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P L A T A F O R M A T E C N O L Ó G I C A E S P A Ñ O L A D E L A C A R R E T E R A ( P T C )

Captación de energía en carretera: colectores solares asfál cos

Autores: P. Pascual Muñoz, D. Castro Fresno, C. Cortes de la Fuente,

C. Garcia Serrada, J. J. Po CuervoGITECO - Universidad de Cantabria

Nº 05 / 2013Cuadernos Tecnológicos de la PTC

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La Plataforma Tecnológica Española de la Carretera (PTC) es el foro de encuentro apoyado por el Ministerio de Economía y Competitividad para todos los agentes del sistema ciencia-tecnología-empresa con un papel relevante en el fomento del empleo, la competitividad y el crecimiento en el sector de las infraestructuras viarias en España.

Desde su presentación en sociedad en febrero de 2010, la PTC trabaja como una plataforma transversal que fomenta el intercambio fl uido de información y las discusiones a nivel tecnológico entre los agentes privados y públicos del sector, con el objeto de contribuir a que España se convierta en el referente mundial en materia de tecnologías asociadas a la carretera.

La colección de publicaciones “Cuadernos Tecnológicos de la PTC” surge de los convenios de colaboración que la Plataforma mantiene con un importante número de instituciones académicas activas en la I+D+i en materia de infraestructuras viarias. Cada Cuaderno se incardina dentro de alguna o varias de las temáticas y sub-temáticas de la vigente Agenda Estratégica de Investigación de la Carretera en España (2011-2025).

LA COLECCIÓN “CUADERNOS TECNOLÓGICOS DE LA PTC”

Colección de Cuadernos Tecnológicos de la PTC

Año 2013

01/2013: Técnicas avanzadas de fusión de información de fuentes heterogéneas para la extracción de información de movilidad en carreteras

02/2013: Software para la explotación de datos LiDAR en carreteras

03/2013: Desarrollo de una metodología de análisis del coste de ciclo de vida

04/2013: Carga tarifaria y fi scal del transporte por carretera: un análisis comparado entre E.E.U.U. y Europa

05/2013: Captación de energía en carretera: colectores solares asfálticos

06/2013: Nuevo proceso de diseño geométrico para unas carreteras convencionales más seguras

07/2013: Informe del estado del arte sobre el factor humano en la conducción

08/2013: Optimización del uso de las carreteras existentes

09/2013: Diseño de estación de carga para vehículos eléctricos mediante energías renovables

Año 2012

01/2012: Análisis del Megatruck en España

02/2012: Conceptualización del transporte sostenible desde el comportamiento prosocial

03/2012: Consideraciones para la modifi cación de los límites de la velocidad en base a la accidentalidad

04/2012: Extrapolación de materiales viarios

05/2012: Gestión de la mejora de la movilidad

06/2012: Infl uencia de la meteorología adversa sobre las condiciones operacionales del tráfi co y recomendaciones para la localización de sensores de variables atmosféricas

07/2012: Membranas fl exibles ancladas al terreno para la estabilización de taludes en carreteras

08/2012: Priorización de actuaciones sobre accidentes de tráfi co mediante reglas de decisión

09/2012: Sistemas lidar móvil para el inventario geométrico de carreteras

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Año 2011

01/2011: Sistemas de adquisición de información de tráfi co: estado actual y futuro

02/2011: Firmes Permeables

03/2011: Sistema fotogramétrico para la medición remota de estructuras en programas de inspección de puentes

04/2011: Pago por uso de las infraestructuras viarias: Estudio de los accesos a Madrid

05/2011: Sistema eCall: Situación actual y estándares

06/2011: La velocidad de operación y su aplicación en el análisis de la consistencia de carreteras para la mejora de la seguridad vial

07/2011: Desarrollo de una metodología de análisis de ciclo de vida integral específi ca para carreteras

08/2011: Control pasivo de velocidad: intervención en tramos de acceso a entornos urbanos

Para cualquier información adicional, contacte con [email protected] o visite www.ptcarretera.es

Cuaderno Tecnológico de la PTC Nº 05/2013

Autores:P. Pascual Muñoz, D. Castro Fresno, C. Cortes de la Fuente,

C. Garcia Serrada, J. J. Po CuervoGITECO - Universidad de Cantabria

Captación de energía en carretera: colectores solares asfál cos

En colaboración con:

Agenda Estratégica de Inves gación de la Carretera en España

(2011-2025)

Temá cas: Sub-temá cas:

Energía y sostenibilidad Aprovechamiento de la carretera para la generación de energía

Índice

1. Introducción .................................................................................................... 13

1.1. Antecedentes ............................................................................................ 13

1.2. Contexto energético de las carreteras .................................................... 14

2. Balance de energía en pavimentos ............................................................... 19

3. Distribución de temperatura en pavimentos ................................................29

3.1. Revisión de modelos para estudios en campo .......................................29

3.2. Revisión de modelos para estudios en laboratorio ................................34

4. Colectores solares asfálticos: clasifi cación y desarrollo ...............................39

4.1. Generalidades y clasifi cación ...................................................................39

4.2. Desarrollo cronológico de los colectores solares asfálticos ................. 40

4.3. Los colectores solares asfálticos en España .......................................... 48

5. Conclusiones .................................................................................................. 51

6. Bibliografía .....................................................................................................55

7. Agradecimientos ............................................................................................ 61

8. Índice de fi guras y tablas ...............................................................................63

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1. Introducción

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1.1. Antecedentes

La reducción del consumo de combustibles fósiles y la emisión de gases a la atmósfera pasa por la investigación y el desarrollo de nuevas formas de generación de energía más limpia y respetuosa con el medio ambiente. La obtención de energía aprovechando el calentamiento de la superfi cie de los pavimentos sometidos a la radiación solar parece un medio más que estimable a tenor de las altas temperaturas que pueden llegar a alcanzar en su superfi cie.

Así, mientras la función de la mezcla bituminosa dispuesta en la capa de rodadura será la de recibir la energía solar térmica irradiada, la ubicación en esa misma capa o debajo de ella de un medio que permita la circulación de un fl uido capaz de retener y transportar parte de esa energía a un medio almacenador a modo de colector solar posibilitará su aprovechamiento posterior.

La construcción de estos colectores solares asfálticos proporcionará energía renovable y limpia a los edifi cios circundantes, abasteciéndoles de agua caliente sanitaria. Al mismo tiempo, la extracción de energía durante el verano y su posible reutilización durante el invierno haciendo pasar agua caliente a través del pavimento, permitirá proteger este de temperaturas extremas, evitando la aparición de hielo durante el invierno y reduciendo el riesgo de deformación plástica durante el verano. Finalmente, el uso generalizado de este tipo de pavimentos en las ciudades ayudaría a reducir el efecto de Isla de Calor Urbana.

La captación de energía solar en pavimentos o el uso en colectores no convencionales de los materiales más comúnmente empleados en la construcción de carreteras no son técnicas nuevas. Así, diversos sistemas de este tipo han sido desarrollados en los últimos años por investigadores de países como EE.UU., Holanda, Reino Unido o Japón.

En este contexto, en el año 2007 arranca el Proyecto Fénix “Investigación estratégica en carreteras más seguras y sostenibles”, con una duración de cuatro años, fi nanciado por el Centro para el Desarrollo Tecnológico Industrial (CDTI) y el Ministerio de Ciencia e Innovación y estructurado en torno a doce tareas o líneas de investigación. La Universidad de Cantabria, a través del Grupo de Investigación de Tecnología de la Construcción (GITECO), participó en cuatro de esas líneas. De entre ellas, la denominada Pavimentos Asfálticos Sostenibles tenía como objetivo el estudio y análisis de los colectores asfálticos. El trabajo llevado a cabo en esta tarea junto con las empresas Servià Cantó y Collosa es lo que hace posible la realización de este documento.

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Cuaderno Tecnológico de la PTC Nº 05/ 2013

Finalmente, conviene aclarar que, si bien en España la mayor parte de los fi rmes construidos son fl exibles y, por tanto, poseen una capa de rodadura de mezcla bituminosa, el hormigón es el material protagonista en los fi rmes rígidos que se construyen habitualmente en otros países. Así, a lo largo de este trabajo, y con el único objetivo de facilitar su compresión, el término colector solar asfáltico hará referencia a colectores no convencionales que formen parte de un pavimento de hormigón o de mezcla bituminosa indistintamente, o que estén construidos a partir de estos materiales.

1.2. Contexto energético de las carreteras

Cada día de verano las carreteras españolas reciben una media de algo más de 7400 GWh de energía procedente del sol (Pascual-Muñoz, 2012). A su vez, la cantidad de energía solar térmica generada en el mundo anualmente se estimó en el 2010 en unos 162.000 GWh (Weiss y Mauthner, 2011), lo que supone una generación diaria de unos 444 GWh. A modo de comparación y sin pretensión científi ca alguna, esto quiere decir que, asumiendo un 10% de efi ciencia, se podría obtener de las carreteras españolas un valor de casi el doble de la energía solar térmica generada en el mundo actualmente.

La Figura 1 refl eja de forma sencilla la comparativa entre los valores de irradiación media diaria (Wh/m2) y superfi cie total de carretera (Ha) en cada una de nuestras comunidades

autónomas (Pascual-Muñoz, 2012). Se observa claramente como algunas comunidades, aun con valores muy altos de irradiación, ven disminuido su

potencial de generación de energía debido a su reducida red de carreteras.

Figura 1. Gráfi ca de la irradiación media diaria y la longitud de carretera por CC.AA.Fuente: Elaboración propia a partir de datos del Photovoltaic Geographical Information System (Šúri

et al., 2007), del Anuario Estadístico del Ministerio de Fomento (2012) y de la Norma 3.1-IC de Trazado (2008).

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Captación de energía en carretera: colectores solares asfálticos

Generalemente, esto sucede en comunidades de pequeño o mediano tamaño como Murcia, La Rioja o Madrid, cuya superfi cie de carretera puede considerarse pequeña a pesar de su importancia geopolítica. Del mismo modo, el valor de la irradiación en Galicia, menor que en la mayor parte de las CC.AA., hace disminuir de forma sensible su potencial energético.

Las mismas conclusiones se ponen de manifi esto en la Figura 2, donde se muestran los valores medios diarios de energía (GWh) solar incidente en las carreteras de las distintas CC.AA. (Pascual-Muñoz, 2012). Junto con estos valores se representa también la estimación de la energía solar generada diariamente en el mundo durante el año 2010. Se advierte a simple vista como el potencial de generación de energía térmica en carretera en hasta siete de las comunidades es mayor que dicha estimación, lo que da una idea de las posibilidades que las carreteras ofrecen a la hora de ayudar a hacer frente al problema energético. Así, lugares con altos niveles de irradiación solar y grandes longitudes de carretera como Castilla y León, Andalucía y Castilla La Mancha, serían a priori los más adecuados a la hora de buscar emplazamientos para el aprovechamiento de la energía solar incidente.

Sin embargo, y a pesar de estas cifras tan halagüeñas, la realidad impone ciertos obstáculos que hacen muy difícil el aprovechamiento de toda esta energía. Así por ejemplo, en estos cálculos sólo se han tenido en cuenta las condiciones favorables que el verano ofrece en un país como España. Sin embargo, la demanda de energía térmica es mucho mayor durante los meses de otoño e invierno, lo que supone la necesidad de almacenar estacionalmente parte de la energía obtenida en los meses de

Figura 2. Gráfi ca de la energía (GWh) media diaria recibida en carreteras por CC.AA.Fuente: Elaboración propia a partir de datos del Photovoltaic Geographical Information System (Šúri

et al., 2007), del Anuario Estadístico del Ministerio de Fomento (2012) y de la Norma 3.1-IC de Trazado (2008).

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verano. Todo esto añade, lógicamente, una difi cultad y un coste extra.

En la misma línea, y aun asumiendo la suavidad del invierno en la mayoría del territorio, la infl uencia de factores ambientales tales como la baja temperatura ambiente, la acción del viento en el entorno de la carretera o la abundancia de las precipitaciones, hacen disminuir de forma muy considerable la capacidad de las carreteras para retener la menor cantidad de energía solar incidente durante esta época.

Desde el punto de vista estrictamente técnico, el uso actual de los pavimentos, centrado en la función de transporte de pasajeros y mercancías, y los factores estructurales y geográfi cos que este uso conlleva, aportan a las carreteras una rigidez funcional que no permite hacer frente adecuadamente a los problemas antes mencionados. Así, el uso de nuevos materiales o la aplicación de técnicas habituales en la construcción de paneles solares, está en muchos casos restringido en el caso de las carreteras.

Con todo, y a pesar de las no pocas difi cultades asociadas, el potencial aprovechamiento de la energía que llega a la superfi cie de las carreteras a través de la radiación solar ha llevado a investigadores de todo el mundo a estudiar el comportamiento térmico de los pavimentos sometidos a la radiación solar y, posteriormente, desarrollar nuevas formas de construcción de estos desde un punto de vista del aprovechamiento de la energía solar en aplicaciones básicas como la climatización o el abastecimiento de agua caliente sanitaria (ACS).

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2. Balance de energía en pavimentos

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A lo largo de este capítulo se describen los elementos principales del balance de energía entre la superfi cie del pavimento y la atmósfera. La existencia de este balance es lo que hace posible la ganancia de energía por el pavimento y la absorción posterior de una parte de esa energía por un fl uido caloportador. Este balance supone el principio de funcionamiento de los colectores solares asfálticos.

Los elementos que de forma invariable se encuentran en el balance de energía existente en la superfi cie de un pavimento están asociados a su vez a las tres formas de transmisión de calor: conducción, convección y radiación. Así, junto al intercambio de energía por radiación entre el pavimento y la atmósfera, se produce un intercambio de calor por convección entre la superfi cie del pavimento y el aire circundante. Este fl ujo de calor origina un gradiente de temperatura a lo largo del espesor del pavimento, provocando la transferencia de calor por conducción hacia su interior. La ubicación a una cierta profundidad de un medio a través del cual circule un fl uido permitirá el aprovechamiento de parte de esa energía.

Los componentes que forman parte del balance de energía en un pavimento cualquiera son los siguientes (Figura 3):

• Radiación solar incidente de onda corta sobre el pavimento.

• Radiación solar de onda corta refl ejada por el pavimento hacia la atmósfera.

• Radiación de onda larga emitida por el pavimento hacia la atmósfera.

• Contrarradiación de onda larga emitida por la atmósfera hacia el pavimento.

• Pérdida de energía por convección (natural o forzada) con el aire adyacente.

• Trasmisión de calor por conducción hacia el interior del pavimento.

Radiación solar Incidente

Debido a la altísima temperatura de su superfi cie, unos 6000 °C, el sol es capaz de emitir radiación de onda corta hacia el espacio exterior. Una pequeña parte de esta energía llega a la tierra e incide en la superfi cie del pavimento. Si la radiación llega a la tierra directamente sin haber sido refl ejada por las nubes, absorbida o difundida por la atmósfera, se denomina radiación directa (Q OC,SOL). De lo contrario se

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denomina radiación difusa (Q OC,DIF).

Parte de la radiación incidente es refl ejada por el pavimento, siendo el albedo el parámetro que expresa ese porcentaje de energía refl ejada. El porcentaje de energía absorbido por el pavimento se denomina absortividad (α).

Así, el valor de la radiación solar incidente absorbida por el pavimento vendrá determinado por la Ecuación 1 y se medirá en unidades de irradiancia (W/m2).

Siendo:

Los valores de absortividad más representativos propuestos en la literatura a lo largo de los últimos años se muestran en la Tabla 1.

Radiación térmica del pavimento

Se denomina radiación térmica a la emitida por todo cuerpo por estar a una temperatura superior a 0 Kelvin (-273 °C). Asumiendo que la superfi cie del pavimento se comporta

como un cuerpo gris, la radiación de onda larga emitida hacia la atmósfera seguirá la Ley de Stefan-Boltzman (Ecuación 3) y tendrá unidades de irradiancia (W/

m2).

Figura 3.- Balance de energía en el pavimento. (Fuente: elaboración propia)

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Donde ε es el coefi ciente de emisividad, σ es la constante de Stefan-Boltzman (5,68•10-8 W/m2K4) y TS es la temperatura superfi cial del pavimento (K).

Los valores de emisividad más representativos propuestos en la literatura se muestran en la Tabla 2.

Contrarradiación de la atmósfera

El término de contrarradiación hace referencia a la parte de la radiación térmica emitida por el pavimento que es absorbida por la atmósfera y emitida de

Absortividad ( ) Referencia

0,85 Hermansson (2000)

0,90

Branco y Mendes (1993)Asaeda et al. (1996)

Yavuzturk et al. (2005)

Wang et al. (2010)

0,91 Chen et al. (2008)

0,93 Solaimanian y Kennedy (1993)

0,95Hermansson (2001)

Minhoto et al. (2005)

Tabla 1. Valores de absortividad del pavimento propuestos en la literatura

Emisividad ( ) Referencia


0,81 Yavuzturk et al. (2005)


0,90 Minhoto et al. (2005)

0,91 Chen et al. (2008)

0,93 Solaimanian y Kennedy (1993)

Tabla 2. Valores de emisividad del pavimento propuestos en la literatura

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nuevo al pavimento en forma de radiación de onda larga. El valor de contrarradiación vendrá determinado por la ecuación siguiente y se medirá en unidades de irradiancia (W/m2):

Donde εa es un nuevo coefi ciente de emisividad, en este caso referido a la atmósfera, σ es la constante de Stefan-Boltzman (5,68•10-8 W/m2K4) y Tair es la temperatura del aire sobre la superfi cie del pavimento (K). Los valores de emisividad εa más representativos propuestos en la literatura son 0,90 (Sass, 1992) y 0,70 (Hermansson, 2001).

Otros autores propusieron reunir las expresiones de radiación térmica y contrarradiación en una sola que hiciera referencia al balance de radiación térmica. Así, Minhoto et al. (2005), Gui et al. (2007) y Chen et al. (2008) plantearon la siguiente ecuación:

Donde el valor del parámetro hr viene dado por las expresiones propuestas por los mismos autores y por otros como Yavuzturk et al. (2005).

Pérdida por Convección

Se denomia convección al mecanismo de transferencia de energía que se produce en el seno de un fl uido debido a los movimientos de masa originados por la diferencia de densidades resultante del gradiente de temperatura existente en dicho fl uido.

La transferencia de calor por convección tiene lugar entre un fl uido en movimiento y una superfi cie adyacente a diferente temperatura. Comprende dos mecanismos diferenciados: el movimiento aleatorio de moléculas (mecanismo conductivo) y el movimiento macroscópico de fl uido. En este caso, la diferencia de temperatura existente en la interfase entre el aire (fl uido) y el pavimento (sólido) adyacente hace que la fracción de aire en contacto con el pavimento se caliente (asumiendo que Tsup > Tair) por conducción, disminuyendo su densidad y ascendiendo para ocupar el lugar del fl uido situado sobre él, más frío y de mayor densidad. Estas corrientes de convección provocan la pérdida de energía del pavimento hacia la atmósfera.

La convección podrá ser natural o forzada en función de la causa que induzca el movimiento del fl uido, suponiendo la segunda una mayor pérdida de energía. En un colector asfáltico,

la convección será forzada cuando la existencia de viento origine un fl ujo de aire sobre el pavimento. En caso de no existir viento, la convección será natural y se

deberá únicamente al gradiente de densidades originado por la diferencia

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de temperatura entre la superfi cie del pavimento y el aire atmosférico.

El valor de esta pérdida por convección se calcula a partir de la Ley de enfriamiento de Newton, que tiene la siguiente expresión:

Siendo hc el coefi ciente de convección (W/m2K), TS la temperatura superfi cial del pavimento (K) y Tair la temperatura del aire circundante (K). El coefi ciente de convección se obtiene a partir del número adimensional de Nusselt (Nu) de tal forma que:

Donde k es la conductividad térmica del fl uido (W/mK) y L la longitud característica (m). A su vez, para la determinación de Nu existen diferentes correlaciones empíricas que dependen del tipo de convección y del régimen del fl uido (laminar o turbulento).

Algunos investigadores como Yavuzturk et al. (2005) o Gui et al. (2007) utilizan correlaciones generales de placa plana horizontal para el cálculo del balance de energía en el pavimento. La Tabla 3 muestra algunas de las existentes en la literatura.

En cambio, otros autores utilizan correlaciones empíricas desarrolladas específi camente para pavimentos asfálticos o de hormigón. La Tabla 4 muestra algunas de las más representativas.

Siendo en ambas tablas:

- Tm la temperatura media dada por la expresión Tm = (TS – Tair)/2

- U la velocidad del viento

- la viscosidad cinemática del aire

- Pr el número adimensional de Prandtl

- Ra el número adimensional de Rayleigh

- Re el número adimensional de Reynolds

- ΔT la diferencia de temperatura entre el aire y la superfi cie del pavimento

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Ganancia de energía por Conducción

La tercera forma de transmisión de calor existente en el balance de energía es la conducción de calor a través del pavimento. Este es el fenómeno que gobierna el

intercambio de energía entre capas del pavimento por existir entre sus puntos un gradiente de temperatura. En un colector asfáltico, la transferencia

Coeficiente de convección (hc)Tipo de

ConvecciónReferencia

Tsup > Tair (Laminar)

(k/L) 0,54 Ra1/4 para (104 Ra 107)

(k/L) 0,15 Ra1/3 para (107 Ra 1011)

Tsup < Tair (Laminar)

(k/L) 0,27 Ra1/4 para (105 Ra 1010)

NaturalIncropera y DeWitt (2005)

(k/L) 0,664 Re1/2 Pr1/3 (Laminar) Forzada

Tsup > Tair (Laminar)

(k/L) 0,96 Ra1/6 para (1 Ra 102)

(k/L) 0,59 Ra1/3 para (102 Ra 104)

(k/L) 0,54 Ra1/4 para (104 Ra 107)

(k/L) 0,15 Ra1/3 para (107 Ra 1011)

Tsup < Tair (Laminar)

(k/L) 0,27 Ra1/4 para (105 Ra 1010)

Natural ASHRAE (2009)

0,54 F ( T/L)0,25 (Laminar)siendo F = 6,3126 1,4322 Log(T)

Natural Chen et al. (2008)

Tabla 3. Expresiones del coefi ciente de convección a partir de correlaciones generales de placa plana

Coeficiente de convección (hc)Tipo de

ConvecciónReferencia

hc = 698,24 [0,00144 (Tm)0,3 U0,7+0.00097 (TS Tair)0,3] Forzada

Solaimanian y Kennedy (1993)

Hermansson (2000)

Minhoto et al. (2005)

hc = 698,24 1,1 [0,00144 (Tm)0,3 U0,5+0.00097 (TS Tair)0,3] Forzada Hermansson (2001)

(k/L) 0,44 Ra1/4 (Laminar) Natural Bilgen y Richard (2002)

Tabla 4. Expresiones del coefi ciente de convección a partir de correlaciones específi cas

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de energía se produce desde la superfi cie del pavimento hacia el interior de acuerdo a la Ley de Fourier:

Siendo d el gradiente de temperatura (K) y k la conductivad térmica del material (W/mK).

Por su parte, la ecuación fundamental de la transmisión de calor por conducción (9) permite calcular la temperatura de cualquier punto del medio para cualquier instante de tiempo.

Donde T, k, ρ, Cp y α son la temperatura (K), la conductividad térmica (W/mK), la densidad (kg/m3), el calor específi co (J/kgK) y la difusividad térmica (m2/s), respectivamente.

Conductividad(W/mK)

Calor específico(J/kgK)

Densidad(kg/m3)

Referencia

0,80 900 2200 Branco y Mendes (1993)

0,95 Jansson et al. (2006)

1,21 921 2238Corlew y Dickson (1968) en

Gui et al. (2007)

1,30 Yavuzturk et al. (2005)

1,30 920 2600Wang et al. (2010)

Chen et al. (2011)

1,00 1,80 1100 1800 Chen et al. (2008)

1,45 1,81 1116 1364 2295 2450 Luca y Mrawira (2005)

1,50 850 860 2350 2550 Minhoto et al. (2005)

1,73Shaopeng Wu et al. (2011)

Chen et al. (2010)

1,90 2,10 659 2181 2217 Pascual Muñoz (2012)

2,88 880 2313 Xu y Solaimanian (2009)

Tabla 5. Valores de conductividad y calor específi co del pavimento propuestos en la literatura

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Los parámetros Cp y k son de crucial importancia a la hora de analizar el balance de energía existente en un pavimento y, por ende, en un colector solar asfáltico. Así, su adecuado valor de Cp permite al colector absorber una gran cantidad de energía. Mientras, su relativamente aceptable valor de k asegura que esa energía se transmita a capas más profundas. La Tabla 5 muestra algunos de los valores más representativos de estos parámetros propuestos en la literatura. No obstante, la extensa variedad de mezclas asfálticas (y hormigones) existentes en función de los tipos de betún y árido empleados, así como de su granulometría, hace que la determinación experimental de estos parámetros sea recomendable a la hora de analizar el balance energético.

El conocimiento de los elementos y parámetros introducidos a lo largo de este capítulo es esencial a la hora de acometer un adecuado diseño de colector solar asfáltico que optimice el proceso de obtención y almacenamiento de energía térmica, reduciendo de esta forma la temperatura superfi cial del pavimento y disminuyendo el riesgo de deformación plástica en verano y/o de aparición de hielo en invierno.

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3. Distribución de temperatura en pavimentos

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3.1. Revisión de modelos para estudios en campo

La capacidad para absorber energía solar que poseen las carreteras, junto al extraordinario potencial de aplicación que les confi ere el clima existente en España, es un argumento más que pertinente para la investigación y desarrollo de los colectores solares asfálticos.

Por otra parte, la mezcla bituminosa que conforma la capa de rodadura de la mayoría de los pavimentos y que está sometida a la acción de las cargas de tráfi co, es un material de tipo viscoelástico. Esto quiere decir que su comportamiento frente a las cargas de tráfi co y el daño que estas puedan provocar en el pavimento va a depender, entre otras cosas, de su temperatura. A su vez, este valor de temperatura dependerá del clima existente en la zona y, por tanto, de factores como la temperatura ambiente, la velocidad del viento y, sobre todo, de la radiación solar a la que se ve sometido el pavimento.

Así, en los meses de invierno en los que la temperatura del pavimento es baja, la mezcla bituminosa actúa como un sólido elástico que permite recuperar deformaciones de pequeña magnitud causadas por el tráfi co, evitando de este modo la deformación permanente. Por el contrario, en los meses de verano en los que la capa de rodadura adquiere valores muy altos de temperatura, la mezcla bituminosa se comporta como un material viscoso que comienza a fl uir como respuesta al efecto de la carga de los vehículos (Diefenderfer et al., 2006). El estudio del comportamiento térmico del pavimento se hace de nuevo necesario. En este caso, con el objetivo básico de mejorar las características del fi rme convencional.

Ambos puntos de vista, el energético y el estructural, llevaron a investigadores de todo el mundo a estudiar la captación de energía en pavimentos y la distribución espacio-temporal de temperaturas en sus capas inferiores. La mayoría de los trabajos llevados a cabo en este campo hasta la fecha se centran en el modelado numérico de este fenómeno y su posterior validación experimental. Otros modelos, analíticos o basados en regresiones lineales a partir de datos experimentales, han sido desarrollados, aunque en menor proporción.

El creciente interés de las autoridades danesas por obtener ajustadas predicciones respecto a la formación de hielo en carreteras y mejorar de esta manera la toma de decisiones, llevó a Sass (1992), del Instituto Meteorológico de Dinamarca, a desarrollar un modelo numérico para la predicción de la temperatura en la superfi cie de las carreteras. El fundamento teórico del modelo fue

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la ecuación del balance de energía en la superfi cie del pavimento, incluyendo los fl ujos de radiación en la interfase pavimento-atmósfera, los de calor sensible y latente y la ecuación de conducción a través del pavimento. Para probar este modelo se utilizaron los datos aforados en una carretera localizada al sur del país, además de datos atmosféricos reales. Los resultados mostraron un alto grado de exactitud en la predicción para un rango de tiempo de hasta tres horas.

Unos años después, movidos por la importancia que el efecto de la temperatura sobre el comportamiento estructural del pavimento había adquirido, los investigadores Ramadhan y Wahhab (1997) llevaron a cabo ensayos de campo para monitorizar las temperaturas a diferentes profundidades de un fi rme fl exible de mezcla asfáltica y uno de hormigón. A partir de los datos obtenidos se generaron modelos de regresión para predecir las temperaturas extremas en los fi rmes fl exibles y los gradientes de temperatura entre la superfi cie y las capas inferiores en los rígidos. Las temperaturas máximas y mínimas alcanzadas en el pavimento fl exible durante el año de estudio fueron de 72ºC y 3ºC, respectivamente. Por su parte, el mayor gradiente de temperatura obtenido entre la superfi cie del pavimento rígido y su límite inferior a 40 cm en el mismo período de tiempo fue de 15ºC.

Con una aproximación más teórica que en el resto de los casos, Liu y Yuan (2000) derivaron la expresión analítica exacta de la distribución de temperatura en un pavimento asfáltico de tres capas a partir de la ecuación fundamental de la transmisión de calor por conducción (9), en este caso en una dirección. Para calibrar la solución se utilizaron datos de temperatura en la superfi cie de un pavimento fl exible de pruebas ya instrumentado. La solución obtenida permite predecir la temperatura del pavimento a diferentes profundidades con semanas o meses de antelación.

En los primeros años del siglo XXI, uno de los investigadores más destacados en el modelado y predicción de la temperatura de los pavimentos fue Ake Hermansson, del Swedish National Road and Transport Research Institute, en Suecia. En el primer artículo publicado sobre este tema, el autor desarrolló un modelo de simulación por diferencias fi nitas para calcular la temperatura de los pavimentos de mezcla asfáltica durante el verano (Hermansson, 2000).

Como en otros casos, el modelo se fundamenta en el balance de energía que tiene lugar en la superfi cie del pavimento, y que incluye los fl ujos de radiación, la pérdida de energía por convección con el viento y la conducción de calor hacia el interior del pavimento. Los datos de entrada necesarios para la aplicación del modelo son: radiación solar incidente y normal a la superfi cie, temperatura del aire y velocidad del viento. A partir de estos datos de entrada, el modelo propuesto es capaz de predecir las temperaturas de un pavimento a diferentes profundidades. La validación global del modelo fue posible gracias a la

monitorización de una carretera en la ciudad sueca de Köping, en la que se tomaron datos de temperatura a 2, 4 y 9,5 cm de profundidad. Este modelo no tiene en

cuenta los eventos de lluvia.

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En un trabajo posterior, Hermansson (2001) profundiza en el desarrollo y análisis del modelo de predicción anterior. En este caso, la validación del modelo se llevó a cabo a partir de los datos de temperatura a diferentes profundidades obtenidos entre los años 1995 y 1998 de doce secciones de pavimento (seis de mezcla asfáltica y otras seis de hormigón) localizadas en nueve emplazamientos distintos: Nevada, Delaware, Virginia, Nebraska, New York, South Dakota, North Carolina, Nevada y Ohio. Estos datos, procedentes del Long-Term Pavement Performance Program (LTPP) concebido por la Administración Federal de Carreteras de los Estados Unidos, junto con los datos de temperatura ambiente y velocidad del viento, fueron introducidos al modelo.

Se llevó a cabo un estudio de sensibilidad para cinco parámetros, de entre los que destacan la absortividad, la emisividad y el coefi ciente de convección. El método utilizado consistió en obtener la respuesta del modelo para valores sucesivos de estos parámetros, aumentando o disminuyendo cada uno de ellos individualmente y evaluando el error entre los resultados aportados por el modelo y los obtenidos experimentalmente. El error medio en la simulación llevada a cabo durante un mes de verano en pavimentos de mezcla bituminosa y hormigón fue de menos de 2°C para valores de temperatura a profundidades de entre 2 y 10 cm. De entre los resultados obtenidos destaca también la exigua infl uencia que la variación de la conductividad térmica del pavimento tuvo en el pronóstico de las temperaturas en puntos cercanos a la superfi cie. Esto limita la importancia de este parámetro a la hora de predecir temperaturas a esas profundidades.

El siguiente paso en el desarrollo del modelo fue adaptarlo para predecir la temperatura del pavimento también en invierno (Hermansson, 2004). Igual que en la publicación anterior, Hermansson llevó a cabo un análisis de sensibilidad de ciertos parámetros para obtener los valores de estos que generaran una respuesta en el modelo con el menor error posible. Para ello se utilizaron datos meteorológicos y de temperatura del pavimento, recabados en nueve emplazamientos diferentes, tres de ellos localizados en EE.UU. (Nevada, New York y South Dakota) y otros seis en Suecia (Uppsala, Borlänge, Östersund, Umea, Lulea y Kiruna). Una vez introducidos al modelo los datos de entrada de radiación solar incidente, temperatura del aire y velocidad del viento, el error medio entre los valores de temperatura proporcinados por el modelo para los meses de invierno y verano y los obtenidos experimentalmente fue siempre menor de 2°C, lo que supone una más que aceptable precisión del modelo.

En la misma línea, Yavuzturk et al. (2005) desarrollaron un modelo por diferencias fi nitas en dos dimensiones para evaluar la oscilación de la temperatura en los pavimentos debido a las condiciones ambientales. El modelo parte de la discretización de la ecuación fundamental de la transmisión de calor por conducción en su forma diferencial (9), siendo las condiciones de contorno del dominio las defi nidas en el balance de energía del pavimento.

Para comprobar la validez del modelo los autores utilizaron datos recogidos

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en el Long-Term Pavement Performance Program (LTPP) y en el Strategic Highway Research Program (SHRP). De entre todos los emplazamientos disponibles en ambas bases de datos se eligieron tres en los que su cercanía a alguna estación meteorológica permitía conocer de forma precisa sus condiciones ambientales. En cada uno de los emplazamientos se midieron temperaturas del fi rme a profundidades de hasta 63 cm. Con estos datos se llevó a cabo un nuevo análisis de sensibilidad con el que se analizó el impacto de ciertos parámetros en la predicción del modelo. En este caso, los resultados demostraron que la absortividad es el parámetro que provoca una mayor variación en la predicción de las temperaturas del pavimento, seguido de la capacidad calorífi ca, la emisividad y, fi nalmente, la conductividad térmica. Esto subraya la gran importancia que tiene la determinación experimental de este parámetro a la hora de desarrollar modelos rigurosos de predicción de temperaturas.

Los portugueses Minhoto et al. (2005) desarrollaron un modelo en tres dimensiones por el método de los elementos fi nitos (MEF) para evaluar la evolución diaria de la distribución de temperaturas a diferentes profundidades en los pavimentos. El origen de esta investigación fue el estudio de la relación entre el fenómeno de la refl exión de grietas en pavimentos y la tensión provocada en ellos por la variación cíclica de temperaturas a lo largo del tiempo y el rápido enfriamiento de la capa superior respecto al resto del pavimento.

En este caso el modelo fue validado a partir de los valores de temperatura medidos en una carretera situada en la ciudad de Braganza. Así, en un punto de esta carretera se ubicaron termopares a siete profundidades diferentes de la capa de mezcla asfáltica del fi rme, entre su superfi cie y hasta una profundidad de 34 cm. Como en el resto de modelos, los datos de entrada fueron: la temperatura del aire, la velocidad del viento y la radiación solar incidente. Para su validación, se evaluaron las diferencias entre los valores de temperatura arrojados por el modelo en elementos fi nitos (MEF), los aportados por un modelo en diferencias fi nitas (MDF) también desarrollado y los medidos en el emplazamiento elegido.

De este trabajo pudieron extraerse importantes conclusiones. Entre ellas, una ya planteada por otros investigadores: la infl uencia marginal que el valor de la conductividad térmica de la mezcla bituminosa tiene respecto a la temperatura de las capas más próximas a la superfi cie. Además, la investigación evidenció la precisión del MEF en este campo y, al mismo tiempo, refl ejó los buenos resultados obtenidos con el MDF, con un error muy similar al del método anterior.

Con el objetivo de mejorar el estudio del comportamiento estructural de los pavimentos de mezcla bituminosa, Diefenderfer et al. (2006) propusieron diferentes modelos basados

en regresiones lineales, que elaboraron a partir de los datos experimentales obtenidos en una carretera instrumentada denominada Smart Road o Smart Highway

ubicada en Montgomery County, Virginia. Los modelos desarrollados

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fueron utilizados para predecir las temperaturas máximas y mínimas diarias de cualquier pavimento. Para validar y generalizar el modelo, los datos con él obtenidos fueron contrastados con datos recogidos en otros emplazamientos. En todos los casos, los valores del coefi ciente de determinación (R2) obtenidos estuvieron en un rango de entre 80% y 93%, lo que representa una más que adecuada bondad del ajuste.

Por su parte, Jenssen et al. (2006) presentaron su propio modelo físico unidimensional para la estimación de los fl ujos de calor en la superfi cie de un pavimento asfáltico. En este caso, el trabajo tenía algunas singularidades que lo hacían interesante. Así, a diferencia de otros modelos en los que el objetivo era pronosticar la distribución de temperatura en la sección del pavimento, este pretendía ser capaz de estimar correctamente los fl ujos de calor que se producen en su superfi cie. De este modelo cabe mencionar, además, la inclusión del efecto que la presencia de agua en el pavimento tiene sobre su comportamiento térmico.

Los resultados obtenidos de la comparación hecha entre los valores simulados y observados en el emplazamiento de pruebas de la radiación solar neta en superfi cie, del fl ujo de calor a través del pavimento y de la temperatura en su superfi cie son aceptables. Sin embargo, un análisis de resultados más específi co reveló cierta falta de precisión, tanto en la predicción del fl ujo de calor sensible como en la del perfi l de temperaturas, sobrestimando en el primer caso y subestimando en el segundo los valores obtenidos de forma experimental.

Cabe destacar también la contribución de Gui et al. (2007) al estudio del balance de energía que tiene lugar en la superfi cie del pavimento y la posterior distribución de temperatura en su seno. Concretamente, estos autores crearon un modelo numérico unidimensional por el MDF con el objetivo de optimizar el proceso constructivo de los pavimentos. De esta forma se pretendía asegurar no sólo su estabilidad estructural, inherente al diseño, sino también su capacidad para absorber el calor y reducir las altas temperaturas en su superfi cie.

Los resultados del proceso de validación de los datos pronosticados por el modelo con datos de campo mostraron una precisión muy razonable del modelo, con un error computacional medio de ±1,9°C para la estimación de la temperatura mínima y de ±2,4°C para la de la temperatura máxima. Las medidas de campo fueron tomadas en el Arizona Department of Transportation Outdoor Pavement Testing Laboratory, situado en la Arizona State University. Durante esta investigación se llevó a cabo, además, un nuevo análisis de sensibilidad de algunos de los parámetros más determinantes del modelo: conductividad térmica, capacidad calorífi ca volumétrica, difusividad térmica, albedo y emisividad. La principal conclusión de este análisis fue que el aumento de los valores del albedo y la emisividad tuvo un efecto positivo al provocar una disminución de las temperaturas máximas y mínimas superfi ciales. Mientras tanto, el resto de parámetros actuaron sólo mitigando las temperaturas máximas (diurnas), resultando por tanto discutible su aportación a la reducción del efecto isla de calor urbana.

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En la misma línea seguida por el resto de autores, aunque en este caso dirigido al estudio térmico de otro tipo de infraestructuras civiles, los investigadores Serrano (1985) y Branco (1993) presentaron sendos modelos para la estimación de la distribución de la temperatura en tableros de puentes.

Serrano (1985) efectúa un estudio del comportamiento térmico de estos tableros a partir de los datos de su geometría. Las condiciones de contorno introducidas fueron la temperatura ambiente y la radiación solar incidente a lo largo del día. El modelo llevado a cabo permite obtener el campo de temperaturas en el tablero. Por su parte, Branco (1993) se sirve de la técnica del MEF para modelar el problema con el objetivo de estudiar el efecto térmico que tiene lugar en los puentes debido a su interacción con el medio ambiente y a otras causas como el extendido de mezcla asfáltica sobre su estructura o el proceso de hidratación del hormigón.

3.2. Revisión de modelos para estudios en laboratorio

Sólo unos pocos investigadores de otros tantos países se han interesado por el estudio del comportamiento térmico del pavimento sometido a la interacción con el medio ambiente. Todos los estudios anteriores tienen en común que el modelo desarrollado para predecir, bien las temperaturas a diferentes profundidades, bien los fl ujos de calor que completan el balance de energía en la superfi cie del pavimento, fue validado en todos los casos con datos experimentales recogidos in-situ de un pavimento de pruebas previamente instrumentado.

Sin embargo, otros investigadores han optado por el desarrollo de ese tipo de modelos a partir de los resultados obtenidos en ensayos de laboratorio. En estos ensayos, las mezclas bituminosas son caracterizadas y sometidas a las condiciones ambientales habituales en un pavimento cualquiera, analizándose a continuación su comportamiento térmico y utilizando los datos obtenidos para la validación del modelo de predicción. Aunque escasas, algunas de las investigaciones llevadas a cabo hasta la fecha han resultado muy interesantes.

Así por ejemplo, en la investigación llevada a cabo por Asaeda et al. (1996) fueron evaluados para diferentes materiales de construcción el fl ujo de calor en la superfi cie de un pavimento y su capacidad para almacenar energía térmica. Mediante un modelo numérico se estudió el calentamiento de la zona baja de la atmósfera debido a la absorción de radiación infrarroja de onda larga emitida por el pavimento como consecuencia del calor almacenado.

Para ello, se fabricaron probetas rectangulares de diversos materiales que fueron sometidas a condiciones ambientales, analizándose a continuación las diferencias

en su respuesta. Sus dimensiones eran de 100x100 cm2 con espesores de 10 y 30 cm y los materiales con las que fueron fabricadas: asfalto, hormigón,

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macadam y arena, aunque el estudio se enfocó sobre todo a las probetas de mezcla asfáltica y hormigón. Se insertaron termopares en su interior para determinar su temperatura y se midió el fl ujo de calor a través de cada probeta, la energía infrarroja emitida, la radiación solar incidente y los valores de velocidad del viento, temperatura y humedad ambiente.

En términos generales, los valores obtenidos a lo largo del tiempo de ensayo de temperatura en la superfi cie, energía almacenada y energía emitida a la atmósfera, fueron superiores para las probetas fabricadas con mezcla asfáltica respecto al resto de materiales. En cuanto a las conclusiones más notables, los autores expusieron cómo la gran capacidad de las mezclas asfálticas para almacenar energía durante el día y liberarla durante la noche, hacen que este material contribuya ampliamente al aumento del efecto de isla de calor urbana.

En la misma línea, aunque en este caso para un solo tipo de material, Bilgen y Richard (2002) llevaron a cabo un interesante estudio en el que se analizó la convección natural, el balance de radiación en superfi cie y el fl ujo de energía por conducción, en una probeta de hormigón sometida una radiación constante con un espectro de emisión similar al de la radiación solar. Las dimensiones de la probeta fueron de 78x40 cm2, con un espesor de 10 cm. Se taladraron pequeños orifi cios donde se ubicaron los termopares encargados de medir la temperatura a lo largo de las 24 horas de ensayo. Para irradiar la probeta se utilizó una lámpara compuesta por 25 bombillas halógenas de 75 W de potencia cada una.

Paralelamente al desarrollo experimental, se planteó un modelo matemático unidimensional resuelto por el método de diferencias fi nitas para la predicción del comportamiento térmico de este tipo de sistemas pasivos. A la hora de determinar los valores de conductividad, calor específi cio, emisividad, y densidad, se llevó a cabo un análisis de sensibilidad que reveló una mínima infl uencia de esos parámetros en la predicción de las temperaturas de la probeta. Esto permitió a los autores la utilización de valores existentes en la literatura técnica sin una mayor consideración. La precisión del modelo resultó satisfactoria.

En cuanto a los resultados experimentales, estos mostraron cómo la radiación incidente en la probeta no afectó de manera determinante su capacidad de absorción y almacenamiento de energía. Las pérdidas asociadas a la radiación resultaron ser de alrededor del 60% y las asociadas a la convección estuvieron en torno al 40%. Se comprobó también cómo la mayor parte de la energía quedaba almacenada en la probeta en las primeras 3 o 4 horas.

Ya en los últimos años, el Profesor R. B. Mallick, del Worcester Polytechnic Institute comenzó una amplia investigación de las propiedades térmicas de los pavimentos. Destaca el trabajo llevado a cabo para estudiar el perfi l de temperaturas de probetas de mezcla bituminosa con seis materiales o capas de base diferentes (Chen et al., 2008). Para simular la acción del sol sobre la mezcla bituminosa, se utilizó una lámpara halógena de 100 W. Para medir las temperaturas alcanzadas ante sucesivos ciclos de calentamiento y enfriamiento se colocaron cinco termopares

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en otras tantas posiciones a lo largo de la de la probeta.

Se utilizó el análisis estadístico para predecir las máximas temperaturas en la superfi cie y en la capa de base a partir de la temperatura ambiente. Por otra parte, se modeló el sistema por el MEF de forma que, una vez validado con los datos experimentales, se pudiera calcular la conductividad térmica efectiva de la probeta y su calor específi co. Como ya se ha indicado a lo largo de este documento, estos parámetros son determinantes a la hora de dimensionar un colector solar asfáltico.

En una línea de trabajo análoga, Xu y Solaimanian (2009) llevaron a cabo una investigación a partir de la cual desarrollaron un modelo analítico capaz de predecir la distribución de temperaturas en probetas de mezcla bituminosa, determinando a su vez las propiedades térmicas más importantes del material.

El tipo de ensayo que permitió validar el modelo es lo que diferencia esta investigación de las anteriores. Este consistió en la medida de la temperatura a lo largo del tiempo en varios puntos de una probeta cilíndrica que, estando inicialmente a una temperatura homogénea de 3,5°C, se colocaba en el interior de una cámara con una temperatura constante de 36°C. Ajustando las curvas obtenidas experimentalmente y las proporcionadas por el modelo, fue posible la determinación de los valores de conductividad y difusividad térmica de las mezclas analizadas.

Una vez confi rmadas las más que adecuadas características térmicas de los pavimentos de mezcla asfáltica y su posible aplicación para la captación de energía solar, Chen et al. (2010) dieron un paso más al estudiar los efectos de la adición de un fi ller de alta conductividad en el potencial captador de los pavimentos. Para ello, generaron un modelo numérico por el MEF de predicción de temperaturas que se validó con datos obtenidos experimentalmente. Así, se fabricaron probetas cuadradas de mezcla bituminosa con un betún al que se le había añadido previamente un 18% de polvo de grafi to, y midieron las temperaturas a lo largo de su profundidad mientras una fuente halógena simulaba el efecto de la radiación solar.

Entre sus conclusiones más importantes destaca la demostración de que el uso de polvo de grafi to permite acelerar la transferencia de calor hacial el interior del pavimento. Esto, a su vez, asegura una mayor efi ciencia en la captación de energía solar por parte de un colector asfáltico, eliminando al mismo tiempo las diferencias tan altas de temperatura que pueden darse entre la superfi cie del pavimento y su interior. Además, este estudio da cuenta de la importancia del fenónemo de convección entre el pavimento y el aire ambiente a la hora de evaluar el potencial captador del primero.

Finalmente, Pascual-Muñoz (2012) analizó en laboratorio el comportamiento térmico de tres tipos diferentes de mezclas asfálticas: un hormigón bituminoso tipo AC,

un microaglomerado tipo BBTM y una porosa tipo PA. Las probetas de estas mezclas, junto a las de un hormigón hidráulico convencional con y sin

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cobertura negra en su superfi cie, fueron sometidas a un ensayo de irradiación con la ayuda de una lámpara simuladora de la radiación solar. Con las medidas obtenidas de temperatura en función de la profundidad y de la energía almacenada en las probetas de cada tipo de mezcla asfáltica a lo largo del tiempo de ensayo, se desarrolló y calibró un modelo numérico en diferencias fi nitas (MDF) que permitió, además de la predicción de temperaturas, evaluar su conductividad térmica (Tabla 5).

Los resultados de este estudio mostraron además un comportamiento térmico muy similar de las mezclas tipo AC y BBTM, siendo el de mezcla porosa notablemente diferente. Por otra parte, se constató la infl uencia que la absortividad y la conductividad tienen en la capacidad de captación de energía de las mezclas, si bien esta última sólo a profundidades no cercanas a la superfi cie. Los resultados mostraron además que las mezclas utilizadas eran capaces de captar más energía que el hormigón hidráulico incluso en el caso de que su superfi cie fuera cubierta con pintura negra.

4. Colectores solares asfálticos: clasifi cación y desarrollo

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4.1. Generalidades y clasifi cación

Las características térmicas de las mezclas bituminosas, muy favorables para la captación de energía solar térmica en pavimentos, junto con la necesidad de nuevas formas de obtención de energía limpia y renovable, han llevado en los últimos años a la investigación y desarrollo de los denominados colectores asfálticos solares.

Actualmente existen ya varios de estos sistemas. Algunos, los más avanzados y modernos, se basan en la idea de utilizar tramos de carreteras o aparcamientos para absorber el calor a modo de un gran panel termosolar nada convencional, transportando ese calor mediante un fl uido que circula por el interior del fi rme asfáltico, almacenándolo en un lugar adecuado y, fi nalmente, aprovechándolo en ciertas aplicaciones como la climatización y el ACS. Empresas y centros de investigación de países como Japón, Holanda o EE.UU. han construido sistemas de este tipo a lo largo de los últimos años. Otros sistemas, los más modestos, se aprovechan únicamente de las propiedades del material, típico en el sector de la construcción pero no tanto en el de las energías renovables. Este material (junto con el hormigón) es utilizado como elemento captador en paneles termosolares compactos, más parecidos a los paneles convencionales, pero sin llegar a serlo.

La clasifi cación de estos sistemas puede realizarse de muchas maneras y en base a muchos parámetros. En opinión de los autores de este cuaderno, son posiblemente tres los factores que permiten diferenciar el tipo de colector asfáltico:

1. El material dispuesto en superfi cie encargado de captar la energía solar y transferirla al fl uido caloportador.

2. El tipo de elemento, dispositivo o sistema encargado de permitir la circulación de ese fl uido caloportador.

3. La aplicación fi nal del colector solar asfáltico, siempre en función de su diseño y de las necesidades existentes.

Así, en función del material de la superfi cie captadora, el colector puede ser asfáltico o de hormigón (sin perjuicio de que, como ya se dijo al principio de este documento, el término colector solar asfáltico se utilizar también para los colectores de hormigón). En función del tipo de elemento encargado de transportar el calor, el colector podrá disponer de una red de tuberías (metálica o polimérica) o de una

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capa intermedia de mezcla bituminosa porosa. Finalmente, en función de la aplicación fi nal que se le de a la energía captada por el colector, este podrá impedir la congelación de un tramo de carretera en invierno, calentar agua para una aplicación menor, suministrar ACS e incluso climatizar un edifi cio residencial o industrial.

4.2. Desarrollo cronológico de los colectores solares asfálticos

Se presentan a continuación los diferentes colectores asfálticos que en los últimos años se han diseñado, analizado en laboratorio y/o construido formando parte de un pavimento. Si bien el número de colectores es pequeño, el desarrollo cronológico de los avances ocurridos en este campo demuestra el creciente interés de los investigadores de todo el mundo por esta tecnología.

La primera referencia de uno de estos sistemas es una patente de fi nales de la década de los setenta (Wendel, 1979). En ella se describe un método para calentar agua haciéndolo pasar a través de una tubería metálica dispuesta en el interior de un pavimento asfáltico expuesto a la radiación solar. Se proponen en la patente diversas aplicaciones, entre las cuales destaca el calentamiento del agua de una piscina (Figura 4).

Dos años más tarde, Sedgwick y Patrick (1981) desarrollan esta misma aplicación instalando una red de tuberías poliméricas bajo un pavimento asfáltico. Los resultados experimentales se compararon con los obtenidos a través de un sencillo modelo matemático, verifi cando la factibilidad técnica del sistema y la conveniencia de su coste respecto a uno convencional.

A esa misma conclusión llegó Turner (1987) tras llevar a cabo un estudio de viabilidad de la disposición de tubos de un material polimérico (polibutileno) en el interior de un

pavimento de hormigón para calentar agua en verano haciéndolo pasar a través de los tubos. Para ello, modeló matematicamente un sistema formado por un

pavimento de hormigón de 10 cm de espesor y unos tubos ubicados a 5 cm

Figura 4. Esquema del sistema de calentamiento de agua propuesto por Wendel (1979)

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de la superfi cie (Figura 5). Entre otras conclusiones, el estudio reveló el precalentamiento necesario en el pavimento para que este lograse alcanzar una temperatura útil de absorción de energía.

En un estudio posterior, Bopshetty et al. (1992) llevaron a cabo el análisis transitorio de un colector de hormigón utilizado para abastecer ACS (Figura 5). Los tubos embebidos en las losas de hormigón fueron también de material polimérico, en este caso de PVC. El modelo matemático se resolvió con el MDF, utilizándose datos experimentales para su validación. Los resultados mostraron buenos valores de efi ciencia, aunque siempre menores que los de los colectores convencionales. Igual que en investigaciones previas, se concluyó que durante las primeras horas de la mañana el pavimento necesita un tiempo de calentamiento antes de alcanzar su temperatura útil de trabajo.

Por su parte, Sokolov y Reshef (1992) desarrollan un modelo matemático para analizar la infl uencia de varios parámetros en el rendimiento de un colector solar formado por una losa fi na de hormigón con una red de tuberías dispuestas en su interior. El modelo, basado en la resolución por el MDF de la ecuación fundamental de la transmisión de calor, proporcionó valores de rendimiento térmico relativamente bajos. Según los autores, esta desventaja se compensaría con un menor coste que permitiría aumentar la superfi cie de captación en caso de ser necesario. Otros datos de interés obtenidos fueron el rango de trabajo óptimo, con irradiancias entre 150 y 900 W/m2 y el descenso de su efi ciencia al aumentar la separación entre tubos.

En un plano mucho más práctico que en las investigaciones anteriores, Al-Saad et al. (1994) evaluaron el comportamiento de tres tipos diferentes de colectores solares de hormigón. Todos los colectores fueron construidos con los mismos componentes, incluida la losa de hormigón de 5 cm, con la única excepción de las tuberías, cuyo material era diferente: acero galvanizado, PVC y propilenglicol (Figura 6). Los resultados evidenciaron que la fabricación de estos dispositivos con materiales locales era viable, y determinaron que el colector con un mejor comportamiento de entre los

Figura 5. Esquemas del modelo de colector analizado por Turner (1987) y Bosphetty et al. (1992)

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ensayados fue el construido con tubos de acero, para el que se obtuvo un redimiento de hasta el 50%.

A mediados de la década de los noventa se construyeron en algunos países como Alemania, Suiza o Japón, sistemas para fundir hielo en las carreteras o prevenir su formación durante el invierno. En estos sistemas, la energía solar absorbida por el pavimento durante el verano se capta a través de una red de tuberías embebida en el pavimento y se almacena en el terreno mediante sondas geotérmicas.

Así, desde 1994 el sistema piloto SERSO (Figura 7) ubicado en el centro de Suiza, previene la formación de hielo en un puente de autopista. La instalación absorbe el calor del pavimento en verano mediante el fl ujo de agua a través de unas tuberías de metal embebidas en él y lo almacena en un área rocosa cercana gracias a 91 perforaciones. En invierno, el intercambio de esa energía con el pavimento permite mantener su temperatura por encima del punto de congelación.

En Japón, el sistema denominado GAIA funciona con éxito en la ciudad de Ninohe, al norte de Tokyo, desde fi nales de 1995. Como en el caso suizo, la energía solar

que hace aumentar la temperatura del pavimento en verano es recolectada

Figura 6. Esquemas del colector solar de hormigón de Al-Saad (1994)

Figura 7. Construcción del sistema SERSO (EGEC, 2007)

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por el agua que fl uye a través de las tuberías situadas en su interior y almacenada en el terreno a través de una sonda coaxial. En invierno esa energía es recuperada, amplifi cada mediante una bomba de calor y transmitida a la superfi cie del pavimento a través de las mismas tuberías (Figura 8).

En un plano totalmente diferente, Chaurasia (2000) estudió la viabilidad de los colectores de hormigón para abastecer ACS a un edifi cio. Los colectores se fabricaron a partir de bloques delgados de hormigón con una red de tubos de aluminio parcialmente incrustada en ellos, de forma que sólo el 30% se encontrara expuesto al sol como parte de la superfi cie de absorción (Figura 9). Se unieron tres colectores con algo más de 1 m2 de superfi cie de absorción cada uno y se estudiaron parámetros como el diámetro de las tuberías, el grado de inclinación de los colectores o el efecto de una capa de pintura negra. Los resultados mostraron que era posible obtener agua caliente (36-58°C) con estos colectores y que le aplicación de la cobertura negra aumentaba su efi ciencia.

Con lo visto hasta el momento, queda de manifi esto que para fi nales de los años 90 algunos investigadores habían evaluado el diseño de colectores

Figura 8. Esquema del sistema GAIA y resultado de su aplicación (Morita y Tago, 2000)

Figura 9. Esquemas del colector solar de hormigón de Chaurasia (2000)

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asfálticos o de hormigón, logrando rendimientos adecuados para aplicaciones de difi cultad moderada como las de prevenir la formación de hielo en carretera, obtener agua caliente para usos básicos e incluso proveer ACS. Sin embargo, fue a principios del siglo XXI, en países como Holanda y EE.UU., donde la investigación y desarrollo de este tipo de sistemas avanzó en mayor medida.

Cabe destacar en primer lugar el completo estudio llevado a cabo por Van Bijsterveld et al. (2001) de la Delft University of Technology, en el que se analiza el comportamiento de un colector asfáltico con tubos de material polimérico embebidos en su interior y la infl uencia en la distribución de temperaturas en el pavimento de parámetros como la profundidad de los tubos, la distancia entre ellos o el caudal de fl uido. Para ello, los autores se sirvieron de un modelo numérico resuelto por el MEF y validado según los datos obtenidos en un tramo de pruebas construido por el Directorate General of Public Works and Water Management de los Países Bajos. En este tramo se instalaron tuberías de plástico a una profundidad de 70 mm y se registraron los valores de temperatura en diferentes puntos. Se registraron además datos de temperatura ambiente, radiación solar y velocidad del viento.

Los resultados mostraron, entre otras cosas, que la profundidad de la red de tuberías era un factor determinante en la efi ciencia del sistema. A medida que la localización de los tubos era más profunda las tensiones en el pavimento eran más pequeñas, siendo el potencial de extracción de energía también menor.

Como resultado de este trabajo nacen los Road Energy Systems (Figura 10). Este sistema, desarrollado entre los años 1997 y 2001, consta de una armadura de refuerzo polimérica

en la que se ubica la red de tuberías de polietileno y sobre la que se extiende la capa de mezcla asfáltica. El intercambio de energía en invierno y verano entre el pavimento

y un acuífero permite a este sistema climatizar un edifi cio durante todo el año. El desarrollo de los RES trae aparejado además un análisis estructural

Figura 10. Construcción del sistema RES (De Bondt y Jansen, 2006)

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(Van Bijsterveld y De Bondt, 2002).

En el Reino Unido la evolución de estos sistemas en los últimos años ha sido muy pareja a la de Holanda, y la tecnología Interseasonal Heat Transfer (IHT) ha supuesto un gran adelanto en este campo. En verano este sistema absorbe parte del calor acumulado en un pavimento de mezcla asfáltica gracias al agua que atraviesa la red de tubos instalada bajo su superfi cie. Toda esta energía se almacena en un banco de tierra ubicado bajo los cimientos aislados del edifi cio o infraestructura en cuestión y con la ayuda de una bomba de calor se utiliza en invierno para su climatización (ICAX, 2007).

Dos de los primeros proyectos llevados a cabo hasta la fecha han sido la implementación de esta tecnología en la carretera de acceso a la estación de servicio de la autopista M1 de Toddington y en el colegio Howe Dell (ICAX, 2007). En el primer caso, la energía almacenada en verano en los bancos de tierra ThermalBanks se utiliza para fundir la nieve de la carretera en invierno (Figura 11), y en el segundo se utiliza para dotar de calefacción al colegio.

Más recientemente, Mallick et al. (2008) llevaron a cabo un estudio de la infl uencia de varios parámetros en el comportamiento de un colector solar asfáltico. Así, utilizando probetas de pequeña y gran escala (estas últimas con una profundidad de 125 mm) de mezcla asfáltica, y con la ayuda de un modelo numérico resuelto por el MEF, evaluaron la infl uencia del valor de la conductividad térmica de la mezcla y de la profundidad de la red de tubos, entre otros parámetros (Figura 12). En este caso, el material elegido para la red de tuberías fue el cobre.

En el estudio que llevaron a cabo a continuación, Mallick et al. (2009) Utilizaron de nuevo probetas de mezcla bituminosa de pequeña y gran escala, en este caso con el objetivo de analizar la infl uencia de ciertos parámetros sobre la capacidad de un colector asfáltico para reducir la temperatura del pavimento y, con ello, para reducir

Figura 11. IHT en carretera de acceso a autopista y colegio Hoew Dell (ICAX, 2007)

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el efecto isla de calor urbana. Los parámetros analizados fueron: la conductividad térmica de la mezcla, la localización de la red de tuberías y el material del que están compuestas.

Muchas conclusiones fueron obtenidas en ambos estudios. En cuanto al primero, destaca por un lado la mejora de la efi ciencia que se consigue en la captación de energía por parte del colector cuando se utilizan áridos de alta conductividad como la cuarcita. Por otro lado, se evidencia la importancia de la profundidad a la que se aloja la red de tuberías, siendo este un factor crítico para el diseño de estos sistemas a la hora de establecer el adecuado balance entre la efi ciencia térmica obtenida y las tensiones resultantes en el pavimento.

Entre las conclusiones del segundo estudio, destaca en primer lugar la adecuación de los colectores asfálticos como medio para reducir la temperatura de los pavimentos y, por

ende, la reducción potencial del efecto isla de calor urbana en las ciudades. Como en el estudio anterior, se constató la importancia de los parámetros profundidad

de la red de tuberías y conductividad de la mezcla bituminosa como

Figura 12. Colectores asfálticos de pequeña y gran escala utilzados por Mallick et al. (2009)

Figura 13. Geometría de la probeta con tubería embebida de Shaopeng Wu et al. (2011)

47


factores determinantes a la hora de, en este caso, reducir la temperatura del pavimento de manera efi ciente.

Los investigadores Shaopeng Wu et al. (2009) y (2011) estudiaron también la efi ciencia del proceso de extracción de energía térmica de pavimentos asfálticos. Para ello, se fabricaron probetas cuadradas de 15 cm de espesor con una tubería de cobre embebida en cada una de ellas (Figura 13) a través de la que se hizo circular agua mientras las probetas eran sometidas a una irradiancia determinada. El objetivo fi nal del estudio era determinar el rendimiento de estos colectores asfálticos desde un doble punto de vista: obtención de energía y reducción de la temperatura superfi cial del pavimento. Para ello, los factores analizados fueron: el uso de mezclas con fi ller de elevada conductividad térmica (grafi to), el caudal del agua circulante y el efecto de un calentamiento previo de la superfi cie del pavimento sobre la efi ciencia del colector para captar energía.

Los resultados obtenidos confi rman la relevancia del valor de la conductividad térmica de la mezcla asfáltica a la hora de obtener una mayor cantidad de energía térmica y de reducir la temperatura superfi cial del pavimento, reduciendo con ello el riesgo de deformación plástica asociado a las altas temperaturas. Destaca a su vez cómo la circulación de agua a través de la tubería supone una disminución considerable de la temperatura superfi cial, siendo por otra parte muy limitada la infl uencia que la variación de este caudal tiene sobre esa temperatura. La importancia de disponer de una mezcla bituminosa con un valor de conductividad térmica elevado fue confi rmada a través de un modelo numérico por elementos fi nitos desarrollado por este mismo equipo de investigadores (Wang et al., 2010).

Los resultados anteriores sirvieron a Chen et al. (2011) para investigar sobre la aplicación de estos colectores asfálticos a la eliminación de nieve y/o hielo en las carreteras. Para ello, los autores realizaron un estudio numérico y experimental utilizando esos mismos colectores de pequeña escala (Figura 14). Los resultados demostraron, entre otras consideraciones, que una temperatura relativamente baja de 25 ºC es sufi ciente para el adecuado funcionamiento del sistema.

Figura 14. Fotografías del estudio experimental llevado a cabo por Chen et al. (2011)

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4.3. Los colectores solares asfálticos en España

Hasta el momento, todos los colectores asfálticos desarrollados (ya sea en forma de diseño o patente, de análisis en laboratorio a diferentes escalas o de elemento construido y en pleno funcionamiento) tenían un nexo evidente: la colocación en todos ellos de tubos, metálicos o poliméricos, como elementos a través de los cuales circula el fl uido caloportador que ha de transportar la energía absorbida por el pavimento en verano y/o evitar la formación de hielo en la carreteta en invierno, entre otras aplicaciones.

Así, la existencia de un material extraño en la construcción de carreteras, que en el caso del tubo de material polimérico supone además una pérdida de efi ciencia en el intercambio de energía, llevó al GITECO de la Universidad de Cantabria y a sus socios del proyecto FENIX, las empresas Servià Cantó y Collosa, al desarrollo de un nuevo prototipo de colector asfáltico en el que la red de tubos en el interior de la mezcla bituminosa se sustituyó por una capa de mezcla muy porosa como elemento conductor del fl uido caloportador (agua).

Este nuevo tipo de colector, denominado colector asfáltico multicapa (Pascual-Muñoz, 2012), está formado por tres capas de mezcla bituminosa (Figura 15): una capa inferior muy cerrada fabricada con mezcla tipo AC, que hace de base y evita la infi ltración del fl uido caloportador; una capa intermedia muy porosa fabricada con una mezcla tipo PA, a través de cuyos poros circula dicho fl uido caloportador; y una capa superior fabricada con una mezcla tipo BBTM o AC (en función del espesor requerido) sufi cientemente impermeable como para evitar la infi ltración de agua desde la superfi cie del pavimento. La geometría de esta capa delimita la superfi cie de captación de la energía solar. Las probetas utilizadas en el laboratorio para el estudio de los colectores fueron fabricadas por la empresa COLLOSA.

El prototipo de colector fue sometido en el laboratorio a la acción de la lámpara simuladora de radiación solar mientras se hacía circular a través de su capa intermedia un determinado

caudal de agua. Las variables analizadas en los ensayos termohidráulicos fueron la porosidad de la capa intermedia, la irradiancia en superfi cie y la pendiente del

prototipo. Las medidas tomadas durante los ensayos de temperatura del

Figura 15. Sección de probeta asfáltica multicapa fabricada por la empresa COLLOSA

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agua a la entrada y a la salida, permitieron la determinación del rendimiento del prototipo en función de dichas variables.

Los resultados de los ensayos evidenciaron un excelente rendimiento térmico del prototipo, con valores siempre por encima del 80%. Esto demuestra que, tanto la absorción de energía por parte la capa superior del colector, como su intercambio con la fase fl uida, son procesos muy efi cientes. Todo ello sugiere, además, que la adición de materiales como el grafi to para aumentar la conductividad térmica de la mezcla no es imprescindible.

Sin embargo, estos buenos resultados de rendimiento térmico contrastan con la obtención de unos valores de caudal de agua muy pequeños, que, aun mejorando ligeramente con el aumento de la pendiente del colector, difi cultan la viabilidad de esta nueva tecnología. Así, se hace necesario un adecuado dimensionamiento del sistema que permita satisfacer la demanda de energía para un caudal de agua admisible. Se trata pues, de una tecnología muy prometedora que necesita de un mayor desarrollo, sobre todo desde el punto de vista de su puesta en obra y adecuada impermeabilización.

A partir de estos resultados, la empresa Servià Cantó, coordinadora del proyecto, construyó un tramo experimental formado por un colector asfáltico multicapa con una superfi cie de 48 m2 dividido en cuatro 4 secciones, cada una de ellas con propiedades diferentes. El sistema global (Figura 16) integra los procesos de captación de energía por parte del colector y de almacenamiento posterior en un tanque intermedio que, a su vez, intercambia energía con un depósito de ACS. La instalación incluye además un aerogenerador que permite modifi car la demanda energética del sistema.

Figura 16. Esquema de la instalación y colector asfáltico multicapa (Cortés et al., 2011)

5. Conclusiones

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Para fi nalizar este cuaderno tecnológico dedicado a la revisión y el análisis de los colectores asfálticos solares, se destacan a continuación las principales conclusiones extraídas:

1. Las zonas de la geografía española con una mayor longitud de carretera e irradiación solar elevada son óptimas para la captación y el aprovechamiento de la energía solar térmica. En estas zonas será más probable encontrar emplazamientos que cumplan con los requisitos técnicos necesarios para implementar el sistema que haga posible ese aprovechamiento energético en carretera.

2. La densidad y la porosidad de las mezclas asfálticas son propiedades determinantes a la hora de analizar su comportamiento térmico. La variación de estos parámetros afecta de forma importante a la distribución de temperatura a lo largo del tiempo y de la profundidad de la capa asfáltica.

3. La conductividad térmica y la absortividad son los parámetros térmicos más a tener en cuenta en el análisis de la capacidad de las mezclas bituminosas para captar y almacenar energía solar térmica. Así, mientras que valores altos de absortividad de la superfi cie de pavimentos de mezcla bituminosa permiten absorber una gran cantidad de energía solar térmica, valores elevados de conductividad térmica hacen posible una conducción del calor más rápida hacia las capas más interiores, almacenando de esta manera una mayor cantidad de energía a lo largo del tiempo y disminuyendo la temperatura en la superfi cie de dicho pavimento.

4. La infl uencia de la conductividad en el comportamiento térmico de las mezclas es mínima en profundidades cercanas a la superfi cie. La absortividad por el contrario, es el parámetro dominante en los primeros centímetros del pavimento. Los diferentes análisis de sensibilidad llevados a cabo hasta la fecha constatan la gran infl uencia de la absortividad en el comportamiento térmico las mezclas bituminosas.

5. Los modelos numéricos pueden predecir con bastante precisión la temperatura de un pavimento sometido a las condiciones ambientales tanto en superfi cie como en sus capas inferiores. Por tanto, la simulación numérica es una herramienta muy a tener en cuenta en cualquier estudio térmico de pavimentos sometidos a la radiación solar, siempre y cuando esta vaya acompañada de un adecuado estudio experimental que permita la validación del modelo.

6. Los pavimentos asfálticos sometidos a la radiación solar almacenan

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energía a lo largo del tiempo, reduciendo a la vez su efi ciencia de almacenamiento. Esta reducción hace que la emisión de calor del pavimento hacia la atmósfera aumente a medida que el tiempo pasa, desaprovechando esta energía y provocando con ello un aumento del efecto de isla de calor urbana. Así, un fl uido que circule a través del interior de dicho pavimento podrá recoger y aprovechar parte de la energía almacenada, minimizando la emisión de calor a la atmósfera y restituyendo su capacidad de almacenamiento.

7. A partir de las investigaciones llevadas a cabo en los últimos años, es posible clasifi car los colectores solares asfálticos en función de tres parámetros. Así, en función del material de la superfi cie captadora, el colector puede ser asfáltico o de hormigón. En función del tipo de elemento encargado de transportar el calor, el colector podrá disponer de una red de tuberías (metálica o polimérica) o de una capa intermedia de mezcla bituminosa porosa. Finalmente, en función de la aplicación fi nal que se le de a la energía captada por el colector, este podrá evitar la aparición de hielo en un tramo de carretera en invierno, calentar agua para una aplicación menor, suministrar ACS e incluso climatizar un edifi cio residencial o industrial.

8. A la hora de diseñar un colector asfáltico con una red de tuberías en su interior, los factores críticos a tener en cuenta serán la conductividad de la mezcla bituminosa, el material de la tubería embebida y la profundidad a la que esta tubería se instala. Una mayor conductividad de la mezcla permitirá una mayor velocidad de transferencia del calor desde la superfi cie del pavimento hacia el fl uido caloportador encargado de transportarlo hacia su lugar de almacenamiento. Por su parte, el uso de un material metálico permitirá reducir la resistencia térmica entre la mezcla bituminosa y dicho fl uido caloportador, aumentando de esta forma la efi ciencia de intercambio. Por otra parte, la difi cultad de su puesta en obra y problemas asociados a la corrosión, dan ventaja al uso de las tuberías de material polimérico. Finalmente, la profundidad a la que se sitúe la red de tuberías será determinante a la hora de procurar el equilibrio entre la energía extraída (menor a profundidades elevadas) y las tensiones surgidas en el pavimento (mayores a pequeñas profundidades).

9. Los rendimientos térmicos obtenidos en los ensayos realizados sobre el colector solar asfáltico multicapa fueron muy elevados, superando el 80% en todos los casos. Sin embargo, estos excelentes resultados contrastaron con los exiguos valores de caudal obtenidos. Así, se hace necesario un adecuado dimensionamiento del sistema que permita satisfacer la demanda de energía para un caudal de agua admisible.

10. Los altos rendimientos obtenidos con el colector asfáltico multicapa sugieren que en este tipo de colectores, en los que la efi ciencia de absorción de energía por el

fl uido no se ve perjudicada por la capacidad aislante de una tubería polimérica, no sería necesaria la adición de componentes como el grafi to para aumentar

dicha efi ciencia, ahorrándose por tanto el alto coste asociado a estos

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componentes. Sin embargo, y aunque esta tecnología es muy prometedora, la utilización de estos sistemas pasa necesariamente por un mayor desarrollo técnico, sobre todo desde el punto de vista de su puesta en obra y adecuada impermeabilización.

6. Bibliografía

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7. Agradecimientos

61

La elaboración de este documento se fundamenta en la investigación bibliográfi ca y en el desarrollo ulterior del Proyecto Fénix. Este proyecto ha sido posible gracias a la contribución fi nanciera del Centro para el Desarrollo Tecnológico e Industrial (CDTI) dentro del marco del programa Ingenio 2010, concretamente, a través del Programa CENIT. Las empresas y centros de investigación que participan en el Proyecto desean mostrar su gratitud por dicha contribución.

Los autores quieren agradecer a todas las organizaciones y empresas participantes del Proyecto Fénix: Centro de Investigación Elpidio Sánchez Marcos (CIESM), Centro Zaragoza, Construcciones y Obras Llorente (Collosa), Ditecpesa, Asfaltos y Construcciones Elsan, Intrame, Pavasal, Repsol YPF, Sacyr, Serviá Cantó, Sorigué, CARTIF, CEDEX, CIDAUT, CSIC (IIQAB), GIASA, Intromac, Labein, Universidad de Alcalá de Henares, Universidad Carlos III de Madrid, Universidad de Castilla La Mancha, Universidad de Huelva, Universidad de Cantabria, Universidad Politécnica de Cataluña, Universidad Politécnica de Madrid, y a sus numerosos colaboradores cuya capacidad de trabajo y efi cacia están permitiendo el desarrollo de este Proyecto en un ambiente de cooperación.

8. Índice de fi guras y tablas

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Índice de fi guras

Figura 1. Gráfi ca de la irradiación media diaria y la longitud de carretera por CC.AA.........14

Figura 2. Gráfi ca de la energía (GWh) media diaria recibida en carreteras por CC.AA........15

Figura 3. Balance de energía en el pavimento......................................................................20

Figura 4. Esquema del sistema de calentamiento de agua propuesto por Wendel (1979)...40

Figura 5. Esquemas del modelo de colector analizado por Turner (izq.) y Bosphetty

(dcha.)....................................................................................................................................41

Figura 6. Esquemas del colector solar de hormigón de Al-Saad (1994)..............................42

Figura 7. Construcción del sistema SERSO (EGEC, 2007).....................................................42

Figura 8. Esquema del sistema GAIA y resultado de su aplicación (Morita y Tago, 2000)...43

Figura 9. Esquemas del colector solar de hormigón de Chaurasia (2000).........................43

Figura 10. Construcción del sistema RES (De Bondt y Jansen, 2006).................................44

Figura 11. IHT en carretera de acceso a autopista y colegio Howe Dell (ICAX, 2007).........45

Figura 12. Colectores asfálticos de pequeña y gran escala utilzados por Mallick et al.

(2009)....................................................................................................................................46

Figura 13. Geometría de la probeta con tubería embebida de Shaopeng Wu et al. (2011)...46

Figura 14. Fotografías del estudio experimental llevado a cabo por Chen et al. (2011).....47

Figura 15. Sección de probeta asfáltica multicapa fabricada por la empresa COLLOSA....48

Figura 16. Esquema de la instalación y colector asfáltico multicapa (Cortés et al., 2011)..49

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Índice de tablas

Tabla 1.- Valores de absortividad del pavimento propuestos en la literatura......................21

Tabla 2.- Valores de emisividad del pavimento propuestos en la literatura........................21

Tabla 3.- Expresiones del coefi ciente de convección a partir de correlaciones generales de placa plana........................................................................................................................24

Tabla 4.- Expresiones del coefi ciente de convección a partir de correlaciones específi cas...24

Tabla 5.- Valores de conductividad y calor específi co del pavimento en la literatura........25

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Con el apoyo de:

En colaboración con:

PLATAFORMA TECNOLÓGICA ESPAÑOLA DE LA CARRETERA (PTC)Goya, 23 - 3º, 28001 Madrid (España)

Web: www.ptcarretera.esE-mail:[email protected]

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