovoltaica). 

Arquitectura bioclimática

La arquitectura bioclimática pretende optimizar la capacidad térmica de los materiales de construcción, así como otros parámetros de diseño (orientación, sombras…) para reducir la demanda energética de calefacción.

Se trata de una tecnología pasiva porque no requiere de ningún equipo o instalación para aprovechar la radiación del Sol.

El objetivo es, por tanto, aprovechar la mayor cantidad de Sol (luz y calor) en los meses de invierno. Parece sencillo, pero hay que conseguir un equilibrio entre reducir la energía que se necesita en invierno y que no aumente en exceso la demanda de refrigeración en verano.

Algunos parámetros que se estudian dentro del diseño bioclimático para reducir la demanda de calefacción y aumentar la cantidad de radiación solar aprovechada por el edificio son:

• Orientación al Sur
• Ampliación de huecos acristalados que permitan pasar la máxima radiación infrarroja
• Colocación de lamas o voladizos que permitan la entrada de Sol en invierno, pero no en verano.
• Mejora de la inercia térmica del edificio: muros acumuladores…
• Utilización de pozos canadienses
• Invernaderos adosados

Aprovechamiento de aleros para entrada de radiación en invierno y filtrado en verano 

Instalaciones solares térmicas

Las instalaciones solares térmicas funcionan con colectores solares por los que circula un líquido (normalmente agua con glicol) que absorben el calor del Sol para producir altas temperaturas en su interior.

El funcionamiento de la calefacción solar térmica es muy sencillo ya que este líquido caliente (normalmente a unos 70-75ºC) se desplaza por un circuito primario cerrado hasta un acumulador de inercia mediante bombas de circulación. Este acumulador de energía es, por tanto, el depósito de agua caliente que será utilizado como apoyo para calefactar el local.

Se trata de un tipo de instalación que fue obligatorio en los Códigos Técnicos de Edificación (DB-HE4) desde el 2006 al 2019 (en el actual ya se pueden justificar otras alternativas) para proporcionar una fracción del consumo de agua caliente sanitaria del edificio. Es, por tanto, una instalación habitual en ACS, aunque su utilización para calefacción es mucho más minoritaria.

Por lo general, la instalación solar térmica sirve de apoyo para calefacción en instalaciones basadas en otro generador de calor (habitualmente caldera) con el objetivo de proporcionar un porcentaje de las necesidades de la vivienda. Esto es debido a que la baja radiación solar de invierno (cuando hay máxima demanda de calefacción) y el bajo rendimiento de los paneles con temperaturas bajas hace que no sea una tecnología demasiado optimizable.

Además, algo que también ocurre en las instalaciones solares para ACS, hay que tener mucho cuidado con la cantidad de paneles solares térmicos que se colocan ya que si se disponen muchos con el objetivo de satisfacer un alto porcentaje de demanda de calefacción en invierno, la instalación puede dar luego problemas de sobrecalentamiento en verano cuando no hay demanda de calor si no se dispone de algún sistema de evacuación del calor como, por ejemplo, climatización de piscinas. 

Instalaciones solares fotovoltaicas

En las instalaciones de energía solar fotovoltaica la radiación solar es absorbida por células fotoeléctricas de silicio (monocristalinas y policristalinas) que convierten fotones en electricidad.

La energía eléctrica que se genera con ellas puede ser empleada para la instalación eléctrica general de la vivienda, así como para otros usos específicos como el de los equipos eléctricos destinados a la calefacción (bomba de calor o radiador eléctrico, por ejemplo).

Los paneles fotovoltaicos tienen un rendimiento bajo de conversión térmica/eléctrica situándose comercialmente entre el 15-20%. En desarrollo se encuentran algunos prototipos de paneles que llegan a acercarse al 25-30%.

Sin embargo y pese a esta restricción de rendimiento, son una excelente opción para calefacción solar mediante la hibridación de paneles fotovoltaicos con una bomba de calor aerotérmica y se ha convertido hoy en día en una de las opciones más recomendadas y eficientes para ahorrar en electricidad.

La normativa actual de autoconsumo eléctrico permite instalar sistemas fotovoltaicos que puedan reducir al máximo el consumo energético eléctrico suministrado por la red de una vivienda o edificio. Parece lógico, en este sentido, intentar que la calefacción también sea de origen eléctrico, con el objetivo de poder optimizar este autoconsumo solar y evitar la instalación de otra fuente de energía como el gas.

La dependencia con la estacionalidad (inverno – verano) de la radiación solar no es tan acusada como ocurría con las instalaciones solares térmicas ya que, aunque en verano desaparezca la demanda de calefacción, la electricidad sigue siendo necesaria para otros usos (electrodomésticos…).

La energía solar fotovoltaica también se puede combinar con radiadores eléctricos con acumulación para calefacción. 

Ventajas e inconvenientes de la calefacción solar 

La principal ventaja de la calefacción solar es que utiliza una fuente de energía renovable como es el Sol. Se trata de una fuente de energía local (de gran disposición en España), es inagotable, no es contaminante y su instalación no es peligrosa.

Además, los mantenimientos suelen ser bastantes sencillos y la vida útil de la instalación puede ser cercana a los 25 años.

Por último, aunque las instalaciones solares térmicas y fotovoltaicas tienen un elevado coste inicial son rápidamente amortizables. Teniendo en cuenta que son tecnologías muy promocionadas en la actualidad (transición energética) y que disponen de múltiples subvenciones por las Comunidades Autónomas pueden tener un plazo de amortización entre 5-7 años.

Por el contrario, la principal desventaja de estos sistemas se deriva de la fluctuación en la cantidad de radiación solar ya que hay muchos factores que hacen que sea muy inestable. Depende de las circunstancias del día (nublado o soleado), de la hora del día (por lo noche no hay energía) y del mes (no es lo mismo en invierno que en verano).

Es por esto por lo que normalmente las instalaciones de calefacción solar no suelen configurarse de manera aislada e independiente, sino que se suelen añadir otros sistemas auxiliares para satisfacer la demanda de calefacción cuando no hay suficiente radiación solar. 

En instalaciones solares térmicas suele servir de complemento de una caldera de gas/gasoil, mientras que instalaciones fotovoltaicas el apoyo se realiza mediante suministro eléctrico. 

Comparación de rendimientos de instalación solar térmica y fotovoltaica

Como ya se ha explicado, ambos sistemas de obtención de energía solar pueden hibridarse en las instalaciones de calefacción para mejorar la eficiencia energética de una vivienda o edificio.

En el siguiente estudio se pretende comparar en su capacidad de aporte de energía para calefacción, una instalación de calefacción solar térmica con otra de las mismas características fotovoltaica.

Se plantea para realizar la comparación la instalación de 8 paneles de 2m² para una superficie total de 16m² (térmicos y fotovoltaicos) colocados en orientación Sur y a 35º de inclinación en una vivienda ubicada en Madrid de unos 100m² con una demanda de calefacción anual de 8716 kWh anuales, distribuidos mensualmente de la siguiente forma:

Demanda de calefacción de la vivienda de 100m2 situada en Madrid

Con la web desarrollada por la Unión Europea para estimaciones fotovoltaicas PVGIS se puede calcular la energía de radiación solar total en Madrid para orientación Sur e inclinación 35º por m² de superficie (kWh/m²). Es la siguiente:

 

PVGIS. Estimación de radiación solar total en Madrid a 35º

Producción y rendimiento fotovoltaico

Los 8 paneles fotovoltaicos constituidos por celdas de silicio cristalino tienen cada uno, como se ha dicho, 2m² de superficie de captación y una potencia de producción de 400Wp (potencia total=3200Wp).

Con estos paneles y utilizando la misma web de cálculo fotovoltaico PVGIS se estima la producción eléctrica de la siguiente manera:

PVGIS. Producción fotovoltaica de 8 paneles en Madrid a 35º con 14% de pérdidas

Pero estos valores de producción fotovoltaica son los máximos posibles en instalaciones de autoconsumo.

Hay que tener en cuenta que las horas de demanda de calefacción de un hogar no se suelen corresponder perfectamente con las horas de producción solar de forma que los kWh que falten (por ejemplo, por las tardes / noches en invierno) deberán ser suministrados por la red, mientras que los excedentes serán, en el mejor de los casos, vendidos a la red a precios bastante bajos.

La tasa de aprovechamiento de la producción fotovoltaica con respecto a la cantidad de energía total que se consume es, por tanto, un coeficiente fundamental en el diseño de la instalación para comprar el mínimo de energía de la red y desperdiciar el mínimo de producción fotovoltaica.

Una forma de aumentar la tasa es realizar una instalación de autoconsumo con baterías, si bien en la actualidad no se opta mucho por esta opción ya que incrementa bastante los costes.

Para este caso, se plantea una tasa de aprovechamiento bastante buena del 85%. De esta forma la producción fotovoltaica real de la instalación sería de:

Producción eléctrica total en kWh/mes (Azul) y producción eléctrica aprovechada en kWh/mes (Naranja)

Por último, se considera una instalación de calefacción basada en una bomba de calor aerotérmica con un rendimiento medio estacional SCOP de 4 (las hay incluso mejores).

De esta manera la producción de energía térmica para calefacción procedentes de fotovoltaica suponiendo un SCOP de la bomba de calor constante de 4 (algo que es una aproximación ya que no funcionan siempre con el mismo rendimiento), sería la siguiente:

Comparación de demanda de calefacción (kWh/mes)  y producción térmica obtenida por paneles fotovoltaicos (kWH/mes)

Con estos valores el porcentaje de demanda de calefacción satisfecho por los 8 paneles fotovoltaicos (16m²) colocados en Madrid con orientación Sur y a 35º de inclinación hibridado con una bomba de calor aerotérmica de rendimiento estacional SCOP=4 asciende a un 86,73% del total de necesidades.

Producción y rendimiento de instalación solar térmica

Para la instalación solar térmica se plantean 8 captadores solares térmicos de 2m² de superficie de captación.

El rendimiento de un captador solar térmico es variable en función, principalmente, del tipo de captador, de la temperatura ambiente exterior y de la radiación solar incidente:

Donde:

• η0 = rendimiento óptico. En este caso para el panel elegido es de 0.752
• k1 = factor de corrección por pérdidas térmicas. Valor de 3.956 para el panel.
• Tm = temperatura interior del colector = 45ºC
• Ta = temperatura exterior (ambiental)
• I = radiación incidente total sobre el colector (W/m²)

Con estos valores el rendimiento medio para cada mes es el siguiente:

La producción solar térmica aprovechada (suponiendo unas pérdidas del 10% en transporte y distribución en las tuberías, así como en los intercambiadores de calor) sería la que se expone a continuación en comparación con la demanda total de calefacción necesitada.

Con estos valores el porcentaje de demanda de calefacción satisfecho por los 8 paneles solares térmicos (16m²) colocados en Madrid con orientación Sur y a 35º de inclinación de apoyo al suministro de calor mediante caldera de combustión asciende a un 58.82% del total de necesidades.

Como se puede ver, para la misma superficie de instalación el rendimiento obtenido por los paneles fotovoltaicos es bastante superior (86.73% frente al 58.82%).

Además, la producción de exceso de verano puede ser aprovechada para otros usos con la tecnología fotovoltaica mientras que en la solar térmica al no existir demanda, se convierte en un problema de mantenimiento que podría incluso generar daños en la instalación si no se protege de forma adecuada.