A partir de los requerimientos anteriores se establece un sistema de envolvente cerámica formado por dos elementos principales: un panel captador cerámico con cubierta de vidrio y un panel no captador cerámico sin vidrio (Figura 1). De esta manera se obtiene una adecuada combinación de superficies brillantes (paneles captadores) con superficies no brillantes (paneles no captadores) que ayuda, además, a concertar compositivamente con las superficies brillantes o reflectantes dadas en un edificio como las ventanas, vidrieras, lucernarios, etc.

Para estos paneles se proponen dos tipos de formatos distintos para aumentar la versatilidad del sistema: uno de dimensión menor de 1.000 × 1.000 mm y otro mayor de 1.000 × 3.000 mm. El panel de mayor formato consigue una gran velocidad de montaje del sistema y una ejecución con menores conexiones y juntas en la envolvente. Sin embargo, sus recambios serán más caros y se requerirá de medios auxiliares para su correcto manejo y colocación. Mientras que el formato pequeño muestra una más fácil manipulación en obra y permite adaptarse con mayor facilidad a los huecos de ventana, pero presenta mayores conexiones por superficie de envolvente.

Una vez establecida la configuración general del nuevo CST, se realiza un primer bloque de ensayos basados principalmente en la elección material y sus espesores correspondientes. Se pretende, entonces, definir los espesores de las cámaras interiores (la trampa de infrarrojos y el circuito interno para el paso del líquido caloportador) y de los propios materiales que conforman el panel colector (placa absorbente cerámica, aislante térmico y vidrio). Además, al mismo tiempo, se analiza mediante la construcción de pequeños prototipos el rendimiento energético del captador y el sistema de fijación e instalación de los paneles en fachada.

Una vez ya escogidos y analizados los distintos materiales que componen el nuevo colector, se ha procedido a la realización de una campaña de ensayos que han permitido conocer, entre otros aspectos, la distancia óptima entre la lamina de vidrio y el absorbedor cerámico (espesor de la trampa de infrarrojos), la resistencia a la presión, dilatación y estanqueidad del captador, la compatibilidad entre materiales, la caracterización del circuito interior (serie/paralelo), la definición del espesor, anchura y separación de los tabiques cerámicos interiores que definen el circuito interior, el tipo de conducto y el sistema de conexionado. De cada uno de estos ensayos, presentados en la tesis doctoral de Roviras (4), pero que por su extensión no han podido ser publicados en este artículo, se han determinado los siguientes parámetros:

Para validar la configuración del panel colector cerámico propuesto se ha comprobado la viabilidad energética del mismo según la normativa aplicable a captadores de energía solar térmica (5). En este ensayo ha sido necesario construir un prototipo de 1.000 × 1.000 mm utilizando los materiales y resultados obtenidos en los ensayos anteriores, orientado a Sur e instalado con una inclinación de 40º sobre la horizontal. Para la obtención de datos energéticos se ha utilizado un dispositivo experimental monitorizado y específico basado principalmente en un baño termostatado, una bomba de membrana, un caudalímetro, tres termorresistencias, un piranómetro y un anemómetro (Figura 3).

Es importante destacar que la curva característica de un CST (Tabla 4) se extrae de tres parámetros que proporcionan información sobre el comportamiento térmico del mismo. En primer lugar se encuentra la eficiencia óptica (µ|_{T* = 0}): que es el valor de la ordenada en el origen de la recta y corresponde al valor del rendimiento del captador cuando el parámetro T* es igual a cero6, es decir la temperatura de entrada del agua (T_e) es igual a la temperatura ambiente (T_a). Éste es el máximo rendimiento que se puede obtener con un captador. Cuanto más alto sea, mejor será el comportamiento térmico del mismo. Por otro lado tenemos el Coeficiente gobal de pérdidas: siendo éste el valor de la pendiente de la curva característica y hace referencia a las pérdidas de calor del captador, cuanto mejor aislado y diseñado está un captador menor será el valor de este parámetro. Y, por último, la temperatura de estancamiento (T*|_{µ = 0}): es el valor del parámetro T* para el que el rendimiento del captador es nulo, es decir, el captador no puede elevar la temperatura del agua que está entrando para unas condiciones ambientales dadas. Cuanto mayor sea la eficiencia óptica y/o menor sea el coeficiente global de pérdidas, mayor será el valor de este parámetro. Por tanto, la eficiencia energética de un colector será mayor cuanto mayor sea su eficiencia óptica y menor sea su coeficiente global de pérdidas.

Los parámetros medidos durante el ensayo han presentado respuestas positivas. En las gráficas de los resultados obtenidos se observa una adecuada relación entre la radiación solar incidente y la temperatura de salida del agua del colector (Tabla 3), que llega a una punta máxima de 32 ºC, suficiente para el rendimiento buscado7. Con estos datos recogidos durante el ensayo (Tabla 2), se ha definido la curva característica del colector cerámico ensayado y se ha comparado junto con las curvas de otros dos captadores comerciales, uno de óptimas prestaciones y otro de características mínimas: la curva del colector propuesto se encuentra dentro del rango de rendimiento habitual para captadores comerciales (Tabla 4). En cualquier caso hay que tener en cuenta que el colector óptimo considerado (CST convencional) emplea materiales metálicos en su construcción (mejor conductor térmico que la cerámica), recubrimientos especiales y selectivos que poseen una alta absortividad de la radiación solar y que reducen las pérdidas del captador. Los datos obtenidos con el captador cerámico son razonablemente buenos teniendo en cuenta los materiales utilizados y la gran superficie de la que puede disponer (toda la fachada) al tratarse de un sistema integrado que forma parte del sistema de cerramiento exterior de un edificio (6).

Paralelamente a los ensayos anteriores, se ha trabajado en el diseño del sistema constructivo para la instalación de la envolvente cerámica captadora que, para conseguir una plena integración arquitectónica, debe formar parte de la propia envolvente del edificio y responder a las mejoras propuestas en la introducción de este escrito, tal como se muestra también en los trabajos de Luis Juanicó (7): facilidad de replanteo, rapidez de ejecución, seguridad en el montaje para el operario, facilidad de desmontaje de los paneles de forma individual y prioridad del montaje desde el interior.

Además de los aspectos anteriores, cabe añadir que el sistema constructivo debe ser capaz de absorber posibles movimientos estructurales, actuar independientemente de la hoja interior para evitar la existencia de puentes acústicos y ofrecer un espesor final del cerramiento (envolvente captadora + soporte + acabado interior) no superior a los 30 cm para poder ser competitivo en el mercado actual. Bajo estas premisas se desarrolla un sistema constructivo con un total de cinco perfiles metálicos distintos, tres de ellos en formatos existentes en el mercado actual (encontrados en los prontuarios básicos de perfiles metálicos). Este último aspecto repercute muy favorablemente en el coste final del sistema.

Se describen a continuación los 8 pasos a realizar para la ejecución del cerramiento (Figura 4):

Paso 1: Aplomado de un perfil angular perimetral

Este primer paso parte de la estructura de pilares y forjados ya construidos, colocando un angular perimetral de forjado (perfil en «L») alineado con la plomada definida en obra. Dicho perfil se ancla al forjado mediante tornillería a través de unos agujeros colisos provistos ya en el propio perfil para adaptar su alineación a la plomada. Todo ello realizado desde el interior del edificio. Seguidamente, se coloca una lámina desolidarizadora pasándola por encima del angular perimetral y preparada para recibir la base regularizadora de mortero autonivelante para el pavimento de acabado. El pliegue vertical del angular perimetral actúa también en este caso como elemento de contención de esta capa regularizadora.

Paso 2: Fijación de montantes verticales

El siguiente paso fija los montantes verticales de chapa de acero galvanizado de perfil Ω100 al angular perimetral en L. La sujeción de los montantes se realiza a través de las alas del perfil omega mediante tornillería específica. La altura total de este perfil es variable, en función de la altura existente entre forjados del edificio. La parte superior de los montantes verticales queda alineada a una altura específica y controlada mediante láser para garantizar el posicionamiento homogéneo de todos los perfiles. Se define una altura de unos 70 cm por encima del nivel de forjado ya regularizado que asegura una posición cómoda y segura de trabajo del operario en la conexión entre perfiles. El resto de longitud del perfil, hasta llegar a los 3 m, o aproximado, quedará siempre por debajo esperando ser conectado al perfil inferior mediante pieza conectora. Esta operación también se realiza desde el interior del edificio.

Paso 3: Conexión entre montantes verticales

Posteriormente se procede al conectado de los perfiles verticales (Ω100) mediante un elemento conector de acero galvanizado también de sección omega. Dicho conector se coloca con seguridad y comodidad desde el interior del edificio y garantiza la unión entre montantes verticales, además de actuar como elemento regularizador de las alturas entre forjados. La unión se realiza mediante tornillería específica a través de agujeros colisos ya existentes en el perfil conector. De esta manera, mediante los colisos, se resuelve el problema generado por la dilatación térmica de los perfiles, obteniendo la holgura necesaria entre perfil y perfil que evita los esfuerzos que se podrían producir por la dilatación de los mismos.

Paso 4: Fijación de correas horizontales

Una vez anclados y conectados todos los montantes verticales se procede a la colocación de las correas horizontales como guías de soporte para los paneles colectores y no colectores. Su replanteo y situación sigue la modulación establecida según el formato de los paneles.

Paso 5: Fijación de las guías deslizaderas8

Las guías deslizaderas, encargadas de sujetar los paneles en todo el largo de sus dos lados verticales, se fijan directamente a la parte más exterior del montante vertical mediante tornillería. Dichas guías irán colocadas siempre entre correas horizontales.

Pasos 6 y 7: Fijación y conexionado de los paneles

La colocación de los paneles sigue la siguiente secuencia (Figura 5): primero se encaja el panel en la correa horizontal superior y oscila hacia el interior hasta encontrar la guía inferior. Seguidamente se desliza sobre esta correa horizontal inferior hasta unirlo con su vecino, de manera que el panel se sostenga por sí solo entre las correas horizontales. Posteriormente se fijan a los anclajes preparados en los montantes verticales. Por último, se instalan y conectan las tuberías de los paneles colectores, todo desde el interior.

Esta secuencia de montaje ofrece la posibilidad de un fácil y rápido desmontaje de los paneles en caso de avería, reparación o rotura de alguno de ellos, sin la necesidad de intervenir o manejar en los paneles vecinos. En este sentido ha sido necesario estudiar la sección del panel y prever un espesor mínimo de las juntas horizontales que permitan el juego de movimientos necesarios del panel como para que éste pueda ser descolgado con facilidad.

Paso 8: Cerramiento de tabiquería interior

Una vez realizado todo el conexionado de los paneles colectores, se procede a la ejecución del trasdosado interior con cualquiera de los sistemas existentes en el mercado de tabiquería industrializada de placas de yeso laminado y perfiles de chapa de acero.

Con este diseño se consigue que el sistema ofrezca una doble funcionalidad tanto energética como constructiva, garantizando los mismos requerimientos y espesores (no mayores de 26 cm) que un cerramiento convencional pero con un captador solar integrado dentro de este espesor.

Una vez demostrada la viabilidad técnico-arquitectónica y energética del nuevo CST cerámico, se define una herramienta que permite evaluar desde un punto de vista multicriterio (coste, impacto social e impacto ambiental) el nuevo colector, en comparación con los colectores comerciales existentes en la actualidad.

La herramienta definida se basa en la teoría de utilidad multiatributo (9) considerada como la técnica de ayuda a la decisión multicriterio más adecuada entre las cinco principales teorías analizadas (métodos multicriterio ordinales, programación matemática multiobjetivo, teoría de utilidad multiatributo, teoría de las relaciones de sobreclasificación o superación y análisis de disgregación de preferencias). Se utiliza la suma ponderada como método de agregación de preferencias, por considerarse el más adecuado entre los cinco métodos analizados dentro de la teoría de utilidad multiatributo (suma ponderada, producto ponderado, proceso analítico jerárquico, proceso analítico en red y métodos PRES).

El método de asignación de pesos utilizado es la asignación directa, por considerarse el más adecuado en este caso, entre los veinte métodos de asignación de pesos analizados (método de los pesos iguales, método de asignación directa, métodos de ordenación, métodos de comparación a partir de una sola referencia, método de comparaciones sucesivas, métodos de comparación de alternativas, métodos a partir de la diversidad en las valoraciones en cada criterio, matriz de dominación y métodos a partir de la matriz de comparación por pares). Para la selección de expertos cualificados y la realización de encuestas para la obtención de los pesos se ha seguido el método Delphi, adaptado a la ingeniería de la construcción y su gestión, tal como se muestra en Hallowell and Gambatese (10). Se ha entrevistado a un total de 13 expertos, cumpliendo todos ellos con los requisitos mínimos indicados en la anterior referencia.

Como punto de partida para la definición de los criterios, subcriterios y árbol de impacto para los sistemas de CST se ha utilizado el árbol definido en la tesis doctoral de Casanovas (11). El objetivo del árbol allí presentado es la evaluación y priorización de procedimientos constructivos desde el punto de vista de la sostenibilidad ambiental, económica y social. Partiendo de dicho árbol se han eliminado los criterios irrelevantes para la evaluación de los sistemas de CST, se han añadido dos subcriterios que se consideran relevantes: impacto visual y ocupación de espacio y se han reordenado los criterios y subcriterios en el árbol. El árbol resultante se presenta en el siguiente apartado.

El árbol de impacto para la evaluación y priorización de sistemas de CST resultante del proceso anterior se muestra a continuación (Figura 9). El árbol consta de tres criterios y seis subcriterios.

Para cada uno de los criterios o subcriterios se ha definido un indicador, que es la forma de medir el comportamiento de un sistema de CST y su sistema de soporte respecto al criterio o subcriterio. En la Tabla 5 se definen los indicadores de la metodología.

El cálculo del Índice de Impacto Global (IIG) se realiza mediante la ecuación [a]. El IIG es la suma ponderada de los distintos impactos considerados en la Figura 8. El impacto se define como el indicador normalizado o bien por el valor máximo entre todas las alternativas comparadas (ecuación [b]), o bien por una alternativa tomada como referencia (ecuación [c]). Una alternativa es una combinación de sistema de CST y de soporte que se tiene en cuenta en la comparación.

Se ha desarrollado una herramienta para evaluar desde una perspectiva multicriterio el nuevo colector cerámico en comparación a los colectores comerciales existentes. Como futura investigación habría que realizar simulaciones para unas necesidades de suministro de ACS en clima mediterráneo con el nuevo sistema y los sistemas comerciales existentes. A partir de la simulación se obtendrían los datos necesarios para poder aplicar la herramienta y calcular el IIG. Si el IIG que se obtiene del nuevo sistema cerámico se encuentra entre los IIG de los sistemas comerciales, se puede decir que el sistema cerámico, además de ser técnica, arquitectónica y energéticamente viable, bajo las condiciones de simulación para el caso estudiado, lo es desde un punto de vista multicriterio: económica, social y ambientalmente. La metodología también permite, para cualquier climatología y demanda de ACS, evaluar, comparar y priorizar entre distintos sistemas de captación solar y sistemas de soporte y elegir el que resulte más ventajoso en cada caso.