El calentamiento de agua con energía solar térmica es algo temperamental. El agua pesa mucho, se expande cuando se congela y puede causar daños por incrustaciones en las tuberías cuando hierve. Los sistemas solares térmicos son maravillosamente eficientes y algunos sistemas funcionan bien durante décadas, pero incluso estos necesitan una inspección regular. Cuando un sistema solar térmico falla, sin embargo, comienza a destruirse a sí mismo, y ha quedado claro durante algún tiempo que el calentamiento solar térmico de agua no es el camino del futuro, excepto para el uso de calor de muy bajo nivel, como las piscinas.
Desde hace mucho tiempo, se ha sabido que la ventaja de eficiencia relativa de la tecnología solar térmica para calentar agua supera con creces la conveniencia del calentamiento eléctrico de agua. La capacidad de la energía solar térmica para recolectar más energía por pie cuadrado significa que un sistema eléctrico solar que alimenta solo un calentador de agua eléctrico convencional nunca competirá con un sistema térmico solar.
Sin embargo, recientemente, las reducciones en los costos de energía solar eléctrica (PV) y la maduración de la tecnología de bombas de calor aire-agua han proporcionado un nuevo modelo: calentamiento de agua con bomba de calor asistida por energía solar (HPWH). HPWH tiene menos inconvenientes que la energía solar térmica, con un precio más bajo para aplicaciones residenciales.
La siguiente información asume el uso de un calentador de agua con bomba de calor con un factor de eficiencia (EF de 2.5) y una clasificación de 1.800 kWh por año, con 1 a 1.3 kW de energía fotovoltaica conectada a la red agregada a la instalación o sistema existente en una región donde el La energía fotovoltaica produce al menos 1.400 kWh / kW / año.
Ventajas fotovoltaicas
Menor costo inicial: dado que los sistemas abiertos de menor costo han demostrado ser inadecuados para el calentamiento de agua doméstica, el costo de instalación de la energía solar térmica debe basarse en un sistema de circuito cerrado (glicol o drenaje), de dos tanques (o de almacenamiento más sin tanque), completamente instalado. El precio promedio de un sistema de este tipo, diseñado para una familia de cuatro, está entre $ 7,000 y $ 10,000 antes de los incentivos. El calentador de agua con bomba de calor con energía fotovoltaica costará entre $ 1,000 y $ 2,000 por la bomba de calor más mano de obra y entre $ 3,500 y $ 6,000 por la energía fotovoltaica adicional (a un sistema conectado a la red existente), por lo tanto, un costo total instalado de entre $ 5,000 y $ 8,500 antes de los incentivos. .
Más fácil de instalar: reemplazar un calentador de agua con otro tanque y agregar de tres a cinco módulos adicionales a un sistema fotovoltaico es mucho más fácil que reemplazar un solo tanque con dos tanques y conectar el fluido de transferencia de calor a los pesados paneles del techo que deben probarse y cargarse a presión. Después de la instalación. Esto da como resultado menos oportunidades de error del instalador.
Utiliza menos espacio: para evitar que el sistema solar térmico compita con la fuente de respaldo (que limita la fracción solar a aproximadamente el 60%), se requieren dos tanques: uno para el respaldo y otro para el solar. Es posible ahorrar espacio, a un gran costo, con el uso de un calentador sin tanque siempre que el calentador sin tanque pueda modular el flujo de calor hasta un punto muy bajo y al mismo tiempo pueda satisfacer la demanda máxima.
No necesita mantenimiento: el talón de Aquiles de la energía solar térmica es que si el sistema deja de funcionar, no solo deja de producir energía: comienza su propia autodestrucción. Sin flujo, los paneles pueden congelarse o estancarse y sobrecalentarse (ver más abajo). El controlador diferencial electrónico y la (s) bomba (s) circuladora (s) deben inspeccionarse anualmente para asegurarse de que estén funcionando correctamente y que no haya incrustaciones o corrosión que provoquen fallas en el sistema. También se debe revisar la tubería, especialmente para detectar sistemas de drenaje en edificios antiguos que puedan asentarse con el tiempo y atrapar líquido en las líneas. Estas inspecciones anuales deben ser realizadas por un profesional y costarán la mitad del ahorro anual de gas.
No se puede congelar: Dado que un panel solar térmico puede congelarse a temperaturas de hasta 42ºF, se requiere protección contra el congelamiento en todo el territorio continental de los EE. UU. Para los sistemas solares térmicos. Con la excepción de los sistemas de drenaje, los sistemas de protección contra congelamiento están "activos". Esto significa que requieren un dispositivo para funcionar en respuesta a bajas temperaturas. Como consecuencia, y dado que rara vez se requiere que funcionen, las fallas de protección contra congelamiento son comunes y catastróficas, lo que resulta en miles de dólares en daños a la matriz del colector.
No se puede sobrecalentar: el sobrecalentamiento es un problema que con frecuencia se pasa por alto en los sistemas solares térmicos. Aproximadamente el doble de energía solar entregada en julio que en enero. Por lo tanto, cualquier sistema que marque una diferencia significativa en el costo del agua caliente en enero tendrá un rendimiento superior en julio. Esto da como resultado períodos de estancamiento en los que no hay uso para el calor solar y no hay flujo a través de los paneles. Bajo esta condición, los paneles se calentarán a alrededor de 400ºF en el interior. Esto puede provocar daños y acelerar el deterioro de las piezas del colector. Hay sistemas de radiadores que se han agregado a los paneles para mitigar este efecto, pero no hay datos sólidos sobre cuánto radiador se requiere para enfriar un colector estancado en un día caluroso.
Sin acumulación de escala: la escala es el enemigo número uno de los calentadores de agua de cualquier tipo. El calor hace que los sólidos disueltos se precipiten del agua donde se acumulan en la superficie caliente. Incluso con el uso de un fluido de transferencia en el lado del colector, las incrustaciones pueden ser un problema con el intercambiador de calor al obstruir los tubos por los que fluye el agua para ganar calor. Las temperaturas más bajas que se utilizan para calentar el agua con una bomba de calor reducen la tendencia a la acumulación de sarro en el tanque.
100% de fracción solar alcanzable: debido a los caprichos del clima y la impracticabilidad de almacenar grandes volúmenes de agua caliente, ningún sistema solar térmico que ofrezca un 100% de confiabilidad puede tener una fracción solar del 100%. Los sistemas mejor calificados según el protocolo SRCC OG300 tienen una fracción solar del 90 por ciento. El uso de energía fotovoltaica conectada a la red como fuente solar para el calentador de agua de la bomba de calor permite que el sistema "almacene" energía en la red para su uso hasta un año después. La comparación de precios anterior se basa en un sistema térmico con una fracción solar del 80 por ciento versus una compensación del 100 por ciento de PV para el calentamiento de agua.
Gestión de la demanda de la red: aunque el calentamiento de agua con bomba de calor agrega una carga a la red cuando se usa para reemplazar una unidad de gas o propano, la energía fotovoltaica agrega energía a la red durante las horas pico de luz, donde es más probable que la comunidad la necesite. La mayor parte del agua caliente doméstica se usa temprano en la mañana y en la noche cuando hay menos demanda de electricidad en toda la comunidad. Si la empresa de servicios públicos elige usar esta ventaja, también podría agregar la capacidad de sobrecalentar el calentador de agua a través del medidor inteligente cuando haya un exceso de electricidad disponible en la red. Usado en conducción con una válvula mezcladora para proteger la casa del agua hirviendo, efectivamente “acumula” agua caliente y puede retrasar la necesidad de que la bomba de calor se encienda.
Sin emisiones de CO2: cualquier uso de gas natural o propano, sin importar cuán eficiente o barato sea, da como resultado la adición de CO2 a la atmósfera, que es el factor de riesgo número uno que enfrenta la civilización en la actualidad. Un calentador de agua con bomba de calor que es 100 por ciento alimentado (o compensado) por PV no contribuye a ese problema.
Desventajas
Eficiencia neta de la red versus uso directo de gas: La presunción estándar cuando se compara el uso de gas con el uso eléctrico es que, después de considerar las pérdidas de conversión y transmisión, se necesitan tres unidades de energía de combustibles fósiles (gas, petróleo, carbón) para producir una unidad de Por lo tanto, el razonamiento de que si el gas se puede entregar al punto de uso, es más eficiente usar el gas que usar la electricidad. Dado que la mayoría de los calentadores de agua de combustibles fósiles tienen solo un 60 por ciento de eficiencia, este efecto es solo la mitad de significativo como parece. Además, los calentadores de agua de combustibles fósiles no aprovechan los estándares de la cartera de renovables que reducen aún más la proporción de gas utilizado y electricidad suministrada.
Se requiere aire caliente: la eficiencia del calentador de agua con bomba de calor depende de la fuente de calor disponible, que generalmente es el aire en el espacio en el que se coloca el calentador. Instalado en espacios sin calefacción en climas templados, esto no presenta ningún problema. Sin embargo, si el espacio del calentador de agua se calienta o cae por debajo de 55º-60ºF la mayor parte del año, se necesitará el elemento de respaldo y la eficiencia se verá afectada. Por el contrario, el calentador de agua con bomba de calor enfriará y deshumidificará el espacio en el que se encuentra. Esta puede ser una característica deseable.
Más nuevo en el mercado: aunque el calentamiento de agua con bomba de calor aire-agua utiliza solo conceptos probados y verdaderos, la HPWH doméstica solo ha tenido unos veinte años de desarrollo en el mercado de consumo: el tiempo suficiente para confiar en su eficiencia y facilidad, pero no lo suficiente para que se generalice. Si bien hay alrededor de quinientos modelos térmicos solares y seiscientos calentadores de agua sin tanque (“instantáneos”) reconocidos por el sistema Energy Star del DOE, actualmente solo hay 23 modelos HPWH reconocidos.
Por lo que fue, la tecnología solar térmica representó una mejora. Incluso tiene algunas aplicaciones legítimas. Sin embargo, el calentamiento solar de agua a nivel doméstico tiene tantos inconvenientes innecesarios que está claro que el futuro está en otra dirección. La energía solar fotovoltaica es una fuente muy eficaz para un sistema de calentamiento de agua con bomba de calor. Pronto, las bombas de calor de agua a agua pueden estar disponibles en el mercado, pero los sistemas de aire a agua de hoy son la selección óptima para muchos hogares, según el clima y la configuración.
