CALEFACCIÓN DE AGUA por ENERGÍA FOTOVOLTAICA vs SOLAR TÉRMICA vs GAS vs BOMBA DE CALOR

El costo de la electricidad, la estabilidad de la red nacional y la conciencia de una vida sostenible han obligado a muchos consumidores a recurrir a la tecnología de energía renovable para calentar agua. Los reglamentos nacionales de construcción también exigen que al menos el 50% del calentamiento de agua se haga con algo que no sea un elemento eléctrico. Pero, al igual que con muchos productos en el mercado, uno puede encontrar afirmaciones considerablemente contradictorias con respecto a las diferentes tecnologías. Muchas de estas afirmaciones no son más que «bla» de marketing y no tienen hechos detrás de ellas.Por lo tanto, en ITS hemos decidido tratar de arrojar algo de luz sobre las principales tecnologías de calentamiento de agua y el ahorro que se puede lograr.

Un TRASFONDO DE LAS TECNOLOGÍAS

Los calentadores instantáneos de agua a gas utilizan GLP para calentar el agua de forma instantánea y, por lo tanto, no se necesita géiser (tanque de almacenamiento de agua caliente). 1 kg de GLP «contiene» 13,6 kWh de energía y, por lo tanto, puede producir 11,5 kWh de energía térmica si el calentador de gas tiene una eficiencia media del 85%.El elemento de calentamiento de agua solar fotovoltaico utiliza paneles eléctricos solares (paneles fotovoltaicos) para alimentar una calefacción eléctrica element.An el elemento eléctrico es cerca del 100% eficiente. En otras palabras, si es un elemento de 1kW, consumirá 1kW de electricidad para producir 1kW de salida térmica. Esta energía ahora proviene de un panel fotovoltaico. Los paneles fotovoltaicos deben instalarse orientados al Norte y en un ángulo horizontal igual a la latitud de la ubicación y es fundamental que no haya sombreado en el panel. El sombreado de tan solo el 2% de la superficie del panel puede resultar en una reducción de la salida del panel de más del 50%.La eficiencia de los paneles fotovoltaicos es de alrededor del 17% (en condiciones de laboratorio con la celda a 25°C). En la vida real, con el sol brillando en la celda, se calentará y causará una disminución en la potencia de salida de aproximadamente el 8% (0,4%/°C con 20°CNOCT). El envejecimiento de los paneles normalmente dará lugar a una degradación máxima del 2,5% en el primer año y hasta del 10% en 10 años. A continuación, necesita un MPPT para garantizar una transferencia de potencia óptima de los paneles al elemento. Un muy buen PPT suele ser de alrededor del 95% de eficiencia y, por lo tanto, pierde otro 5% de la potencia disponible.Los calentadores de agua térmicos solares utilizan la radiación del sol para generar calor. El tamaño del panel solar determinará cuánta energía se puede recoger del sol. Así que si, por ejemplo, tenemos un panel solar de 2, 4m2 conectado a un géiser, esto podría darnos agua a 60°C al final de un día cálido y soleado, pero, durante los días más fríos con menos sol, solo podría calentar el agua a 35°C. El controlador solar usará Eskom para calentar el agua a 60°C. Si tenemos un panel solar que es solo la mitad del tamaño (1.2m2) solo sacaríamos la mitad de la energía y un elemento eléctrico necesitará hacer el resto.Un colector solar térmico de placa plana de buena calidad tiene una eficiencia de alrededor del 73%. La salida de un colector térmico solar se basa en la diferencia de temperatura entre el agua del colector y la temperatura del ambiente. Trabajar en un delta de temperatura promedio de 17,5°C (agua hea2ng de 15°C a 60°C @20°Cambient) dará una reducción de aproximadamente el 10% en la producción. Las pérdidas térmicas de las tuberías aisladas que conectan el panel solar con el géiser son de aproximadamente 10 W / m.Las bombas de calor de agua caliente sanitaria utilizan una pequeña cantidad de electricidad para extraer mucha energía del aire circundante. Por lo tanto, una bomba de calor también utiliza la energía del sol, pero solo indirectamente, y puede funcionar de día y de noche, invierno y verano. La eficiencia de una bomba de calor se llama POLICÍA. Un valor COP de 4 significa que la bomba de calor produce cuatro veces más energía térmica que la que utiliza eléctricamente , en otras palabras, un ahorro del 75% en la factura de agua.Desafortunadamente, el COP de una bomba de calor depende de la temperatura ambiente y de la temperatura del agua, por lo que, en un sistema práctico de agua caliente sanitaria que utiliza una bomba de calor bien diseñada, un valor de COP anual realista es de 3, en otras palabras, un ahorro del 66% en la factura de calentamiento de agua.

Un EJEMPLO PRÁCTICO

Una familia de 4 personas que usan agua de forma moderada usa aproximadamente 200 litros de agua caliente por día. Para calentar 200 litros de agua de 15°C a 60°C se requieren 10,4 kWh. La pérdida permanente de un tanque de 200 litros con clasificación B es 1.6 kWh / día en el laboratorio, pero con la tubería de instalación incluida, suele ser de alrededor de 3,6 kWh/día. Por lo tanto, el requerimiento energético total para el agua caliente de esta familia es de 14 kWh/día. Si pagan R2 / kWh por electricidad, el calentamiento de agua les cuesta 840 R/mes. Suponiendo que el consumo de agua por lo general representa el 50% de la factura eléctrica total, estamos buscando una familia que gasta alrededor de R1680 al mes en electricidad. Veamos ahora lo que las diferentes tecnologías de calentamiento de agua pueden hacer por ellos.Un calentador de agua instantáneo a gas les ahorraría las pérdidas permanentes en el géiser. Por lo tanto, solo necesitarán 10,4 kWh de energía térmica por día. Con una unidad de eficiencia media del 85%, quemarán 0,9 kg de gas por unidad day.At R23 / kg el costo mensual será de R624. Suponiendo un aumento anual de la tarifa eléctrica del 10%, así como un aumento anual del precio del GLP del 10%, ahorrarán R16278 en los próximos 5 años en su factura de calentamiento de agua.Un sistema de elemento de calentamiento de agua fotovoltaico solar instalado normalmente en un géiser de 200 LITROS consta de 3 paneles de 330 W o 4 de 330 WPV. Si están perfectamente orientados, en teoría deberíamos poder obtener un máximo de aproximadamente 5 horas de 990W de los paneles de 3 x 330W (promedio anual: en invierno tendrá menos porque las horas de luz solar son menos y en verano tendrá más, lo que desafortunadamente no coincide para cuando la gente usa más agua caliente).Por lo tanto, tenemos un máximo teórico de 2 calorías de 4,95 kWh, pero con la reducción de temperatura del panel, la edad de 1er año y las pérdidas de MPPT, la potencia disponible para el elemento será de alrededor de 4,2 kWh/día. El controlador de elementos utilizará Eskom para hacer el resto del trabajo y llevar el tanque a 60°C (SANS 151 requiere que el agua se almacene a 60°C para la prevención de enfermedades de la legislación). La factura mensual de Eskom para obtener este sistema a 60°C será de R588. Suponiendo un aumento anual de la tarifa eléctrica del 10%, ahorrarán R18731 en los próximos 5 años en su factura de calentamiento de agua.Para el sistema de paneles de 4 x 330W, la potencia disponible para el elemento será de alrededor de 5,6 kWh/día. La factura mensual de calefacción de este sistema a 60 ° C será de R504. Suponiendo un aumento anual de la tarifa eléctrica del 10%, ahorrarán R24974 en los próximos 5 años en su factura de agua.El sistema de paneles de 3 x 330W requiere un espacio de techo sin sombra orientado al norte de 6 m2 y el sistema de paneles de 4 x 330W de 8 m2. Un sistema de calentador de agua solar térmico instalado típicamente en un géiser de 200 L consiste en un panel solar de 2, 4m2 (placa plana o tubo de vacío equivalente). A partir de los informes de prueba de TUV Rheinland del colector solarc de placa plana ITS de 2,4 m2, se puede ver que dará una potencia térmica de alrededor de 8.7 kWh para las mismas 5 horas de luz solar útil media anual por día que se usa con el ejemplo de PV anterior. Para pérdidas de temperatura diferencial y 10 m de tuberías de instalación, nos quedamos con 7,3 kWh / día. Por lo tanto, la factura mensual de Eskom para calentar este sistema a 60°C será de R402. Suponiendo un aumento anual de la tarifa eléctrica del 10%, ahorrarán R32556 durante los próximos 5 años en su factura de calentamiento de agua.Una bomba de calor de agua caliente sanitaria que funcione a temperaturas ambientales medias de Sudáfrica proporcionará de forma conservadora un ahorro medio anual del 66% en cualquier sistema al que esté conectada. Por lo tanto, la factura mensual de Eskom para mantener este sistema a 60°C será de R280. Suponiendo un aumento anual de la tarifa eléctrica del 10%, ahorrarán R41609 en los próximos 5 años en su factura de calefacción de agua.

CONCLUSIONES

Los gráficos a continuación muestran el ahorro que los diferentes sistemas pueden proporcionar para el día de consumo de agua caliente de 150L, 200L y 300L:

Una instantánea calentador de agua de gas en nuestro punto de vista tiene sentido en lugares donde no hay electricidad disponible.El costo de instalación completo de una unidad adecuada es solo unos pocos miles menos que una placa plana con géiser y el ahorro del sistema solar es casi el doble para el uso de agua caliente de 200 litros. Al calentamiento de agua a gas no le importa el desprendimiento de carga, pero tenga en cuenta que hemos tenido escasez de suministro de gas y que lo dejará con agua fría. Con los calentadores de agua de almacenamiento, el desprendimiento de carga normalmente no es un problema a menos que la interrupción dure más de un día, ya que el agua puede mantenerse caliente en el tanque durante mucho tiempo y el recalentamiento con un elemento eléctrico o una bomba de calor solo toma unas pocas horas. Si utiliza 200 litros de agua a 60 ° C por día, 9 kg de GLP le durarán solo 10 días, por lo que tendrá que pensar en el suministro de gas y la logística. Los calentadores de agua instantáneos de gas también son un excelente respaldo para calentadores de agua solares instalados en ubicaciones sin conexión a la red eléctrica. El calefactor de gas en una instalación de este tipo solo cubrirá el déficit del sistema solar de calentamiento de agua.

Un elemento de calentamiento de agua fotovoltaico solar en nuestra opinión solo tiene sentido cuando el géiser está situado lejos de los paneles solares, como en un edificio de varios pisos. Las pérdidas térmicas en la tubería del sistema solar térmico normal en su instalación reducirán la salida a un nivel tal que el calentamiento fotovoltaico podría ser más rentable. Para instalaciones estándar donde el géiser está a menos de 10 m del panel solar, el sistema de placa plana proporcionará un retorno de la inversión mucho mejor. Una instalación de 3 x 330W es un poco más cara que una instalación de placa plana de 2, 4m2, pero la placa plana ahorrará R14k más en 5 años en nuestro ejemplo. La mayoría de los sistemas de elementos fotovoltaicos solares que vemos instalados son completamente de tamaño insuficiente y son realizados por personas que simplemente están tratando de salirse con la suya con la opción más rápida posible. Un sistema térmico fotovoltaico que le dará casi la misma potencia de salida que un 2.4m2 flatplate tendrá 5 x 330W paneles FOTOVOLTAICOS que resulta en un sistema costoso que requiere 10m2 de orientación norte nonshaded el espacio del techo. Si el cliente en algún momento desea instalar un sistema eléctrico fotovoltaico para ser más independiente de Eskom, lo más probable es que no tenga suficiente espacio en el techo.

Otra gran preocupación con los sistemas de elementos fotovoltaicos es la actual falta de regulación de las instalaciones y el equipo. Los sistemas de elementos fotovoltaicos funcionan a voltajes de CC letales e instalarlos de forma barata y desagradable podría ser potencialmente mortal.

Un sistema de calentador de agua solar térmico proporcionará un gran retorno de la inversión, pero es importante que se instale correctamente. Desafortunadamente, también estamos viendo instaladores que se ven presionados por el precio de los sistemas de tamaño reducido. Si, por ejemplo, miramos el ejemplo del sistema de 200 litros utilizando un colector de placa plana ITS de 2 m2, su ahorro será R26758 durante 5 años. Al optar por la placa plana de 2, 4m2 ligeramente más grande, su costo de instalación aumentará en aproximadamente R400, pero su ahorro en 5 años aumentará en R5797 a R32556. A 2.4m2 de placa plana es también por nomeans demasiado grande para un 150L sistema y así un 2m2 de placa plana es realmente sólo sentido para los grandes sistemas de whereyou requieren múltiples paneles.

Una bomba de calor de agua caliente sanitaria proporcionará el mejor ahorro en este ejemplo. Una instalación de bomba de calor ITS de 4,7 kW le costará aproximadamente R5k más que una instalación de placa plana de 2,4 m2, pero resultará en un mejor ahorro de R9k después de 5 años.

Un sistema solar puede proporcionar un ahorro mayor que una bomba de calor, pero para eso el sistema solar debe sobredimensionarse y los patrones de uso de agua deben ajustarse. Por lo general, necesita el doble de volumen de agua caliente que el que necesitaría para un géiser eléctrico normal o un sistema de bomba de calor. En zonas costeras como Ciudad del Cabo, sin embargo, la irradiación invernal es mucho menor que la irradiación estival. Esto significa que incluso si su sistema solar se ajustara al 100% de su uso solar en verano, tendrá solo la mitad de la potencia térmica que necesita en invierno y el elemento eléctrico necesitaría hacer el resto. El invierno también es cuando la gente usa más agua caliente, por lo que una bomba de calor casi siempre sería una mejor solución en áreas como Ciudad del Cabo.

Los sistemas solares fotovoltaicos y térmicos solo pueden «cosechar» energía mientras el sol brilla. El dimensionamiento del sistema se realiza para proporcionarle un cierto porcentaje de su requerimiento de energía por día, que se basa en la cantidad de litros de agua caliente que usa por día. Si algunos amigos visitan y se quedan con el agua caliente extra que se requiere, deberá calentarse con Eskom. Con un sistema de bomba de calor, la bomba de calor simplemente continuará calentando más agua a medida que use más, al tiempo que proporciona un ahorro de alrededor del 66% en lo que use.

Para aprovechar al máximo los sistemas de calefacción solar fotovoltaica y térmica también es necesario que los utilice correctamente. Si utiliza la mayor parte del agua caliente por la noche, necesitará que Eskom tenga agua caliente por la mañana. Si no está usando mucha agua por la mañana, el sistema solar está calentando un tanque que ya está casi a temperatura y, por lo tanto, no usará toda la energía disponible de su sistema solar durante el día. Con una bomba de calor, no hay diferencia real en cuándo y cómo usa el agua.