Revista TA 41 - Propuesta de Techo Solar adaptable y económico
Propuesta de Techo Solar
adaptable y económico
Resumen :
Se presenta un diseño innovativo de techo solar, adaptable al entorno, que permite proveer de calefacción y refrigeración pasivas a una vivienda familiar a un costo similar que un techo convencional de equivalente (buen) aislamiento térmico. Para lograr esto se plantean originales sinergias entre el concepto del sistema colector solar y del techo en si mismo, modificando fuertemente este último, para crear un techo configurable mediante redistribución de agua. En este sentido, quizás el aporte más valioso del nuevo diseño sea el derribar el paradigma actual profundamente arraigado del techo tradicional, permitiendo explorar nuevas dimensiones alternativas de hábitat adaptables al entorno.
Palabras clave : colector solar, arquitectura adaptable entorno, calefacción solar
Introducción
e
xisten numerosos diseños de casas con techos solares desarrollados desde hace sesenta años y que son técnicamente factibles, pero que requieren de inversiones comparativamente altas, siendo la causa de su limitada aceptación (Belusko, 2004). Siguiendo estas motivaciones se han propuesto en los últimos años diversos sistemas colectores solares integrados al techo (Vokas, 2006, Maneewan, 2005). Estos esquemas integrados han logrado encontrar algunas modestas sinergias entre ambos conceptos para reducir la inversión inicial total requerida. Sin embargo estos sistemas no han cuestionado el concepto “atávico” de techo tradicional, limitándose a colocar el colector encima de éste.
Todos los diseños previos de colectores solares integrados al techo han demostrado que, dada la gran superficie cubierta y las tasas irradiación solar típicas, se logra satisfacer la demanda familiar promedio de agua caliente y calefacción durante todo el año, aún en latitudes de 40º (Hassan, 2006). Siendo que un pequeño calefón solar satisface la demanda de agua caliente, podemos esperar que desplegándolo sobre todo el techo éste provea la calefacción también.
Son conocidas numerosas soluciones de techo con cámara de agua superior para refrigeración del hábitat en zonas áridas (Jain, 2006). En estos diseños se remueve durante la noche una cubierta protectora para permitir su enfriamiento por evaporación e irradiación térmica, pudiendo enfriar el agua hasta 10ºC por debajo de la temperatura ambiente.
En el trabajo precursor de Harold Hay (1977), creador del sistema Skytherm, se utilizan bolsas de agua desplegadas sobre un techo metálico para proveer desde el techo calefacción invernal (por radiación infrarroja) y refrigeración estival (por convección natural) adecuadas durante todo el año. Como demostró Hay, esto es factible aún en climas áridos extremos, con la ayuda de una cubierta que brinda buen aislante térmico sobre las bolsas de agua. El Skytherm (pionero en diseñar un techo configurable) funciona bajo cuatro configuraciones: verano/invierno y día/noche. Su principal problema radicaba en el costo excesivo de la cubierta desplegable que debía contener gruesas capas de material aislante.
Se presenta en este trabajo un diseño innovativo de techo solar adaptable, basado en la combinación original de muchos de los conceptos del arte previo señalados, y otros. En este sentido, reconociendo elementos comunes con el Skytherm, prescinde de la necesidad de una cubierta que brinde adecuada aislamiento sobre la cámara de agua; limitando la cubierta a un simple parasol. Este sistema se espera que pueda satisfacer la demanda de calefacción y refrigeración de una vivienda unifamiliar en latitudes medias, manteniendo no obstante una inversión equiparable a un techo convencional. Considero posible además que sirva de inspiración a otros investigadores para desarrollar otras líneas de diseño adaptable al entorno.
discusión de distintos conceptos de techado
el concepto clásico de techo
Es interesante considerar el diseño de techo convencional y su evolución, de la mano de los desarrollos de nuevos materiales y técnicas constructivas. Un techo metálico se construye hoy con chapas metálicas de longitud a medida y de perfiles rectangulares o trapezoidales para aumentar su resistencia mecánica a la flexión. Estos cambios tecnológicos han tenido notable impacto sobre el proceso de techado actual, tanto en tiempo como en costo, siendo que:
Se reduce la superficie del techo utilizando menores pendientes (<20º, antes 45º para evitar filtraciones de agua entre solapamientos de chapas).
Se reduce el tiempo de instalación (menos uniones a sellar, tirantería, etc.)
Se dispone de pinturas especiales que aumentan su resistencia a la corrosión.
Se puede disponer un mayor espaciamiento transversal en la tirantería o incluso omitirla. En el sistema zip-rip y otros, las uniones longitudinales entre chapas paralelas se conforman por soldadura por deformación, que proporcionan excelente estanqueidad y un escalón superior de varios centímetros de altura (ver detalle en figura 2), además de formar un techo autoportante.
Esta evolución tecnológica en los sistemas de techado abre una ventana de oportunidad para el diseño de nuevas formas de sistemas solares integrados, como el aquí planteado. Por otra parte, y en oposición a esta marcada evolución tecnológica, el concepto “clásico” de techo se ha mantenido casi inalterable durante largo tiempo (…quizás desde la Edad Media?). Por tal definimos un techo diseñado siguiendo dos objetivos principales:
Proveer un sistema inmóvil (…mientras que el entorno es fuertemente cambiante)
Proveer un sistema cerrado (no dejar pasar la lluvia)
Proveer un sistema casi adiabático (no dejar escapar el calor).
El medio convencional empleado para cumplir estos objetivos, obteniendo así un techo fijo de calidad casi adiabática, ha sido el disponer capas sucesivas de distintos materiales (aislantes de baja conductividad térmica, de alta reflectividad, etc.) y cámaras de aire (ático) por debajo de la capa exterior que asegura la estanqueidad . Obtenemos así un techo de buena calidad pero costoso en dinero y tiempo de construcción.
El reducir las limitaciones antes mencionadas ha sido objeto de estudio de las nuevas tecnologías de techado. También aquí encontramos un punto de partida a nuestro diseño, en el cual nos valemos de nuevos materiales y técnicas de construcción, hoy standards. Por otra parte, cabe señalar que los techos de menor calidad y costo (con menor número de capas aislantes intermedias) suelen ser “cálidos en verano y fríos en invierno”, dado que ha diferencia de los de mayor calidad antes descriptos, no alcanzan la categoría de “techos ideales adiabáticos” de los anteriores. El concepto clásico de techo se puede sintetizar entonces como: uno fijo en el cual se persigue el mayor grado de adiabaticidad posible , y en donde la inversión realizada es directamente proporcional al grado de éxito alcanzado. En contraposición a éste, nuestro concepto persigue el mayor grado de adaptabilidad posible al entorno, conformando un techo fuertemente configurable.
Descripción general del concepto de techo adaptable
La figura 1 ilustra un esquema general de funcionamiento del sistema de techo solar operando en la configuración invierno-día (ciclo diurno); según una posible forma de realización (por favor: no concentrarse en los detalles, son en su potencialidad) éste consta de:
• Una base metálica de perfil rectangular (chapas enterizas longitudinales) que proporciona un escalón sobre el que se apoya
• Un techo vidriado doble, conformando de este modo dos cámaras estancas, de las cuales en la inferior se dispone
• Una cámara somera de agua (˜5cm) que acumula la energía solar absorbida por el techo metálico (cuya cara exterior es negra, o de alta absortividad).
• Este inventario de agua (5,000 litros para 5cm y superficie techada de 100m2) se conecta por cañerías con un
• Tanque de reserva de capacidad similar, ubicado debajo en el hábitat (o un invernadero contiguo a la casa por ejemplo) el cual alimenta al
• Sistema de agua caliente y de calefacción (preferentemente por losa radiante o sino radiadores de agua) de la vivienda, impulsado por medio de una
• Bomba recirculadora que también sirve para bombear el inventario de agua hacia el techo. Eventualmente en días nublados en los cuales la temperatura alcanzada por el agua no sea suficiente, este sistema se refuerza con un
• Termotanque ubicado antes del sistema de distribución al consumo.
• Un toldo parasol desplegable se dispone superior a todo el conjunto techo anterior, formando una tercera cámara de aire. El conjunto de estas tres cámaras proporciona según nuestras estimaciones (mediante un sencillo cálculo unidimensional de resistencias térmicas en serie) coeficientes de conducción global U entre 0,5 y 0,7 W/m2K.
Como se ilustra también en las siguientes figuras, es interesante destacar que el techo metálico está en contacto directo con el hábitat, y a diferencia del techo clásico, sin capas internas aislantes. Esto abre la posibilidad de calefaccionar el hábitat también por radiación térmica, pudiendo sintonizarse ésta a conveniencia empleando pinturas de diferentes emisividades infrarrojas en los diferentes ambientes. Esta posibilidad puede constituir un calentamiento apreciable, en tanto y en cuanto el techo podría alcanzar 70ºC u 80ºC. La transferencia por radiación se puede minimizar empleando pinturas de baja emisividad (˜0.1), al igual que la convención natural por la posición elevada de la fuente caliente.
Es importante destacar que la cámara de agua dispuesta en el techo presenta un nivel inferior al de todas las uniones entre chapas, no comprometiendo la estanqueidad del sistema ni demandando uniones a prueba de agua entre los vidrios y el techo metálico. Estos objetivos se cumplen fácilmente en esta versión inicial aquí presentada, mediante la adopción de un techo horizontal . Si bien el techo horizontal minimiza la superficie cubierta y por ende, los costos, sería factible adaptar este diseño a techos inclinados; para ellos bastaría asegurar la estanqueidad de la cámara de agua. Esto podría ser resuelto con buena calidad de producto si todo el conjunto chapa-vidrio se conformase íntegramente (en paneles modulares) en fábrica. En mi opinión si el concepto de techo horizontal se difunde adecuadamente (lo cual requiere alcanzar el objetivo de costos moderados), podría originar el círculo virtuoso demanda-fabricación que permita el desenvolvimiento posterior del diseño de techo inclinado, lo que brindaría un abanico de mayores posibilidades arquitectónicas.
Figura 1. Esquema general del sistema formado por el techo y accesorios
Figura 2. Corte transversal en techo (se observa perfil escalonado de chapa y omega de apoyo a vidrios)
configuraciones operativas del sistema solar adaptable
Invierno-día
En invierno durante el ciclo diurno (ver figura 3) se genera una cámara de agua entre el primer vidrio y la base metálica para acumular energía solar y calentar el hábitat por radiación térmica. Considerando una irradiación diaria promedio de 3,600 W/m 2 , un valor conservativo para la mayoría de la Argentina, (Evans, 2004) y pérdidas globales del 50% (regular en colectores solares), se alcanzan incrementos de 35ºC y temperaturas finales de 75ºC en el ciclo diurno.
Figura 3. Esquema adoptado en la configuración invierno-día.
Invierno-noche
El inventario de agua es derivado en el crepúsculo hacia el tanque de acumulación, desde donde es bombeado para calefaccionar la casa por losa radiante o radiadores de agua convencionales. Durante la noche (figura 4) se genera de este modo una triple cámara estanca de aire (desplegando la cubierta superior) que aísla eficazmente el techo. De ser necesario, es posible también bombear parte del inventario de agua caliente al techo para asegurar que la temperatura de la base metálica no baje del punto de confort (20ºC). Sin brindar aquí cálculos detallados del grado de aislamiento térmico conseguido, mencionaremos que podemos asemejar esta triple cámara estanca somera a un sistema de vidriado cuádruple. Hay en el mercado ventanas de vidrio triple de U =0.6W/m2k (www.efficientwindows.org) y también con cámaras de vacío que alcanzan valores de 0.2W/m2k (Manz, 2006).
Figura 4. Esquema adoptado (corte longitudinal) en la configuración invierno-noche.
Verano-noche
En las noches de verano (ver figura 5) se genera una cámara somera de agua por sobre el vidrio superior y en contacto con el medio exterior, para sobreenfriar la misma (por evaporación y radiación) incluso hasta 10ºC por debajo de la temperatura ambiente, de acuerdo a las condiciones climáticas imperantes (Jain, 2006).
Figura 5. Esquema adoptado (corte longitudinal) en la configuración verano-noche
Verano-día
Durante el día este importante volumen de agua enfriada es derivado hacia la cámara inferior techo-vidrio (y es protegida por el toldo), para proporcionar refrigeración por convección natural (figura 6). Cabe acotar que el solo hecho de reducir fuertemente la irradiación solar directa ya produce una atenuación muy importante, dado que mas del 50% del calentamiento de una vivienda en verano se origina en la irradiación solar directa sobre el techo (Jain, 2006). Esta pantalla reflectiva desplegada sirve también para proteger eventualmente el techo vidriado del granizo.
Figura 6. Esquema adoptado en la configuración verano-día.
Balance Energético
El estudio del balance energético del sistema colector solar diseñado permite fundamentar su éxito a los fines propuestos. Siendo por consiguiente una parte insoslayable del análisis, puede (siguiendo el nivel conceptual general aquí presentado) ser desarrollado con modestos esfuerzos sobre la base de los innumerables trabajos científicos disponibles en la literatura. Por supuesto (y soy el primero en reconocerlo) que sería deseable que este primer trabajo diese lugar a otros posteriores en colaboración con colegas, de amplia experiencia en la materia como los hay la Argentina.
En este contexto permítanme citar dos trabajos de colectores solar integrados en los cuales me basé para realizar estimaciones de primer orden, de Vokas y Medved. Vokas (2006) estudió el rendimiento de un colector solar en Grecia (latitud 40ºN), usando en sus cálculos un flujo de irradiación solar sobre el colector plano promedio anual G” = 150 kWh/m2. De aquí, podemos calcular: (1) la energía promedio diaria absorbida, Ed, y (2) la anual, Ea, como:
Ed = G” cos q x A / 30 = 187 kWh = 0.68 GJ (1)
Ea = 365 Ed = 247 GJ (2)
en donde A es el área del panel solar (100 m2), x es la eficiencia térmica (50%) y debe considerarse un ángulo de inclinación promedio q = 38º. Para ilustrar la enorme magnitud de este valor, podemos considerar que el consumo anual de gas natural para calefacción de una vivienda unifamiliar en Bariloche (38ºS) es de 169 GJ (González et al, 2006). No es de extrañar entonces, que aún para el sitio estudiado, Vokas prediga que con un colector de sólo 30 m2 alcance a cubrir en invierno el 50% de la demanda de calefacción y agua caliente de una familia.
Si despejamos del balance térmico del agua el salto térmico que se produciría en nuestro inventario de agua (5,000 l) si almacenase sin pérdidas la energía del ciclo diurno (Ed) diaria:
Ed = M c D T (3)
donde M es la masa de agua (5,000 Kg), c su calor específico (4,16 KJ / KgºC) y D T el salto de temperatura en el ciclo diario (mañana/noche), obtendríamos un D T @ 80ºC, poco conveniente a los fines prácticos (produciría ebullición, siendo que la temperatura mínima del sistema debería estar por encima de los 20ºC para asegurar su funcionamiento eficaz). Este comportamiento se puede atenuar fácilmente por supuesto, si escogemos un inventario de agua mayor, pero esta solución, llevada a un extremo, podría producir otros inconvenientes no deseados (mayor carga sobre el techo metálico, etc.).
En el trabajo de Medved (2003) se postula un flujo de irradiación solar ligeramente mayor (165 kWh /m2) que en el Vokas en latitudes similares, y se predice la posibilidad de calentar una gran piscina (superficie cubierta 600 m 2 , volumen agua 600m 3 ) en primavera y verano desplegando un colector de 600 m 2 , lo cual ilustra la gran magnitud alcanzable en la captación de la energía solar con este tipo de sistemas. Es interesante este trabajo además, porque muestra esfuerzos en aprovechar las nuevas técnicas constructivas: por ejemplo, se conforma el serpentín de agua por unión de chapas (negativo y positivo) con perfiles convexos.
Todos estos trabajos apuntan en la misma dirección (muy conocida por cierto), e indican la gran potencialidad de la energía solar para reducir nuestra dependencia futura de combustibles no renovables, debiéndose sí realizar mayores esfuerzos en desarrollar sistemas de bajo costo.
Estudio de costos
El objetivo del sistema de techo adaptable propuesto es proporcionar la calefacción y refrigeración hogareñas durante todo el año para una casa convencional en forma autosuficiente (salvo el pequeño consumo eléctrico de la bomba de agua y cubierta desplegable), en las condiciones climáticas (templados a calurosos o moderadamente fríos) de la gran mayoría del territorio argentino. Se calcula que con un techo de 100 m2 es posible lograr calentar durante el día en invierno unos 3,000 a 5,000 litros de agua a 75 ºC y en verano refrigerarlo a 18ºC, si la temperatura ambiente baja a 25ºC en la noche, esto dependiendo de la humedad ambiente.
Sirviéndonos de ejemplos de techados reales típicos de Bariloche de buen aislamiento térmico (U = 0,4 W/m2K), estimamos costos específico de $300 a $400/m2, con gran demanda de mano de obra in situ (3 semanas x 3 obreros). Para el techo propuesto alcanzamos costos totales de $300/m2 de área útil (horizontal), requiriendo su construcción un tercio del tiempo anterior, y obteniendo U = 0,5 - 0,7 W/m2K con la cortina desplegada. No se contabilizan elementos de calefacción standard necesarios (termotanque, radiadores, bomba de agua) a los fines de la comparación por estar incluidos en ambos sistemas.
Otros elementos que deberían contabilizarse dentro de la inversión del sistema de techado tradicional y que llevan la inversión a valores de 350 a 450 $/m2 de área útil:
- La pendiente “tradicional” del techo (20º) contra la nula propuesta, y el
- El sistema de refrigeración (4 splits de 1200 frigorías) para verano: $6,000,
Por otra parte, los costos operativos menores es (típica en sistemas solares) la fortaleza del sistema. Se ahorrarían al año en calefacción hasta 150 GJ o 7,000 m3 de gas natural o su equivalente, unos 6.500 Kg de propano (lo cual representa una interesante opción de ahorro para casas fuera de la red). El consumo de electricidad en la bomba para subir el inventario de agua al techo y en el toldo, siendo por otra parte modestos, se pueden considerar inferiores al ahorro proporcionado por la refrigeración pasiva obtenida con este sistema.
Conclusiones
Se presenta aquí un concepto innovativo de techo solar adaptable recientemente creado y patentado (Juanicó, 2006a, y 2007a,b). Siendo un concepto original, ciertamente requerirá en el futuro de mayores investigaciones y del concurso de colegas interesados en el mismo, siendo precisamente el promover ésta la motivación de este trabajo (por ejemplo, realizando simulaciones térmicas de su desempeño). Sin embargo, y utilizando la vasta bibliografía presente como una herramienta que permite extrapolar con un margen de error razonable el desempeño del sistema, sería esperable que satisficiera la demanda de calefacción y refrigeración hogareñas, instalado éste en la mayoría del territorio argentino. En este sentido es de suma utilidad el importante trabajo de sistematización realizado por otros investigadores (Evans, 2004).
Este diseño de sistema colector solar (a diferencia de anteriores), no tuvo su origen en especialistas 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 mejor sistema para obtener réditos significativos.
La principal virtud del sistema propuesto, que lo destaca como tal, es la baja inversión inicial requerida, que lo vuelve competitivo incluso frente a las construcciones tradicionales. Para lograr esto, este diseño se basa en una fuerte innovación: presentar un techo fuertemente adaptable sin partes móviles de mayor complejidad, dado que ha diferencia de conocidos sistemas de cámara de agua, como el Skytherm (Hay, 1977), en éste se emplea el mismo fluido acumulador como elemento central en movimiento. Por tal, este diseño no requiere contar con una cubierta estructural aislante de movimiento complejo. Por el contrario, la configuración variable del fluido genera aquí las cubiertas múltiples aislantes, y la cubierta se limita a una simple cortina enrollable, sobre la cual también se han realizado propuestas innovativas que han dado lugar a 2 solicitudes más en trámite de patentamiento por el Conicet, razón por la cual no han sido contadas aún.
Para lograr la condición anterior, el diseño aquí propuesto ha sabido explorar y encontrar nuevas sinergias entre el colector solar y el techo tradicional, cuestionando fuertemente este último. En este sentido, y siendo ambiciosos, podría ser que éste diera origen a toda una nueva generación de diseños de hábitat que utilicen flexiblemente la energía solar. Por limitaciones de espacio se pretende aquí mostrar sólo algunas de las variantes de diseño ya desarrolladas o en vías de desarrollo por su autor.
Sobre el Autor: El Dr. Luis Juanicó es investigador adjunto del Conicet en tecnología desde 2004, habiendo sido antes investigador tecnológico de Perez Companc (2001-2004) y de la Comisión Nacional de Energía Atómica (1993-2001). Ha sido consultor de empresas del sector energético (Petrobras, Perez Companc, UIA, Agueera), mineras (Molienda Tandilia) y otras.
Es Ingeniero Nuclear (1991) y Doctor (1998) en la misma especialidad, ambos títulos del Instituto Balseiro, Centro Atómico Bariloche, del cual hoy es profesor adjunto en carreras de ingeniería nuclear y mecánica, y también de postgrado. Ha dirigido un doctorado en Ciencias de la Ingeniería en esta misma casa de Altos Estudios.
Su campo de investigación tecnológica es el desarrollo y evaluación de nuevas tecnologías energéticas, y es multifacético. Es autor de 8 patentes de invención, algunas con reválida internacional. Ha dirigido o dirige varios proyectos de desarrollo de tecnologías energéticas, en energía solar, calefactores de gas, nanoturbinas de gas, temogeneradores avanzados, y patrcipado en una decena de otros, en el desarrollo de combustibles nucleares avanzados y demétodos innovativos de enriquecimiento de uranio, entre muchos otros.
Su producción científica se ha plasmado en la publicación de 14 trabajos en revistas científicas internacionales, 38 en congresos internacionales, 12 publicaciones nacionales y 31 ponencias en congresos nacionales. Ha sido entrevistado para artículos de divulgación científica en varios medios de prensa (6 veces en La Nación) y radio.
El Dr. Juanicó tiene 41 años. Ha recibido mas de 10 premios y reconocimientos, entre los que se destacan el Premio Bernardo Houssay 2005 al Joven Científico en Desarrollos Tecnológicos, otorgado por la Secretaría de Ciencia y Tecnología de la Nación, el Premio al Joven Investigador de Latinoamérica y el Caribe 2005, área ingeniería, otorgado por la TWAS (Academia de Ciencias del Mundo en Desarrollo), regional para Río para Latinoamérica y el Caribe, y el Premio Jorge Sábato al Desarrollo Tecnológico en Materiales 2005, otorgado por la Asociación Argentina de Materiales.
Agradecimiento:
Al arquitecto Héctor Coutada del Centro Atómico Bariloche, por confeccionar todas las ilustraciones mostradas.
Referencias:
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