Integración arquitectónica de colectores solares térmicos cerámicos para clima mediterráneo

Abstract

El treball està enfocat a demostrar la viabilitat tècnic-arquitectònica i energètica de col·lectors solars tèrmics realitzats amb materials ceràmics i adequats al clima mediterrani. La importància del consum d’energia en relació amb els problemes del medi ambient i l’esgotament dels recursos naturals ha incrementat el foment i la captació d’energia mitjançant altres tipus de fonts, com les renovables. Dins de les energies renovables la solar és potser la més destacada i la que és objecte d’estudi en aquest treball de recerca. El projecte parteix del potencial d’aplicació de l’energia solar per a la producció d’aigua calenta sanitària (ACS) i de calor per a sistemes de calefacció en edificis. S’ha realitzat un estat del coneixement dels sistemes de captació solar tèrmica (CST) existents actualment al mercat de l’edificació, i es detecten dos aspectes importants que estableixen les hipòtesis d’inici d’aquest treball. En primer lloc, els sistemes convencionals de CST presenten limitacions importants en la seva capacitat d’integració arquitectònica; i en segon lloc, els seus rendiments energètics i les seves respectives temperatures de treball no són coherents amb el clima mediterrani. A més, dels sistemes convencionals i comercialitzats, s’han analitzat i estudiat altres sistemes experimentals o en procés d’investigació (algunes patents) que destaquen per la seva clara intenció de donar resposta als dos aspectes comentats anteriorment. De les valoracions anteriors s’aprofiten aquells aspectes més interessants d’alguns dels sistemes estudiats, es milloren les limitacions detectades i apuntades i s’extreuen les condicions de viabilitat necessàries per a que el nou CST sigui viable i competitiu. D’això, se n’ha extret una proposta de model general que contempla els esmentats requeriments i del qual se n’han construït alguns prototips amb la finalitat de realitzar una sèrie d'assajos a laboratori. Aquests assajos, han permès estudiar i definir paràmetres molt específics com: la influència de la ceràmica en l’eficiència, el gruix de la trampa d'infrarojos, el gruix de la càmera interior per la qual circularà el líquid caloportador i la configuració del seu circuit (sèrie/paral·lel), seleccionar el tipus d’adhesiu més adequat, verificar el comportament del panell ceràmic mitjançant probes de dilatació, pressió, estanquitat, i, per últim, caracteritzar el rendiment energètic del col·lector ceràmic. Tot aquest conjunt d’assajos, entre d’altres estudis, han permès definir una proposta de cas particular que consisteix principalment en el desenvolupament d’una evolvent captadora ceràmica formada per panells captadors ceràmics amb coberta de vidre i panells no captadors ceràmics sense vidre. Mitjançant la definició, també, del respectiu sistema constructiu s’aconsegueix que l’evolvent compleixi amb els requisits inicials i amb una doble funcionalitat constructiva i energètica. D’aquesta manera, l’evolvent forma part del tancament de l’edifici i a més es capaç de captar l’energia del sol i aprofitar-la per a ACS y/o calefacció. Del cas particular s’han construït un conjunt de prototips, captadors i no captadors, que s’han utilitzat posteriorment per a la construcció d’una façana prototip i realitzar un assaig de camp, amb la finalitat de verificar l’adequació estructural i constructiva del sistema. Els resultats obtinguts a l’assaig demostren la viabilitat del sistema en termes estructurals, constructius i arquitectònics. Per altre costat, els panells col·lectors de la façana prototip han estat connectats a un dispositiu experimental que han validat els rendiments energètics obtinguts anteriorment al laboratori.

El presente trabajo se orienta a demostrar la viabilidad técnico-arquitectónica y energética de colectores solares térmicos realizados con materiales cerámicos y adecuados al clima mediterráneo. La importancia del consumo de energía en relación con los problemas del medioambiente y el agotamiento de los recursos naturales ha incrementado el fomento y la captación de energía mediante otro tipo de fuentes, las renovables. Dentro de las energías renovables la solar es, quizás las más destacada y la que es objeto de estudio en este trabajo de investigación. El proyecto parte del potencial de aplicación de la energía solar térmica para la producción de agua caliente sanitaria (ACS) y de calor para sistemas de calefacción en edificios. Se realiza un estado del conocimiento de los sistemas de captación solar térmica (CST) existentes actualmente en el mercado de la edificación, y se detectan dos aspectos importantes y que fundamentan las hipótesis de partida de este trabajo: En primer lugar, los sistemas convencionales de CST presentan limitaciones importantes en su integración arquitectónica; y en segundo lugar, sus rendimientos energéticos y sus respectivas temperaturas de trabajo no son coherentes con el clima mediterráneo. Además de los sistemas convencionales y comercializados, se analizan algunos sistemas experimentales o en proceso de investigación (algunas patentes) que destacan por su clara intención de dar respuesta a los dos aspectos comentados. De las anteriores valoraciones se aprovechan aquellos aspectos más interesantes de algunos de los sistemas, se mejoran las limitaciones descritas y, por tanto, se extraen las condiciones de viabilidad necesarias para que el nuevo CST sea viable y competitivo. De ello, se ha extraído una propuesta de modelo general que contempla dichos requerimientos y del que se han construido algunos prototipos con la finalidad de realizar una serie de ensayos en laboratorio. Dichos ensayos, han permitido estudiar y definir parámetros tan específicos como: la influencia de la cerámica en la eficiencia, el espesor de la trampa de infrarrojos, el espesor de la cámara interior por la que circulará el líquido caloportador y la configuración de su circuito (serie/paralelo), seleccionar el tipo de adhesivo más adecuado, verificar el comportamiento del panel cerámico mediante pruebas de dilatación, presión y estanqueidad y, por último caracterizar el rendimiento energético del colector cerámico. Todo este conjunto de ensayos, entre otros estudios, han permitido definir una propuesta de caso particular que consiste principalmente en el desarrollo de una envolvente captadora cerámica formada por paneles captadores cerámicos con cubierta de vidrio y paneles no captadores cerámicos sin vidrio. Mediante la definición, también, de su respectivo sistema constructivo se consigue que la envolvente cumpla con sus requisitos respectivos y con la doble funcionalidad constructiva y energética. De ese modo, la envolvente forma parte del cerramiento del edificio y además es capaz de captar la energía del sol y aprovecharla para ACS y/o calefacción. Del caso particular se han construido un conjunto de prototipos, captadores y no captadores, que se han utilizado posteriormente para la construcción de una fachada prototipo y realizar un ensayo de campo, con el fin de verificar la adecuación estructural y constructiva del sistema. Los resultados obtenidos en el ensayo demuestran la viabilidad del sistema en términos estructurales, constructivos y arquitectónicos. Por otro lado, los paneles colectores de la fachada prototipo han sido conectados a un dispositivo experimental que han validado los rendimientos energéticos obtenidos anteriormente en laboratorio.