Componentes SST de Aire

  1. Colectores

1.1. Diferencias según tipo de colector

Los colectores solares de aire se pueden diferenciar según el tipo de patrón de flujo del absorbedor o el tipo de cubierta del colector.

Diferencias según el tipo de flujo en el absorbedor
Los colectores solares de aire se pueden clasificar en cuatro tipos de construcción, variando la forma en que el medio de transferencia de calor (aire) se pone en contacto con el absorbedor.

a) Flujo sobre el absorbedor
Aquí, el absorbedor se encuentra directamente sobre el aislamiento térmico y el aire a calentar fluye por la parte superior.

b) Flujo bajo el absorbente
Este tipo de absorbedor tiene un canal de aire entre el absorbedor y el aislamiento térmico a través del cual fluye el aire. Esto evita que el aire caliente que fluye entre en contacto con la cubierta, lo que reduce significativamente las pérdidas de calor.

c) Flujo por ambos lados del absorbedor
En comparación con el flujo por debajo del absorbedor, aquí el absorbedor tiene el flujo de aire alrededor de los lados superior e inferior. De esta manera se mejora la transferencia de calor del absorbedor al aire, pero pueden producirse pérdidas de calor en la parte frontal.

d) Flujo a través del absorbedor
Aquí, el absorbedor consiste en una placa porosa (también llamada matriz absorbente), a través de la cual fluye el aire. La matriz absorbente puede estar hecha, por ejemplo, de vellón o tejidos (metálicos o no metálicos). Aquí, pueden hacerse evidentes pérdidas de presión crecientes desfavorables, si la tela fluida se obstruye gradualmente con suciedad o polvo. Este tipo de absorbedor se utiliza a menudo en la práctica sin aislamiento térmico, estructura y cubierta transparente.

Clasificación según la cubierta del colector
Así como los colectores que utilizan un medio líquido, los sistemas solares de aire también tienen variaciones de colector en las que se busca el diseño más simple y, por lo tanto, económico. Un colector de aire no cubierto tiene una mayor pérdida de calor en comparación con un absorbedor cubierto de vidrio debido a la falta de cubierta transparente, particularmente con temperaturas de absorbedor más altas. Por tanto, su eficacia es menor. Sin embargo, este diseño puede ser de interés si se trabaja con temperaturas de absorbedor más bajas.

Debido a que se reducen los costos de material y se simplifica la producción, con este tipo de colector y con condiciones de contorno adecuadas se pueden obtener costos de producción de calor muy bajos. Para aplicaciones en las que se necesitan temperaturas de funcionamiento más altas en el colector de aire solar, se seleccionan colectores de aire solares aislados y cubiertos de vidrio.

Material para el absorbedor
Para los colectores de aire con absorbedores en forma de placa, se utilizan preferiblemente materiales absorbentes metálicos (como acero, acero inoxidable, aluminio o cobre). Para los colectores de matriz mencionados anteriormente, los vellones y telas provienen tanto de materiales metálicos (por ejemplo, lana de acero, malla de alambre de cobre) como de materiales no metálicos (por ejemplo, tela de algodón, fibras vegetales, tela no tejida de fibra de poliéster).

Cubierta del absorbedor
Es común el recubrimiento de las superficies absorbentes con materiales metálicos. Dependiendo del tipo de tratamiento, los costos totales del recolector aumentarán en diversos grados. Los recubrimientos selectivos, habituales en la actualidad para los colectores de base líquida, suponen un aumento sustancial del precio. El precio de los absorbedores puede aumentar, por ejemplo, con una cantidad comprada de 700 m2 (7535 pies2) por un factor de tres, por lo tanto, para colectores de aire económicos, lacas negras y resistentes a la temperatura se recomiendan.

1.2. Factores de rendimiento y eficiencia de los colectores de aire

Durante mucho tiempo no hubo un procedimiento de prueba definido para los colectores de aire al que pudieran someterse los fabricantes y sus productos. Se han realizado pruebas de referencia / comparación con la mayoría de los productos presentes en el mercado. Estas pruebas proporcionan puntos de referencia para estimar y comparar mejor la eficiencia de los colectores de aire, así como las variables influyentes significativas. Para la representación del rendimiento del colector de aire, son importantes dos tipos de gráficos de eficiencia:
Para los colectores que operan en ciclo cerrado (operación con aire circulante), se utiliza un diagrama que muestra la curva de eficiencia sobre la diferencia de temperatura (Ver gráfico a continuación). Sin embargo, con las pruebas se demostró que aquí no se debe usar la temperatura promedio del colector o del absorbedor, sino la temperatura de salida. Por esta razón, las curvas de eficiencia del gráfico no deben compararse con las de los colectores de base líquida.

Curvas de eficiencia de colectores, en función de la temperatura de salida (izquierda) y al flujo másico (derecha)

Para los colectores que operan exclusivamente con la entrada de aire exterior, la representación de la eficiencia es más adecuada en función del flujo másico.
Para que un absorbedor sea eficiente, el tipo de patrón de flujo del absorbedor y la transferencia de calor del absorbedor al flujo de aire son cruciales. Dependiendo de la aplicación, aquí se debe encontrar el equilibrio correcto. En la construcción de viviendas, el objetivo es, por ejemplo, temperaturas específicas con flujo másico pequeño. Sin embargo, se reduce la eficacia de la transferencia de calor del absorbedor al flujo de aire. Por el contrario, la eficacia de la transferencia de calor aumenta con un mayor caudal másico; sin embargo, la pérdida de presión en el colector y en todo el sistema aumenta.

1.3. Colectores de aire estándar
En la siguiente figura se muestra un colector estándar. Tiene un marco, aislamiento térmico en la parte posterior y laterales, una cubierta de vidrio transparente y un absorbedor. El absorbedor consta de una lámina de aluminio revestida que está diseñada como un perfil en U. Colocados uno al lado del otro, estos perfiles producen un perfil acanalado para la transferencia del calor al aire que fluye.

Los colectores están disponibles en diferentes versiones. Por ejemplo, se ofrecen diferentes profundidades, según el tamaño del sistema. El aumento de la profundidad del flujo de aire se permite en sistemas más grandes.
Además, debido a la conexión en serie específica del caudal de los colectores, hay diferentes módulos disponibles. El colector medio está conectado por su lado estrecho a los colectores finales por medio de conexiones bridadas. Los colectores finales tienen una conexión de aire integrada. Esta conexión está diseñada como una conexión de tuberías bridadas, por ejemplo para conducir el aire residual de un edificio a través de los colectores, o está equipada con un filtro de aire integrado en la abertura trasera para conducir el aire fresco directamente a través de los colectores.

1.4. Colectores de aire integrados con colectores fotovoltaicos

Colectores de aire Offgrid

Para proporcionar un funcionamiento independiente de la ventilación de aire en edificios sin una fuente de alimentación separada (parcelas, refugios de montaña, residencias de vacaciones, etc.) se pueden utilizar colectores con un módulo fotovoltaico integrado. Esto suministra la energía eléctrica necesaria para impulsar un ventilador de CC cuando brilla el sol.
El sistema es impulsado por la cantidad de radiación solar disponible y en la mayoría de los casos se las arregla sin regulación adicional. Además de la aplicación en edificios que no cuentan con su propia fuente de alimentación, el sistema también se puede operar en edificios con su propia fuente de alimentación. Permitiendo que el suministro eléctrico se corte a través del fusible principal durante las pausas de funcionamiento prolongadas, mientras que el sistema de ventilación y calefacción de aire solar sigue funcionando. En edificios de uso poco frecuente, este sistema de ventilación independiente de la red y a prueba de robos tiene el efecto adicional de calentar el aire: deshumidifica el aire y, por lo tanto, contribuye a la preservación de la sustancia del edificio, así como a su inventario.

Colector híbrido
Otro uso de los colectores de aire es la ventilación controlada de la parte trasera de los módulos fotovoltaicos en los denominados colectores híbridos. En lugar de un vidrio de protección solar, el colector de aire está parcial o totalmente cubierto por la parte frontal con módulos. Los módulos fotovoltaicos producen electricidad, que se alimenta a la red. También producen calor residual, que se utiliza para calentar el aire con fines de ventilación o calefacción. Esta sinergia conduce a una mayor eficiencia de los módulos fotovoltaicos debido a la menor temperatura del módulo.
Estos sistemas suelen tener un rendimiento instalado de varios kWp. El dimensionamiento cumple con el rendimiento fotovoltaico deseado y su suministro a la red, así como con la cantidad necesaria de aire requerida en el edificio en el que está instalado el sistema. La asignación de módulos puede realizarse en incrementos desde 50 Wp (una quinta parte de la cubierta transparente) hasta 250 Wp (sustitución completa de la cubierta transparente).

Energía solar fotovoltaica y térmica a la vez | Consumer
colector hibrido para calefacción solar de aire y generación de electricidad

1.5. Colectores de fachada
Otra aplicación interesante de los sistemas solares accionados por aire es su integración en fachadas. Los colectores pueden, por ejemplo, reemplazar completamente la fachada, o pueden colocarse en una fachada existente.

Dado que el calentamiento de un edificio normalmente tiene lugar en invierno y en los períodos de transición, es decir, con ángulos de elevación solar bajos, la disposición vertical de los colectores tiene algunas ventajas. También por razones económicas, la integración de la fachada de los colectores solares de aire puede ser de interés, ya que durante la construcción de un nuevo edificio o la restauración de una fachada se pueden ahorrar costes.

1.6. Pared solar (Solar Wall, transpired air collector)
Este sistema colector utiliza una lámina absorbente de metal perforada con revestimiento oscuro como exterior de una fachada. El aire calentado por energía solar es succionado a través de las perforaciones y se conduce al sistema de ventilación para fines de calefacción. Este método simple y directo se puede configurar para precalentar el aire fresco de ventilación de los edificios, mejorando así la calidad del aire interior y reduciendo el costo de energía. En latitudes más bajas, esta misma pared vertical se puede aplicar sobre un techo para capturar el calor incidente en la superficie inclinada igualmente bien.
Las aplicaciones para secar cultivos agrícolas como el café, el cacao y el té han dado excelentes resultados en muchos países.

transpired air collector
Pared Solar con succión de aire caliente

1.7. Ventiladores
Los ventiladores que se utilizan normalmente en los sistemas de aire solar son componentes comerciales estándar que se utilizan en los sistemas de ventilación normales. Además de los ventiladores radiales que se utilizan con más frecuencia, también hay ventiladores axiales y de flujo transversal. Los ventiladores axiales se pueden utilizar mejor en tuberías redondas, pero se utilizan principalmente en sistemas de aire de escape. Los ventiladores de flujo cruzado funcionan de manera particularmente silenciosa, pero tienen una tasa de suministro de aire baja y se usan solo en casos especiales. Debido a sus opciones de conexión flexibles y su mayor capacidad de velocidad de entrega, se prefiere el ventilador radial. Mediante diferentes diseños de aspas(curvada, hacia delante o hacia atrás) se puede conseguir una óptima adaptación a los caudales volumétricos existentes y a las diferencias de presión.

Ventiladores centrífugos - Alto rendimiento, motor EC, radiales, alta  temperatura, de pequeño caudal, de baja presión, autoregulables, a  transmisión, industriales
Ventilador radial


Para los sistemas de aire solar en edificios de fábricas con caudales muy altos, los ventiladores deben tener configuraciones de potencia de varios kilovatios. Con un promedio anual de 2000 a 2500 horas de funcionamiento, el consumo de energía requerido aquí es significativo. Al evaluar el requerimiento de energía adicional, la pérdida de presión en los colectores solares de aire y en las tuberías necesarias es crucial debido a la necesidad de integrar los colectores solares de aire. Con una planificación y un diseño cuidadosos del sistema, es posible reducir la energía eléctrica adicional requerida a aproximadamente un 2–5% de la ganancia térmica.

1.6. Tuberías
La tubería de los sistemas de aire solar se corresponde con los requisitos de un sistema de ventilación normal. Deben estar hechos de materiales no combustibles y también deben ser resistentes a la corrosión. Los materiales más utilizados son acero y chapa de acero inoxidable. En determinadas condiciones, también se utiliza aluminio.

Las secciones transversales circulares se utilizan principalmente para canales más pequeños; los tubos se fabrican en un sistema de espiral envuelto. Para canales de aire grandes, es preferible utilizar secciones cuadradas o rectangulares. La mayoría de las tuberías están disponibles en longitudes de hasta 10 m (32,8 pies). Están conectadas entre sí en las juntas a tope con válvulas de compuerta y abrazaderas; en casos individuales también se sueldan. Los tubos flexibles se utilizan para hacer frente a ángulos que evitan los pasajes inaccesibles y las desviaciones de los valores estándar (conexión del colector en inclinaciones ≠ 45 °). Además, las conexiones de los colectores están provistas de aislamiento térmico. Para las tuberías que conducen al exterior del edificio, se recomienda un aislamiento térmico resistente a los rayos UV y a la intemperie. Dentro del edificio esto no es necesario.

Para reducir el ruido, se recomienda el uso de componentes reductores de sonido para los sistemas de colectores solares de aire. Esto es particularmente cierto para los sistemas con altos requisitos de comodidad para el usuario. Se producen altos niveles de ruido debido a las altas velocidades de flujo de aire y también en curvaturas debido a la fricción del aire y debido al uso de tubos de costura en espiral envueltos de baja fricción. Por lo tanto, generalmente se instala un silenciador frente a las rejillas de ventilación de la habitación para reducir la carga de ruido.

1.7. Intercambiadores de calor y recuperadores de calor (aire / agua)

Recuperación de calor

Exixten principalmente 4 categorias de sistemas de recuperación de calor, sistemas con:

-recuperadores o intercambiadores de calor de placas
-intercambiadores de calor de circuito o tubo
-intercambiadores de calor rotativos con o sin masa de almacenamiento higroscópica
-bombas de calor.

En los sistemas de aire (solares) se utilizan principalmente recuperadores, normalmente alrededor del 65% para grandes caudales) o intercambiadores de calor rotativos. Estos pueden lograr coeficientes de recuperación de calor de hasta el 90% y simultáneamente permitir el intercambio de humedad, que se puede utilizar para aire acondicionado. En general, la gama de dispositivos de recuperación de calor es muy amplia. Dependiendo del dispositivo, los diseños especiales pueden lograr mayores coeficientes de recuperación de calor.

a) Unidad de transferencia calor aire-agua

Los sistemas de aire solar en edificios residenciales suelen estar concebidos para el calentamiento directo del aire y, por tanto, el calentamiento de edificios o espacios. Debido a que en algunas zonas climáticas en verano no se necesita calefacción, el sistema de aire solar no se utiliza en este período. Mediante la integración de un intercambiador de calor aire-agua, el exceso de calor se puede transferir al sistema de agua doméstico en verano. De este modo, el sistema de aire solar se puede utilizar de forma más eficaz y logra mayor eficiencia.

b) Caja solar

La caja solar permite un uso adicional de los sistemas colectores de aire para la generación de agua caliente (solar). Todos los componentes tecnológicos necesarios son compactos, de fácil acceso y fácilmente preconfigurados en la caja. El calentamiento del agua se realiza mediante un intercambiador de calor aire-agua. La superficie de intercambio de calor de seis tubos por fila, hecha de tubos de cobre y aletas de aluminio, garantiza un intercambio de calor altamente eficiente. La regulación o conmutación de las condiciones de funcionamiento se realiza mediante un sistema de control solar estándar de 2 acumuladores. Aquí, de acuerdo con los perfiles de temperatura y requisitos, cambia entre calefacción / ventilación y calentamiento de agua sanitaria. Dependiendo del tipo de serie, la caja solar se configura con un ventilador integrado o externo.

Outdoor Boiler Water to Air Heat Exchanger – Dura Max 18x18 –  OutdoorBoiler.com
Intercambiador de calor aire-agua