Curso de Formación de Energía Solar Térmica
CURSO DE FORMACIÓN DE ENERGÍA
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SOLAR TÉRMICA
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1. COMPONENTES DE LAS INSTALACIONES SOLARES TÉRMICAS
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1.1. INTRODUCCIÓN.
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1.1.1. El circuito primario. 1.1.2. El circuito secundario. 1.2. EL COLECTOR SOLAR . 1.2.1. Tipos de colectores solares de baja temperatura. 1.2.2. Aspectos que influyen en la captación. 1.2.3. Rendimiento de un colector solar. 1.2.4. Montaje de los colectores. 1.3. ESTRUCTURA SOPORTE DE LOS COLECTORES. 1.4. LAS CONDUCCIONES. 1.4.1. Pérdidas de carga. 1.4.2. Materiales empleados. 1.4.3. El aislamiento. 1.5. EL FLUIDO DE TRABAJO. 1.5.1. Agua. 1.5.2. Agua con anticongelante. 1.5.3. Otros fluidos. 1.5.4. La temperatura de trabajo y el caudal de trabajo. 1.6. BOMBAS O ELECTROCIRCULADORES. 1.6.1. Curva característica de un electrocirculador. 1.6.2. Conectado de electrocirculadores. 1.7. EL DEPOSITO DE ALMACENAMIENTO. 1.7.1. Formas de acumulación de la energía calorífica. 1.7.2. Acumuladores de agua. 1.7.3. Conectado de acumuladores. 1.8. EL INTERCAMBIADOR DE CALOR 1.8.1. Intercambiadores interiores. 1.8.2. Intercambiadores exteriores. 1.9. OTROS SISTEMAS DE LA INSTALACIÓN. 1.9.1. Sistema auxiliar de calentamiento. 1.9.2. Sistemas de vaciado y llenado del circuito. 1.9.3. Sistema de equilibrado. 1.9.4. Sistemas de control y monitorización. 1.9.5. Válvulas auxiliares. 1.9.6. Centrales de control. 1.10. SISTEMAS DE PROTECCIÓN DE LOS CIRCUITOS. 1.10.1. Protección contra las heladas. 1.10.2. Protección contra el calor excesivo en el circuito. 1.10.3. Protección contra la sobrepresión. 1.10.4. Protección contra la producción de gas en el circuito. 1.10.5. Protección contra el flujo inverso 1.10.6. Protección contra las descargas eléctricas.
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2. HOJAS DE CARGAS
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2.1 INTRODUCCIÓN 2.2. APLICACIONES DE LOS SISTEMAS SOLARES TÉRMICOS D E BAJA TEMPERATURA.
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2.2.1. Producción de agua caliente sanitaria (A.C.S.) 2.2.2. Calefacción de edificios. 2.2.3. Refrigeración. 2.2.4. Calentamiento de piscinas. 2.2.5. Procesos industriales. 2.3. HOJA DE CARGA DE AGUA CALIENTE SANITARIA (ACS) 2.3.1. Demanda de ACS
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2.3.2. Temperatura del ACS. 2.3.3. Número de usuarios del ACS 2.4. HOJA DE CARGA DE CALEFACCIÓN. 2.4.1. Consideraciones previas. 2.4.2. Demanda energética de calefacción. 2.5. HOJA DE CARGA PARA CALENTAMIENTO DE PI SCINA. 2.5.1. Cálculo de la demanda energética. 2.5.2. Piscinas con manta térmica. 2.5.3. Captación solar en piscinas descubiertas. 2.6. HOJA DE CARGA DE REFRIGERACIÓN. 2.7. HOJA DE CARGA DE PROCESOS INDUSTRIALES. 2.8. CAPTACIÓN PASIVA DE LA ENERGÍA TÉRMICA SOLAR .
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3. CRITERIOS DE DISEÑO Y CONFIGURACIONES DE LAS INSTALACIONES SOLARES TÉRMICAS DE BAJA TEMPERATURA 68 3.1. CRITERIOS DE CLASIFICACIÓN Y DISEÑO.
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3.1.1. Definiciones previas. 68 3.1.2. Criterios de clasificación. 69 3.1.3. Criterios de diseño. 69 3.1.3.1. Primera directriz: Captar el máximo de energía solar que podamos usar y convertirla en energía útil. 70 3.1.3.2. Segunda directriz: Consumir preferentemente la energía solar captada y acumulada. 70 3.2. CONFIGURACIONES BÁSICAS PARA LA CAPTACIÓN. 73 3.2.1. Configuración 1: Instalación por termosifón directa. 73 3.2.2. Configuración 2: Instalación por termosifón indirecta. 74 3.2.3. Configuración 3: Instalación por circulación forzada, directa. 75 3.2.4. Configuración 4: Instalaciones por circulación forzada indirectas con intercambiador de calor incorporado en el acumulador solar. 76 3.2.5. Configuración 5: Instalaciones por circulación forzada indirectas con intercambiador de calor independiente. 76 3.2.6. Elección de la configuración. 76 3.3. CONFIGURACIONES BÁSICAS DEL VASO DE EXPANSIÓN. 77 3.4. CONFIGURACIONES BÁSICAS DE LA ACUMULACIÓN Y EL APOYO. 78 3.4.1. Configuración 1: Sistema auxiliar en línea. 79 3.4.2. Configuración 2: Sistema auxiliar en depósito de acumulación. 79 3.4.3. Configuración 3: Sistema auxiliar con circuito independiente. 79 3.4.4. Elección de la configuración. 80 3.4.5. Configuraciones para conectar varios acumuladores. 80 3.4.6. Configuraciones adicionales de la acumulación. 81 3.5. CONFIGURACIONES DE LOS SISTEMAS DE DISTRIBUCIÓN DEL FLUIDO. 81 3.6. CONFIGURACIONES DEL APOYO EN LÍNEA. 82 3.7. CONFIGURACIONES BÁSICAS DE LA REGULACIÓN. 83 3.7.1. Regulación de la captación. 84 3.7.2. Regulación de la acumulación. 86 3.7.3. Regulación del sistema de apoyo en la acumulación. 87
4. DIMENSIONADO DE LAS INSTALACIONES SOLARES TÉRMICAS
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4.1. PROCEDIMIENTO GENERAL DE DIMENSIONADO. 4.2. DIMENSIONADO DEL DEPÓSITO DE ACUMULACIÓN.
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4.2.1. Volumen de acumulación para ACS. 4.2.2. Volumen de acumulación para calentamiento de piscinas. 4.2.3. Volumen de acumulación para calefacción. 4.2.4. Dimensionado del depósito secundario de acumulación. 4.3. DIMENSIONADO DE LA SUPERFICIE COLECTORA. 4.3.1. Relación entre volumen de acumulación y superficie colectora. 4.3.2. Diseño del campo de colectores. 4.4. DIMENSIONADO DEL INTERCAMBIADOR . 4.4.1. Intercambiador interior. 4.4.2. Intercambiador exterior. 4.5. DIMENSIONADO DE LAS TUBERÍAS.
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4.5.1. Determinación del caudal de la instalación. 4.5.2. Cálculo de la sección mínima de tubería. 4.5.3. Cálculo de las pérdidas totales de carga. 4.6. DIMENSIONADO DEL VASO DE EXPANSIÓN. 4.6.1. Vaso de expansión abierto. 4.6.2. Vaso de expansión cerrado. 4.7. DIMENSIONADO DE LAS BOMBAS DE CIRCULACIÓN. 4.8. DIMENSIONADO DEL AISLAMIENTO. 4.9. DIMENSIONADO DEL SISTEMA AUXILIAR DE CALENTAMIENTO. 4.9.1. Sistema auxiliar en línea. 4.9.2. Sistema auxiliar en depósito. 4.9.3. Tratamiento de la legionela. 4.10. DIMENSIONADO DE LOS ELEMENTOS AUXILIARES DEL CIRCUITO HIDRÁULICO. 4.10.1. Purgadores y desaireadores. 4.10.2. Válvulas. 4.11. MÉTODO F-CHART. 4.11.1. Estimación de Y 4.11.2. Estimación de X 4.11.3. Factores de corrección. 4.11.4. Estimación de Fcy y de Fcx.
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5. DOCUMENTACIÓN DE LA INSTALACIÓN
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5.1. PROYECTO TÉCNICO DE LA INSTALACIÓN.
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5.1.1. Instalaciones de menos de 200 m2 de superficie de captación. 5.1.2. Instalaciones de más de 200 m2 de superficie de captación. 5.2. COSTES ECONÓMICOS. 5.2.1. Costes de instalación. 5.2.2. Costes de funcionamiento. 5.2.3. Coste comparativo con otras fuentes de energía. 5.2.4. Coste de las instalaciones medianas y grandes. 5.3. ELABORACIÓN DE PRESUPUESTOS. 5.4. SUBVENCIONES A LAS INSTALACIONES. 5.5. MANUAL DE INSTRUCCIONES. 5.5.1. Características de funcionamiento. 5.5.2. Instrucciones de uso. 5.5.3. Instrucciones de seguridad. 5.5.4. Instrucciones de mantenimiento. 5.6. CONTRATO DE MANTENIMIENTO. 5.7. GARANTÍA DE LA INSTALACIÓN.
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1. Componentes de las instalaciones solares térmicas 1.1. Introducción. Una instalación solar térmica está constituida por un conjunto de componentes encargados de realizar las funciones de captar la radiación solar, transformarla directamente en energía térmica cediéndola cediéndola a un fluido de trabajo t rabajo y, por último almacenar dicha energía térmica de forma eficiente, bien en el mismo fluido de trabajo de los captadores, o bien transferirla a otro, para poder utilizarla después en los puntos de consumo. Dicho sistema se complementa con una producción de energía térmica por sistema convencional auxiliar que puede o no estar integrada dentro de la misma instalación. Los sistemas que conforman la instalación solar térmica para agua caliente son los siguientes: - Un sistema de captación formado por los colectores solares, encargado de transformar la radiación solar incidente en energía térmica de forma que se calienta el fluido de trabajo que circula por ellos. - Un sistema de acumulación constituido por uno o varios depósitos que almacenan el agua caliente hasta que se precisa su uso. - Un circuito hidráulico constituido constituido por tuberías, bombas, válvulas, etc., que se encarga de establecer el movimiento del fluido caliente hasta el sistema de acumulación. - Un sistema de intercambio que realiza la transferencia de energía térmica captada desde el circuito de colectores, o circuito primario, al agua caliente que se consume. - Un sistema de regulación y control que se encarga por un lado de asegurar el correcto funcionamiento funcionamiento del equipo para proporcionar la máxima energía solar térmica posible y, por otro, actúa como protección frente a la acción de múltiples factores como sobrecalentamientos del sistema, riesgos de congelaciones, etc. - Adicionalmente, se dispone de un equipo de energía convencional auxiliar que se utiliza para complementar la contribución solar suministrando la energía necesaria para cubrir la demanda prevista, garantizando la continuidad del suministro de agua caliente en los casos de escasa radiación solar o demanda superior al previsto. Ya hemos indicado que la una instalación solar térmica tiene habitualmente como mínimo dos circuitos: - El circuito primario o circuito hidráulico hidráulico es el encargado de captar la energía solar, transformarla en calor y trasladar la energía calorífica hasta un lugar de almacenamiento. - El circuito secundario es el circuito que toma el calor almacenado en el acumulador y lo conduce hasta los puntos de uso. Además de estos circuitos, la instalación puede disponer de otros circuitos en función de su diseño y aplicaciones.
1.1.1. El circuito primario. El circuito primario o circuito hidráulico es el encargado de captar la energía solar, transformarla en calor y trasladar la energía calorífica hasta un lugar de almacenamiento. A continuación mencionamos, de forma genérica, los componentes básicos del circuito primario. - Colectores. - Estructuras de soporte y anclaje de los colectores. - Conducciones. Conducciones. - Aislamiento. Aislamiento. - Bombas de circulación, - Sistemas de control. - Sistemas de protección. - Sistemas de llenado y vaciado del circuito. - Dispositivos de regulación de la circulación del fluido. - Intercambiad I ntercambiador. or. Normalmente, por el circuito primario circula líquido con ciertas propiedades térmicas, térmicas, que lo hace idóneo para aguantar altas y bajas temperaturas, pero que no es potable.
1.1.2. El circuito secundario. El circuito secundario es el circuito que toma el calor almacenado en el acumulador y lo conduce hasta los puntos de uso. A continuación mencionamos, de forma genérica, los componentes básicos del circuito secundario. - Conducciones. Conducciones. - Aislamiento. Aislamiento. - Depósito de almacenamiento. - Bombas de circulación. - Sistemas de protección. - Sistema de llenado y vaciado. - Dispositivos de regulación de la circulación del fluido. - Intercambiadores. Intercambiadores. - Sistema auxiliar de calentamiento. Normalmente, por el circuito secundario circula agua de consumo. En este caso, los elementos que lo componen deberán de cumplir, además de con las especificaciones propias de un circuito térmico, con los requisitos establecidos para circuitos hidráulicos que conduzcan agua de consumo humano.
1.2. El colector solar. Llamamos colector o captador solar térmico al sistema capaz de transformar la irradiación solar incidente en energía térmica, que podremos aprovechar para nuestro uso. Independientemente del rango de temperaturas con el que estemos trabajando.
La variedad existente de colectores solares es enorme, en este tema hablaremos fundamentalmente del colector solar plano de baja temperatura, aunque es necesario decir que, incluso de solamente de este tipo, existe una enorme variedad de diseños. Nos interesará representar simbólicamente los elementos de una instalación solar, porque esto nos permitirá realizar esquemas explicativos referentes al funcionamiento de sus elementos y de los sistemas que estos elementos conforman.
1.2.1. Tipos de colectores solares de baja temperatura. Los colectores solares de baja temperatura se caracterizan por que carecen de cualquier tipo de sistema de concentración de la irradiación solar incidente, captan tanto la irradiación directa como la difusa, no disponen de ninguna forma de seguimiento de la posición del sol, a lo largo del día, generalmente utilizan como fluido térmico una mezcla de agua y anticongelante y su rango de funcionamiento está entre los 40 ºC y 120 ºC. El fin para el que va ha estar destinado el colector solar va a hacer que tenga unas características muy determinadas, y esto nos permitirá hacer algunas distinciones entre unos colectores y otros. Así, si bien el principio que rige su funcionamiento es el mismo para todos los colectores, el rendimiento rendimiento que queremos sacarle, y el precio que lo hace rentable para una aplicación determinada, dará lugar, por ejemplo, al uso de colectores sin carcasa, cubiertas y aislamientos, como son los que se utilizan en climatización de piscinas. Los materiales que los componen también pueden variar considerablemente, considerablemente, pues nos interesa siempre ajustarnos lo más posible a un rendimiento máximo en las condiciones que presente nuestro caso particular por un coste mínimo. Nuestra instalación no va a ser efectiva si tenemos que reemplazar un colector, o alguno de sus componentes, antes de que finalice la vida normal de este, que es de, cómo poco, unos quince años; el gasto que nos supondría él tener que hacerlo no nos permitiría decir que la instalación del sistema de baja temperatura ha sido rentable. Debemos tener muy en cuenta, que muchos de los defectos y accidentes relativos a los colectores pueden ser evitados con una buena elección de los materiales utilizados y un correcto montaje. La conversión de la irradiación solar en energía térmica lleva asociadas unas pérdidas por irradiación, conducción y convección, cuyo efecto es la progresiva disminución disminución del rendimiento a medida que aumenta la diferencia de temperatura entre la placa absorbedora y el ambiente, según se expresa en la ecuación característica del colector, como veremos posteriormente. posteriormente. Para hacernos una primera idea general, presentamos a continuación algunos de los diferentes tipos de colectores solares de baja temperatura más utilizados.
COLECTOR RANGO T (ºC) Sin cubierta 10-40 Cubierta simple 10-60 Cubierta doble 10-80 Superficie selectiva 10-80 Tubos de vacío 10-130 Colector parabólico compuesto CPC 10-130
1.2.1.1. Colectores sin cubierta. Los colectores solares para calefacción de piscinas están hechos de materiales plásticos resistentes a los rayos UV del sol y se instalan sin cubierta, normalmente encima del techo de algún edificio próximo a la piscina. Básicamente consisten en placas de polipropileno flexible, muy ligeras, resistentes y duraderas extendiéndose extendiéndose en zonas expuestas al sol. Por dentro de ellas ellas circula a través de unos pequeños conductos la misma agua de la piscina. El agua de la piscina circula gracias a una pequeña bomba Generalmente los cambios que deben realizarse para adaptar los colectores a una instalación son sencillos. Necesitan un mantenimiento mínimo, ya que no hay riesgo r iesgo de corrosión, y son muy ligeros y baratos. Aunque su rendimiento es más bien bajo.
1.2.1.2. Colectores planos con cubierta. Los colectores solares planos de baja temperatura con cubierta son básicamente una caja herméticamente herméticamente cerrada y térmicamente térmicamente aislada, que dispone de una pared transparente, que es la que se orienta al sol, para permitir que la irradiación solar incida sobre la superficie captadora. La caja actúa como una trampa de energía solar ya que permite su entrada pero dificulta su salida, es decir, que utiliza en su funcionamiento el efecto invernadero. Los rayos solares, atraviesan la cubierta, incidiendo en la placa absorbedora. Esta tiene la característica de absorber al máximo estos rayos, pues es de color negro y su superficie refleja un mínimo de energía. La energía absorbida se transforma en calor que es cedido a su vez al caloportador o fluido de trabajo, que es el encargado de recoger y transmitir la energía captada por el colector en el absorbedor. Los rayos que no han sido absorbidos por la placa absorbedora, se quedan atrapados dentro de la carcasa, debido al efecto invernadero, con lo que la temperatura del aire del interior del colector aumenta, lo que contribuye a que las perdidas de calor por conducción, convección y irradiación no sean muy grandes, pues estas dependen de la diferencia de temperaturas temperaturas entre un cuerpo y su entorno, y propiciando el efecto invernadero hemos conseguido que esta diferencia sea menor.
1.2.1.3. Equipos compactos. Los equipos compactos son un tipo especial de colector solar plano de baja temperatura, en el que el depósito de acumulación está integrado en el sistema. Son muy útiles para realizar instalaciones sencillas unifamiliares.
1.2.1.4. Colectores de vacío. Los colectores de vacío encuentran su principal aplicación en los sistemas de temperaturas intermedias (sistemas de acondicionamiento acondicionamiento de aire, procesos industriales, industriales, etc.) y en lugares fríos con diferencias elevadas elevadas entre la temperatura del colector y la del ambiente; donde la mejora del rendimiento del sistema puede compensar el aumento de coste debido a su utilización. El vacío no solo contribuye a la reducción de pérdidas, sino también a minimizar la influencia de las condiciones climáticas (condensación, humedad, etc.) sobre los materiales empleados, empleados, evitando su rápido deterioro y mejorando así la durabilidad y el rendimiento global del sistema. Debido a la presión atmosférica, que produciría fuerzas muy grandes al aplicarse a toda la superficie de la cubierta, y a los problemas técnicos relacionados con el sellado de la carcasa del colector, la construcción de un colector de vacío con la forma de uno convencional de placa plana, entraña gran dificultad. Sin embargo, la técnica de vacío utilizada por los fabricantes de tubos fluorescentes, entre otros, se ha desarrollado hasta el punto de hacer rentable la producción en masa y la comercialización de sus equipos. Colectores de vacío con tubo de calor (heat pipe) es un tubo con alta conductividad usado como disipador en el extremo superior de calor captado de la irradiación solar en el extremo inferior. Consiste en un tubo cerrado por ambos extremos en cuyo interior hay un fluido a una presión adecuada para que se evapore y condense en un rango determinado de temperatura. Al aplicarle calor en un extremo se evapora el líquido de ese extremo y se desplaza al otro lado, ligeramente más frío, condensándose y transfiriéndole el calor. El líquido retorna debido a la acción de la gravedad y el ciclo de evaporación-condensación se repite.
1.2.1.5. Colectores parabólicos compuestos. Los colectores de tubo de vacío incrementan su eficiencia a través del CPC, (compound, parabolic, concentrador), concentrador), un espejo en forma de hoja metálica, altamente reflectante reflectante que se coloca en la parte posterior de los tubos y que permite captar tanto las radiaciones directas como difusas, cayendo sobre el absorbedor incluso cuando el ángulo de incidencia no es el ideal. Este efecto incrementa notablemente la captación energética. La irradiación solar que entra a un colector concentrador concentrador a través de una superficie determinada es reflejada, refractada o absorbida por una superficie menor, para luego ser transformada en energía térmica. Esto no ocurre en el colector plano donde la
transformación de la energía solar en energía térmica se efectúa en la misma superficie que recibe la irradiación. La ventaja importante de este tipo de colector es ante todo la reducción de las pérdidas térmicas en el receptor, pues al ser éste de menor superficie habrá menos área para la irradiación del calor y por lo tanto el líquido que circula por el receptor puede calentarse a mayores temperaturas con un rendimiento razonable y a un costo menor. Claro está que las reflexiones y refracciones extras de la irradiación solar hacen aumentar las pérdidas ópticas y entonces las curvas representativas del rendimiento, parten de ordenadas en el origen menores que las de un colector plano, pero no tienen la pendiente pronunciada, característica de estos últimos.
1.2.2. Aspectos que influyen en la captación. Los colectores solares han de situarse de forma que aprovechen al máximo la irradiación solar disponible. Para que esto sea así, a la hora de realizar un montaje correcto, tendremos muy en cuenta la orientación y la inclinación en que los fijaremos, como ya se indicaba en la lección correspondiente. Pero hay dos factores específicos que influyen de manera decisiva en la captación de los colectores solares: - El salto térmico entre la temperatura que queremos alcanzar alcanzar y la de partida. - La temperatura ambiente.
1.2.2.1. El salto térmico. Evidentemente Evidentemente la temperatura de agua en la red de distribución tiene un peso importante en el rendimiento del colector solar, ya que no es lo mismo tener que elevar la temperatura del agua de 15º hasta 45 ºC, que tener que hacerlo de 5º a 45 ºC. En el segundo caso el colector tiene que suministrar un 25% más de energía para realizar la misma función. La diferencia de temperatura, entre la que tiene el agua de la red de distribución y a la que hay que elevarla para su uso, es lo que denominamos salto térmico. Además hay que considerar que el líquido caloportador evacua su calor, a través del intercambiador intercambiador de calor, en el agua que entra de la red de abastecimiento. Cuando comienza el proceso si la temperatura ambiente se aproxima mucho a la del agua en la red el rendimiento es muy alto. De aquí la importancia de conocer la temperatura del agua en la red de abastecimiento.
1.2.2.2. La temperatura ambiente. En el rendimiento rendimiento del colector solar plano, tiene una gran importancia la temperatura que alcanza la superficie captadora iluminada por la irradiación solar, ya que esta temperatura influirá de manera notable en el rendimiento del colector.
Todos los cuerpos emiten irradiación infrarroja, en mayor o menor medida dependiendo de su temperatura, que es lo que nos permite ver en la oscuridad total utilizando cámaras de visión térmica, como estamos habituados a ver en las películas. Puede llegar a pasar que la temperatura de la superficie de captación de nuestro colector llegue a ser suficientemente alta como para que emita tanta energía como la que recibe, lo que producirá que al final no captemos nada de energía. Por esta razón deberemos realizar muchos esfuerzos en el diseño de las máquinas solares térmicas para que pierdan la mínima energía posible por emisión de irradiación. Normalmente la temperatura de la placa captadora de nuestro colector solar es mucho más elevada que la temperatura ambiente por lo que, sin tener en cuenta otros factores, esto provoca que se pierda una cantidad importante de energía hacia el exterior en forma de irradiación. Por el contrario, si la temperatura ambiente, exterior al colector, es más alta que la de la placa captadora penetrará energía en el colector, con lo que aumentará su captación.
1.2.3. Rendimiento de un colector solar. El concepto de rendimiento de una máquina térmica es perfectamente aplicable a un colector solar que al fin y al cabo es también una máquina térmica como cualquier otra. En concreto la ecuación del rendimiento del colector solar viene dada por la las siguientes ecuaciones.
1.2.3.1. Ecuación de primer orden del rendimiento. Pero la forma anteriormente indicada del rendimiento puede no ser muy práctica por diversos motivos, por lo que utilizaremos una primear forma de expresar el rendimiento, que nos resultará más útil para nuestro trabajo cotidiano, que es la denominada ecuación de primer orden del rendimiento: η= Gm – {Fg * (Up*[(Tm-T a)/I])}
Gm La llamaremos factor de rendimiento máximo, también se la llama ganancia máxima del colector o factor de ganancia óptica, y representa el origen de la curva de rendimiento en el eje de ordenadas. El rendimiento máximo de un colector puede variar entre el 70 % y el 83 % cuando el colector recibe la irradiación de forma totalmente perpendicular. Fg, es el factor de ganancia del colector y que viene dado en tantos por 1, es un parámetro adimensional adimensional que indica la relación entre la energía captada por el colector y la que captaría si la temperatura de la placa de captación fuera la igual a la del fluido termocalórico a la entrada de la placa. Este parámetro debe ser suministrado por el fabricante o el organismo homologador del colector.
Up es el coeficiente global de perdidas del colector en W/m2.ºC, es un parámetro que en las instalaciones destinadas exclusivamente a producir agua caliente sanitaria, calentamiento de piscinas, precalentamiento de agua de aporte de procesos industriales, calefacción por suelo radiante o fan-coil u otros usos a menos de 45 ºC, debe estar comprendido entre 3 W/m2.ºC y 10 W /m2.ºC. Tm es la temperatura media del fluido caloportador en ºC. Ta la temperatura ambiente en ºC, la podemos obtener de las tablas de temperatura media diaria en horas de sol, que es cuando trabaja nuestro colector. I la irradiancia solar incidente en W/m2 . La irradiancia utilizada depende de los parámetros utilizados para la homologación. Cuando en la segunda parte de la ecuación esta parte la temperatura de entrada del líquido caloportador caloportador es igual a la temperatura ambiente, ambiente, toda la parte se anula, con lo que el rendimiento del colector es máximo (coincide con el valor del factor de rendimiento máximo). Cuando la temperatura del liquido es muy elevada llega un momento que las perdidas por diversos motivos se igualan con las ganancias en la ecuación del rendimiento y este se hace cero.
1.2.3.2. Ecuación de segundo orden del rendimiento. La curva real de rendimiento rendimiento de un colector solar no es tan recta como nos muestra la ecuación de primer orden y muchos fabricantes prefieren utilizar la ecuación de segundo orden, que se aproxima mejor al comportamiento real del colector solar plano y además es la que se utiliza en los colectores de vació. La determinación del rendimiento del colector puede hacerse mediante la ecuación: η= η ο −[ k1 * (T m - Ta) / I ] – [ k2 * (Tm - Ta )2 / I ] η es rendimiento final del colector. ηο es rendimiento óptico del colector, dado por el fabricante y que anteriormente
llamamos Gm. k1 es coeficiente coeficiente de pérdidas de calor por conducción, también también llamado factor de perdida calórica simple, viene dado por el fabricante, su valor suele rondar los 4 W/m2.ºK. k2 es coeficiente de pérdidas de calor por irradiación y convección, también llamado factor de perdida calórica cuadrática, viene dado por el fabricante, su valor suele rondar los 0,02 W/m 2.ºK2. Tm es la temperatura media del fluido caloportador en el colector en ºC. Ta es la temperatura ambiente en ºC.
I es la irradiación solar incidente, hemos considerado 1000 W/m 2.
1.2.4. Montaje de los colectores. El montaje de los colectores es una de las operaciones más importantes en una instalación de energía solar. El óptimo funcionamiento de cualquier instalación dependerá en alto grado de ello. Para satisfacer nuestras necesidades, necesidades, quizá un colector no sea suficiente y, aunque hasta ahora no hemos hecho ninguna mención al respecto, podemos conectar varios colectores entre sí para conseguir una “superficie colectora” que sí sea capaz de cumplir nuestro objetivo. La mayoría de las instalaciones solares cuentan con superficies colectoras formadas por un número variable de colectores. Se recomienda que los colectores que integren la instalación sean del mismo modelo, tanto por criterios energéticos como por criterios constructivos. constructivos. A la hora de conectar varios colectores entre sí, para conseguir la superficie colectora colectora necesaria, podemos optar por conectarlos en serie, en paralelo u optar por un sistema mixto: El conexionado en serie conduce a un mayor aumento de la temperatura del fluido de trabajo, por lo que este conexionado disminuye el rendimiento de la instalación. Conexionado en paralelo. El conexionado en paralelo permite calentar una cantidad de fluido de trabajo proporcional al número de colectores sin pérdidas de rendimiento. rendimiento. Conexionado mixto. Hay dos opciones posibles. A la hora de elegir una configuración para conseguir nuestra superficie captadora nos ajustaremos a lo siguiente: - El diseño tiene que permitirnos montar y desmontar los colectores, por lo que se deben instalarse válvulas de cierre, en la entrada y salida de las distintas baterías de colectores. - Si fuera necesario, las baterías de colectores podrán conectarse entre sí en paralelo, en serie o en serie-paralelo (al igual que conectamos colectores, podemos conectar baterías de colectores). - En la conexión en serie conseguimos una mayor temperatura de trabajo, pues el agua calentada por un colector pasa al siguiente y sigue calentándose. Optaremos por utilizar esta opción solo cuando sea primordial trabajar con temperaturas altas, pues el rendimiento de los colectores disminuye considerablemente considerablemente con la temperatura. (En dos colectores conectados en serie, se produce una disminución del rendimiento del segundo con respecto al primero del orden del 10 %). De todas formas, se recomienda una temperatura máxima de trabajo de 60 ºC. - La conexión en paralelo provoca un aumento de caudal, con lo que la tubería a utilizar será de mayor diámetro. Asimismo la instalación debe contar con un número mayor de accesorios, lo que la hace más cara.
- Tendremos muy en cuenta las limitaciones del fabricante a la hora de decidir el número de colectores que se pueden conectar en paralelo. La experiencia demuestra que este número puede llegar hasta 10. - La longitud de las conducciones será lo más reducida posible. Las tuberías exteriores que conectan a los colectores se dispondrán horizontalmente horizontalmente con una ligera pendiente ascendente, en el sentido de avance del fluido (Valor del 1 %). - Tendremos muy en cuenta los efectos de la dilatación a la hora de realizar las conexiones de los colectores. Usaremos para ello en las conexiones materiales que absorban esta dilatación o instalaremos sistemas que lo hagan. - Los materiales de la instalación deben soportar las máximas temperaturas y presiones que puedan alcanzarse. Consideraremos como temperatura máxima a soportar los 150 ºC. - Cuando en el trazado del circuito sea imprescindible utilizar materiales diferentes, especialmente especialmente cobre y acero, tendremos que evitar la corrosión que se puede producir; por eso, en ningún caso estarán en contacto y situaremos entre ambos juntas o manguitos dieléctricos. De todas formas, en todos los casos es aconsejable prever la protección catódica del acero.
1.2.4.1. Conexionado con retorno invertido. Como ya se ha indicado, para la distribución uniforme del fluido de trabajo es preciso además, que la conexión entre sí de las baterías de colectores ofrezca igual recorrido hidráulico en todos ellos debiendo quedar esto plasmado en el esquema de conexionado. Se denomina a este diseño “retorno invertido”. Se recomienda utilizar el retorno invertido frente a la instalación de válvulas de equilibrado, para simplificar la instalación. Conexionado incorrecto. incorrecto. El recorrido hidráulico de los colectores es distinto. Esto provocara que el fluido de trabajo no se reparta uniformemente, uniformemente, a no ser que instalemos algún sistema de válvulas que lo regule. Conexionado correcto. El recorrido hidráulico en todos los colectores es el mismo; al seguir el principio del retorno invertido, el sistema esta equilibrado. A la hora de realizar el conexionado con retorno invertido deberemos deberemos tener en cuenta lo siguiente: - La longitud de las conducciones será lo más reducida posible. - El diseño tiene que permitirnos montar y desmontar los colectores. - Se debe prestar especial atención en la estanqueidad y durabilidad de las conexiones del colector.
1.2.4.2. Conexionado con válvulas de equilibrado. La importancia del equilibrado hidráulico de los circuitos para el funcionamiento correcto de las unidades terminales y de los lazos de control, así como a efecto de ahorro de energía, está reconocido y ampliamente comentado en la literatura
especializada. Pero a pesar de utilizar el retorno invertido, en muchas ocasiones no conseguimos un equilibrado adecuado.
1.3. Estructura soporte de los colectores. Cuando ya sepamos la orientación e inclinación que tenemos que darles a nuestros colectores, y hayamos determinado para ellos una ubicación en la que no se produzcan sombras, tendremos que montarlos mediante un sistema de sujeción y anclaje adecuados. La solución propuesta deberá cumplir, por orden de importancia: - Que sea suficientemente segura. - Que su costo sea lo más bajo posible. - Rapidez y sencillez en el montaje. Para ello se han de considerar los siguientes aspectos: - La estructura soporte de colectores deberá resistir, con los colectores instalados, instalados, las sobrecargas del viento y nieve. - La estructura y el sistema de fijación de colectores, permitirán las necesarias dilataciones dilataciones térmicas, sin transmitir cargas que puedan afectar a la integridad de los colectores o el circuito hidráulico. - Los puntos de sujeción del colector serán suficientes en número, teniendo el área de apoyo y posición relativa adecuada, de forma que no se produzcan flexiones en el colector superiores a las permitidas por el fabricante. - El diseño de la estructura se realizará para la orientación y el ángulo de inclinación calculado para el colector y teniendo en cuenta la facilidad de montaje y desmontaje. - Los topes de sujeción de colectores y la propia estructura no arrojarán sombra sobre los colectores. Los soportes de sujeción de los colectores presentan muchas veces un inconveniente importante: los fabricantes los construyen con inclinaciones fijas, normalmente de 45º. Esto introduce el problema de que los colectores no se adaptan perfectamente a la inclinación más idónea. Hay en el mercado soportes con inclinación ajustable que, aunque son más caros y menos resistentes, permiten ajustar mejor la inclinación de nuestros colectores.
1.4. Las conducciones. Las conducciones son los elementos del circuito a través de los cuales, el fluido de trabajo circula. Las conducciones permiten la comunicación entre los colectores solares y el intercambiador de calor, y permiten la correcta circulación del fluido de trabajo entre unos y otro. También se utilizan en el resto de la instalación para la conducción del ACS o del fluido de calefacción.
1.4.1. Pérdidas de carga. Al circular un fluido por el interior de una tubería, se produce una pérdida de energía del fluido, a esta pérdida de energía la denominaremos pérdida de carga. Esto sucederá evidentemente al fluido de trabajo en el interior de las conducciones del circuito, nosotros debemos conocer estas pérdidas de carga, porque ellas afectarán al caudal que circule por las conducciones, y el caudal del fluido de trabajo dentro de las tuberías del circuito puede oscilar únicamente dentro de un rango de valores muy concreto. Las pérdidas de carga en un tramo recto de conducción dependen de la longitud de la tubería, del diámetro del tubo, de la velocidad y densidad del fluido, y de un coeficiente de rozamiento que depende de la rugosidad de la superficie interior de la conducción. A esto hay que añadir pérdidas de carga locales que se producen en cambios bruscos de sección, en cambios bruscos de dirección, en válvulas, bombas, etc.
1.4.2. Materiales empleados. Los materiales usados en este tipo de instalaciones suelen ser los mismos que se usan en calefacción y fontanería en general. Los materiales más utilizados son los siguientes: - El Cobre, que es posiblemente el material más aconsejable, ya que sus características frente a la corrosión, su maleabilidad y ductilidad y su coeficiente de rozamiento de pérdida de carga lo hace un material técnicamente idóneo, además de que su precio es muy competitivo. competitivo. - El acero galvanizado, aunque no es muy recomendable su uso en circuitos primarios, pues sufre grandes deterioros a temperaturas superiores a los 65 ºC. - Las tuberías de plástico, que tienen cualidades muy semejantes a las de cobre. Existe gran cantidad de materiales en el mercado y hay que conocer bien sus límites de aplicación. Para representar simbólicamente las conducciones, utilizaremos líneas de trazo continuo. Las flechas sobre estas líneas indican el sentido de circulación del fluido en el interior de las conducciones. El sistema de tuberías y sus materiales deben ser tales que no exista posibilidad de formación de obturaciones o depósitos de cal para las condiciones de trabajo. Con objeto de evitar pérdidas térmicas, la longitud de tuberías del sistema deberá ser tan corta como sea posible y evitar al máximo los codos y pérdidas de carga en general. Los tramos horizontales tendrán siempre una pendiente mínima del 1% en el sentido de la circulación.
1.4.3. El aislamiento. Para que la instalación funcione con un buen rendimiento, el aislamiento es un elemento fundamental. El aislamiento se aplica básicamente en cuatro componentes de la instalación; instalación; las tuberías, el acumulador, el intercambiador intercambiador y la parte posterior de los colectores. Existen múltiples materiales disponibles comercialmente, que se utilizan como aislantes. Todos ellos deben tener una serie de características que los hacen aptos para esta función: - Poseen un bajo coeficiente de conductividad térmica. - El precio del material más su instalación debe ser bajo. - Su colocación debe ser relativamente sencilla. - No será corrosivo para las superficies con las que esté en contacto. - Resistirá la gama de temperaturas de trabajo del sistema, y será ignifugo. - El material será estable y no se enmohecerá. - Tendrá una buena resistencia mecánica y un peso especifico bajo. El aislamiento no dejará zonas visibles de tuberías o accesorios, quedando únicamente al exterior los elementos que sean necesarios para el buen funcionamiento y operación de los componentes. Los aislamientos empleados serán resistentes a los efectos de la intemperie, pájaros y roedores. El aislamiento térmico de tuberías y equipos deberá instalarse solamente después de haber efectuado las pruebas de estanqueidad estanqueidad del sistema y haber limpiado protegido las superficies de tuberías y aparatos. Para tuberías y accesorios situados situados al exterior, los valores anteriores se incrementarán en 10 mm como mínimo. Para la protección del material aislante situado situado en intemperie se podrá utilizar una cubierta o revestimiento de escayola protegido con pinturas asfálticas, poliésteres reforzados con fibra de vidrio o chapa de aluminio. En el caso de depósitos o cambiadores de calor situados en intemperie, podrán utilizarse forros de telas plásticas. El material aislante se sujetará con medios adecuados, de forma que no pueda desprenderse de las tuberías o accesorios. El aislamiento no dejará zonas visibles de tuberías o accesorios, quedando únicamente al exterior los elementos que sean necesarios para el buen funcionamiento y operación de los componentes.
1.5. El fluido de trabajo. Definíamos al fluido de trabajo o fluido caloportador como el encargado de absorber la energía térmica del colector y transportarla hasta los puntos de uso o hasta el intercambiador.
Los fluidos más usados para este fin son el agua y la mezcla de agua con anticongelante, pero se pueden utilizar otros. Nosotros trataremos los siguientes: - Agua. - Agua con anticongelante. - Otros: Líquidos orgánicos sintéticos o derivados del petróleo, aceites de silicona, etc. El fluido portador se seleccionará de acuerdo con las especificaciones del fabricante de los colectores. Independientemente de las características del fluido caloportador, este debe ser sustituido cada 5 años como máximo, ya que en caso contrario se pueden producir problemas de funcionamiento en la instalación.
1.5.1. Agua. Puede interesarnos calentar calentar agua sanitaria (la del grifo) o agua de una piscina. Si en nuestra instalación no disponemos de intercambiador, no podremos añadir anticongelantes al agua, así que esta tendrá que ser nuestro fluido de trabajo. En el caso de que utilicemos en el circuito agua que después vayamos a consumir, utilizaremos únicamente elementos y materiales permitidos para la circulación de agua potable. (Algunas legislaciones no permiten esto). De cualquier manera, serán determinantes determinantes a la hora de elegir materiales los efectos que el agua pueda tener sobre ellos.
1.5.2. Agua con anticongelante. anticongelante. Al añadir el anticongelante anticongelante al agua, cambiarán las características de nuestro fluido de trabajo: - Los anticongelantes son en general tóxicos, por lo que serán necesarios en los casos en que calentemos agua de consumo el circuito primario y el secundario para que no se mezcle el agua con anticongelante con el agua de consumo. - A efectos de cálculo, habrán variado la viscosidad, el coeficiente de dilatación y el calor especifico del fluido, y habrá que tenerlo todo en cuenta. - Los anticongelantes anticongelantes se pueden degradar, y pueden generar productos corrosivos para el sistema. Suelen ser sustancias que se degradan al elevarse la temperatura. Se dice por ello que son inestables. inestables.
1.5.3. Otros fluidos. Los puntos que acabamos de reseñar para el agua con anticongelante son igualmente validos para los fluidos orgánicos, exceptuando el de la estabilidad, pues este tipo de
fluidos sí es estable a temperaturas elevadas. Pero estos fluidos, en general, son inflamables, por lo que presentan un riesgo adicional. Existen multitud de productos en el mercado, que se pueden utilizar en distintos intervalos de temperaturas, y con características diferentes, y que por ello se ajustaran mejor o peor a nuestro caso particular. En cuanto a otras sustancias, como por ejemplo aceites de siliconas, podemos decir que su calidad es bastante elevada, son estables, no son tóxicos ni son inflamables. Ejemplo. A continuación presentamos un ejemplo de fluido caloportador comercial: CARACTERÍSTICAS DEL SOLARFLUID -38: - Concentración propilénglicol en la solución 57 %. - Punto de ebullición entre +150ºC. - Punto de congelación a –38ºC. - Totalmente biodegradable. biodegradable. - Evita los positos de barros en el circuito refrigerante. - Líquido de detección de fugas. - Disponible en color rosa. - Disponible en formatos de 5L, 25L, 200L y 1000L. - Normativas que cumple: ASTMD 3306, SAE J 1034, BS 6580, INTA 157413, UNE 26-361, MIL-A-46153C.
1.5.4. La temperatura de trabajo y el caudal de trabajo. Sabemos ya que los colectores solares absorben energía de la radiación solar, la transforman en energía calorífica y la transmiten al fluido de trabajo, que es el encargado de transportarla. transportarla. Este fluido, al absorber energía calorífica aumenta su temperatura. En el punto donde cede la energía calorífica su temperatura disminuye, disminuye, para así volver a comenzar el ciclo. Si la temperatura que alcanza el fluido de trabajo es demasiado alta, el rendimiento del sistema es muy bajo, y además los elementos de la instalación no están preparados para aguantar temperaturas de trabajo muy altas (para que lo estuvieran, tendríamos que utilizar otros materiales, lo que encarecería la instalación y no sería rentable). Si la temperatura que alcanza el fluido es demasiado baja, en el punto en el que necesitamos necesitamos la energía calorífica, no tendremos la energía que ceder suficiente, suficiente, pues la cantidad de calor que podemos ceder depende, entre otras cosas, de la diferencia de temperaturas entre el fluido y el punto donde la cedemos. Así, nuestro fluido caloportador debe trabajar a una temperatura situada dentro de un rango adecuado. Este rango de temperaturas dependerá del tipo de instalación con el que
estemos trabajando (lógicamente no es el mismo para climatización de piscinas que para procesos industriales). industriales). El que el fluido de trabajo alcance mayor o menor temperatura dependerá, lógicamente de las características del fluido, de su calor especifico y del tiempo que esté en el interior de los colectores. Como el fluido esta continuamente en movimiento en el interior del circuito, el tiempo que estará en el interior de los colectores dependerá dependerá de su velocidad. Se ha determinado que la velocidad máxima recomendada para el fluido de trabajo en el circuito primario es de 1,5 m/s. Introducimos aquí el concepto de caudal de trabajo. Para un colector dado, con un diámetro de tubería determinada, a mayor caudal, mayor velocidad del fluido y por lo tanto menor tiempo dentro del colector y temperatura de trabajo mas baja. A menor caudal, menor velocidad del fluido dentro del colector y por lo tanto mayor tiempo en el interior del colector y temperatura de trabajo más alta. El caudal de trabajo es el caudal para el que el fluido caloportador alcanza una temperatura de trabajo comprendida dentro del rango de valores deseado.
1.6. Bombas o electrocirculadores. Nosotros queremos que el fluido caloportador este en circulación en el interior del circuito. Y acabamos de ver, que al producirse esta circulación, se produce una pérdida de carga; el fluido pierde energía al rozar con las tuberías. ¿Cómo haremos para que esta pérdida de energía no acabe por detener el movimiento del fluido? El diseño de la instalación puede favorecer el efecto termosifón, y el hecho de que el agua caliente tienda a colocarse encima del agua fría, puede ser suficiente como para dotar al fluido del movimiento necesario. Sin embargo el efecto termosifón se produce en condiciones muy concretas y estas no siempre se darán en nuestras instalaciones. En los casos en que estas condiciones no se den, tendremos que suministrar de alguna forma energía al fluido para que este siga en movimiento, conseguiremos esto con una bomba o electrocirculador. electrocirculador. De esta forma, la energía suministrada al fluido por la bomba, le permitirá vencer la resistencia que encuentra encuentra al circular por las tuberías del circuito. Por norma, en instalaciones instalaciones que cuenten con más de 10 m2 de captación correspondiendo a un solo circuito primario, éste será de circulación forzada. El electrocirculador electrocirculador en el circuito primario se debe de colocar a la salida del acumulador, donde el líquido caloportador está más frío, a ser posible en la parte baja en tramos de tubería vertical, para reducir sus esfuerzos, pero sin estar en la parte inferior del todo para evitar daños por residuos. El electrocirculador en el circuito secundario solamente se aplica en el caso de instalaciones que dispongan de un sistema de recirculación para evitar las pérdidas de agua mientras el ACS alcanza la temperatura adecuada. En este caso se debe colocar en
la zona de retorno al acumulador, donde el agua está más fría, a ser posible en la parte baja en tramos de tubería vertical, para reducir sus esfuerzos, pero sin estar en la parte inferior del todo para evitar daños por residuos. Siempre que sea posible, las bombas en línea se montarán en las zonas más frías del circuito, teniendo teniendo en cuenta que no se produzca ningún tipo de cavitación y siempre con el eje de rotación en posición horizontal. En instalaciones superiores a 50 m² se montarán dos bombas idénticas en paralelo, dejando una de reserva, tanto en el circuito primario como en el secundario. Los materiales de la bomba del circuito primario serán compatibles con las mezclas anticongelantes y en general con el fluido de trabajo utilizado. Cuando las conexiones de los colectores son en paralelo, el caudal nominal será el igual caudal unitario de diseño multiplicado por la superficie total de colectores en paralelo. Potencia eléctrica máxima de la bomba - Sistema pequeño - 50 W o 2% de la mayor potencia calorífica que pueda suministrar suministrar el grupo de colectores. - Sistemas grandes - 1 % de la mayor potencia calorífica calorífica que puede puede suministrar el grupo de colectores
1.6.1. Curva característica de un electrocirculador. electrocirculador. La energía que el electrocirculador electrocirculador será capaz de comunicar al fluido de trabajo, vendrá determinada evidentemente por la potencia del motor; Esta energía se utiliza en producir un caudal determinado, y en vencer la pérdida de carga del circuito. La energía utilizada en ello nunca podrá ser mayor que la energía que el motor nos puede suministrar. Si nosotros queremos que el electrocirculador electrocirculador “mueva” mucho caudal, no podrá dedicar mucha energía a vencer las pérdidas de carga: Sin embargo, si queremos que salve un valor muy grande de pérdidas de carga, no podrá hacerlo con mucho caudal. El hecho anterior da lugar a lo que conocemos como curva característica de trabajo del electrocirculador. electrocirculador. El electrocirculador es capaz de vencer una pérdida de carga determinada para cada caudal, o visto al revés, el electrocirculador es capaz de mover un caudal determinado para una pérdida de carga dada. Para saber en que punto de la curva va a trabajar nuestro electrocirculador, dibujaremos dibujaremos la curva característica de caudal-pérdida de carga de nuestra instalación; esto es, trazaremos una curva que refleje los valores de las pérdidas de carga que se producen en el circuito primario en función del caudal que circula por él. El punto donde se corten la curva de trabajo del electrocirculador electrocirculador y la curva característica de la instalación nos dará el valor de caudal de trabajo y las pérdidas de carga que podremos vencer con ese electrocirculador.
1.6.2. Conectado de electrocirculadores. electrocirculadores. Para producir la circulación forzada en el circuito, generalmente colocaremos un único electrocirculador: Sin embargo a veces, será necesario que coloquemos más de uno de ellos, conectándolos conectándolos en serie o en paralelo. Conexión en serie y en paralelo de dos bombas; La conexión en serie produce un aumento considerable en la energía utilizada para vencer las pérdidas de carga, y una variación muy pequeña de caudal. La conexión en paralelo produce un gran aumento en el caudal que circula por el circuito, pero apenas aumenta la energía que se puede usar para vencer resistencias. resistencias.
1.7. El deposito de almacenamiento. En la introducción de la lección comentábamos la necesidad que podíamos tener de utilizar energía calorífica fuera de los periodos de radiación, y nombrábamos como posible solución acumular esta energía.
1.7.1. Formas de acumulación de la energía calorífica. Las aplicaciones para las que se destine la instalación determinará el tipo de almacenamiento almacenamiento que utilizaremos. A pesar de esto, hay una serie de requisitos r equisitos que deberá cumplir cualquier tipo de sistema de almacenamiento que utilicemos: - Alta capacidad de acumular calor. - Volumen reducido. - Temperatura de trabajo acorde con la aplicación de la instalación. - Rápida respuesta a la demanda. - Integración del sistema en el edificio. - Seguridad, larga duración y bajo coste. Los sistemas mas utilizados para acumular calor utilizan propiedades de la materia como son la capacidad calorífica (calor sensible) o el calor latente.
1.7.1.1. Almacenamiento por calor sensible. La capacidad calorífica de un material es la cantidad de calor que absorbe una unidad de masa para elevar en un grado su temperatura. Lógicamente, si su temperatura desciende un grado, cederá esa misma cantidad de calor. Nosotros aprovecharemos esta propiedad para almacenar calor, que después utilizaremos en nuestra instalación. Elevaremos la temperatura de una determinada masa de una sustancia (como piedras, agua, etc.) y permitiremos que su temperatura descienda, cediéndonos calor, en los momentos en que lo necesitemos.
De todos los materiales utilizados para almacenar calor, vamos a hacer especial hincapié en el agua, pues presenta indudables ventajas y es el método más utilizado.
1.7.1.2. Almacenamiento por calor latente. La cantidad de calor necesario para aumentar un grado la temperatura de un material (calor sensible) es muy inferior a la que hace falta suministrar en el caso del calor latente. Los cambios producidos en los diferentes materiales debidos al calor latente se dan a una temperatura determinada que es característica de cada material. Un material cuando cambia de fase que experimenta un cambio de estado a una temperatura determinada. determinada. El interés de este tipo de materiales está en que, durante el cambio de fase, la temperatura se mantiene constante mientras que el material va absorbiendo energía. Este hecho supone una mayor densidad energética por parte de estos materiales en comparación con cualquier otro. Los cambios de fase pueden ser: - De gas a líquido, o a la inversa - De sólido a gas, o a la inversa - De sólido a líquido, o a la inversa
1.7.2. Acumuladores de agua. El agua es barata, fácil de manejar, tiene una capacidad calorífica alta, y es un elemento de consumo en el caso del agua caliente sanitaria. Por ello es el material idóneo para ser utilizado como sustancia de almacenamiento en instalaciones solares para calentamiento de agua. El acumulador propiamente dicho, es un tanque en el que se almacena el agua, que va a almacenar a su vez el calor para nosotros. Estos tanques suelen ser de forma cilíndrica, y de mayor altura que anchura para favorecer el fenómeno de la estratificación: El agua caliente tiende, como sabemos, a situarse por encima del agua fría. Sucederá en nuestros acumuladores que el agua acumulada en la parte superior estará a mayor temperatura que la acumulada en la parte inferior. Esto nos permitirá un mayor aprovechamiento aprovechamiento del calor acumulado que no tendríamos si el agua estuviese mezclada, toda a la misma temperatura, pues el agua de que podríamos disponer estaría a una temperatura menor. Además, al extraer el agua para consumo de la parte superior, y aplicar el calentamiento solar al agua de la parte baja del deposito, los colectores funcionan a la mínima temperatura posible, aumentando su rendimiento. rendimiento. Los materiales en que esta construido el tanque o depósito pueden ser acero, acero inoxidable, aluminio aluminio y fibra de vidrio reforzada. Es importante señalar aquí que nos interesa acumular calor, pero no a temperaturas muy altas; Podríamos suponer que lo ideal seria acumular el calor a la temperatura de uso o a una temperatura ligeramente superior superior para compensar las pérdidas, pero esto es un error.
Si la temperatura de acumulación acumulación es alta, el fluido calentado en los colectores cederá menor cantidad de calor (recordar que el calor que un cuerpo cede depende directamente de la diferencia de temperaturas; temperaturas; si esta es menor, es menor la cantidad de calor transferida también es menor). Por otra parte, el rendimiento rendimiento de los colectores disminuye considerablemente al aumentar la temperatura de entrada en ellos. Los acumuladores de los sistemas grandes con un volumen mayor de 2 m3 deben llevar válvulas de corte u otros sistemas adecuados para cortar flujos al exterior del depósito no intencionados en caso de daños del sistema. El sensor de la temperatura del acumulador del sistema de control se situará en la parte inferior del depósito en una zona no influenciada por la circulación del circuito secundario o por el calentamiento calentamiento del intercambiador intercambiador si este fuera incorporado. La entrada de agua fría, situada en la parte baja del acumulador, estará equipada con una placa deflectora en la parte interior a fin de que la velocidad residual no destruya la estratificación en el acumulador. El acumulador estará enteramente recubierto con material aislante y se ubicarán en lugares adecuados que permitan su sustitución por envejecimiento o averías.
1.7.3. Conectado de acumuladores. Es importante, a la hora de analizar las diferentes posibilidades posibilidades de conectar acumuladores, el considerar sistema auxiliar de calentamiento. Es aquí donde se nos presenta la opción de que el apoyo se realice en el depósito de acumulación, sobre el que actúa la energía solar, o en un depósito independiente, que se conectará como se indica a continuación. El decantarnos por un modelo u otro, depende, de la relación existente entre el ahorro producido al ser un sistema de dos acumuladores mas eficiente, y el incremento del coste de los elementos que hay que instalar para procurar esta eficiencia (el segundo acumulador básicamente). básicamente). En pequeñas instalaciones, el aporte de energía auxiliar suele realizarse en el depósito de acumulación solar (un único depósito). El apoyo se realiza siempre en la parte superior del deposito, e intentando que se mezclen lo menos posible la energía auxiliar y la solar. Para ello intentaremos trabajar con acumuladores que favorezcan la estratificación estratificación y que posean buenos deflectores para que no destruyan la estratificación estratificación conseguida. También podemos podemos considerar aquí los acumuladores que separan la energía auxiliar y solar mediante una membrana o pared. En instalaciones de gran tamaño, el aporte se realiza generalmente en un deposito secundario (dos depósitos). Podemos mejorar el rendimiento del sistema de dos acumuladores con una válvula de tres vías regulable en función de la temperatura alcanzada en el acumulador, solar.
El sistema de energía auxiliar en depósito de acumulación secundario, con válvula de tres vías con regulación diferencial, diferencial, en función de la temperatura de acumulación solar, mejora el rendimiento de la instalación. En caso de realizar una instalación con un acumulador principal y un acumulador de apoyo sobre el que actúe la energía auxiliar, deberemos tener en cuenta también, en que momentos se va a realizar el consumo de agua caliente, pues podría suceder que a lo largo del día hubiésemos calentado el agua en el acumulador principal, y de no haber hecho uso de agua caliente, tendríamos que calentar el agua del deposito de apoyo íntegramente con energía auxiliar, ya que esta se habría enfriado. Para evitar esto podemos utilizar el siguiente diseño, que incluye una electrobomba de recirculación entre ambos depósitos convenientemente convenientemente regulada. En este caso, regulando r egulando convenientemente convenientemente la bomba, podríamos transportar el agua calentada con energía solar hasta el segundo depósito. Seria conveniente instalar alguna válvula antirretorno o válvula de apertura-cierre en la misma conducción de la bomba para evitar que se produzca movimiento de fluido en los momentos en que no nos interesa, pasando calor del segundo acumulador al primero, lo que podría perjudicar el rendimiento del sistema. Como caso especial, nos podemos encontrar con algún caso en que tengamos que dar servicio a grandes cantidades de agua caliente en verano y muy pequeñas en invierno (caso de hoteles de temporada). En estos casos es interesante estudiar el diseño siguiente: Con este diseño, utilizando la válvula de tres vías de la parte inferior de la instalación, podemos inutilizar el depósito de mayor tamaño en temporada baja. En caso necesario, aunque no es aconsejable, podemos conectar varios acumuladores para conseguir un volumen de acumulación determinado. Los depósitos se conectarán, preferentemente, preferentemente, en serie invertida en el circuito de consumo ó en paralelo con los circuitos primarios y secundarios equilibrados. equilibrados. La conexión de los acumuladores permitirá la desconexión individual de los mismos sin interrumpir el funcionamiento de la instalación. Si el sistema de acumulación esta formado por un deposito principal y uno de apoyo, este no tendrá una capacidad superior al 50 % de la capacidad de almacenamiento del deposito principal. Cuando debemos conectar un depósito en posición horizontal, cosa que se debe evitar siempre que sea posible, en la figura adjunta se representan los esquemas de una conexión incorrecta y una conexión correcta.
1.8. El intercambiador de calor Hemos definido el intercambiador de calor como el dispositivo en el que se produce la transferencia de energía térmica del circuito primario al circuito secundario o a otros circuitos terciarios. Resulta evidente que utilizaremos el intercambiador en una instalación siempre que queramos tener dos circuitos independientes. independientes. Generalmente nosotros vamos a querer separar el circuito primario y el secundario en: - Instalaciones para calentar agua potable o agua de uso domestico. - En instalaciones en las que se quiera evitar el uso excesivo de anticongelante a añadir, como puede ser en instalaciones de calefacción con almacenamiento por agua caliente. - En instalaciones que combinen los dos casos anteriores. - En instalaciones en que el fluido del primario y del secundario deban ser fluidos distintos (Calefacción (Calefacción por aire forzado). La utilización de intercambiadores, si bien es imprescindible en muchas instalaciones, presenta dos inconvenientes inconvenientes claros. - El rendimiento del sistema disminuye, disminuye, porque el fluido del circuito primario siempre estará a temperatura superior que el del secundario, y los colectores funcionaran a una temperatura superior a la del fluido que cede el calor en los puntos de uso; esto disminuye el rendimiento de la instalación. - Encarecen la instalación. instalación. Hay que tener en cuenta que al intercambiador acompañan una serie de elementos que hacen que en conjunto el precio de la instalación se eleve considerablemente. Podemos diferenciar entre distintos tipos de intercambiadores, por su posición en la instalación. Si se instalan en el interior del depósito de almacenamiento, se denominan intercambiadores interiores. Si se instalan independientemente del acumulador se denominan intercambiadores exteriores.
1.8.1. Intercambiadores Intercambiadores interiores. Pueden ser de tres clases: - De serpentín helicoidal, que están formados por uno o dos tubos arrollados en espiral y sumergidos (al menos uno de ellos) en la parte inferior del depósito de acumulación. acumulación. - De haz tubular, que se utilizan generalmente para calentar agua de consumo en instalaciones convencionales. - De doble envolvente, el circuito primario envuelve al secundario, produciéndose el intercambio a través de la superficie de contacto en el acumulador. En los intercambiadores de serpentín helicoidal, el agua del circuito primario circula por el interior del serpentín, cediendo su calor al agua del depósito de acumulación. Esta se estratifica, debido a la diferencia de densidades entre el agua caliente y el agua fría. En
la parte superior del acumulador quedará el agua caliente que pasará al circuito secundario para ir a los puntos en que se utilice. En el intercambiador intercambiador interior de haz tubular, el fluido de trabajo del circuito primario circula por el interior del haz de tubos, cediendo calor al agua del depósito de acumulación. acumulación. El principio de funcionamiento es el mismo que para el intercambiador de serpentín helicoidal. En el intercambiador de doble envolvente, el circuito primario envuelve al secundario, produciéndose el intercambio a través de la superficie de contacto en el acumulador. Se considera que este tipo de acumuladores es de los que ofrecen mayores prestaciones en instalaciones instalaciones solares de baja temperatura. En el intercambiador de doble envolvente, el fluido del circuito primario envuelve literalmente al acumulador, cediendo calor al fluido almacenado. Es recomendable que el interior del doble envolvente tenga forma helicoidal para que el fluido del primario no pase directamente de la entrada a la salida del acumulador, sino que se reparta lo mas uniformemente posible a su alrededor.
1.8.2. Intercambiadores exteriores. Los intercambiadores interiores son recomendables para instalaciones en las que la acumulación acumulación no supere los 3000 litros. Para acumulaciones mayores se utilizan normalmente intercambiadores exteriores. En los intercambiadores exteriores, tanto el fluido del circuito primario como el del secundario circulan con la ayuda de electrocirculadores, electrocirculadores, lo que mejora su rendimiento, pudiéndonos ajustar por ello a la adquisición de intercambiadores más pequeños que los que habría que instalar si la circulación de alguno de los circuitos no fuera forzada. Hay dos tipos básicos de intercambiadores exteriores: - Intercambiador de haz tubular. - Intercambiador de placas planas. Intercambiador Intercambiador exterior de haz tubular. El fluido del circuito primario circula por el interior de los tubos del haz; a su alrededor circula el fluido del circuito secundario, que recoge el calor que cede el fluido del circuito primario para transportarlo a los puntos de uso o almacenarlo en el acumulador. Los intercambiadores de placas planas son los intercambiadores exteriores mas utilizados, porque ofrecen una serie de ventajas importantes con respecto a los otros modelos de intercambiador exterior. - Son intercambiadores robustos, fabricados con materiales de alta calidad, lo que garantiza su duración. - Al poder variar el número de placas permite corregir posibles desajustes por ampliación de la instalación.
- Fácil mantenimiento, al ser desmontables. - Existe una amplia gama comercial que nos permitirá ajustarnos al máximo a nuestras necesidades. En este tipo de intercambiadores el fluido del circuito primario circula por el interior de las placas de intercambio, cediendo calor al fluido del circuito secundario. Circulación del fluido a través de las placas de intercambio; hará que se produzca el intercambio de calor sin que se mezclen los fluidos del primario y secundario, las placas crean un circuito que obliga a los fluidos a atravesar solo la mitad de las placas, de forma que el fluido que circula a través de una de ellas, no atraviesa la siguiente, por la que circula el fluido del oro circuito. En el dibujo adjunto las flechas indican los sentidos de circulación dentro del intercambiador. intercambiador. En los esquemas que realicemos diferenciaremos diferenciaremos entre intercambiadores interiores y exteriores pero no entre los distintos tipos posibles de unos y otros. Para el caso de intercambiador independiente, la potencia mínima del intercambiador (P), se determinará para las condiciones de trabajo en las horas centrales del día suponiendo una irradiancia solar de 1000 W/m 2 y un rendimiento de la conversión de energía solar a calor del 50 %, cumpliéndose la condición: condición: P = 500 * A. Siendo la P potencia mínima del intercambiador (W); A el área de colectores (m²). Ejemplo. Si disponemos de una superficie de captación de 50 m2 la potencia de intercambio de nuestro intercambiador será de: 25000 W = 500 * 50 m2 Para el caso de intercambiador incorporado al acumulador, la relación entre la superficie útil de intercambio y la superficie total de captación no será inferior a 0,15. Ejemplo. Disponemos de una instalación con superficie de captación de 50 m2. La superficie de intercambio será de: Si = 0,15 * 50 m2 = 7,5 m2 En cada una de las tuberías de entrada y salida de agua del intercambiador de calor se instalará una válvula de cierre próxima al manguito correspondiente.
1.9. Otros sistemas de la instalación. Además de los elementos mencionados la instalación debe poseer una serie de elementos que cumplen una función determinada y que mencionamos a continuación.
1.9.1. Sistema auxiliar de calentamiento. calentamiento. Para asegurar la continuidad en el suministro de calor las instalaciones de energía solar deberán disponer de un sistema de energía auxiliar. Este puede ser un sistema ya existente (como un calentador de gas), o uno instalado “para la ocasión”. La energía utilizada para asegurar esta continuidad en el suministro de calor dependerá de las propias condiciones de la instalación, pudiendo utilizar para ello, sistemas auxiliares de gas, electricidad, combustibles fósiles, etc. Es muy importante tener en cuenta, que el sistema auxiliar de calentamiento, se debe dimensionar como si no existiese la instalación solar, para que sea capaz de suministrar la toda potencia necesaria en caso de situaciones climáticas extremas. Hay también que tener en cuenta que está prohibido el uso de sistemas de energía convencional convencional auxiliar en el circuito primario de colectores. A la hora de instalar el sistema auxiliar de calentamiento, calentamiento, podremos optar entre varias configuraciones básicas. Así el sistema auxiliar podrá utilizar o no un deposito de acumulación propio con el fin de optimizar su funcionamiento, o podrá estar en línea con el circuito secundario o poseer un circuito propio que ceda calor al circuito secundario a través de un intercambiador. También podemos aplicar la energía auxiliar en la parte superior del depósito de acumulación. Aunque es el sistema menos eficiente, es posiblemente el más económico, y en determinadas circunstancias circunstancias puede resultarnos interesante. El sistema de aporte de energía convencional auxiliar con acumulación o en línea, siempre dispondrá de un termostato de control sobre la temperatura de preparación que en condiciones normales de funcionamiento permitirá cumplir con la legislación vigente en cada momento referente a la prevención y control de la legionelosis. En el caso de que el sistema de energía convencional auxiliar no disponga de acumulación, es decir sea una fuente instantánea, el equipo será modulante, es decir, capaz de regular su potencia de forma que se obtenga la temperatura de manera permanente con independencia de cual sea la temperatura del agua de entrada al citado equipo. En el caso de climatización de piscinas, para el control de la temperatura del agua se dispondrá una sonda de temperatura en el retorno de agua al intercambiador intercambiador de calor y un termostato de seguridad dotado de rearme manual en la impulsión que enclave el sistema de generación de calor. La temperatura de tarado del termostato de seguridad será, como máximo, 10 ºC mayor que la temperatura máxima de impulsión.
Sistema auxiliar en depósito secundario de acumulación. El sistema auxiliar actúa en un depósito secundario de acumulación que forma parte del circuito secundario. Dependiendo de las características de la instalación nos interesara que esto suceda de forma centralizada como en la primera figura o en depósitos distribuidos distribuidos como en la segunda figura. Sistema auxiliar con circuito independiente. El sistema auxiliar posee un circuito hidráulico propio, y cede el calor al circuito secundario mediante un intercambiador de calor. Sistema auxiliar en el depósito principal. El sistema auxiliar actúa en la parte superior del depósito de acumulación, y en la parte inferior se realiza el intercambio térmico solar. Este sistema es el que presenta peor eficiencia, pero es posiblemente el más económico. Hasta aquí hemos mencionado calderas auxiliares básicamente de gas, pero estas calderas pueden ser también de gasoil o de biomasa. Estas últimas presentan un gran interés, ya que actualmente funcionan automáticamente con buenos rendimientos y con precios, por unidad de energía producida, inferiores a la producida con gas.
1.9.2. Sistemas de vaciado y llenado del circuito. El circuito primario debe contar con algún sistema o sistemas que permitan su llenado, rellenado y vaciado.
1.9.2.1. Llenado del circuito. El sistema de llenado se colocara preferentemente en la parte del circuito en que el fluido va del intercambiador a los colectores. Se utilizara para ello una válvula de esfera, y un sistema que podrá ser manual o automático. En cualquier caso, nunca podrá rellenarse el circuito primario con agua de red si sus características características pueden dar lugar a incrustaciones, deposiciones o ataques en el circuito, o si este circuito necesita anticongelante anticongelante por riesgo de heladas o cualquier otro aditivo para su correcto funcionamiento. Los circuitos que tengan vaso de expansión abierto, podrán utilizar este como sistema de llenado, y los que tengan vaso de expansión cerrado deberán de incorporar algún sistema que permita llenar el circuito y mantenerlo presurizado. Pueden utilizarse para ello depósitos específicos que aporten el fluido de trabajo mediante una electrobomba, o pueden tener sistemas más sencillos constituidos por llaves de paso manuales con válvulas de esfera. Existen diversas formas de llenar el circuito primario, dependiendo de los componentes de nuestra instalación. En el caso de de ser una instalación no compacta, como tenemos un circuito cerrado, en el llenado podemos utilizar la bomba de circulación del primario,
siempre que sea un modelo especial que permita el llenado, o podemos para utilizar una bomba manual o con motor eléctrico, mediante la cual llenaremos el circuito primario desde una conexión colocada a tal fin. El fluido lo extraemos de sus envases originales o de un depósito de llenado del tamaño adecuado para almacenar la totalidad del anticongelante, en caso de que sea necesario hacer un vaciado del circuito. En el caso de que por razones de espacio no sea posible, es recomendable que se conserven los recipientes iniciales en los que se suministró el fluido caloportador. Otra posibilidad, como ya se ha indicado, es utilizar bombas de circulación que llevan incorporado el sistema de llenado, como la indicada a continuación. Para detectar las posibles fugas, no es recomendable utilizar un sistema de llenado automático, automático, ya que introduce fluido en el circuito a medida que se producen las pérdidas. No obstante se tienden a instalar cada vez más para facilitar la comodidad del usuario. A continuación podemos ver una válvula para llenado automático.
1.9.2.2. Vaciado del circuito. En casos concretos, será necesario vaciar el circuito para realizar operaciones de mantenimiento mantenimiento o para reponer o reparar algún elemento del mismo. Para que esta sea una labor cómoda, colocaremos en la parte inferior del circuito primario una llave que permita el vaciado del mismo. Válvula de vaciado, conocida también por válvula de cuadradillo o válvula de macho. El sistema de apertura y cierre con cuadradillo evita posibles posibles aperturas o cierres por contacto accidental con la palanca, que en este caso es una llave que no se queda en la válvula. Por norma, los conductos de drenaje de las baterías de colectores se diseñarán diseñarán en lo posible de forma que no puedan congelarse.
1.9.3. Sistema de equilibrado. equilibrado. Además de las anteriores, realizaremos realizaremos el equilibrado equilibrado del circuito hidráulico con válvulas de equilibrado de circuito, y utilizaremos para ello válvulas de asiento. Estas pueden regularse mediante volante como la de la figura siguiente, o pueden regularse mediante un tornillo, lo que evita aperturas o cierres accidentales. En este ultimo caso, denominamos a las válvulas detentores. En las válvulas de asiento el fluido es obligado a pasar entre el asiento y el obturador, lo que provoca pérdidas de carga elevada. Se utilizan para regular el caudal en los circuitos. Las válvulas de equilibrado pueden montarse en un sistema manual o automático, dependiendo del tipo de instalación.
Se hará un uso limitado de las válvulas para el equilibrado de circuitos, debiéndose concebir, en fase de diseño, un circuito de por sí equilibrado.
1.9.4. Sistemas de control y monitorización. Para que cada elemento funcione según lo requiera la situación y obtener los mejores resultados posibles, evitando situaciones peligrosas para la instalación, y podamos estar al tanto de ello y modificarlo si nos interesa, necesitaremos un sistema de control y monitorización que interactúe con todos los dispositivos que conforman la instalación, para que estos funcionen correctamente, correctamente, con las suficientes garantías, y nos permita un seguimiento minucioso de todo el proceso. El sistema de control será el encargado de regular las distintas funciones de la instalación; así él será el encargado de la conexión y desconexión de los electrocirculadores, electrocirculadores, de la puesta en marcha de los sistemas contra heladas, contra calentamiento calentamiento excesivo y contra sobrepresión, actuará asimismo sobre el sistema de vaciado y llenado, en caso de que este sea automático, y controlara en definitiva el correcto funcionamiento de cada uno de los elementos que componen la instalación. Los elementos del sistema de control se pueden dividir en dos grandes grupos, aunque muchos elementos cumplen las dos funciones: - Sensores, que son los elementos que el sistema de control utiliza para captar información sobre el estado del sistema. Generalmente su función es modificar una señal eléctrica en función de la variación del parámetro que controlan. - Actuadotes, que son los elementos que utiliza el sistema de control para accionar los mecanismos de control que se encargan directamente de modificar el estado del sistema. Los más utilizados son relés, contactores y elementos de estado sólido. Además de los aparatos de medida de presión y temperatura que permitan la correcta operación, para el caso de instalaciones mayores de 20 m 2 se deberá disponer al menos de un sistema analógico de medida local y registro de datos que indique como mínimo las siguientes variables: - Temperatura de entrada agua fría de red. - Temperatura de salida acumulador solar. - Caudal de agua fría de red. Para representar simbólicamente de forma genérica los diferentes tipos de instrumentos encargados de tomar medidas de los diferentes parámetros a regular, utilizaremos el símbolo adjunto.
1.9.4.1. Termómetros o sondas de temperatura. Los termómetros nos permitirán conocer la temperatura de los fluidos de la instalación y de los componentes que más pueden sufrir a causa de calentamiento excesivo.
En lugar de termómetros lo que se utilizan son las llamadas sondas de temperatura. temperatura. Pueden ser de contacto o de inmersión, dependiendo de sí toman la temperatura estando en contacto con materiales muy próximos a los fluidos de trabajo o sumergidos en ellos. La localización e instalación de los sensores de temperatura deberá asegurar un buen contacto térmico con la parte en la cual hay que medir la temperatura, para conseguirlo en el caso de las de inmersión se instalarán en contra corriente con el fluido. Los sensores de temperatura deben estar aislados contra la influencia de las condiciones ambientales ambientales que le rodean. La ubicación de las sondas ha de realizarse de forma que éstas midan exactamente las temperaturas que se desean controlar, instalándose los sensores en el interior de vainas y evitándose las tuberías separadas de la salida de los colectores y las zonas de estancamiento en los depósitos. Preferentemente las sondas serán de inmersión ya que desde el punto de vista de la fiabilidad, es más fiable la sonda de inmersión, ya que está contacto directo con el fluido a testar y es más sensible a las variación es que sufra de temperatura; el sensor de contacto es menos fiable en este aspecto. Las propiedades de los materiales que componen la sonda deben ser más exigente en la de inmersión, dado que sufre mayor agresividad que la de contacto. Estará expuesta a agentes térmicos, a corrosión, luego deberá tener mejores propiedades mecánicas. mecánicas. El coste de la sonda de contacto será menor, dado que tiene menores exigencias. Pero se debe tener especial cuidado en asegurar una adecuada unión entre las sondas de contactos y la superficie metálica. Como conclusión en general se emplearán sondas contacto para medidas generales de temperatura dado por el coste, y para alguna temperatura temperatura crítica e utilizarán las sondas de inmersión.
1.9.4.2. Termostatos. Los termostatos son aparatos que transforman una lectura de una temperatura en una señal eléctrica capaz de activar un mecanismo. Estos aparatos nos permitirán actuar sobre el sistema en función de la temperatura que alcancen sus elementos en puntos determinados.
1.9.4.3. El termostato diferencial. Los electrocirculadores deben actuar solamente cuando los colectores puedan aportar calor al acumulador; de lo contrario seria el acumulador el que cedería calor a los colectores, con lo que se produciría una pérdida importante e inútil de calor. Para que esto no suceda se interrumpe el funcionamiento de las bombas, con lo que el fluido de trabajo no circula y no puede transportar calor del depósito de almacenamiento a los colectores.
Esto se consigue gracias a un aparato denominado termostato diferencial que es un termostato capaz de comparar las temperaturas del fluido de trabajo en el colector y en el depósito de almacenamiento, y en función de esto ordenar la parada o puesta en marcha de los electrocirculadores. Las sondas de temperatura para el control diferencial se colocarán en la parte superior de los colectores de forma que representen la máxima temperatura del circuito de captación. El sensor de temperatura de la acumulación se colocará preferentemente en la parte inferior en una zona no influenciada por la circulación del circuito secundario o por el calentamiento calentamiento del intercambiador si éste fuera incorporado.
1.9.4.4. Hidrómetros. Los hidrómetros se utilizan para conocer la presión (en m.c.a.) de la instalación. instalación.
1.9.4.5. Caudalímetros. Los caudalímetros nos dan el caudal circulante por la tubería en que están instalados. Son muy útiles y necesarios para controlar el consumo de agua caliente en instalaciones colectivas.
1.9.4.6. Manómetros Un manómetro es un instrumento de medición que sirve para medir la presión de los fluidos contenidos en la instalación. Existen, básicamente, dos tipos: los de líquidos y los metálicos. Los manómetros de líquidos emplean, por lo general, como líquido manométrico el mercurio, que llena parcialmente un tubo en forma de U. El tubo puede estar abierto por ambas ramas o abierto por una sola. No es habitual utilizarlos en instalaciones instalaciones por su dificultad de uso, pese a su precisión. En los manómetros metálicos la presión da lugar a deformaciones en una cavidad o tubo metálico. Estas deformaciones se transmiten a través de un sistema mecánico a una aguja que marca directamente la presión sobre una escala graduada.
1.9.4.7. Reguladores proporcionales. Son sistemas que realizan una regulación proporcional de alguna función. Por ejemplo, si utilizamos un regulador proporcional que controle la temperatura del fluido en el deposito de acumulación. En función de la temperatura regulará la potencia del sistema auxiliar de calentamiento, para establecer una temperatura de salida del ACS constante. Estos reguladores proporciona les pueden actuar sobre calderas, válvulas de asiento, válvulas de tres vías, electrocirculadores, electrocirculadores, etc.
1.9.5. Válvulas auxiliares. Las válvulas son los elementos que nos permiten regular el flujo del fluido de trabajo en el circuito. Los distintos tipos de válvulas existentes nos permitirán ajustar la circulación del fluido de la forma más conveniente para nuestro sistema. En lo visto hasta ahora, hemos hecho uso de ellas para vaciar y llenar el circuito, para purgar el aire, para evitar problemas producidos producidos por sobrepresión y para evitar que se produzca flujo inverso en el circuito. La elección del tipo de la válvula se realizará de acuerdo con la función que desempeñe y dependiendo también de las condiciones extremas de funcionamiento (presión y temperatura) siguiendo preferentemente los criterios que a continuación continuación se citan: - Para aislamiento aislamiento utilizaremos válvulas de esfera. - Para evitar el flujo inverso, utilizaremos válvulas de disco de doble compuerta, de claqueta, de obús u otros modelos. - Para vaciado y llenado utilizaremos válvulas de esfera o de macho. - Como válvula de seguridad utilizaremos válvulas de resorte. - Para equilibrado de circuitos utilizaremos válvulas válvulas de asiento. - Para purgado de aire utilizaremos válvulas válvulas de esfera o de macho. Algunas de estas válvulas ya han sido descritas, pero otras válvulas no lo han sido, por lo que en este apartado mencionaremos algunas válvulas de gran importancia que todavía no han sido vistas.
1.9.5.1. Válvula de esfera. En estas válvulas, el orificio de la esfera coincide en diámetro con la conducción, con lo que las pérdidas son mínimas sí la válvula esta abierta. En todas las válvulas el volante o la palanca deben ser de dimensiones suficientes para asegurar el cierre y la apertura de forma manual con la aplicación de una fuerza razonable, sin la ayuda de medios auxiliares. El órgano de mando no deberá interferir con el aislamiento térmico de la tubería y del cuerpo de válvula.
1.9.5.2. Válvula de corte. Se instalaran estratégicamente también en el circuito válvulas de corte, que son elementos que permiten interrumpir interrumpir el paso del fluido a través de las tuberías, para que permitan sustituir sustituir o reparar las piezas del mismo sin que para ello tengamos que vaciar todo el circuito, sino solo una parte de él. Por ello instalaremos válvulas de corte en los siguientes lugares: - Se montarán válvulas de corte que independicen baterías de colectores, el intercambiador, intercambiador, el acumulador y la bomba.
- Se instalarán válvulas de corte a la entrada de agua fría y salida de agua caliente del depósito de acumulación solar. - Se instalarán válvulas que permitan el vaciado total o parcial de la instalación. - En cada zona de las baterías de colectores en que se hayan situado válvulas de corte se instalarán válvulas de seguridad. Las válvulas de corte pueden ser controladas eléctricamente, son las llamadas electroválvulas. Su función es la misma que las anteriores, pero se controlan mediante un sistema electrónico.
1.9.5.3. Válvulas de tres vías. Válvulas de tres vías. En determinadas ocasiones, nos puede interesar que el fluido circule por circuitos alternativos. Es en estos casos que utilizamos las válvulas de tres vías. Su función es desviar el fluido de entrada a una u otra salida en función de la posición en que se encuentra la válvula. El accionamiento de estas válvulas puede ser manual, eléctrico mediante relé, con lo que la válvula puede pasar de una a otra posición por una señal eléctrica, y con regulación diferencial, diferencial, lo que permite a la válvula regular el caudal que debe fluir por cada una de las posibles salidas.
1.9.6. Centrales de control. La central de control permite controlar la instalación solar, el acumulador, el funcionamiento de la caldera auxiliar y el resto de los elementos de la instalación. La centralita abre o cierra las válvulas, conecta electrocirculadores y enciende o apaga la caldera auxiliar según la variación de la temperatura y según los parámetros establecidos por el usuario. El sistema de control asegurará el correcto funcionamiento de las instalaciones, procurando obtener un buen aprovechamiento de la energía solar captada y asegurando un uso adecuado de la energía auxiliar. El sistema de regulación y control comprenderá el control de funcionamiento de los circuitos y los sistemas de protección y seguridad contra sobrecalentamientos, sobrecalentamientos, heladas, etc. Las centrales de control se pueden dividir teóricamente en dos subsistemas: - Subsistema de control. - Subsistema de monitorización. monitorización.
1.9.6.1. Subsistema de control El sistema eléctrico y de control cumplirá con el Reglamento Electrotécnico de Baja Tensión en todos aquellos puntos que sean de aplicación. Los cuadros serán diseñados siguiendo los requisitos de estas especificaciones y se construirán de acuerdo con el Reglamento Electrotécnico para baja tensión y con las recomendaciones de la Comisión Electrotécnica Electrotécnica Internaciona I nternacionall (CEI). El sistema de control asegurará que en las instalaciones para agua sanitaria en ningún caso se alcancen temperaturas superiores superiores a 45 ºC en los puntos de consumo recomendándose recomendándose el uso de válvulas mezcladoras. mezcladoras. El sistema de control asegurará que en ningún caso se alcancen temperaturas superiores a las máximas soportadas por los materiales, componentes y tratamientos del circuito secundario. Cuando la protección contra heladas se realice por arranque de la bomba o vaciado automático del circuito primario, el sistema de control asegurará que en ningún punto la temperatura del fluido caloportador descienda por debajo de una temperatura tres grados superior a la congelación del fluido. La ubicación de las sondas ha de realizarse de forma que detecten exactamente las temperaturas que se desean, instalándose los sensores en el interior de vainas y evitándose las tuberías separadas de la salida de los colectores y las zonas de estancamiento en los depósitos. Preferentemente las sondas serán de inmersión. Se tendrá especial cuidado en asegurar una adecuada unión entre las sondas de contactos y la superficie metálica.
1.9.6.2. El subsistema de monitorización. El subsistema de monitorización se encargará de realizar la medida de parámetros funcionales necesarios para evaluar las prestaciones de la instalación. El sistema de monitorización realizará la adquisición de datos, al menos, con la siguiente secuencia: - Toma de medidas o estados de funcionamiento cada minuto. - Cálculo de medias de valores y registro cada 10 minutos. La tabla siguiente indica las variables analógicas que, como mínimo, deben ser medidas por el sistema de monitorización: - Temperatura de entrada de agua fría. - Temperatura de suministro de agua caliente solar. - Temperatura de suministro de agua caliente a consumo. - Caudal de agua de consumo.
El sistema de monitorización registrará, con la misma secuencia, el estado de funcionamiento de las bombas de circulación de primario y secundario, la actuación de las limitaciones por máxima o mínima y el funcionamiento del sistema de energía auxiliar. Opcionalmente, el sistema de monitorización medirá, además, las siguientes variables: - Temperatura de entrada a colectores. - Temperatura de salida de colectores. - Temperatura de entrada al secundario. - Temperatura de salida del secundario. - Radiación global sobre plano colectores. - Temperatura ambiente exterior. - Presión de agua en circuito primario. - Temperatura fría del acumulador. - Temperatura caliente del acumulador. - Temperaturas de salidas de varios grupos de colectores. El tratamiento de los datos medidos proporcionará, al menos, los siguientes resultados: - Volumen de consumo diario. - Temperatura media de suministro de agua caliente a consumo. - Temperatura media de suministro de agua caliente solar. - Demanda de energía térmica diaria. - Energía solar térmica aportada. - Energía auxiliar consumida - Fracción solar media. - Consumos propios de la instalación (bombas, controles, etc.). Con los datos registrados r egistrados se procederá al análisis de resultados y evaluación de las prestaciones diarias de la instalación. Estos datos quedarán archivados en un registro histórico de prestaciones.
1.10. Sistemas de protección de los circuitos. Los circuitos de nuestra instalación deben de poseer al menos los siguientes sistemas de seguridad: - Protección contra heladas. - Protección contra sobrepresión. - Protección contra sobrecalentamientos. sobrecalentamientos. - Protección contra el aire en el circuito.
1.10.1. Protección contra las heladas. El fabricante, suministrador final, instalador instalador o diseñador del sistema deberá fijar la mínima temperatura permitida en el sistema. Todas las partes del sistema que estén
expuestas al exterior deben ser capaces de soportar la temperatura especificada sin daños permanentes en el sistema. Cualquier componente que vaya a ser instalado en el interior de un recinto donde la temperatura pueda caer por debajo de los 0 °C, deberá estar protegido contra las heladas. Si el fluido de trabajo se llegase a congelar, los perjuicios que se producirían en la instalación instalación serian considerables. considerables. Además, podrían aparecer fugas que afectasen también al inmueble en que se encontrara la instalación. Para eliminar estos riesgos será preciso instalar en el circuito primario algún sistema de protección contra las heladas. Durante la noche, las instalaciones instalaciones solares permanecen paradas; los colectores no pueden absorber energía solar. Por ello en las noches de invierno están expuestos a la congelación. La cubierta y el aislamiento del colector actúan como protección contra la congelación, pues la temperatura en el interior del colector está varios grados por encima de la temperatura ambiente. Sin embargo se ha observado que durante las noches de cielo raso, la bóveda celeste actúa como un cuerpo negro, que es capaz de absorber radiación de los colectores, por lo que su temperatura disminuye disminuye con respecto al ambiente, y pueden congelarse con temperaturas ambiente superiores a 0 ºC. Por ello es aconsejable aconsejable trabajar con cierto margen de seguridad, y utilizar los sistemas anticongelantes anticongelantes para una temperatura exterior de algunos grados sobre cero. Se considerarán zonas con riesgo de heladas aquellas en las que se hayan registrado, alguna vez en los últimos 20 años, temperaturas ambientes inferiores a 0 ºC y en ellas se utilizaran sistemas sistemas de protección para evitar la posible rotura de cualquier parte de la instalación. El método de protección dependerá del tipo de instalación y de las condiciones propias del lugar en que este se encuentra. Como sistemas de protección contra heladas utilizaremos: - Mezclas anticongelantes. - Recirculación de agua de los circuitos. - Drenaje automático con recuperación de fluido. - Calentamiento del fluido mediante resistencia eléctrica.
1.10.1.1. Mezclas anticongelantes. anticongelantes. Ya hablamos de ellas al estudiar el fluido de trabajo. Recordaremos los puntos más importantes y añadiremos otros: Si hemos añadido anticongelante al circuito primario, el intercambiador tendrá que asegurarnos que no hay paso del fluido del circuito primario al secundario.
Como anticongelantes podrán utilizarse los productos, solos o mezclados con agua, que cumplan la reglamentación reglamentación vigente. En todo caso, su calor específico no será inferior a 3 kJ/kg.ºK, en 5 ºC por debajo de la mínima histórica registrada con objeto de no producir daños en el circuito primario de colectores por heladas. La cantidad de anticongelante de las mezclas asegurará que la temperatura de congelación del fluido sea 5 ºC por debajo de la temperatura mínima local. Adicionalmente este producto químico mantendrá todas sus propiedades físicas y químicas dentro de los intervalos mínimo y máximo de temperatura permitida por todos los componentes y materiales de la instalación. Las mezclas anticongelantes no se degradarán, ni se separarán los componentes de la mezcla, para las temperaturas máximas de funcionamiento de la instalación. Y es que hay que tener en cuenta que algunos de los productos utilizados en las mezclas se degradan a partir de cierto valor de la temperatura. Habrá que revisar periódicamente periódicamente la composición del fluido de trabajo, para asegurar que las características de la mezcla se mantienen. En cualquier caso, se recomienda, al menos, una revisión completa antes de la temporada invernal. La instalación dispondrá de los sistemas necesarios para facilitar el llenado de la instalación y para asegurar que el anticongelante está perfectamente mezclado. El sistema de llenado no permitirá que se produzcan pérdidas de fluido de trabajo que se repongan con agua de la red, porque esto variaría la concentración de la mezcla, y por tanto, sus características.
1.10.1.2. Recirculación del agua del circuito. Este método de protección antiheladas consiste en que el fluido de trabajo está en movimiento en el circuito primario cuando existe el peligro de heladas, con lo que el riesgo de que se congele disminuye considerablemente, pues el fluido circula por el intercambiador, intercambiador, y absorbe calor del circuito secundario. Como punto en contra, la recirculación del fluido de trabajo del circuito primario provoca pérdidas de energía térmica acumulada. El sistema de control es el que actúa sobre el circuito para provocar la circulación del fluido de trabajo; actuará cuando la temperatura detectada en colectores alcance un valor ligeramente superior al de congelación del agua (+3 ºC). Se evitará, siempre que sea posible, la circulación de agua en el circuito secundario, porque entonces podría producirse una pérdida de calor innecesaria. Este sistema es adecuado para zonas climáticas con periodos de baja temperatura de corta duración, pero no es aconsejable en zonas donde los periodos con bajas temperaturas sean prolongados. El programa de mantenimiento mantenimiento especificará los plazos máximos de revisión periódica. Al igual que con las mezclas anticongelantes, será necesario revisar periódicamente el
sistema de protección antiheladas. En cualquier caso, se recomienda, al menos, una revisión completa antes de la temporada invernal
1.10.1.3. Drenaje automático con recuperación del fluido. Este método de protección antiheladas consiste en vaciar el circuito primario del fluido de trabajo. El circuito y el sistema estarán diseñados de tal forma que no quede fluido de trabajo en ningún punto expuesto a heladas. El sistema de control será el encargado de accionar la electroválvula de drenaje cuando la temperatura detectada en colectores alcance un valor ligeramente superior al de congelación del agua (+3 ºC). El vaciado del circuito se realizará a un tanque auxiliar de almacenamiento y el circuito primario tendrá que recuperar el fluido de trabajo una vez haya pasado el peligro de helada. Para esto, el sistema deberá incorporar algún dispositivo de recuperación del fluido drenado. Requiere especial atención, asimismo, el estudio del purgado automático del aire en la instalación durante los rellenados. Este sistema antiheladas hace imprescindible la utilización del intercambiador de calor entre los colectores y el acumulador, para poder mantener en éste la presión necesaria para que suministre agua caliente, aunque no exista liquido en el circuito primario.
1.10.1.4. Calentamiento del fluido mediante resistencia eléctrica. Cuando la temperatura desciende por debajo del valor que hemos fijado como valor limite, el sistema de control acciona una resistencia eléctrica, que calienta el fluido del circuito primario impidiendo su congelación.
1.10.2. Protección contra el calor excesivo en el circuito. La instalación solar debe estar diseñada para soportar el amplio rango de temperaturas al que puede estar sometida. En principio, el circuito primario estará diseñado de forma que la temperatura máxima de trabajo sea superior a la temperatura de estancamiento del colector, siendo la temperatura de estancamiento del colector la máxima temperatura del fluido que se obtiene cuando no existe circulación en el colector, y debido a las altas temperaturas ambientes y a la alta radiación y siendo la velocidad del viento despreciable, se alcanzan condiciones casi-estacionarias. Las máximas temperaturas que pueden alcanzarse ocurrirán en periodos de bajo o nulo consumo y de elevada radiación. El diseño de la instalación asegurará que no se sobrepasan las temperaturas máximas de trabajos de cada uno de los componentes del sistema.
Los materiales de la instalación deben soportar las máximas temperaturas de trabajo que puedan alcanzarse y no debe causar ninguna situación en la que el usuario tenga que tomar medidas especiales para que el sistema vuelva a la situación original. Como medida de seguridad debemos utilizar componentes que soporten sin problemas trabajar a 150 ºC. Se deben considerar tres tipos de aspectos a tener en cuenta: - Protección contra sobrecalentamiento. - Protección contra quemaduras. - Protección del material contra las altas temperaturas.
1.10.2.1. Protección contra sobrecalentamientos Se debe dotar a las instalaciones solares de dispositivos de control manuales o automáticos que eviten los sobrecalentamientos de la instalación que puedan dañar los materiales o equipos y penalicen la calidad del suministro energético. En el caso de dispositivos automáticos, se evitarán de manera especial las pérdidas de fluido anticongelante, el relleno con una conexión directa a la red y el control del sobrecalentamiento mediante el gasto excesivo de agua de red. Especial cuidado se tendrá con las instalaciones de uso estacional en las que en el periodo de no utilización se tomarán medidas que eviten el sobrecalentamiento por el no uso de la instalación. Cuando el sistema disponga de la posibilidad de drenajes como protección ante sobrecalentamientos, la construcción deberá realizarse de tal forma que el agua caliente o vapor del drenaje no supongan ningún peligro para los habitantes y no se produzcan daños en el sistema, ni en ningún otro material en el edificio o vivienda. Cuando las aguas sean duras, es decir con una concentración concentración en sales de calcio entre 100 y 200 mg/l, se realizarán las previsiones previsiones necesarias para que la temperatura de trabajo de cualquier punto del circuito de consumo no sea superior a 60 °C, sin perjuicio de la aplicación de los requerimientos necesarios contra la legionela. En cualquier caso, se dispondrán los medios necesarios para facilitar la limpieza de los circuitos. Con independencia del uso al que se destine la instalación, en el caso de que en algún mes del año la contribución solar real sobrepase el 110 % de la demanda energética o en más de tres meses seguidos el 100 %, se adoptarán cualquiera de las siguientes medidas: - Dotar a la instalación de la posibilidad de disipar dichos excedentes (a través de equipos específicos, específicos, como los aerotermos o mediante la circulación nocturna del circuito primario). - Tapado parcial del campo de colectores. En este caso el colector está aislado del calentamiento producido por la radiación solar y a su vez evacua los posibles excedentes térmicos residuales residuales a través del fluido del circuito primario (que seguirá atravesando el colector). - Vaciado parcial del campo de colectores. Esta solución permite evitar el sobrecalentamiento, sobrecalentamiento, pero dada la pérdida de parte del fluido del circuito primario, debe
ser repuesto por un fluido de características similares debiendo incluirse este trabajo en ese caso entre las labores del contrato de mantenimiento. - Desvío de los excedentes energéticos a otras aplicaciones existentes. Adicionalmente, durante todo el año se vigilará la instalación con el objeto de prevenir los posibles daños ocasionados por los posibles sobrecalentamientos.
1.10.2.2. Protección contra quemaduras. En sistemas de Agua Caliente Sanitaria, donde la temperatura de agua caliente en los puntos de consumo pueda exceder de 60 °C debe instalarse un sistema automático de mezcla u otro sistema que limite la temperatura de suministro a 60 °C, aunque en la parte solar pueda alcanzar una temperatura superior para sufragar las pérdidas. Este sistema deberá ser capaz de soportar la máxima temperatura posible de extracción del sistema solar.
1.10.2.3. Protección de materiales contra altas temperaturas. temperaturas. El sistema deberá ser calculado de tal forma que nunca se exceda la máxima temperatura permitida por todos los materiales y componentes. componentes. Por tanto también será fundamental elegir los materiales más adecuados para la instalación.
1.10.3. Protección contra la sobrepresión. sobrepresión. La instalación debe estar diseñada de forma que nunca se sobrepase la máxima presión soportada por todos los materiales. materiales. Aun y con esto, las subidas de temperaturas pueden producirse en instalaciones que se encuentran temporal o permanentemente fuera de servicio. Si el fluido de trabajo es agua, con o sin anticongelante, anticongelante, los riesgos de ebullición son riesgos reales, y habrá que tomar medidas al respecto. r especto. Los circuitos deben soportar una presión de 1,5 veces el valor de la presión máxima de servicio. Además, el circuito de consumo deberá soportar la máxima presión requerida por las regulaciones sobre agua potable, para instalaciones de aguas de consumo abiertas o cerradas. En caso de sistemas de consumo abiertos con conexión a la red, se tendrá en cuenta la máxima presión de la misma para verificar que todos los componentes del circuito de consumo soportan dicha presión. Para que la dilatación del fluido de trabajo y su posible ebullición no acarreen serios prejuicios a nuestra instalación, además de diseñar un circuito capaz de resistir la presión máxima previsible, dotaremos al circuito primario de los elementos, elementos, que mencionamos a continuación.
1.10.3.1. El deposito de expansión. El depósito de expansión es un pequeño recipiente que situado en el circuito primario, tiene por función absorber las dilataciones del fluido de trabajo. Este depósito debe tener capacidad suficiente para admitir la expansión del fluido de trabajo, pues en caso contrario, seria necesario rellenar periódicamente periódicamente el circuito con los problemas que esto podría acarrear. Los vasos de expansión preferentemente se conectarán en la aspiración de la bomba para evitar presiones innecesarias sobre él. La altura en la que se situarán los vasos de expansión abiertos será tal que asegure el no desbordamiento del fluido y la no introducción de aire en el circuito primario. Podemos distinguir entre dos tipos distintos de depósitos de expansión: - Depósitos de expansión abiertos. - Depósitos de expansión cerrados. Depósitos de expansión abiertos que se utilizan en instalaciones con el circuito abierto a la atmósfera, y que van siempre colocados a una altura dos o tres metros superior a la del punto mas alto del circuito primario, que suelen ser los colectores. Para su correcto funcionamiento no debe existir ninguna válvula ni llave de cierre en los tubos que comunican los colectores con el depósito de expansión. Los vasos de expansión abiertos, cuando se utilicen como sistemas de llenado o de rellenado, dispondrán de una línea de alimentación, mediante sistemas tipo flotador o similar. Depósitos de expansión cerrados, que se utilizan en circuitos cerrados. Presentan una serie de ventajas respecto a los depósitos de expansión abiertos, como pueden ser su fácil montaje y su mejor comportamiento frente a la corrosión, y en la actualidad son prácticamente los únicos que se instalan. El dispositivo de expansión cerrada del circuito de colectores deberá estar dimensionado de tal forma que, incluso después de una interrupción del suministro de potencia a la bomba de circulación del circuito de colectores, justo cuando la radiación solar sea máxima, se pueda restablecer la operación automáticamente cuando la potencia esté disponible de nuevo. Cuando el medio de transferencia de calor pueda evaporarse bajo condiciones de estancamiento, hay que realizar un dimensionado especial del volumen de expansión: Además de dimensionarlo como es usual en sistemas de calefacción cerrados (la expansión del medio de transferencia de calor completo), el depósito de expansión deberá ser capaz de compensar el volumen del medio de transferencia de calor en todo el grupo de colectores completo incluyendo todas las tuberías de conexión entre colectores más un 10%.
Depósito de expansión cerrado. Cuando el fluido de la instalación está frío, prácticamente todo el volumen del deposito lo ocupa el nitrógeno. Al calentarse y aumentar el volumen, el fluido empuja la membrana comprimiendo al gas.
1.10.3.2. Válvula de seguridad o descarga. El colocar en el circuito una válvula de descarga permite aliviar la sobrepresión que se pueda presentar en un momento dado. Las válvulas de seguridad, por su importante función, deben ser capaces de derivar la potencia máxima del colector o grupo de colectores, incluso incluso en forma de vapor, de manera que en ningún caso sobrepase la máxima presión de trabajo del colector o del sistema. Si esta válvula se encuentra en la parte superior del circuito evacuara el vapor producido por un calentamiento excesivo que haya provocado la ebullición del fluido de trabajo. Si la válvula va situada en la parte inferior del circuito descargara parte del fluido caloportador. En cualquiera de los dos casos habrá que reincorporar r eincorporar al circuito el fluido descargado descargado por la válvula. Este sistema es apropiado cuando para la protección contra la congelación se utiliza un sistema de drenaje y recuperación del fluido, pues puede utilizarse el sistema de recuperación del fluido para reincorporar el fluido descargado por la válvula de descarga. Hay diferentes tipos de válvulas de descarga: No regulables, regulables y con manómetro incorporado. El resorte empuja al obturador, que solo ascenderá abriendo camino si la presión es suficientemente grande.
1.10.4. Protección contra la producción de gas en el circuito. Como ya se ha comentado en puntos anteriores, puede ser que en un momento determinado se formen bolsas de gas en el interior del circuito. Estas bolsas pueden llegar a impedir que el fluido circule correctamente por las tuberías, que aumente la presión y que disminuya la conductividad térmica. Para evitarlo, instalaremos en el circuito un purgador de aire, que colocaremos en el punto más alto de la instalación. Por él, evacuaremos el gas que se haya podido acumular en el interior del circuito.
1.10.4.1. Purgador de aire. El funcionamiento de un purgadores el siguiente, cuando no existe aire en la instalación, el flotador del purgador está elevado por el empuje del agua, manteniendo cerrado el orificio de purga. Cuando entra aire, este se acumula en el interior del purgador, por ser
el punto más alto del circuito. El flotador baja, se abre el orificio de purga y el aire es expulsado. Por norma, en los puntos altos de la salida de baterías de colectores y en todos aquellos puntos de la instalación donde pueda quedar aire acumulado, se colocarán sistemas de purga constituidos por botellines de desaireación y purgador manual o automático. El volumen útil del botellín será superior a 100 cm3. Este volumen podrá disminuirse si se instala a la salida del circuito solar y antes del intercambiador un desaireador con purgador automático. En el caso de utilizar purgadores automáticos, adicionalmente, adicionalmente, se colocarán los dispositivos necesarios para la purga manual.
1.10.4.2. Desaireador. Las bolsas de aire o gas no son la única forma en que podemos encontrar gas en el circuito. Podemos tener gas diluido en el fluido de trabajo. Para evacuar estos gases instalaremos un elemento denominado desaireador y lo colocaremos, al igual que el purgador de aire, en el punto más alto del circuito. Los desaireadores pueden ser centrífugos o por absorción. Estos últimos son los más eficaces. Desaireador centrífugo, es un desaireador como el del esquema, se fuerza en el fluido un movimiento circular, y el agua es impulsada a las paredes del recipiente, y el aire, menos denso, se queda en el centro del desaireador, por donde asciende y es expulsado.
1.10.5. Protección contra el flujo inverso Aunque en el diseño y el montaje de la instalación nos aseguremos que no se puedan producir circulaciones naturales naturales que no estén previstas en el circuito, las variaciones de temperatura día-noche o el propio diseño de la instalación pueden provocar que el fluido circule en el sentido contrario al que nosotros pretendemos. La circulación natural que produce el flujo inverso se puede favorecer cuando el acumulador se encuentra por debajo del colector por lo que habrá que tomar, en esos casos, las precauciones oportunas para evitarlo. Especialmente en equipos con circulación forzada se aconseja utilizar una válvula antirretorno que sólo permita el movimiento del fluido en el sentido de calentamiento. Dos modelos distintos; de doble claqueta y de obús. Las primeras se utilizan generalmente en circuitos primarios por su escasa pérdida de carga, mientras que las segundas, por su elevada pérdida de carga, solo se utilizan en circuitos secundarios sometidos a presión de red. A continuación podemos ver el esquema de funcionamiento de una válvula de claqueta y otra de obús.
1.10.6. Protección contra las descargas eléctricas. Las descargas eléctricas son producidas por la caída de un rayo sobre nuestros colectores. Los efectos de un rayo pueden alcanzar hasta un km de distancia y pueden inducir corrientes parásitas en los elementos metálicos altamente destructivas, debido a su elevado potencial. Los defectos de aislamiento en los conductores y sus estructuras de soporte pueden agravar el problema, por lo que se debe de cumplir estrictamente la normativa de aislamiento en las instalaciones recogida en el reglamento de baja tensión. En las instalaciones situadas a la intemperie el efecto de los animales, la degradación de los materiales aislantes por la acción del ambiente o los defectos en los materiales utilizados pueden provocar una pérdida de aislamiento, lo que puede implicar mayores riesgo de accidente eléctrico y posibilidades de daños a las personas, lo que implica también la necesidad de un estricto seguimiento de las normas de aislamiento eléctrico. Todas las superficies metálicas y el armazón del conjunto, que pudieran ser tocadas por el personal o que pudieran transmitir el pulso eléctrico inducido por el rayo y que pudieran afectar a nuestra instalación, deben estar conectadas a tierra mediante los sistemas normalizados para tal efecto. En los sistemas de colectores dotados de estructuras metálicas conectadas conectadas a tierra, las posibilidades posibilidades de que un rayo produzca una corriente parásita es la mitad que en una instalación sin este tipo de estructura. La toma a tierra es en realidad un camino de poca resistencia a cualquier corriente de fuga para que cierre el circuito "a tierra" en lugar de pasar a través del usuario o del equipo que protege. Consiste una pieza metálica enterrada en una mezcla especial de sales y conectada a la instalación eléctrica a través de un cable.
2. Hojas de cargas 2.1 Introducción 2.2. Aplicaciones de los sistemas solares térmicos tér micos de baja temperatura. La energía solar térmica de baja temperatura, se emplea básicamente básicamente para: - Producción de agua caliente sanitaria (en adelante ACS). - Calefacción de edificios. - Refrigeración de edificios. edificios. - Calentamiento de piscinas. - Procesos industriales. Hablaremos a continuación brevemente de cada uno de ellas y posteriormente analizaremos sus hojas de cargas.
2.2.1. Producción de agua caliente sanitaria (A.C.S.) Esta aplicación es la fundamental de la energía solar térmica de baja temperatura, ya que si tenemos en cuenta que el consumo medio de una familia española es de 3750 kWh/año en A.C.S., con una cobertura del 70%, tendremos que la instalación nos proporcionará 2625 kWh/año, siendo el resto (1125 kWh/año) proporcionado proporcionado por el sistema auxiliar. Lo cual representa un ahorro energético y económico muy considerable.
2.2.2. Calefacción de edificios. En el Estado español, dado su clima benigno, las necesidades de calefacción son un 30 % menor que en otros países europeos, por lo que el ahorro energético obtenido obtenido de nuestra situación privilegiada privilegiada supone con respecto a otros países de Europa un ahorro del orden de 3000 millones de TEP (toneladas equivalentes equivalentes de petróleo). Las necesidades energéticas en calefacción en el hogar son bastante elevadas en la mitad Norte de España, de 4000 kWh anuales, por término medio, ya sea en forma de gas, carbón, leña, fuel-oil o electricidad. electricidad. A diferencia del ACS, que se necesita todo el año, la calefacción sólo se usa en los meses más fríos. Al ser las necesidades energéticas, energéticas, en este campo, superiores a las requeridas para ACS, el número de colectores necesarios es mucho mayor, no pudiendo lograrse los mismos porcentajes de cobertura por razones técnicas y económicas.
Es prácticamente imposible establecer establecer una regla r egla sobre dimensionado de colectores para calefacción, ya que la forma de la vivienda, su orientación, su aislamiento y sus características constructivas hacen de cada caso una excepción. Como aproximación muy grosera puede decirse que, en nuestro caso, 1 m2 de colector equivalen a 700 litros de gasóleo al año. Sin embargo, puesto que las necesidades de calefacción son mayores en los meses de peor climatología, climatología, es necesario recurrir a distribuir estos 700 litros en función de la irradiación mensual para hacerse una idea de las dimensiones de la instalación. La instalación conjunta de calefacción y ACS con colectores solares se rentabiliza antes que cualquier de las dos por separado, ya que parte de la instalación es la misma para ACS que para calefacción. En este campo parece razonable una cobertura del 30%. Además, se debe acudir a sistemas especiales para la radiación de calor en el interior de la vivienda. Los radiadores convencionales funcionan óptimamente entre los 70 y 90 ºC. Estas temperaturas no pueden alcanzarse con una instalación solar de baja temperatura, ya que a los 80 ºC el rendimiento de un colector solar plano es prácticamente nulo. La calefacción por energía solar implica, por tanto, el empleo de otros sistemas de transferencia de calor que funcionen con temperaturas temperaturas inferiores a los 50 ºC. Los procedimientos más conocidos son el Suelo Radiante y los Fan-coils. La calefacción mediante suelo radiante consiste en hacer circular agua caliente bajo el suelo de las habitaciones. El sistema de Fan-coils se basa en una serie de tubos con aletas por las que circula agua caliente. Una corriente de aire, impulsada por un ventilador, pasa entre los tubos calentándose previamente a ser introducida en el interior de la habitación. Ambos procedimientos procedimientos son caros; el primero en su instalación y el segundo porque además exige un consumo eléctrico. No obstante estos sistemas permiten suministrar el 30 % de la energía necesaria para calefacción y nos permiten ahorrar 1200 kWh al año de energía por vivienda, lo cual representa una importante disminución del impacto ambiental de la calefacción.
2.2.3. Refrigeración. Cada vez las necesidades de calefacción se incrementan en mayor medida, hasta el punto que el consumo eléctrico en verano hoy día es superior en verano que en invierno, por las necesidades de energía eléctrica para refrigeración. La necesidad de reducir la demanda de energía eléctrica, cuya producción es una de las principales causantes del efecto invernadero, ha hecho que se intente utilizar la energía solar como fuente para producir la energía necesaria en refrigeración.
2.2.4. Calentamiento de piscinas. Puesto que se trata de uno de los usos más extendidos de la energía solar térmica en el sector servicios (turísticos, municipales, públicos y particulares) detallaremos algunas características de sus tipos y funcionamiento. La energía solar térmica puede utilizarse para todo tipo de piscinas, públicas o particulares, cubiertas cubiertas o al aire libre. Mencionamos Mencionamos los principales usos: En las instalaciones en piscinas descubiertas se emplean sistemas muy sencillos, en los que la propia piscina es el acumulador. El tipo de instalación puede ser de circuito abierto eliminándose así la necesidad del intercambiador. En este caso se debe tener en cuenta que el sistema de captación tiene que ser de material o tipo especial para resistir la corrosión del cloro. Si consideramos, además, que la temperatura del agua no debe ser superior a los 27 ºC, tendremos que la temperatura que se debe alcanzar en los colectores es del rango de 30 ºC a 35 ºC; esta temperatura se alcanza en acumuladores sin carcasa, aislamiento posterior y cubierta, sin detrimento en el rendimiento del acumulador. Por ello en calentamiento de este tipo de piscinas se utilizan colectores sin cubierta, ni carcasa, ni aislamiento posterior, lo que abarata y hace rentable la instalación. En piscinas cubiertas, para instalaciones de climatización de piscinas exclusivamente, no se podrá usar ningún volumen de acumulación, aunque se podrá utilizar un pequeño almacenamiento almacenamiento de inercia en el primario. Así mismo es necesario un intercambiador, intercambiador, siendo los colectores similares a los utilizados para el calentamiento de ACS. Las piscinas cubiertas deben contar con fuente energética de apoyo al igual que en el caso de la calefacción. Por último, si existen instalaciones de ACS y calefacción puede utilizarse la energía sobrante, después de cubrir dichas necesidades, para el calentamiento de pequeñas piscinas, ampliando así la temporada de utilización de las mismas.
2.2.5. Procesos industriales. Algunos procesos industriales precisan unos requerimientos energéticos de características características similares a los del agua caliente sanitaria, por lo que podrían incorporar energía solar como fuente de energía. Algunos ejemplos de esto pueden ser: - Precalentamiento de fluido de trabajo en Bombas de Calor. - Pasteurización de alimentos. - Lavado de botellas. - Tratamiento de fibras. - Descortezado. Descortezado. - Precalentamiento de fluidos para procesos industriales. - Calentamiento de invernaderos. - Producción de calor para Secaderos.
2.3. Hoja de carga de agua caliente sanitaria (ACS) En el caso de utilizar la energía solar para calentar agua de uso domestico, está claro que la demanda energética estará directamente relacionada con el consumo de agua caliente que se realice. Expresado en forma más rigurosa, diremos que la demanda energética depende directamente directamente del volumen de agua caliente consumido, de la temperatura inicial a la que se encontraba el volumen de agua consumido, y de la temperatura final a la que esta es utilizada. Para el cálculo matemático de la demanda energética, tendremos que la energía térmica necesaria para calentar el agua consumida hasta la temperatura de uso la obtendremos utilizando la ecuación ya estudiada: Q=m*c*∆T Donde: Q es el calor calor que el el agua necesita necesita para para calentarse, calentarse, en julios; es el T salto térmico que deseamos provocar, en ºC; m es la masa de agua a calentar en kilogramos; y c es calor especifico del agua, en J/kg.ºC. Por tanto, para poder realizar los cálculos necesarios necesitamos conocer: - Consumo de agua diario promedio en cada mes. - La temperatura a la que que el agua se encuentra encuentra en la red de suministro. suministro. - La temperatura a la que la queremos calentar el agua caliente sanitaria. Para realizar lo indicado anteriormente, vamos a emplear para el cálculo el método recogido en el Documento Básico HE-4 del Código Técnico de Edificación, Edificación, por lo que citaremos de forma textual muchos de sus párrafos.
2.3.1. Demanda de ACS Para valorar las demandas se tomarán los valores unitarios que aparecen en la siguiente tabla (demanda de referencia a 60 ºC). Demanda de referencia de litros ACS/día a 60 ºC Viviendas unifamiliares unifamiliares 30 litros por persona Viviendas multifamiliares 22 litros por persona Hospitales y clínicas 55 litros por cama Hotel **** 70 litros por cama Hotel *** 55 litros por cama Hotel/Hostal Hotel/Hostal ** 40 litros por cama Camping 40 litros por emplazamiento Hostal/Pensión * 35 litros por cama Residencia (ancianos, estudiantes, etc.) 55 litros por cama Vestuarios/Duchas Vestuarios/Duchas colectivas 15 litros por servicio Escuelas 3 litros por alumno Cuarteles 20 litros por persona Fábricas y talleres 15 litros por persona
Administrativos Administrativos 3 litros por persona Gimnasios 20 a 25 litros por usuario Lavanderías 3 a 5 litros por kilo de ropa Restaurantes 5 a 10 litros por comida Cafeterías 1 litros por almuerzo Para otros usos se tomarán valores contrastados por la experiencia o recogidos por fuentes de reconocida solvencia, no vale nuestra propia iniciativa o experiencia.
2.3.2. Temperatura del ACS. Para el caso de que se elija una temperatura en el acumulador final diferente de 60 ºC, se deberá alcanzar la contribución solar mínima correspondiente correspondiente a la demanda obtenida con las demandas de referencia a 60 ºC. No obstante, la demanda a considerar a efectos de cálculo, según la temperatura elegida, será la que se obtenga a partir de la siguiente expresión: D(T) = ΣDi (T) Donde: D(T) es la suma de la demanda de todos los meses del año; Di (T) es la demanda para el mes i. Di (T) = Di(60 ºC) * [(60 – T i) / (T – T i)] Donde: Di(T) Demanda de agua caliente sanitaria para el mes i a la temperatura T elegida; Di(60 ºC) Demanda de agua caliente sanitaria para el mes i a la temperatura de 60 ºC; T Temperatura final en el; Ti Temperatura media del agua fría en el mes i. El CTE pide unas temperaturas de producción del ACS de 60 ºC para combatir el problema de la legionela. Pero esta temperatura es excesiva para un colector solar plano. A esta temperatura su rendimiento es nulo, por lo que recomendamos trabajar trabajar a temperaturas de entre 45 y 50 ºC y elevar posteriormente la temperatura con el sistema auxiliar. Aclaramos más estos aspectos en el apartado dedicado a la legionela. La temperatura inicial del ACS la tomaremos de las tablas de temperatura del agua de red.
2.3.3. Número de usuarios del ACS En el uso residencial de una vivienda, hay que tomar en consideración otros factores para otros usos: - Para el cálculo posterior de la contribución solar anual, se estimarán las demandas mensuales tomando en consideración el número de unidades (personas, camas, servicios, etc.) correspondientes a la ocupación plena, salvo instalaciones de uso residencial turístico en las que se justifique un perfil de demanda propio originado por ocupaciones parciales.
- Se tomarán como perteneciente a un único edificio la suma de demandas de agua caliente sanitaria de diversos edificios ejecutados dentro de un mismo recinto, incluidos todos los servicios. - Igualmente en el caso de edificios de varias viviendas o usuarios de ACS, a los efectos de esta exigencia, se considera la suma de las demandas de todos ellos. - En el caso que se justifique un nivel de demanda de ACS que presente diferencias de más del 50 % entre los diversos días de la semana, se considerará la correspondiente al día medio de la semana y la capacidad de acumulación será igual a la del día de la semana de mayor demanda. Ejemplo. Vamos a realizar, como ejemplo, la hoja de carga correspondiente a la demanda energética para ACS de una vivienda unifamiliar. Para ello, una vez estemos en posesión de todos los datos mencionados anteriormente, nos construiremos la hoja de carga, de forma similar a como lo hacemos a continuación. En nuestro ejemplo, el cliente quiere suministrar el agua caliente de consumo mediante energía solar, y para ello poseemos la siguiente información sobre la vivienda: - Una vivienda unifamiliar situada en el prepirineo Oscense y que dispone de 4 dormitorios. - La familia residente esta compuesta de tres miembros, que ocupan la vivienda un la totalidad del tiempo, salvo los periodos vacacionales. - Habitualmente se utilizan dos habitaciones, pero en algunos periodos se emplean las cuatro por diversas razones. Para realizar la tabla hay que tener en cuenta: - Supondremos que cada ocupante de la casa consume 30 litros de ACS a 60 ºC diariamente, según la tabla correspondiente. - La temperatura del agua red la hemos obtenido del anexo correspondiente. - En el salto térmico reflejamos reflejamos la diferencia de temperaturas entre los 45 ºC a la que elevamos el ACS y su temperatura en la red de abastecimiento. - La demanda energética la hemos obtenido aplicando la formula indicada anteriormente, anteriormente, teniendo en cuenta que 1 litro de agua se corresponde con un kilogramo de agua (pues la densidad del agua son 1000 kg/m3 ) y que el valor de “c” son 4180 J/kg.ºC. Para ello multiplicaremos multiplicaremos el valor de la primera fila por “c” y por el valor de la cuarta fila, y el dato obtenido, lo multiplicaremos por el número de ocupantes de la casa según el CTE. El que la vivienda tenga mayor o menor ocupación y su número de miembros sea mayor o menor no se considera, según el procedimiento de cálculo establecido en el HE-4.
2.4. Hoja de carga de calefacción. El Documento Básico HE-1 del Código Técnico de Edificación establece las condiciones para la limitación de la demanda energética. Estas condiciones servirán de base al cálculo de la demanda en calefacción y refrigeració r efrigeración. n. En dicho documento dice que es de aplicación en:
a) Edificios de nueva construcción. b) Modificaciones, reformas o rehabilitaciones de edificios existentes con una superficie útil superior a 1000 m2 donde se renueve más del 25% del total de sus cerramientos. En el proyecto se optará por uno de los dos procedimientos alternativos de comprobación siguientes: a) Opción simplificada, basada en el control indirecto de la demanda energética de los edificios mediante la limitación de los parámetros característicos de los cerramientos y particiones interiores que componen su envolvente térmica. La comprobación se realiza a través de la comparación de los valores obtenidos en el cálculo con los valores límites permitidos. Esta opción podrá aplicarse a obras de edificación de nueva construcción que cumplan los requisitos especificados y a obras de rehabilitación de edificios existentes. b) Opción general, basada en la evaluación de la demanda energética de los edificios mediante la comparación de ésta con la correspondiente correspondiente a un edificio de referencia que define la propia opción. Esta opción podrá aplicarse a todos los edificios que cumplan los requisitos especificados. En ambas opciones se limita la presencia de condensaciones en la superficie y en el interior de los cerramientos y se limitan las pérdidas energéticas debidas a las infiltraciones de aire, para unas condiciones normales de utilización de los edificios. En definitiva, se fija que tipo de edificios deben aplicar el método de cálculo y los métodos de cálculo admitidos. Estos métodos se basan en el cálculo de las transmitancias térmicas de los distintos elementos del edificio, de su situación geográfica y de las condiciones ambientales. Los procedimientos son muy amplios y complejos, complejos, por lo que deben ser estudiados detenidamente detenidamente en un curso específico para ello. En este curso quedan fuera de nuestros objetivos. Además, debe ser el arquitecto el responsable de su cálculo y la verificación de su cumplimiento. cumplimiento. Lo que debe importar al diseñador de la instalación de calefacción es el valor de la demanda energética por vivienda y habitáculo, para diseñar la instalación. Por otro lado, como el propio documento indica, no es de aplicación a edificios ya construidos, en los que no conocemos con precisión sus características características constructivas.
2.4.1. Consideraciones previas. Por lo tanto Vamos a utilizar un método aproximativo del cálculo de las demandas de calefacción calefacción no estándar, pero que nos servirá para realizar una aproximación aproximación aceptablemente buena. El confort que un recinto puede ofrecer, desde el punto de vista de la calefacción, depende básicamente de cuatro factores:
- Temperatura del aire. - Humedad del aire. - Movimiento del aire. - Pureza del aire. A la hora de realizar un diseño de calefacción, por este método, la única variable que vamos a tener en cuenta es la temperatura del aire. Las tablas de confort, que son tablas que relacionan las cuatro variables anteriores para mantener un máximo de comodidad en un recinto, consideran que la temperatura a mantener dentro de un local, independientemente independientemente de la temperatura exterior, es de un valor situado entre los 20 ºC y los 23 ºC. Para conseguir esto, los sistemas convencionales de calefacción utilizan fluido que circula por los radiadores a una temperatura situada entre los 70 y 90 ºC. Estos radiadores ceden calor al aire consiguiendo que la temperatura del local se mantenga constante en el valor deseado. Estas temperaturas de trabajo no pueden alcanzarse con una instalación solar de baja temperatura, ya que a los 80 ºC el rendimiento de un colector solar plano es nulo. La calefacción por energía solar implica, por tanto, el empleo de otros sistemas de transferencia de calor que funcionen con temperaturas temperaturas inferiores a los 50 ºC. Los procedimientos más conocidos son el Suelo Radiante y los Fan-coils. La calefacción mediante suelo radiante consiste en hacer circular agua caliente bajo el suelo de las habitaciones. En el suelo radiante la temperatura del fluido caloportador ronda los 35 ºC y la temperatura de la superficie del suelo debe estar a unos 29 ºC. El sistema de Fan-coils se basa en una serie de tubos con aletas por las que circula agua caliente. Una corriente de aire, impulsada por un ventilador, pasa entre los tubos calentándose previamente a ser introducida en el interior de la habitación. Ambos procedimientos son caros; el primero en su instalación y el segundo porque además exige un consumo eléctrico. No obstante estos sistemas permiten suministrar suministrar un porcentaje alto de la energía requerida para calentar el recinto, lo cual representa una importante disminución del impacto ambiental de la calefacción. La demanda energética estará directamente relacionada con: - La pérdida de calor que se produce en el recinto por transmisión de calor a través de los cerramientos del local. - La perdida de calor que se produce debido al aire que se introduce en el recinto, bien sea por ventilación o por infiltración. - Las pérdidas o ganancias debidas a otros factores: personas, motores, etc. - La demanda energética se obtendrá sumando las diferentes pérdidas producidas y restado a este valor las ganancias si las hay. El cálculo del calor perdido será de todas formas, tarea complicada, pues en muchos casos no conoceremos el valor de las variables que entran en juego.
Por ello vamos a trabajar con un método de cálculo aproximado, que nos permitirá calcular un valor aproximado de las necesidades caloríficas del local. Suficientemente Suficientemente aproximado como para poder dimensionar dimensionar el sistema de calefacción en función del valor obtenido. Son numerosos los métodos aproximados de cálculo, aquí trabajaremos con el que la casa comercial Roca ha enseñado tradicionalmente a sus instaladores. Este mismo método se puede aplicar utilizando los programas de cálculo de las necesidades de calefacción de esta misma empresa.
2.4.2. Demanda energética de calefacción. El método, que permite calcular de forma rápida y aproximada las necesidades caloríficas de una vivienda, consiste en multiplicar la superficie del local por tres factores, variables en función de las características y situación de la vivienda.
2.4.2.1. Factor A. Es el factor base y sus unidades son kcal/hora.m2. Este factor varía en función del uso a que se destina la habitabilidad del local, del emplazamiento en el edificio y del régimen de calefacción que se use en la edificación.
2.4.2.2. Factor B. Coeficiente corrector, que se aplica sobre la base de la temperatura en el exterior del edificio a calcular. Para conocer estas temperaturas por meses, podemos utilizar las medias mensuales de cada provincia, aunque es preciso tener en cuenta la diversidad de microclimas que se pueden registrar en una misma provincia y actuar en consecuencia. Para aproximar mejor en resultado utilizaremos utilizaremos la ecuación: Factor B = 1 – (Tex * 0,05) Donde: Tex es la temperatura exterior en ºC. Evidentemente, Evidentemente, un factor B menor de 0 representa que no es necesaria la calefacción. calefacción.
2.4.2.3. Factor C. El factor C es un segundo factor de corrección, que regula las necesidades caloríficas en función del tipo de construcción, basándose en la antigüedad del edificio. - Edificio actual, bien aislado, (con muros exteriores con aislamiento térmico, cristales con cámara de aire.) Factor C = 1
- Edificación antigua, aislamiento aislamiento regular, (muros exteriores con cámara de aire, cristales sencillos.) sencillos.) Factor C = 1,2 - Edificación muy antigua, sin aislamiento ni cámara de aire en los muros, cristales sencillos y carpintería de cerramientos deteriorada. Factor C = 1,44 Los factores B y C de corrección se multiplican por el resultado de la suma de todos los factores A multiplicados por las superficies respectivas. Ejemplo. Vamos a realizar, como ejemplo, la hoja de carga correspondiente a la demanda energética para calefacción de una vivienda unifamiliar. Para ello, una vez estemos en posesión de todos los datos mencionados anteriormente, nos construiremos la hoja de carga, de forma similar a como lo hacemos a continuación. En nuestro ejemplo, el cliente quiere suministrar, suministrar, al menos parte de la calefacción, calefacción, mediante energía solar, y para ello poseemos la siguiente información sobre la vivienda: - Una vivienda unifamiliar situada en el prepirineo Oscense. - La familia residente esta compuesta de tres miembros, que ocupan la vivienda un la totalidad del tiempo, salvo los periodos vacacionales. - La superficie media de la vivienda es 110 m 2, teniendo la siguiente distribución: - 1 salón-comedor salón-comedor 22 m2. - 4 habitaciones habitaciones de 12 m2 cada una. - 2 cuartos de baño de 8 m2 cada uno, uno interior y otro exterior - 1 cocina de 10 m2. - 1 pasillo de 14 m2 . - Se trata de una edificación antigua, que aunque posee muros de gran espesor, tiene cristales simples y la carpintería bastante deteriorada. Para nuestros cálculos es más conveniente conveniente trabajar en MJ/día, por lo cual convertiremos las kcal/hora obtenidas en MJ/día, para ello hemos multiplicado el resultado por el factor de conversión 0,10032. Es decir 1 kcal/hora = 0,10032 MJ/día. La conversión de kcal/h a MJ/día se ha hecho considerando un periodo de tiempo de 24 horas, pero en la mayoría de las ocasiones durante el periodo nocturno la calefacción permanece apagada, por lo que si consideramos que la calefacción permanece apagada 8 horas solo deberemos considerar 16 horas, por lo que el factor de conversión sería diferente. Nosotros, por realizar una cobertura total vamos a considerar las 24 horas, aunque no creemos que sea necesario, especialmente en viviendas cuyo aislamiento sea bueno.
2.5. Hoja de carga para calentamiento de piscina. La utilización de la energía solar para calentar el agua de una piscina es uno de los usos más extendidos en el sector servicios (turísticos, municipales, públicos y particulares). De hecho la normativa actual considera prácticamente obligatorio el utilizar energías
renovables para calentar el agua de piscinas de cualquier tipo, ya sean públicas o privadas, cubiertas o al aire libre. En las instalaciones en piscinas descubiertas se emplean sistemas muy sencillos. Además podremos utilizar colectores sin carcasa, aislamiento posterior y cubierta, sin detrimento en su rendimiento. En piscinas cubiertas, para que se puedan utilizar en cualquier época del año, los colectores instalados deben ser similares a los utilizados para el calentamiento de ACS. Las piscinas cubiertas deben contar con fuente energética de apoyo, al igual que en el caso de la calefacción o del ACS. Para piscinas cubiertas, los valores ambientales de temperatura y humedad deberán ser fijados en el proyecto, la temperatura seca del aire del local será entre 2 ºC y 3 ºC mayor que la del agua, con un mínimo de 26 ºC y un máximo de 28 ºC, y la humedad relativa del ambiente se mantendrá entre el 55% y el 70%, siendo recomendable escoger escoger el valor de 60%.
2.5.1. Cálculo de la demanda energética. En el caso de utilizar la energía solar para calentar el agua de una piscina, la demanda energética estará directamente relacionada con: - La pérdida de energía térmica del agua de la piscina. Esta perdida podemos desglosarla en pérdidas de energía por convección, convección, por radiación, por conducción y por evaporación. - Las necesidades de energía térmica debidas a la renovación del agua de la piscina, que entra a temperatura del agua de red y debe ser elevada hasta la temperatura del resto del agua de la piscina. Por evaporación se suele perder un mínimo del 1% diario del volumen de agua de la piscina, que hay que reponer, además, dependiendo de las normativas existentes, existentes, se debe renovar diariamente entre 2,5 % el 5 % del volumen total de agua de la piscina. - La ganancia de energía térmica de la piscina, pues si esta está expuesta al sol, funciona como un gran colector solar horizontal. La demanda energética a cubrir por la instalación solar será la suma de las demandas por perdidas térmicas y por renovación menos las ganancias térmicas de la piscina. En las pérdidas de energía térmica del agua de la piscina intervienen varios factores: - En la convección, convección, el calor se transmite porque se produce un transporte de masa. El agua de la piscina, que se encuentra a 26 o 27 ºC, cederá calor al aire que se encuentra encima de ella. - El calor se transmite también en forma de ondas electromagnéticas electromagnéticas y para que se produzca esta forma de propagación no hace falta ningún medio material. El agua de la piscina perderá energía calorífica por radiación, con la atmósfera, con las paredes y con el suelo de la piscina.
- Las perdidas por conducción que se producen en una piscina son comparativamente muy inferiores a las perdidas debidas a radiación y convección. Por ello, en el cálculo de energía perdida, despreciaremos este valor. - El agua que se convierte en vapor, lo hace a expensas del calor del agua que no se evapora. Además de esto, el agua que se evapora de una piscina, ha de ser repuesta con agua de red. La temperatura del agua de red, generalmente se encuentra por debajo de los 26 o 27 ºC a la que pretendemos que se encuentre el agua de la piscina. Por lo tanto, al entrar esta agua a formar parte del agua de la piscina habrá que aumentar su temperatura. Hay múltiples sistemas de cálculo de las pérdidas energéticas, tanto por procedimientos manuales como informáticos, el más aceptado es el método ASHRAE (American Society of Heating, Refrigerating and Air-Conditioning Engineers). Es un método muy avanzado y preciso, pero también muy complejo, solamente su aplicación nos llevaría un curso. Por lo tanto vamos a centrarnos en un método mucho más simple. Vamos a centrarnos primero en el cálculo de la energía térmica perdida. El procedimiento procedimiento que vamos a seguir es un método muy sencillo y aproximativo, que solo tiene en cuenta unos factores muy limitados y que se basa en el Pliego de Condiciones Técnicas de Instalaciones de Baja Temperatura del IDAE. La demanda energética viene dada por las pérdidas térmicas en la pila de la piscina, calculándose de forma diferente si se trata de piscina cubierta o al aire libre.
2.5.1.1. Pérdidas en piscinas cubiertas. En piscinas cubiertas, la temperatura ambiente y la humedad relativa del aire no dependen de las condiciones climáticas de la zona geográfica, sino son reguladas por tratarse de un recinto cerrado. La temperatura ambiente suele ser de unos 24 ºC a 26 ºC, la humedad relativa de un 60%, y el viento en el lugar es nulo. Así mismo, al ser la piscina cubierta, las ganancias por insolación serán generalmente nulas o despreciables. Para el cálculo de las pérdidas energéticas en piscinas cubiertas, se utilizará la siguiente fórmula empírica: Q = (130 – 3Ta + 0,2Ta 2 ) * 0,0864 Donde: Q es la energía perdida expresada en MJ/día.m2 ; T a es la temperatura del agua en °C; 0,0864 es un factor de conversión. Multiplicando Q por la superficie S de la piscina expresada en m2, obtendremos la pérdida diaria de energía calorífica en nuestra piscina. A continuación podemos ver la gráfica de pérdidas diarias por m2 de energía en nuestra piscina cubierta en función de la temperatura del agua. Ejemplo. Ejemplo.
En una piscina cubierta de 25 m x 16 m, con una temperatura del agua de 27 ºC, las pérdidas térmicas serán de: Q = 25 m * 16 m * 16,8 MJ/día.m2 = 6720 MJ/día
2.5.1.2. Pérdidas en piscinas al aire libre. Para realizar el cálculo de los valores de la energía perdida, se ha trabajado a partir de los valores medios más comunes que presentan estas variables, y se ha desarrollado un ábaco que posteriormente se ha depurado en base a datos experimentales experimentales obtenidos en numerosas instalaciones pertenecientes a diferentes zonas climáticas. Prácticamente el total de las perdidas en la piscina se producen por la superficie libre de esta, por ello los valores de energía perdida ofrecidos por el ábaco, se refieren a un metro cuadrado de superficie libre de la piscina. Para el cálculo de las pérdidas energéticas en piscinas al aire libre, se utilizará la siguiente fórmula empírica: Q = [(28 + 20v) * (Ta – T) * 0,0864 Donde: Q es la energía perdida expresada en MJ/día.m2 ; v es la velocidad media diaria del aire en m/s; Ta es la temperatura del agua en °C; T es la temperatura media diaria en ºC; 0,0864 es un factor de conversión. Para el cálculo de los valores de las pérdidas mediante el ábaco, se ha considerando: - Temperatura del agua de la piscina 24 ºC, que es una temperatura muy común en piscinas descubiertas. - Los valores del ábaco se refieren a una superficie libre de la piscina de 1 m2. Por ello, para obtener las pérdidas totales de la piscina, habrá que multiplicar el valor obtenido en el ábaco por la superficie libre de la misma. - Las perdidas obtenidas son perdidas medias diarias. - Estos valores han sido calculados para una zona climática con un grado de humedad relativa media. Si deseamos conocer las necesidades térmicas para mantener el agua a otra temperatura, basta con aplicar la ecuación mencionada anteriormente. Ejemplo 1. En una piscina descubierta de 25 m x 16 m, con una temperatura del agua de 24 ºC, una velocidad del aire de 2 m/s y una temperatura media ambiente de 18 ºC, las pérdidas térmicas serán de: Q = 25 m * 16 m * 35 MJ/día.m 2 = 14000 MJ/día
Ejemplo 2. En una piscina descubierta de 25 m x 16 m, con una temperatura del agua de 26 ºC, una velocidad del aire de 2 m/s y una temperatura media ambiente de 18 ºC, las pérdidas térmicas serán de: Q = [(28 + 20v) * (Ta – T) * 0,0864 Q = 25 m * 16 m * [(28 + 20*2 m/s) * (26 ºC – 18 ºC) * 0,0864)] MJ/día.m2 Q = 400 m2 * 47 MJ/día.m2 = 18800 MJ/día
2.5.1.3. Cargas por renovación del agua. El agua que se evapora de una piscina, ha de ser repuesta con agua de red. La temperatura del agua de red, generalmente se encuentra por debajo de los 26 o 27 ºC a la que pretendemos que se encuentre el agua de la piscina. Por lo tanto, al entrar esta agua a formar parte del agua de la piscina habrá que aumentar su temperatura. El cálculo de la energía necesaria para calentar el agua de renovación depende de la cantidad de agua a renovar, de la temperatura de agua de la red y de la temperatura del agua de la piscina. La ecuación a utilizar es: Q = V * Ce * (Ta – TR) / 1000 Donde: Q es el calor necesario en MJ/día; V es el volumen diario de agua a renovar el l/día; Ce es el calor específico del agua en (4,18 kJ/l.ºC); Ta es la temperatura del agua de la piscina en ºC; TR es la temperatura media diaria del agua de la red de abastecimiento abastecimiento en ºC. Ejemplo. En una piscina de 25 m x 16 m, con una profundidad de 1,8 m, en la que se renueva el 2,5% del agua diariamente, en la que el agua se mantiene a 26 ºC y la temperatura del agua de la red de suministro es de 13 ºC, las necesidades térmicas serán de: VTotal = 25 m * 16 m * 1,8 m = 720 m3 = 720000 l VRenovación = 720000 l * 0,025 = 18000 l/día Q = 18000 l/día * 4,18 kJ/l.ºC * (26 ºC – 13 ºC) / 1000 = 978,12 MJ/día
2.5.2. Piscinas con manta térmica. Una forma de minimizar las perdidas de energía en una piscina a climatizar, es utilizar durante las horas que la piscina no esté en uso una manta aislante de plástico. El uso de
este tipo de mantas reduce considerablemente considerablemente las perdidas por evaporación y por convección. El uso de la manta térmica puede reducir notablemente la superficie colectora necesaria para mantener la piscina a la temperatura deseada. Para el cálculo de la energía perdida en piscinas con manta térmica, aplicaremos la siguiente corrección al valor obtenido según lo visto en los apartados anteriores: Factor de corrección por manta térmica. - Temperatura ambiente media diaria 15 ºC > T > 20 ºC Factor de corrección 0,6 - Temperatura ambiente ambiente media diaria 20 ºC > T > 25 ºC Factor de corrección 0,55 0,55 - Temperatura ambiente ambiente media diaria 25 ºC > T > 30 ºC Factor de corrección 0,5 0,5 De la temperatura ambiente media diaria obtenemos un factor de corrección, que multiplicamos por la demanda obtenida, con lo que minimizamos el valor de las pérdidas. Ejemplo. En una piscina descubierta de 25 m x 16 m, con una temperatura del agua de 22 ºC y una velocidad del aire de 2 m/s y una temperatura media diaria de 18 ºC, las pérdidas térmicas serán de: Q = 25 m * 16 m * 12 MJ/día.m2 * 0,6 = 2880 MJ/día
2.5.3. Captación solar en piscinas descubiertas. En horas de insolación, insolación, la piscina funciona como un gran colector horizontal. La energía que recibe por m2 , la podemos conocer según se indica en el procedimiento correspondiente. correspondiente. Multiplicando esta energía por la superficie de la piscina hallaremos la captación térmica de dicha piscina. Este valor valor es un valor teórico, puesto que se perderá energía por reflexión, por sombras, etc. Para ajustar este valor teórico a un valor práctico, con el que trabajar, aplicaremos las siguientes correcciones: Correcciones a la captación térmica de la piscina. - Pérdidas por reflexión y sombras de los bordes de la piscina Factor de corrección 0,85 - Pérdidas por reflexión en paredes y fondo muy claros Factor de corrección 0,95 - Perdidas por sombras sobre la superficie del agua Factor de corrección Variable según sombras El primero de los factores lo aplicaremos siempre, mientras que los otros dos dependerán de las características de la piscina. El factor o factores de corrección los multiplicaremos multiplicaremos por la energía captada teóricamente, por la piscina, para minimizar la captación. Si no hay pérdidas por sombras el factor de corrección será 1.
Vamos a aplicar la radiación solar recibida diaria sobre el total de la superficie de la piscina y corregir el resultado con las diferentes pérdidas más habituales. De restar a la demanda energética las ganancias de la piscina obtendremos la demanda real de nuestra piscina, que deberemos suministrar con colectores solares. Ejemplo. Vamos a realizar la hoja de carga correspondiente correspondiente a la demanda energética energética para una piscina de 1,8 metros de profundidad y 400 metros cuadrados de superficie situada en los alrededores de Castellón. El cliente quiere poder utilizar la piscina desde el mes de mayo al mes de octubre, ambos incluidos. Quiere conseguir esto mediante energía solar, y para ello posemos la siguiente información: - La piscina al aire libre que se encuentra próxima a Castellón. - Esta parcela se encuentra bordeada por un seto vegetal, que no llega a proyectar sombra sobre la piscina en horas de insolación alta. - Se utiliza manta térmica durante la noche. - El viento medio en la zona es de 1 m/s durante los meses de utilización de la piscina. - La temperatura del agua se mantendrá a 24 ºC. - La piscina es en gran parte de azulejo de color blanco. - Renovamos diariamente el 2,5 % del agua de la piscina. - Para suministrar el calor utilizamos colectores sin cubierta con un rendimiento medio del 50%. Para realizar el cálculo de las necesidades energéticas de la piscina, calcularemos las perdidas producidas y las ganancias por insolación. Para poder determinar las perdidas energéticas, necesi necesitamos tamos conocer datos de temperaturas ambiente ambiente diarias en la zona de Castellón, en los meses en que la piscina va a ser utilizada. Para ello podemos intentar informarnos de la existencia de alguna estación meteorológica próxima ver en http://www.aemet.es/es/portada o utilizar los datos que aparecen en las tablas correspondientes. correspondientes. La tabla para obtener los resultados deberá disponer de los siguientes valores por meses: Pérdidas por evaporación, radiación y conducción - Temperatura media diaria (ºC) - Velocidad del viento (m/s) - Temperatura del agua (ºC) - Valor pérdidas según ecuación (MJ/día·m ) - Ancho de la piscina (m) - Largo de la piscina (m) - Profundidad de la piscina (m) - Superficie de la piscina (m )
- Volumen de la piscina (m ) - Perdidas totales (MJ/día) - Factor por manta térmica - Valor corregido perdidas con manta térmica (MJ/día) Perdidas por renovación - % por cierto de renovación diaria - Volumen de agua renovada (m ) - Temperatura del agua de red (ºC) - Demanda energética por renovación (MJ/día) Pérdidas totales - Demanda energética por perdidas y renovación (MJ/día) Ganancias por radiación solar - Irradiación solar recibida (MJ/m .día) La demanda negativa indica que nos sobra energía por lo que no será necesaria ninguna captación extra. En el mes de octubre harían falta una cantidad enorme de colectores, que no compensarían el incremento del periodo de uso, por lo tanto instalaríamos en torno a 194 m2 de colectores solares sin cubierta, para cubrir el mes de mayo y lo que se pudiera del mes de octubre según la temperatura ambiente.
2.6. Hoja de carga de refrigeración. Las primeras aplicaciones industriales de los principios termodinámicos termodinámicos de la absorción de un vapor por un líquido, con el fin de conseguir la refrigeración de otro líquido, datan de los primeros años 30. La comercialización a mayor escala de plantas frigoríficas frigoríficas de absorción con ciclo Amoniaco-Agua comienzan comienzan en los 40 y la puesta en el mercado de las primeras plantas con ciclo agua-Bromuro de Litio tiene lugar a principio de los 50. Los ciclos de absorción se basan físicamente en la capacidad que tienen algunas sustancias, tales como el agua y algunas sales como el Bromuro de Litio, para absorber, en fase líquida, vapores de otras sustancias tales como el Amoniaco y el agua, respectivamente. A partir de este principio es posible concebir una máquina en la que se produce una evaporación con la consiguiente absorción de calor, que permite el enfriamiento de un fluido secundario en el intercambiador de calor que actúa como evaporador, para acto seguido recuperar el vapor producido disolviendo disolviendo una solución salina o incorporándolo incorporándolo a una masa líquida. El resto de componentes componentes e intercambiadores intercambiadores de calor que configuran una planta frigorífica de Absorción, se utilizan para transportar el vapor absorbido y regenerar el líquido correspondiente para que la evaporación se produzca de una manera continua.
El coste de producir el trabajo mecánico necesario para obtener un kW de refrigeración por ciclo de compresión mecánica de vapor es, normalmente, superior al coste necesario para recuperar la cantidad de calor a aplicar para obtener el mismo kW en un ciclo de absorción. Los sistemas de refrigeración solar suelen trabajar con temperaturas de agua caliente de entrada de entre 45 y 90 ºC y con temperaturas de agua fría de salida de entre 7 y 12 ºC, aunque es posible obtener temperatura por debajo de 0 ºC. Evidentemente, en algunas ocasiones necesitamos disponer de una fuente auxiliar de calor para alcanzar la temperatura necesaria para el sistema de refrigeración r efrigeración.. En este sentido, el sistema es muy similar al necesario para una instalación de calefacción. También son muy similares, a los parámetros que intervienen en calefacción, los que condicionan nuestras necesidades de refrigeración: temperatura exterior, superficie, aislamiento, humedad relativa, etc. Una de las ventajas de la refrigeración solar, cuando la aplicamos a la climatización de edificios, es que los periodos de tiempo de mayores necesidades coinciden con los periodos de mayor insolación, por lo que es una aplicación totalmente totalmente adaptada a las características de un sistema solar. Para otras aplicaciones de refrigeración la situación puede ser muy distinta. Pero las máquinas de refrigeración no son exclusivamente de absorción. Es interesante conocer los diferentes sistemas de refrigeración mediante energía solar. - Las máquinas de absorción, absorción, son equipos habituales habituales del mercado de refrigeración. Su funcionamiento se basa en las reacciones físico-químicas entre un refrigerante y un absorbente. Son accionadas por una energía térmica, que en la aplicación de la energía solar es agua caliente. El tipo de captadores óptimos son los planos selectivos, de concentrador (CPC) o de vacío. - Las máquinas de adsorción, a diferencia de las de absorción, en vez de un absorbente (líquido) se utiliza un adsorbente (sólido). Además, el ciclo de funcionamiento no es continuo, sino que tiene una fase de carga y una de descarga. La temperatura de la fuente caliente puede ser inferior a la de las máquinas de absorción (a partir de 55 ºC). Esto permite el uso de captadores planos. - Las máquinas de refrigeración solar mediante desecación y refrigeración evaporativa. Este sistema consiste en un ciclo en el que el aire ha climatizar es primeramente secado y después enfriado por humidificación. Trata por separado la carga latente y sensible, hecho que permite un control muy preciso de las condiciones de confort. Se utiliza la energía solar a baja temperatura (45 – 60 ºC) para regenerar r egenerar el equipo principal, que es una rueda desecante. Ésta gira lentamente lentamente adsorbiendo el agua contenida en la corriente de aire. La regeneración consiste en evaporar el agua para mantener la capacidad desecante del material. Esta tecnología es óptima para el aprovechamiento solar, tanto con captadores planos de agua como de aire. Con las ideas anteriormente expuestas, para dimensionar nuestro sistema solar para refrigeración, debemos seguir el siguiente proceso:
1. Calculamos la carga energética en refrigeración a extraer de nuestro local o instalación, en frigorías por unida de tiempo, utilizando algún método estándar (recomendamos el método ASHRAE) y fijamos el periodo de tiempo a lo largo del día en el que debemos suministrar la potencia indicada, así como la época del año en que funcionaré nuestra instalación. También debemos fijar la temperatura que debe alcanzar nuestra máquina frigorífica, que estaré en función de la aplicación de nuestra instalación. Se puede conseguir una buena información del tema en ATECYR. 2. Convertimos las frigorías por unidad de tiempo que hay que extraer la instalación a kW, a MJ/h o a cualquier otra unidad que necesitemos para nuestros cálculos, teniendo en cuenta que la frigoría es justo lo inverso de la caloría, es decir, el calor que hay que extraer a un cm3 de agua pura para reducir su temperatura de 20 ºC a 19 ºC en condiciones normales. 3. Elegimos una máquina de refrigeración por absorción, que nos pueda proporcionar la potencia requerida y la temperatura de refrigeración necesaria. Esta máquina tendrá una eficiencia determinada y unos márgenes admisibles de la temperatura, que debemos suministrar para que funcione el sistema de refrigeración. 4. Con los datos obtenidos anteriormente, las características de nuestros colectores y los datos del lugar de instalación, instalación, procedemos como si estuviéramos suministrando calor a un sistema de calefacción, para calcular nuestra instalación. Es muy importante que procuraremos en todo momento trabajar con temperaturas de agua caliente lo más bajas posible (en torno a los 45 ºC como máximo) o utilicemos colectores de vacío, para que el rendimiento de nuestros colectores sea lo más alto posible. El resto del salto térmico necesario para el sistema de refrigeración lo suministraremos con algún sistema de calentamiento auxiliar. Hay diversa configuraciones de los sistemas de refrigeración con energía solar, a continuación presentamos las dos más habituales: La máquina de absorción con caldera de combustión en serie y la máquina de absorción con máquina de compresión en paralelo. La configuración con caldera en serie, consiste en emplear una caldera como fuente de apoyo cuando la energía procedente del campo de captadores no es suficiente para accionar la máquina de absorción. La caldera actuará en serie únicamente cuando la temperatura del depósito se encuentre entre la de retorno del generador de la máquina de absorción y la de impulsión al mismo. Con la temperatura del depósito por debajo de la temperatura de retorno, la caldera se conectará en paralelo. De otro modo la caldera calentaría el depósito de acumulación solar.
2.7. Hoja de carga de procesos industriales. Hay una serie de procesos industriales, que ya hemos enumerado, que pueden utilizar la energía térmica producida por colectores solares de baja temperatura. Recordamos cuales son estos procesos: - Precalentamiento de fluido de trabajo en Bombas de Calor.
- Pasteurización de alimentos. - Lavado de botellas. - Tratamiento de fibras. - Descortezado. Descortezado. - Precalentamiento de fluidos para procesos industriales. - Calentamiento de invernaderos. - Producción de calor para Secaderos. Esto no quiere decir que estos sean los únicos procesos industriales en los que podría participar la energía solar térmica; lo que ocurre es que los requerimientos energéticos de estos procesos son de características similares a los del agua caliente sanitaria. En otros casos, la temperatura de trabajo ofrecida por un colector térmico de baja temperatura resultará insuficiente. insuficiente. Para ello se trabaja con otro tipo de colectores, pero el diseño de una instalación de este tipo varia notablemente con respecto a las que estamos estudiando. No podemos presentar en este apartado un desarrollo de cómo calcular la demanda energética de un proceso industrial, pues los casos posibles son demasiado numerosos y dispares. Tampoco es necesario, en la industria, los procesos que se realizan están sometidos a un continuo control y seguimiento; por ello, el cálculo de la demanda energética de un proceso industrial es algo fundamentado en unos datos muy concretos que la empresa siempre podrá facilitarnos. Así, a la hora de calcular la demanda energética de un proceso industrial, debe ser la empresa la que nos diga las variables y parámetros con que se va a desarrollar el proceso, y en base a esto, nosotros podremos realizar los cálculos pertinentes.
2.8. Captación pasiva de la energía térmica solar. En algunos procesos como la calefacción de edificios o el calentamiento de piscinas hay una cierta cantidad de energía que es captada directamente de forma pasiva del sol y que disminuye la demanda de energía necesaria para nuestra aplicación. En el CTE está considerada esta realidad para el cálculo de las demandas de calefacción y refrigeración de una vivienda. En nuestro cálculo aproximado ya se han considerado estas aportaciones dentro de los datos base para el cálculo de la demanda en calefacción de un edificio. Hay procesos, como la desalación de agua de mar, que pueden funcionar solamente con el aporte de energía solar pasiva. En otros procesos las aportaciones solares pasivas serán complementarias a otras formas de captación solar. En una aplicación que tiene especial interés la captación solar pasiva es en las piscinas al aire libre, ya que la aportación pasiva disminuye la necesidad de aporte de energía por otros medios de captación. También se puede producir una cierta captación pasiva en piscinas cubiertas, cubiertas, pero es más raro. Este fenómeno ya ha sido considerado en el apartado de hoja de cargas de piscinas y ha sido estudiado considerando la piscina como un gran colector solar plano horizontal al suelo.
3. Criterios de diseño y configuraciones de las instalaciones instalaciones solares térmicas de baja temperatura Analizaremos en esta lección los criterios de diseño utilizados en instalaciones solares térmicas de baja temperatura, así como las configuraciones configuraciones básicas utilizadas. Para ello tomaremos como base las instalaciones de Agua Caliente Sanitaria, pues es esta la principal aplicación aplicación de la energía solar térmica de baja temperatura. A partir de los diseños para esta aplicación podremos desarrollar las variaciones necesarias para utilizar esta energía en otras aplicaciones, como son calefacción, refrigeración y calentamiento de piscinas. Para ello consideraremos en calentamiento de piscinas, que la piscina es el acumulador, y en calefacción que el acumulador son las propias paredes del recinto que queremos calefactar. Con ello tendremos la base para realizar las variaciones necesarias para que las configuraciones configuraciones se ajusten a los casos particulares con los que trabajemos.
3.1. Criterios de clasificación y diseño. A continuación veremos una serie de criterios básicos de clasificación y diseño de las instalaciones, instalaciones, que deberemos aplicar para obtener unos resultados óptimos en nuestros diseños.
3.1.1. Definiciones previas. Aunque podemos ver el glosario de términos, es interesante estudiar los siguientes para facilitar el estudio del tema. - Instalaciones de sistema directo: son aquellas en las que el fluido de trabajo es la propia agua de consumo que pasa por los colectores. - Instalaciones de sistema indirecto: en las que el fluido de trabajo se mantiene en un circuito separado, sin posibilidad de comunicarse con el circuito de consumo. - Circuito de consumo: circuito por el que circula agua de consumo. - Instalaciones por termosifón: en la que el fluido de trabajo circula por convección libre. - Instalación con circulación forzada: instalación equipada con dispositivos que provocan la circulación forzada del fluido de trabajo. - Instalaciones cerradas: instalaciones en las que el circuito primario no tiene comunicación comunicación directa con la atmósfera. - Instalaciones abiertas: Instalaciones en las que el circuito esta comunicado de forma permanente con la atmósfera. - Equipo solar doméstico: sistema de aprovechamiento de la energía solar para producción de ACS, fabricado mediante un proceso estandarizado estandarizado que presupone resultados uniformes en prestaciones.
3.1.2. Criterios de clasificación. Vamos a realizar una clasificación de las instalaciones solares térmicas de baja temperatura, en base a la cual desarrollaremos las configuraciones básicas con las que vamos a trabajar. Para realizar esta clasificación, aplicaremos los siguientes criterios distintivos. Clasificación de instalaciones en función del principio de circulación del fluido de trabajo. Se clasificarán en: - Instalaciones por termosifón o circulación natural. - Instalaciones por circulación forzada. Clasificación de instalaciones en función del sistema de transferencia de calor utilizado. Se clasificarán en: - Instalaciones de transferencia directa sin intercambiador de calor. - Instalación con intercambiador de calor en el acumulador solar. - Instalaciones con el intercambiador de calor independiente. Clasificación de instalaciones en función del sistema de expansión utilizado. Se clasificarán en: - Sistema abierto. - Sistema cerrado. Clasificación de instalaciones en función del sistema de energía auxiliar utilizado. Se clasificarán en: - Sistema de energía auxiliar en depósito principal. - Sistema de energía auxiliar en depósito secundario centralizado. - Sistema de energía auxiliar en depósitos secundarios distribuidos. - Sistema de energía auxiliar en línea centralizado. - Sistema de energía auxiliar en línea distribuido.
3.1.3. Criterios de diseño. Una instalación solo estará correctamente diseñada, si el aprovechamiento de la energía solar que recibe es óptimo, en función de las necesidades que han de cubrirse. Hemos de ser muy conscientes de que el objetivo principal de cualquier instalación solar térmica de baja temperatura es conseguir el máximo ahorro posible de energía convencional. Y decimos ahorro porque, excepto con prestaciones muy limitadas, necesitamos de un sistema de apoyo que funcione con algún tipo de energía “convencional”.
Si debido a un mal diseño, este sistema auxiliar auxiliar no funciona correctamente, correctamente, nuestro objetivo no se habrá cumplido. Y consideramos que el sistema auxiliar no funciona correctamente cuando trabaja más de lo justo y necesario. Para conseguir lo anterior debemos seguir unas directrices que nos permitan lograr un óptimo aprovechamiento de la energía solar, cuando realicemos una instalación de energía solar térmica de baja temperatura. Si bien cada caso particular requiere de una solución particular, y por ello no puede haber principios inamovibles, el ajustarnos en la medida de lo posible a las siguientes directrices, repercutirá en que el funcionamiento de la instalación tienda a su optimo.
3.1.3.1. Primera directriz: Captar el máximo de energía solar que podamos usar y convertirla en energía útil. Energía útil es la energía que podemos utilizar en un momento concreto o guardarla (acumularla) para su uso posterior. En definitiva es la energía que a nosotros nos interesa conseguir. De poco nos servirá que nuestra instalación esté diseñada para que funcione de forma óptima en verano, si la utilizamos únicamente en otoño y primavera. Con ello queremos decir que una instalación estará mal diseñada si su campo de captación está pensado para un rendimiento máximo en momentos en que la energía que es captada no puede ser utilizada. El dimensionado y orientación del campo o superficie de captación no es el único punto a tener en cuenta para ajustarnos a esta primera directriz: ¿Y si por una mala regulación, captamos energía y no la convertimos en energía útil? Por ejemplo, si diseñamos una instalación instalación en la que el electrocirculador electrocirculador del circuito primario se pone en marcha cuando la temperatura del colector alcanza un valor determinado, puede suceder que en el almacenamiento, almacenamiento, la temperatura haya aumentado más de lo deseado, lo que provocará un descenso importante importante del rendimiento, ya que el rendimiento de los colectores disminuye con el aumento de la temperatura. Por lo que deberemos diseñar una instalación en la que se impida este proceso, por ejemplo, derivando la energía calorífica a otra aplicación.
3.1.3.2. Segunda directriz: Consumir preferentemente la energía solar captada y acumulada. Las implicaciones de lo que propone esta segunda directriz afectan profundamente a nuestros futuros diseños; vamos vamos a ver en que forma. Ya sabemos que la energía solar es gratuita, y que la energía de apoyo no lo es. Lo ideal sería utilizar el sistema auxiliar solo cuando hubiéramos utilizado toda la energía solar captada y acumulada. En la práctica esto no es posible, pero nuestro diseño puede favorecer que utilicemos la energía solar y no hagamos uso de la energía auxiliar innecesariamente. Conseguimos esto con:
- Con un buen dimensionado dimensionado del volumen de acumulación, pues puede suceder que si la superficie de captación y el sistema de almacenamiento no están bien proporcionados, no acumulemos calor en la forma en que nos interesa. Nos explicamos: Si nuestro acumulador es muy grande, acumularemos el calor en mucho volumen, con lo que la temperatura de almacenamiento almacenamiento será muy baja y habrá que utilizar excesivamente el sistema auxiliar para calentarla hasta hasta la temperatura de uso. Si por el contrario la acumulación es muy pequeña, no podremos usarla en periodos alejados del tiempo de captación, y además, la temperatura de almacenamiento almacenamiento será alta, lo que provocará que el rendimiento del colector disminuya. - Con un buen diseño del sistema de apoyo. El sistema auxiliar debe estar regulado de tal forma que solo entre en funcionamiento cuando sea estrictamente necesario y no aportando más energía de la necesaria. - En un sistema auxiliar que actúa sobre el propio depósito de acumulación, este estará regulado para que solo entre en funcionamiento cuando casi no quede energía acumulada. - En un sistema en línea, el sistema deberá regularse automáticamente en función de la temperatura de la acumulación y la temperatura solicitada. Si esto no es así se puede sobrecalentar el fluido con los graves e inútiles problemas que esto puede acarrear. - En un sistema auxiliar con depósito de apoyo, este estará situado entre la acumulación y los puntos de uso. La temperatura del fluido en este segundo depósito será algo superior a la temperatura requerida en los puntos de uso, para que, al mezclarlo con el fluido de la acumulación solar (que normalmente se encontrará por debajo de la temperatura de uso) tengamos la temperatura deseada. - Con un diseño que evite que la energía solar y la energía auxiliar se mezclen innecesariamente. La temperatura en la acumulación solar, va ha estar generalmente por debajo de la temperatura de uso. La baja temperatura de la acumulación aumenta considerablemente el rendimiento del colector, cosa muy interesante para nosotros. Si mezclamos esta energía con la energía auxiliar, aumentaremos la temperatura en la acumulación solar, con lo que disminuiremos disminuiremos el rendimiento rendimiento de los colectores. Por ello, optaremos siempre que podamos, por diseños que mantengan separados separados ambos tipos de energía. Existen diseños de depósitos de acumulación que separan físicamente la energía auxiliar de la energía solar. Estos diseños resultan casi obligatorios en nuestras instalaciones. La separación física de energías se consigue, o bien mediante un pequeño depósito comunicado con el principal, o bien compartimentando este mediante una pared o membrana. No siempre nos será posible ajustarnos a estas directrices, bien por limitaciones económicas o por limitaciones técnicas. Ello no quiere decir que el funcionamiento del sistema no sea aceptable. Cada caso particular tiene una solución particular, y esta es la que deberemos encontrar trabajando siempre dentro de las limitaciones de cada proyecto.
3.1.3.3. Tercera directriz: Evitar pérdidas innecesarias de la energía solar captada. Si captamos energía solar y posteriormente la perdemos parte de ella no habremos conseguido obtener el máximo rendimiento de nuestra instalación. Por tanto conviene tener en cuenta los siguientes aspectos: aspectos: El aislamiento es un elemento básico en nuestra instalación, tanto en las conducciones como en el depósito de almacenamiento. Por lo tanto deberemos asegurarnos de utilizar de forma correcta un aislamiento adecuado y suficiente en todos los elementos de la instalación. Si la bomba se pone en funcionamiento simplemente cuando el colector alcanza una temperatura y el agua del depósito está muy caliente podemos estar moviendo el líquido caloportador y perdiendo energía sin ninguna ganancia ganancia real. Si la bomba se pone en funcionamiento funcionamiento comandada por un termostato diferencial diferencial que controla la temperatura en la salida del colector y en la acumulación, acumulación, esto no ocurrirá. De ahí la importancia de la regulación diferencial, para convertir la energía captada en energía útil. Si por un incorrecto diseño de la instalación instalación o por la falta de sistemas antirretorno se produce un flujo natural inverso al que debe llegar el líquido caloportador podemos estar disipando energía en los colectores en lugar de captarla. Por lo tanto debemos evitar el flujo de retorno no deseado mediante los mecanismos oportunos. Lograremos la mayor captación, el mayor rendimiento y las menores pérdidas si la energía solar se utiliza en la aplicación que permite acumular la energía solar con la menor temperatura posible. Para lograr una distribución adecuada entre las distintas aplicaciones de la energía solar es conveniente utilizar un sistema de control automatizado.
3.1.3.4. Cuarta directriz: Diseñar una instalación lo más fiable posible. Un a instalación es tan poco fiable como el menos fiable de sus componentes, por lo que deberemos utilizar componentes de calidad contrastada y adecuados al uso y temperaturas a las que trabajará nuestra instalación. Cuantos mas elementos se interpongan entre el colector y los puntos de uso, peor será el rendimiento, y cuanta mayor la complejidad de estos elementos, mayor la posibilidad de que se estropeen, y mas cara su reparación. Por lo tanto, debemos simplificar simplificar al máximo el diseño de la instalación para quesea lo más fiable posible. El dimensionado de la instalación estará limitado por el cumplimiento de la condición de que en ningún mes del año la energía producida por la instalación podrá superar el 110 % de la demanda energética y en no más de tres meses el 100 % y a estos efectos no se tomarán en consideración aquellos periodos de tiempo en los cuales la demanda energética se sitúe un 50 % por debajo de la media correspondiente al resto del año, tomándose medidas de protección.
La razón es que si se superan estos valores es muy posible que la instalación se sobrecaliente, sobrecaliente, pierda líquido caloportador y termine por dañarse, lo que la haría muy poco fiable.
3.2. Configuraciones básicas para la captación. Conocemos cada uno de los elementos que pueden formar parte de una instalación solar térmica de baja temperatura. Hemos apuntado brevemente en que aplicaciones aplicaciones podemos utilizar sistemas solares térmicos de baja temperatura. Como ya hemos asomado en otros puntos, la aplicación a que va a ir destinada nuestra instalación, las condiciones particulares de funcionamiento del sistema que pretendemos diseñar y ejecutar, pueden hacernos prescindir de algún elemento, elemento, o en los casos en que tengamos varias posibilidades, posibilidades, tendremos que decidirnos por una u otra opción para solucionar un problema dado. Aunque en principio parece que la multiplicidad de posibilidades es enorme, nos centraremos en cinco configuraciones básicas y a partir de estas cinco posibilidades realizaremos el diseño de cualquier instalación. Únicamente serán necesarias las modificaciones que adapten la configuración básica elegida a cada caso particular. No obstante es imprescindible indicar que en ningún caso el agua de consumo podrá pasar por el colector solar, debiendo existir una separación física entre líquido caloportador y agua de consumo. Las configuraciones son válidas solamente si se da la situación indicada.
3.2.1. Configuración 1: Instalación por termosifón directa. Las instalaciones por termosifón directas son las más simples que podemos realizar. En ellas el fluido de trabajo que atraviesa los colectores y el fluido que llega a los puntos de uso es el mismo. La circulación de este fluido se produce sin la ayuda de ningún electrocirculador. electrocirculador. Esto ofrece una serie de ventajas e inconvenientes inconvenientes que son los que valoraremos a la hora de optar por esta configuración como solución solución valida o no. Las instalaciones por termosifón directas, son la solución más económica que podemos aplicar. En ellas el número de elementos constitutivos esta reducido al mínimo, lo que abarata considerablemente considerablemente su precio. Además el hecho de que el fluido de trabajo sea el propio que tenemos en los puntos de uso mejora el rendimiento térmico de la instalación, pues cada vez que cedemos calor de un elemento de la instalación a otro, o de una parte de la instalación instalación a otra, se producen perdidas. Deben estar preparadas, asimismo para soportar mayores temperaturas, y los problemas que esto puede ocasionar, como vaporización del fluido de trabajo en determinadas condiciones, etc.
3.2.2. Configuración 2: Instalación por termosifón indirecta. Las instalaciones por termosifón indirectas, con intercambiador intercambiador de calor incorporado en el acumulador solar, aumentan ligeramente su complejidad con respecto a la configuración configuración anterior por el hecho de diferenciar el fluido que atraviesa los colectores del fluido que llega a los puntos de uso. Esto lo realizan gracias a un intercambiador de calor que va incorporado al acumulador solar. A nivel practico, esto se traduce en que el intercambiador intercambiador de calor encarece el precio de la instalación respecto a la configuración anterior. Sin embargo, su uso anula las restricciones debidas a que el fluido de trabajo y el fluido en los puntos de uso sean el mismo, restricciones que hemos enumerado en el caso de la configuración anterior. El rendimiento de la instalación instalación será ligeramente ligeramente menor. Las instalaciones por termosifón tienen unas exigencias y unas limitaciones que debemos conocer. La circulación por termosifón se produce debido a la diferente densidad del agua fría y del agua caliente. El agua caliente es menos densa que el agua fría, por lo que tiende a colocarse si puede encima de esta. En una instalación solar térmica de baja temperatura, el efecto termosifón se produce de la siguiente manera. En el depósito de acumulación el agua se encuentra estratificada debido a la diferencia de temperaturas, el agua caliente en la parte superior del depósito y el agua fría en la parte inferior. Las conducciones ponen en contacto el colector con el acumulador. El punto del circuito en que el fluido estará a mayor temperatura es la salida del colector, y el punto donde estará mas frío es en la parte inferior del tanque de acumulación. Entonces, el fluido de la salida del colector tiende a colocarse en la parte mas alta del circuito que debe ser la parte superior del acumulador, y el fluido de la parte baja del tanque tiende a colocarse en la parte mas baja del circuito que debe ser la entrada a los colectores. En estos, el fluido se calienta y es de nuevo impulsado a la parte más alta del circuito con lo que se produce la circulación circular del fluido. Para que este fenómeno se produzca correctamente, el depósito de acumulación debe estar colocado por encima de los colectores solares. De hecho, se ha comprobado experimentalmente experimentalmente que si la parte inferior del acumulador (de donde sale la tubería que lleva el fluido del acumulador a los colectores) no se encuentra por lo menos 25 cm por encima de la salida del fluido de los colectores solares el efecto termosifón no se produce correctamente. correctamente. El otro factor determinante para que se produzca el efecto termosifón es la diferencia entre la temperatura del fluido de la parte inferior del depósito y la del fluido a la salida de los colectores. Al conjunto de estos dos factores, la diferencia de alturas entre la parte inferior del depósito y la salida de los colectores, y la diferencia de temperaturas entre estos dos mismos puntos, se le denomina carga hidráulica del sistema. La carga hidráulica del sistema nos da idea de la energía que posee el fluido para provocar el efecto termosifón.
Si bien los factores comentados son los más determinantes a la hora de que se produzca la circulación por termosifón, no son los únicos, y hay otros factores que hay que tener muy en cuenta a la hora de realizar un diseño de una instalación por termosifón: La resistencia al movimiento que produzca el circuito. Si la tubería es muy estrecha, el circuito es tortuoso, excesivamente largo, y hay muchos elementos que producen perdidas de carga, como codos, válvulas de retención, u otros accesorios, la instalación por termosifón funcionara de forma muy deficiente. Por ello no utilizaremos codos a 90º, sino curvas con radios mínimos de tres veces el diámetro de la tubería, no colocaremos filtros, ni válvulas de corte, y solo en casos muy concretos (con una diferencia de alturas entre la parte inferior del tanque y la salida de los colectores, mínima), para evitar el flujo inverso, válvulas antirretorno, antirretorno, que serán de claqueta. El mal dimensionado de las tuberías. Si la tubería es muy ancha, esto no favorece el funcionamiento de la instalación, pues el rendimiento que esta ofrece disminuye considerablemente. Y si es demasiado estrecha, como acabamos de comentar, se producen demasiadas perdidas de energía por rozamiento, energía que no puede ser utilizada ya para producir el efecto termosifón. Como regla práctica se pueden dimensionar las tuberías de las instalaciones por termosifón seleccionándolas de un diámetro inmediatamente superior al que correspondería en un sistema con circulación forzada, y nunca inferiores a media pulgada. Además evitaremos trazados horizontales, y si son imprescindibles daremos a la conducción una inclinación de al menos un 5 % (favoreciendo la circulación del fluido). En cuanto al control de las instalaciones por termosifón, tendremos en cuenta lo siguiente: - Se ha comprobado que en estas instalaciones el salto térmico en los colectores es casi el doble que en sistemas con circulación forzada. Además, también la diferencia de temperaturas entre la parte superior e inferior del tanque es mayor. - El caudal es, como hemos visto, proporcional a la diferencia de temperaturas entre el fondo del tanque y la salida de los colectores y por ello aumentará o disminuirá en función de esta diferencia de temperaturas, esto es, se autorregulará. Si el sistema esta bien diseñado, esta autorregulación mantiene la diferencia de temperaturas entre el fondo del tanque y la salida de los colectores próxima a los 10 ºC. - Como inconveniente, la autorregulación no limita la temperatura, con lo que suelen alcanzarse en el depósito de acumulación temperaturas de 60 ºC, con los problemas y peligros que esto comporta. Para reducir este problema, se realizan diseños con un valor mínimo del cociente Volumen del acumulador/Superficie de captación de 80 l/m2.
3.2.3. Configuración 3: Instalación por circulación forzada, directa. La circulación del fluido puede forzarse con un electrocirculador. Esto permite un mayor control sobre la instalación, instalación, pues se puede utilizar el electrocirculador, no solo
para forzar, sino también para regular la circulación del fluido. El electrocirculador electrocirculador es garantía de eficiencia del sistema. El uso de un electrocirculador se hace imprescindible en los casos en que no podamos situar el depósito de acumulación por encima de los colectores solares. Para que el electrocirculador electrocirculador pueda funcionar es necesario disponer de energía eléctrica, con los consiguientes problemas que esto nos puede acarrear. Es importante no sobredimensionar sobredimensionar este elemento, para no producir un consumo innecesario, por lo que el electrocirculador electrocirculador debe ser regulado por algún sistema eléctrico o electrónico, no se “autorregula” como el termosifón. Esta configuración presenta las ventajas e inconvenientes que presentaba la configuración configuración nº 1 debido a la circulación directa (sin intercambiador de calor) del fluido. Así mismo no presenta las características correspondientes a las instalaciones por termosifón. termosifón.
3.2.4. Configuración 4: Instalaciones Instalaciones por circulación forzada indirectas con intercambiador de calor incorporado en el acumulador solar. Esta configuración presenta las ventajas e inconvenientes que presentaba la configuración configuración nº 2 debido a la circulación indirecta (con intercambiador de calor) del fluido. Así mismo no presenta las características correspondientes a las instalaciones por termosifón. termosifón.
3.2.5. Configuración 5: Instalaciones Instalaciones por circulación forzada indirectas con intercambiador de calor independiente. Esta configuración presenta las ventajas e inconvenientes que presentaban las configuraciones configuraciones nº 2 y nº 4 debido a la circulación indirecta (con intercambiador intercambiador de calor) del fluido. Así mismo no presenta las características correspondientes correspondientes a las instalaciones por termosifón. Las diferencias entre la utilización de un intercambiador interior o un intercambiador intercambiador exterior las hemos comentado al explicar los tipos de intercambiadores.
3.2.6. Elección de la configuración. Acabamos de dar una serie de pautas que podemos aplicar para decantarnos por una u otra configuración a la hora de dar solución a un caso determinado. Vamos a resumir y completar estas pautas.
Un sistema por termosifón no necesita electricidad electricidad para alimentar el sistema de bombeo. Esta característica hace que este sistema sea especialmente interesante en zonas aisladas, con alta radiación solar. Si la energía auxiliar utilizada es gas, la ventaja se mantiene, pero deja de hacerlo si se utiliza la electricidad como energía de apoyo, pues en comparación a esta, el consumo de la bomba es mínimo. Puede resultar problemático cumplir, en instalaciones por termosifón, la necesidad de colocar el depósito de acumulación por encima de los colectores. Este problema se agrava con el aumento del tamaño de la instalación. El sistema funcionara correctamente si la instalación posee tuberías cortas y trazado simple, pero si estos dos puntos no se cumplen su funcionamiento suele resultar problemático. Si, por ejemplo, en viviendas multifamiliares, estudiamos como opciones, instalaciones familiares por termosifón o una instalación general forzada, posiblemente esta última sea más rentable. En sistemas por termosifón no es posible regular la temperatura del depósito de acumulación. La protección contra heladas es otro problema de las instalaciones por termosifón. Si nos vamos a sistemas de drenaje del fluido, la simplicidad que aporta el sistema se va a pique, pues necesitaremos de una bomba. Un sistema por termosifón es un sistema de bajo coste y simple, pero prácticamente solo es viable en instalaciones unifamiliares, y en zonas geográficas donde el riesgo de heladas es reducido. En instalaciones con volumen de acumulación superior a 500 litros es aconsejable no utilizar las configuraciones 1 y 2. En instalaciones con volumen de acumulación superior a 5000 litros se utilizará con carácter general la configuración 5, y es aconsejable esta configuración a partir de los 3000 litros de acumulación. Sobre la elección o no de sistemas directos, directos, hay que tener muy en cuenta estos tres factores; presión de trabajo, corrosión y congelación. congelación. Técnicamente, son los que van ha limitar la posibilidad de trabajo con este tipo de sistemas. En el mercado podemos encontrar equipos que se adaptarán a las configuraciones básicas de formas distintas, con distintas soluciones. Así podremos trabajar con los siguientes equipos: - Equipo compacto: equipo solar doméstico cuyos elementos se encuentran montados en una sola unidad, aunque físicamente pueden estar diferenciados. - Equipo partido: equipo solar doméstico cuyos elementos principales (captación y acumulación) acumulación) se pueden encontrar a una distancia física relevante. relevante. - Equipo integrado: equipo solar doméstico cuyos elementos principales (captación y acumulación) constituyen un único componente y no es posible diferenciarlos físicamente.
3.3. Configuraciones básicas del vaso de expansión. Las configuraciones básicas anteriores admiten dos variantes según que el vaso de expansión del circuito primario sea abierto o cerrado.
En cuanto a optar por un sistema abierto o cerrado, nos decantaremos siempre que sea posible por uno abierto, pues los depósitos de expansión cerrados suelen dar problemas a lo largo de la vida de la instalación. No obstante, los vasos de expansión cerrados tienen mejores prestaciones y son más versátiles a la hora de instalarlos.
3.4. Configuraciones básicas de la acumulación y el apoyo. Podemos, como hemos visto ya, aplicar la energía de apoyo o bien al fluido, en su trayectoria entre la acumulación y los puntos de uso, sistemas en línea, o directamente en la acumulación. En el primer caso, nuestros sistemas deberán ser más potentes, pues deberán realizar el calentamiento del fluido de forma instantánea, justo en el instante en que nosotros lo demandemos. En el segundo caso, los sistemas de apoyo podrán tener menor potencia, pues el calentamiento no tiene por que producirse de forma instantánea, sino que se puede producir de forma gradual, almacenándose el fluido ya calentado, siempre y cuando el fluido ya este caliente cuando lo necesitemos. Dentro de los sistemas que aplican la energía de apoyo en el acumulador, hemos comentado también en este mismo tema el interés que puede tener para nosotros el disponer de dos depósitos de acumulación, uno sobre el que actuará la energía solar, y otro sobre el que lo hará la energía auxiliar, pues de esta forma no mezclamos ambos tipos de energía, punto muy positivo para el rendimiento del sistema. Técnicamente, un sistema con dos acumuladores es, en cuanto a eficiencia del sistema, la configuración optima. Sin embargo, el acumulador es uno de los elementos más caros de la instalación. Esto nos impone la siguiente reflexión: Cuanto mas eficiente sea el sistema, mayor será el ahorro de energía que este proporcionará. proporcionará. Pero, ¿y si este ahorro no compensa el sobrecoste de aumentar el numero de elementos de la instalación? La lógica nos dice que si el ahorro de energía producido por la mayor eficiencia de la instalación es mayor que el sobrecoste que supone el realizar una instalación que conste no de uno sino de dos acumuladores, será conveniente utilizar este diseño, y si esto no se cumple será más interesante utilizar un diseño con un solo acumulador. El tamaño de la instalación será pues, determinante a la hora de decantarse por uno u otro modelo. Realizamos por ello la siguiente distinción: - Consideraremos instalaciones pequeñas, las que trabajen con volúmenes de acumulación de hasta 500 litros.
- Consideraremos instalaciones medianas, las que trabajen con volúmenes de acumulación comprendidos entre los 500 y los 3000 litros. - Consideraremos instalaciones de gran tamaño, las que trabajen con volúmenes de acumulación mayores de 3000 litros. Las configuraciones básicas de la acumulación se completan con cualquiera de los sistemas de aporte de energía auxiliar. Las principales configuraciones de la energía auxiliar son: - Sistema de energía auxiliar en línea centralizado. - Sistema de energía auxiliar en línea distribuido. - Sistema de energía auxiliar en depósito principal. - Sistema de energía auxiliar en depósito secundario centralizado. - Sistema de energía auxiliar en depósitos secundarios distribuidos. - Sistema de energía auxiliar con circuito independiente. independiente.
3.4.1. Configuración 1: Sistema auxiliar en línea. El sistema auxiliar esta conectado en línea en el circuito secundario, y calienta el fluido del secundario sin que se produzca ningún tipo de almacenamiento. - Sistema auxiliar en línea centralizado. - Sistema auxiliar en línea distribuido.
3.4.2. Configuración 2: Sistema auxiliar en depósito de acumulación. acumulación. El sistema auxiliar actúa en la acumulación. Es aquí donde se nos presenta la opción de que el apoyo se realice en el depósito de acumulación sobre el que actúa la energía solar, o en un depósito independiente. - Energía auxiliar en depósito de acumulación principal. - Energía auxiliar en depósito de acumulación secundario. - Energía auxiliar en depósito secundario distribuido.
3.4.3. Configuración 3: Sistema auxiliar con circuito independiente. independiente. Sistema auxiliar con circuito independiente. El sistema auxiliar posee un circuito hidráulico propio, y cede el calor al circuito secundario mediante un intercambiador de calor.
3.4.4. Elección de la configuración. El decantarnos por un modelo u otro, depende, como acabamos de comentar, de la relación existente existente entre el ahorro producido al ser un sistema de dos acumuladores mas eficiente, y el coste de los elementos que hay que instalar para procurar esta eficiencia (el segundo acumulador básicamente). Como regla general, en pequeñas instalaciones, instalaciones, el aporte de energía auxiliar suele realizarse en el depósito de acumulación solar (un único depósito). El apoyo se realiza siempre en la parte superior del depósito, e intentando que se mezclen lo menos posible la energía auxiliar y la solar. Para ello intentaremos intentaremos trabajar con acumuladores que favorezcan la estratificación, mas altos que anchos, a ser posible que cumplan una relación 2,6 a 1, que posean buenos deflectores para que no destruyan la estratificación estratificación conseguida. También podemos podemos considerar aquí los acumuladores que separan la energía auxiliar y solar mediante una membrana o pared. En instalaciones de gran tamaño, el aporte se realiza generalmente en un depósito secundario (dos depósitos). En el caso de instalaciones de tamaño medio, sería necesario realizar un pequeño estudio económico, que nos permitiese decantarnos por una u otra opción. En instalaciones que necesitemos un aporte elevado de energía de forma instantánea y utilicemos un sistema de calentamiento central, puede ser de gran utilidad la configuración configuración 3.
3.4.5. Configuraciones para conectar varios acumuladores. Preferentemente, el sistema de acumulación solar estará constituido por un solo depósito, será de configuración vertical y estará ubicado en zonas interiores. En caso necesario, aunque no es aconsejable, podemos conectar varios acumuladores, como ya hemos indicado en la lección 6, para conseguir un volumen de acumulación determinado. Los depósitos se conectarán, preferentemente, preferentemente, en serie invertida en el circuito de consumo ó en paralelo con los circuitos primarios y secundarios equilibrados. - Acumuladores conectados en serie con intercambiadores intercambiadores interiores. - Acumuladores conectados en serie con intercambiador intercambiador exterior. - Acumuladores conectados en paralelo con intercambiadores interiores. - Acumuladores conectados en paralelo con intercambiador exterior. La conexión de los acumuladores permitirá la desconexión individual de los mismos sin interrumpir el funcionamiento de la instalación.
3.4.6. Configuraciones adicionales de la acumulación. acumulación. Podemos mejorar el rendimiento del sistema de dos acumuladores con una válvula de tres vías regulable en función de la temperatura alcanzada en el acumulador, solar. Acumulador secundario con válvula de 3 vías. En todo caso tendremos en cuenta que las válvulas regulables de forma automática tienden a dar problemas en circuitos abiertos con aguas duras, por lo que en estos casos evitaremos su uso. En caso de realizar una instalación con un acumulador principal y un acumulador de apoyo sobre el que actúe la energía auxiliar, deberemos tener en cuenta también, en que momentos se va a realizar el consumo de agua caliente, pues podría suceder que a lo largo del día hubiésemos calentado el agua en el acumulador principal, y de no haber hecho uso de agua caliente, tendríamos que calentar el agua del depósito de apoyo íntegramente con energía auxiliar. Esto contradice una de las directrices, que nos decía que teníamos que utilizar la energía auxiliar con prioridad. Para evitar esto podemos utilizar el siguiente diseño convenientemente regulado. En este caso, regulando r egulando convenientemente convenientemente la bomba, podríamos transportar el agua calentada con energía solar hasta el segundo depósito. Seria conveniente instalar alguna válvula antirretorno o válvula de apertura-cierre en la misma conducción de la bomba para evitar que se produzca movimiento de fluido en los momentos en que no nos interesa, pasando calor del segundo acumulador al primero, lo que podría perjudicar el rendimiento del sistema. Como caso especial, nos podemos encontrar con algún caso en que tengamos que dar servicio a grandes cantidades de agua caliente en verano y muy pequeñas en invierno (caso de hoteles de temporada). En estos casos es interesante estudiar el diseño siguiente: Con este diseño, utilizando la válvula de tres vías de la parte inferior de la instalación, podemos inutilizar el depósito de mayor tamaño en temporada baja, pues no tiene lógica acumular en temporada alta en, por ejemplo 5000 litros de acumulación, y calentar todos estos litros en invierno si solo se consumen 500, el gasto sería totalmente inútil.
3.5. Configuraciones de los sistemas de distribución del fluido. Si bien no es objeto de este curso desarrollar los sistemas de distribución del fluido calentado a los puntos de consumo, pues estos sistemas no son específicos de las instalaciones instalaciones solares, sí es necesario hacer una serie de aclaraciones y dar algunas explicaciones. A ello vamos. Diferenciamos dos tipos de sistemas de distribución del fluido calentado a los puntos de consumo, los sistemas de distribución abiertos, y los sistemas de distribución de recirculación.
Un sistema de distribución abierto es aquel que se realiza entre el acumulador y los puntos de uso con una sola tubería. Este sistema es el más simple, y es el utilizado en la mayoría de instalaciones de pequeño tamaño. Su instalación es sencilla y no presenta problemas de regulación; sin embargo, presenta el inconveniente de que cuando se necesita el fluido caliente en un punto determinado, hay que esperar a que el fluido caliente viaje por toda la tubería para llegar al punto de consumo. En el sistema de distribución abierto, abierto, una única tubería une los puntos de uso y el acumulador. Un sistema de distribución de recirculación es el que esta constituido por una tubería por la que circula continuamente fluido calentado calentado (recircula), llamada “de retorno”, y de esta tubería se distribuye el fluido calentado a los puntos de uso. De esta forma el fluido caliente esta en los puntos donde es necesario casi instantáneamente. En un sistema de distribución de recirculación, el fluido caliente está en continua recirculación a través de la tubería de retorno Este sistema es el utilizado en las instalaciones de mayor tamaño y es obligado en hoteles y grandes instalaciones. Presenta el inconveniente de que al circular continuamente el fluido por la tubería de retorno se produce perdidas de calor. Para nosotros, lo más importante en el diseño de una instalación solar que posea un sistema de distribución distribución de recirculación, es saber en que punto ha de entrar el fluido de recirculación para que el rendimiento sea óptimo. En el primer caso, la tubería de recirculación vierte el fluido en el depósito de acumulación solar. La temperatura del fluido en la recirculación será numerosas veces más elevada que en el almacenamiento solar, con lo que estaremos mezclando energías y disminuyendo el rendimiento del sistema. El segundo diseño, ha corregido este error. Cuando entra agua en el circuito, esta entra siempre de la acumulación solar, con lo que se esta usando prioritariamente. Si su temperatura es suficiente, el termostato actuara sobre la válvula de forma que esta no pase por el depósito auxiliar, a más temperatura; si es insuficiente, cambiara la posición de la válvula y entrando agua de la acumulación de apoyo.
3.6. Configuraciones del apoyo en línea. El apoyo en línea puede tener diversas configuraciones según sea el tipo de caldera que estemos utilizando. Lo indicado a continuación es igualmente válido para ACS o calefacción, según la aplicación que le demos a la caldera en nuestra instalación. Para calderas que soporten bien altas temperaturas de entrada, colocaremos directamente la entrada de agua procedente del acumulador o intercambiador con el sistema solar a la caldera. A la salida de la caldera colocaremos una válvula de tres vías termostática termostática para tener una temperatura de uso adecuada. Caldera modulante que soporta altas temperaturas de entrada. 1. Caldera. 2. Entrada de agua procedente del acumulador o intercambiador entre 5º C y 70 ºC. 3. Salida de agua de la caldera.
4. Entrada de agua fría. 5. Salida de agua para consumo entre 30 ºC y 50 ºC, dependiendo de la aplicación. Para calderas que no soporten bien altas temperaturas de entrada, colocaremos a la entrada una válvula termostática, de manera que el agua procedente del acumulador o intercambiador intercambiador con el sistema solar a la caldera se mezcle con agua fría, para conseguir una temperatura aceptable por la caldera. A la salida de la caldera colocaremos una válvula de tres vías termostática para tener una temperatura de uso adecuada. Caldera modulante que no soporta altas temperaturas de entrada. 1. Caldera 2. Agua de entrada a la caldera a temperatura adecuada para esta. 3. Salida de agua de la caldera. 4. Entrada de agua fría. 5. Salida de agua para consumo entre 30 ºC y 50 ºC, dependiendo de la aplicación. 6. Entrada de agua fría a la válvula de tres vías previa a la caldera. 7. Entrada de agua procedente del acumulador o intercambiador entre 5º C y 70 ºC. Para calderas que no soporten bien altas temperaturas de entrada o que deseamos puentear si la temperatura de entrada es elevada, ya que no resulta necesario que el agua pase por la caldera, colocaremos a la entrada una válvula de tres vías termostática, termostática, de manera que el agua procedente del acumulador o intercambiador con el sistema solar a la caldera puentee la caldera, en mayor o menor medida según la temperatura. Posteriormente Posteriormente colocaremos otra válvula de tres vías termostática para tener una temperatura de uso adecuada. Caldera modulante puenteable según temperatura. 1. Caldera. 2. Agua de entrada a la caldera a temperatura adecuada para esta. 3. Salida de agua de la caldera y unión con la entrada a caldera. 4. Entrada de agua fría. 5. Salida de agua para consumo entre 30 ºC y 50 ºC, dependiendo de la aplicación. 6. Entrada de agua procedente del acumulador o intercambiador entre 5º C y 70 ºC.
3.7. Configuraciones básicas de la regulación. La regulación del sistema de energía solar térmico de baja temperatura es fundamental para el correcto y optimo funcionamiento del mismo. Esta regulación se puede conseguir de diversas formas, y con muy distintos niveles de complejidad. Vamos a ver en este apartado los sistemas más utilizados. Mediante el sistema de control, actuaremos sobre la captación y sobre el almacenamiento. almacenamiento. Vamos a estudiar primero la forma de hacerlo sobre la captación y posteriormente veremos en que formas podemos actuar sobre el almacenamiento.
3.7.1. Regulación de la captación. La regulación de la captación puede hacerse de diversas formas, que indicamos a continuación.
3.7.1.1. Regulación de los colectores por termostato. Este sistema de regulación es utilizado casi exclusivamente en el calentamiento de piscinas, y para otras aplicaciones es muy poco recomendable. Con él, las pérdidas de calor son inevitables, pues el sistema puede funcionar en ausencia de radiación disipando el calor acumulado en el depósito, si la temperatura en el circuito sobrepasa el valor prefijado en el termostato. El termostato esta preparado para actuar en cuanto se sobrepase un cierto valor de temperatura, al alcanzarse este valor, el termostato actúa sobre la bomba y se pone en funcionamiento el circuito. La regulación de colectores por termostato es aplicable solo a configuraciones con circulación forzada ya que los sistemas por termosifón son autorregulables. Aunque en principio es un sistema valido para usar con las configuraciones 3, 4 y 5, lo cierto es que su uso queda prácticamente restringido a regulación de sistemas para calentamiento de piscinas.
3.7.1.2. Regulación de colectores por termostato diferencial actuando sobre la bomba. Este tipo de regulación es el más utilizado y es el aconsejado para las pequeñas y medianas instalaciones. En este sistema de regulación, un regulador diferencial compara las temperaturas a la salida de los colectores y en la parte inferior de la acumulación. Cuando la primera sea superior a la segunda en un valor prefijado, el regulador actúa sobre la bomba o bombas, poniéndolas en funcionamiento. Para que este sistema de regulación funcione de manera optima, es necesario ajustar perfectamente perfectamente la diferencia de temperaturas que pondrá en marcha, la bomba, pues si esto no es así podría disiparse calor en los colectores. Para ello tendremos en cuenta lo siguiente: - En el recorrido del fluido desde los colectores a la acumulación se producen perdidas de calor, que dependiendo dependiendo de la longitud de las tuberías, pueden provocar un descenso en la temperatura del fluido de alrededor de un grado centígrado. - Para que el intercambiador funcione correctamente, debe existir una diferencia de temperaturas entre fluidos fluidos de unos 4 ºC. - Las sondas y el regulador tienen una tolerancia de uno o dos grados. - Si la energía que conseguimos aprovechar es menor que la que consume la bomba, el sistema no debe funcionar.
- Todo ello, redunda en considerar una diferencia de temperaturas de unos 7 ºC para que el regulador ponga en funcionamiento la o las bombas.
3.7.1.3. Regulación de colectores por termostato diferencial con grandes recorridos entre captación y acumulación. Este diseño, es el adecuado cuando la longitud de las tuberías entre la captación y la acumulación es muy grande, siendo incluso mayor el volumen de fluido dentro de las tuberías que en los colectores. colectores. Este diseño permite que el fluido que se encuentra en las conducciones y que no ha sido calentado en los acumuladores absorba, por estar frío, calor en el intercambiador, evitando así las perdidas de calor que de otra forma se producirían. Cuando la temperatura en la salida de los colectores alcance un valor prefijado, el termostato actuara sobre la bomba diferencial de forma que el fluido comenzara a moverse en el circuito. Actuara a su vez sobre el regulador diferencial, que comparará la temperatura entre la parte inferior de la acumulación y la parte más próxima de la tubería proveniente de los colectores. Si esta diferencia de temperatura es suficientemente suficientemente grande (unos 6 ºC) permitirá el intercambio de calor, en la configuración configuración cuatro actuando sobre la válvula de conmutación y permitiendo al fluido entrar en el intercambiador y en la configuración cinco poniendo en marcha la segunda bomba. Si no lo es hará circular al fluido de nuevo a los colectores, hasta que su temperatura sea suficiente. Para el correcto funcionamiento del sistema, en el caso de la configuración 4, la válvula de conmutación debe estar montada lo más cerca posible del acumulador. Para la configuración configuración cinco, sucede lo mismo con el intercambiador intercambiador exterior, que también debe estar lo más próximo posible a la acumulación.
3.7.1.4. Regulación de colectores por regulador de temperatura diferencial y válvula mezcladora progresiva. Este diseño, que podemos considerar una derivación del anterior, es adecuado en sistemas de mediana y gran potencia (entre 50 y 300 metros cuadrados de superficie colectora), cuando la longitud de las tuberías entre la captación y la acumulación es muy grande o las condiciones de circulación del primario son críticas. Al igual que en el diseño anterior, cuando la temperatura en la salida de los colectores alcance un valor prefijado, el termostato actuará sobre la bomba diferencial de forma que el fluido comenzara a moverse en el circuito. Actuara a su vez sobre el regulador diferencial, que comparará la temperatura temperatura entre la parte inferior de la acumulación y la parte más próxima de la tubería proveniente de los colectores. Si esta diferencia de temperatura es suficientemente suficientemente grande (unos 6 ºC) actuará sobre la válvula mezcladora permitiendo que el fluido empiece a pasar progresivamente a través del intercambiador.
Para el correcto funcionamiento funcionamiento del sistema, la válvula mezcladora debe estar montada lo más cerca posible del acumulador.
3.7.1.5. Regulación de colectores por regulador de temperatura diferencial y válvula by-pass progresiva. Este sistema es utilizado en instalaciones de mediana y gran potencia con recorridos cortos entre captación y acumulación, en las que poseen sistemas de acumulación formados por varios depósitos sin regulación r egulación,, en instalaciones instalaciones con temperaturas de retorno a colectores muy bajas, y en sistemas para bomba de calor. El regulador diferencial compara la temperatura a la salida de los colectores y en la parte baja de la acumulación. Si la diferencia entre ambas es suficiente (en la cantidad establecida) establecida) se abre la válvula by-pass y se conecta la bomba, circulando un caudal mínimo a través del circuito de colectores. Si la diferencia de temperaturas aumenta, la válvula se irá abriendo aumentando el caudal a través de los colectores. Si la diferencia de temperaturas disminuye, disminuye, la válvula se cierra. Con ello que se tendera a estabilizar la diferencia de temperaturas. temperaturas.
3.7.1.6. Regulación de colectores por regulador de temperatura diferencial sobre válvula de by-pass y mezcladora progresiva. Este sistema es utilizado en las instalaciones de gran potencia. El regulador diferencial que compara las temperaturas temperaturas de la salida de colectores y fondo de acumulación actúa sobre la bomba y sobre el segundo regulador diferencial cuando la diferencia de temperaturas es suficientemente grande. Al aumentar la temperatura en la tubería de colectores medida por este segundo regulador, la válvula mezcladora se abre progresivamente, progresivamente, con lo que crece el caudal que circula por el intercambiador. intercambiador. A su vez la válvula by-pass regulará r egulará el caudal que circula por colectores, estabilizando estabilizando la diferencia de temperaturas. temperaturas.
3.7.2. Regulación de la acumulación. Analizaremos a continuación las diferentes formas de regular la acumulación.
3.7.2.1. Montaje del acumulador en by-pass. Este diseño evita que el acumulador se cargue a expensas de la energía auxiliar en los sistemas de circulación con retorno (¿recordáis las dos directrices para el aprovechamiento aprovechamiento optimo de la energía solar?). Aplicaríamos la energía del sistema auxiliar en línea en el circuito de recirculación.
3.7.2.2. Carga de sistemas con dos acumuladores. Consideraremos en este subapartado y los dos siguientes que los acumuladores sobre los que actuamos son acumuladores de energía solar y no de energía auxiliar, que no actuaría en ellos. El sistema formado por dos acumuladores esta constituido por un acumulador de alta temperatura y un acumulador de baja temperatura. Este sistema de regulación impide que se transfiera energía del acumulador de alta temperatura al de baja temperatura al disminuir la insolación. El acumulador de alta temperatura solo se cargará cuando la temperatura de salida de colectores sea mayor en un valor preestablecido preestablecido (lógicamente bastante mayor de 7 ºC, pues de lo contrario podría oponerse a la regulación de la captación, o no permitir que se acumulase calor en el de baja temperatura. Por ejemplo 10 ºC.
3.7.2.3. Carga de sistemas con varios acumuladores con prioridad. Cuando el sistema de acumulación esta constituido por varios acumuladores, el sistema de carga se regula de la siguiente forma: Un regulador diferencial de temperatura compara la temperatura a la salida del intercambiador intercambiador y en la parte inferior del acumulador de prioridad 1. Cuando la diferencia entre estos valores es suficiente, se abre la válvula by-pass acumulándose calor en este acumulador. acumulador. Cuando la diferencia de temperaturas no sea suficiente, la válvula cambia de posición y el proceso anterior se repite con el acumulador de prioridad 2. La operación se repite con los depósitos de prioridades 3 y 4.
3.7.2.4. Descarga de sistemas con varios acumuladores con prioridad. La descarga de acumuladores se realiza de forma que los acumuladores cuya temperatura sea la mínima necesaria se descargarán en primer lugar, con lo que se optimiza el rendimiento global del sistema. El primer regulador diferencial compara las temperaturas en la acumulación acumulación y en la tubería de uso. En el momento en que el acumulador no puede ceder calor a la tubería de uso, la válvula conmuta dando paso a la descarga del segundo acumulador, acumulador, y así sucesivamente. Este sistema se usa conjuntamente con el de carga de varios acumuladores, de forma que el acumulador con prioridad 1 es el primero en cargarse y descargarse.
3.7.3. Regulación del sistema de apoyo en la acumulación. Si la energía auxiliar actúa en el mismo acumulador que la energía solar, el termostato que controle su aporte ira colocado en la parte superior del depósito y la regulación solo
pondrá en marcha el sistema auxiliar cuando la temperatura del fluido almacenado lo haga imprescindible, y no sobreelevándola excesivamente con respecto a la temperatura de uso, pues esto iría en detrimento del rendimiento del sistema. Si la energía auxiliar actúa en un acumulador de apoyo el sistema auxiliar se pondrá en marcha en cuanto la temperatura en el acumulador de apoyo baje de un valor preestablecido preestablecido algo superior a la temperatura de uso, y parará cuando suba ligeramente de este valor. Podemos, si lo consideramos necesario, instalar un by-pass para que la temperatura en los puntos de uso no sea nunca mayor a un valor determinado, como ocurre en el segundo diseño.
4. Dimensionado de las instalaciones solares térmicas Ya estamos en condiciones de valorar apropiadamente apropiadamente que elementos han de formar parte de una instalación solar térmica concreta. Lo que aún no sabemos es dimensionar estos elementos, esto es, elegir el número y tamaño correcto de elementos con las características características adecuadas, y posteriormente posteriormente montarlos apropiadamente.
4.1. Procedimiento general de dimensionado. El proceso de dimensionado debe seguir un orden concreto de cálculo, para que no se produzcan incongruencias incongruencias en los resultados. El proceso es el siguiente: siguiente: 1. Realizamos un cálculo de la carga energética mediante las hojas de carga que correspondan a nuestra instalación. 2. Establecemos las zonas climáticas climáticas y las coberturas solares correspondientes. Para asegurarnos posteriormente que cumplimos con los requisitos establecidos. establecidos. 3. Establecemos el volumen de acumulación necesaria para nuestra instalación. Se establece el tipo de acumulación y sus prioridades de carga y descarga. 4. Con el volumen de acumulación de ACS o nuestras demandas energéticas establecemos la superficie de captación adecuada. Para ello hemos de ajustar la inclinación inclinación de nuestros colectores de manera que se cumplan las siguientes condiciones: condiciones: - La curva de producción se aproxima en forma lo más posible a la curva de demanda. - Se cumple con la normativa vigente sobre los límites de inclinación de los colectores. - Hemos aplicado los factores de corrección para calcular la superficie de colector, correspondientes a las pérdidas de los diferentes elementos de la instalación. - Hemos aplicado el rendimiento del colector para calcular la superficie de colector. Por simplicidad y para facilitar los cálculos, tomaremos como rendimiento promedio del colector el 60% y deberemos asegurarnos de que en ningún momento es inferior al 40%. - Hemos verificado que se cumple la relación entre superficie de captación y volumen de acumulación. acumulación. - Hemos verificado que se cumple con que el dimensionado básico de la instalación, para cualquier aplicación, deberá realizarse de forma que en ningún mes del año la
energía producida por la instalación solar supere el 110 % de la demanda de consumo y no más de tres meses seguidos el 100 %. A estos efectos, y para instalaciones de un marcado carácter estacional, no se tomarán en consideración consideración aquellos períodos de tiempo en los cuales la demanda se sitúe un 50 % debajo de la media correspondiente al resto del año. 5. Opcionalmente podemos aplicar el método f-chart para comprobar que nuestra instalación alcanza los niveles de cobertura deseados. 6. Se verifica sí la energía producida, teóricamente, por la instalación instalación solar supera la demanda correspondiente a la ocupación real o algún otro periodo de tiempo en el cual puedan darse las condiciones de sobrecalentamiento, previéndose para este caso las medidas de protección de la instalación correspondiente, tanto en funcionamiento como en diseño y dimensionado. dimensionado. 7. Se establece el tamaño, forma y distribución de nuestro campo de colectores. De manera que inicialmente el circuito hidráulico esté de por sí equilibrado. Si no fuera posible, el flujo debe ser controlado por válvulas de equilibrado. 8. Se establece el tipo de líquido caloportador, en función de las condiciones ambientales donde trabaja nuestra instalación. 9. Se establece el tamaño del intercambiador, ya sea externo o interno, en función de nuestro diseño. 10. Se realiza el dimensionado de las tuberías en función de los tamaños del acumulador, campo de colectores, longitud longitud de las tuberías y el número y tipo de los elementos hidráulicos auxiliares. 11. Se realiza el dimensionado del vaso de expansión en función del volumen de líquido contenido en la instalación y del tipo de líquido caloportador. 12. Se realiza el dimensionamiento de la bomba o bombas de circulación en función del tamaño de las tuberías, caudal, tipo de líquido caloportador y temperatura de trabajo. 13. Se realiza el dimensionamiento el aislamiento en función del tamaño de las tuberías y de la temperatura de trabajo. 14. Se realiza el dimensionamiento del sistema auxiliar de calentamiento en función de la demanda energética en las condiciones más desfavorables. 15. Se realiza el dimensionado de los elementos hidráulicos auxiliares en función del tamaño de las tuberías, temperaturas de trabajo y circuito de diseño. Si en algún punto del proceso detectásemos un incumplimiento de la normativa o un posible fallo de dimensionamiento o de diseño del circuito hidráulico, procederemos a revisar todo el estudio desde el principio, para asegurarnos de lograr un correcto diseño de nuestra instalación.
4.2. Dimensionado del depósito de acumulación. El sistema solar se debe concebir en función de la energía que aporta a lo largo del día y no en función de la potencia del generador (colectores solares), por tanto se debe prever una acumulación acorde con la demanda, al no ser ésta simultánea con la generación. Si el volumen de acumulación es demasiado pequeño, la temperatura a la que el calor quedará acumulado será muy elevada. Un correcto dimensionamiento del sistema de acumulación evitara muchos problemas a nuestra instalación, pues por un mal dimensionado dimensionado podemos provocar temperaturas muy elevadas en el fluido de trabajo y con ello, un montón de problemas a los elementos del circuito.
Si por el contrario, el volumen de acumulación acumulación es demasiado grande, la temperatura será inferior a la deseada y habrá que hacer un uso inadecuado del sistema auxiliar.
4.2.1. Volumen de acumulación para ACS. Como vemos el correcto dimensionado del volumen de acumulación es un factor determinante determinante en el correcto diseño de una instalación solar. Como regla general podemos indicar que en proyectos de ACS, para aprovechamiento domestico, el volumen de acumulación de agua a 45 ºC será: 0,8M ≤V ≤M Donde: M es el consumo medio diario en la temporada de uso de agua a 45 ºC en litros; V es el volumen de acumulación en litros. Como ya se ha indicado, este volumen de acumulación se puede tener en un solo depósito o en varios. Generalmente, en pequeñas instalaciones disponemos de un depósito principal y un depósito secundario sobre el que actúa el sistema auxiliar.
4.2.2. Volumen de acumulación para calentamiento de piscinas. Para instalaciones de climatización de piscinas exclusivamente, no se podrá usar ningún volumen de acumulación, aunque se podrá utilizar un pequeño almacenamiento de inercia en el primario.
4.2.3. Volumen de acumulación para calefacción. En general, no es necesario un volumen específico de acumulación para la calefacción, debido a que no es necesario acumular para un uso posterior, aunque si es conveniente utilizar un pequeño depósito de inercia en el primario. Lo que debemos de tener en cuenta es que: - El diámetro de las tuberías se el adecuado para que no tengamos una velocidad del fluido no superior a los 2 m/s. - Dimensionar correctamente el sistema auxiliar para que sea capaz de suministrarnos la potencia necesaria para cubrir nuestras necesidades. En el caso del que el sistema auxiliar actúe sobre el depósito de acumulación o un depósito auxiliar a este, será necesario que el depósito sea lo suficientemente grande como para evitar que la potencia aplicada sobre el, teniendo en cuenta el caudal, no eleve su temperatura por encima de la temperatura de uso del suelo radiante o de los fancoils (40 ºC). Si suponemos que el recinto a calefactar está a 20 ºC, el incremento de temperatura no puede ser superior a 20 ºC.
4.2.4. Dimensionado del depósito secundario de acumulación. El dimensionado del segundo depósito de acumulación, depende directamente de la potencia del sistema auxiliar de calentamiento, así como del tiempo estimado de recuperación de calor, esto es, del tiempo necesario para volver a calentar el agua del depósito una vez se ha utilizado. Podemos, sin embargo, dar un par de reglas prácticas a las que intentaremos ajustar el dimensionado dimensionado del segundo acumulador: - El volumen del depósito secundario o auxiliar no será mayor del 50 % del valor del volumen del depósito solar. - El volumen del depósito secundario oscilará entre el 30 % y el 100 % del consumo de agua diario. Debemos de tener en cuenta que la suma del volumen del acumulador principal y del acumulador secundario debe darnos el volumen total de acumulación.
4.3. Dimensionado de la superficie colectora. Una vez determinada la demanda energética, estamos en condiciones de determinar la superficie colectora que ha de tener la instalación. Pero hemos de partir de la idea de que la superficie colectora no va ha cubrir nuestras necesidades al cien por cien, pues esto sería física y económicamente inviable. Reconociendo esto, intentaremos ajustar el valor de la superficie de captación a un valor óptimo. Al poder aplicar distintos criterios para determinar qué es lo óptimo, podemos aplicar también distintos métodos para dimensionar nuestro campo de colectores. Nosotros, para calcular de forma simple la superficie colectora a instalar, seguiremos los siguientes pasos: - Determinaremos las demandas energéticas medias diarias mensuales, tal como hemos aprendido a hacer en las hojas de carga. - Determinaremos la energía media diaria mensual que puede aportar cada metro cuadrado de colector utilizando los cálculos indicados en la lección correspondiente. - El valor calculado anteriormente lo multiplicaremos multiplicaremos por un factor de corrección, debido a las pérdidas que se producen en los distintos elementos de la instalación, lo que nos implicará un aumento de la superficie necesaria. Estos factores de corrección se encuentran recogidos en la siguiente tabla. Factor de corrección debido a las pérdidas en la instalación. - Factor parada-puesta en marcha sistema térmico solar Factor de corrección 0,93 - Pérdidas en la acumulación, intercambiador, intercambiador, tuberías, etc. En instalaciones instalaciones muy bien diseñadas y aisladas. Factor de corrección 0,90
- Pérdidas en la acumulación, acumulación, intercambiador, tuberías, etc. En instalaciones normales, que se corresponden con la mayoría de las instalaciones. Factor de corrección 0,85 - Pérdidas en la acumulación, intercambiador, intercambiador, tuberías, etc. En instalaciones instalaciones con recorridos muy grandes o no demasiado bien realizadas. Factor de corrección 0,80 - Cuando el consumo se realice concentrado en determinadas horas, que no sean las últimas de la tarde, o de forma muy espaciada. Factor de corrección 0,8 - Cuando el consumo se realice de forma continua y en especial en las últimas horas de la tarde. Factor de corrección 0,9 El primer factor valora las pérdidas de energía que se producen en los sistemas solares térmicos por no poder aprovecharse las primeras y las últimas horas de sol por lo que lo aplicaremos siempre. De los tres siguientes factores, aplicaremos el que mejor se corresponda con nuestra instalación. Los dos últimos factores de corrección se aplicarán en función del uso concreto de nuestra instalación. - A continuación, dividiremos el valor de la demanda energética media diaria mensual, anteriormente obtenido, obtenido, por el valor corregido de la irradiación media diaria aportada, por cada metro cuadrado de colector solar. Con lo que obtendremos el área útil (A) de colector solar Una vez obtenida el área de colectores solares necesarios, comprobaremos que para aplicaciones de ACS, el área total de los colectores tendrá un valor tal que se cumpla la condición: 50 < V / A < 180 Siendo: A la suma de las áreas de los colectores (m²); V el volumen del depósito de acumulación solar (litros). Hay un aspecto fundamental a la hora de dimensionar el área útil de captación y es la inclinación inclinación más adecuada de nuestros colectores. No debemos de partir de ideas a priori de cual es la mejor inclinación, debido a que la instalación se utilice en invierno o verano, debemos de partir de que la curva de captación se aproxime lo mejor posible a la curva de demanda, lo cual lograremos variando la inclinación de los colectores hasta alcanzar la posición más idónea y que cumpla con la normativa. Una vez conseguido esto y aplicando el procedimiento explicado anteriormente seremos capaces de calcular la superficie de captación. La cual debe cumplir con que el dimensionado básico de una instalación, para cualquier aplicación, deberá realizarse de forma que en ningún mes del año la energía producida por la instalación solar supere el 110 % de la demanda de consumo y no más de tres meses seguidos el 100 %. A estos efectos, y para instalaciones de un marcado carácter estacional, no se tomarán en consideración aquellos períodos de tiempo en los cuales la demanda se sitúe un 50 % debajo de la media correspondiente al resto del año. Ejemplo. Vamos a calcular la superficie colectora necesaria para satisfacer las necesidades de ACS de una casa de turismo rural. Suponemos que en un mes determinado la demanda
de ACS es de 250 litros/día y las necesidades energéticas de 40 MJ/día, según la hoja de cargas. El consumo se realiza de forma regular distribuido a lo largo de todo el día. La instalación esta normalmente aislada, el rendimiento medio de los colectores es de 0,6 y dispone de un depósito secundario de acumulación. La irradiación horizontal diaria, que se recibe en la zona para el mes de estudio, es de 14,1 MJ/m2.día y la captable por el colector con la inclinación adecuada es de 16,8 MJ/m2.día Estos cálculos debemos realizarlos para todos los meses en que esté en funcionamiento nuestra instalación y corregir los diferentes valores con los que podemos jugar (volumen de acumulación y superficie de captación) hasta que logremos una instalación que cumpla con todas las condiciones. condiciones.
4.3.1. Relación entre volumen de acumulación y superficie colectora. A la hora de dimensionar el volumen de acumulación tenderemos también en cuenta los siguientes parámetros, que no ayudarán a ajustar mejor el tamaño de nuestra instalación.
4.3.1.1 Según la temperatura de utilización. La temperatura de acumulación, es un factor determinante para el dimensionado del volumen de acumulación. En proyectos de ACS el volumen de acumulación más utilizado se encuentra entre los 70 y 75 litros/m2 . Pero cada instalación es un caso especial, y si debemos trabajar con otros rangos de temperatura, deberemos alejarnos alejarnos del valor anterior. En el grafico siguiente podemos obtener el volumen óptimo de acumulación acumulación en función de la temperatura de utilización utilización requerida.
4.3.1.2 Según el tiempo transcurrido entre la captación y el consumo. Ya hemos comentado como puede influir el desfase temporal entre la captación y el consumo de la energía en el almacenamiento. A mayor espaciamiento, menor temperatura y mayor volumen para minimizar pérdidas. Si nos alejamos del supuesto planteado de consumir la energía en un periodo no superior a un día respecto a la captación, podemos aplicar lo siguiente: - Si el periodo de consumo coincide prácticamente con el de captación podemos reducir el volumen de acumulación a valores entre 35 a 55 litros/m2 . Esto es muy interesante en procesos industriales. - Si el desfase entre captación y consumo es menor de 24 horas, (caso mas común en instalaciones instalaciones ACS) el volumen recomendado recomendado estará entre los 55 y 85 litros/m2 . - Si el desfase se encuentra entre uno y dos días, el volumen recomendado estará entre los 85 a 150 litros/m2. - Para valores superiores a dos días, los cálculos resultan más complicados, complicados, pues hay que realizar una estimación de las pérdidas en función del tiempo, y esto depende de cada caso particular. particular.
Además de la valoración realizada según los tres parámetros anteriores (superficie, temperatura y desfase), tendremos en cuenta los requisitos que deben cumplir los acumuladores, que vimos en la lección correspondiente.
4.3.1.3 Según la superficie colectora. Hemos de insistir en que la superficie colectora, en general, se calculará en función de la acumulación necesaria y no a la inversa, pero lo dicho en este apartado debe ser tenido en cuenta, para mejorar el rendimiento de la instalación. La superficie colectora es la que determina la cantidad de energía solar captada y convertida en calor. Lo que a nosotros nos interesa es poder aprovechar esta energía captada y transformada. Existe una relación directa entre la energía captada y la energía acumulada y aprovechada. Vamos a tratar de entenderla. Si nosotros necesitásemos la energía calorífica justo en el momento es que se produce el aporte solar, el almacenamiento podría ser mínimo. Sin embargo, si necesitásemos la energía calorífica en momentos muy alejados en el tiempo respecto a cuando se produjo el aporte solar, si nosotros utilizásemos un volumen de acumulación pequeño, estaríamos almacenando almacenando calor a temperaturas elevadas. elevadas. Esto provocaría que se produjeran muchas más pérdidas energéticas que si almacenásemos la misma cantidad de calor a menor temperatura, y por lo tanto, en un volumen mayor (recordemos que a mayor diferencia de temperaturas entre almacenamiento almacenamiento y ambiente, mayores pérdidas). Evidentemente, el volumen de acumulación dependerá del tiempo que el calor deba estar acumulado. Nosotros centraremos nuestro estudio en el caso general de una instalación de ACS en la que la utilización de la energía acumulada se realizara en un periodo de tiempo que raras veces excederá a un día respecto al periodo en que la energía ha sido captada. En el grafico siguiente, y para las condiciones que acabamos de exponer se presentan la relación entre el volumen de almacenamiento almacenamiento por metro cuadrado de superficie colectora y el porcentaje de aprovechamiento aprovechamiento de la energía captada. El volumen óptimo de acumulación está comprendido entre los 50 y 70 litros por metro cuadrado de superficie colectora. Para valores menores, el rendimiento es muy bajo, y valores mayores, no aumentan ostensiblemente el rendimiento pero si encarecen la instalación.
4.3.2. Diseño del campo de colectores. Una vez determinada la superficie colectora, hay que ajustar el número de colectores a instalar para cubrir esta superficie y hay que decidir, así mismo, como vamos a conectar el conjunto de colectores.
El número total de colectores lo determinaremos dividiendo el valor de la superficie colectora por el valor de la superficie útil de captación captación de un solo colector. La superficie útil del colector debe ser la de la placa de intercambio, es decir, la superficie útil de captación o superficie efectiva. Generalmente el valor que resulte de la división anterior no será un número entero, por lo que habrá que redondearlo por exceso o por defecto. Para realizar este redondeo, hay que tener en cuenta el posible diseño del campo de colectores. Ejemplo. Si al calcular el número de colectores a instalar obtenemos un valor de 19,2 el redondeo lo haremos a 20 y no a 19, pues es mejor diseñar un campo con 20 colectores que uno con 19 (los colectores, que irán conectados en serie o paralelo tienen que formar filas de igual longitud, cosa más fácil de conseguir con 20 elementos que con 19). Una vez obtenido el valor de la superficie real, se realizara el cálculo de la aportación solar con este nuevo valor, que será el que utilicemos en nuestros cálculos posteriores. Una vez conocido su tamaño adecuado, el conexionado de los colectores y su orientación lo realizaremos según lo indicado en la lección correspondiente. correspondiente.
4.4. Dimensionado del intercambiador. Para realizar el dimensionado del intercambiador, utilizaremos las reglas recogidas en los siguientes apartados.
4.4.1. Intercambiador Intercambiador interior. Su superficie de intercambio se dimensionara aproximándola al valor obtenido en la siguiente operación: Superficie de intercambio ≈0,3 · superficie colectora. El resultado de la superficie de intercambio nunca será inferior a 0,15 veces la superficie colectora. Téngase en cuenta que en todas las ecuaciones se han de introducir todas las unidades en m o m 2.
4.4.2. Intercambiador Intercambiador exterior. Para dimensionar los intercambiadores exteriores tendremos en el valor de la potencia térmica a transferir, en kilovatios, kilovatios, que será aproximadamente la correspondiente correspondiente a la siguiente expresión: Patencia a transferir (kW) ≈0,70 · Valor de la superficie colectora colectora (m2 ) Este valor no será inferior a 0,5 kilovatios por cada metro cuadrado de superficie colectora.
Los valores de la potencia térmica transferida, en función de las características del intercambiador, intercambiador, y de las temperaturas de entrada y salida del primario y secundario los obtendremos de las tablas ofrecidas al respecto por el fabricante. Los intercambiadores exteriores resultan económicamente más rentables cuando el volumen de acumulación supera el valor de 3000 litros, incluso teniendo en cuenta los costes adicionales debidos a la obligatoriedad de utilizar electrocirculadores en los dos circuitos y todos los demás accesorios adicionales.
4.5. Dimensionado de las tuberías. Para dimensionar las tuberías lo primero que deberemos hacer es calcular el caudal que circula por nuestra instalación. Posteriormente, con este dato, podremos dimensionar las tuberías y el resto de los componentes hidráulicos.
4.5.1. Determinación del caudal de la instalación. Para poder dimensionar los distintos elementos que constituyen los circuitos hidráulicos de la instalación, instalación, debemos primeramente, determinar el caudal de trabajo de la instalación. Este caudal se determinará en función de la superficie de colectores instalada y del caudal que debe circular por m2 de colector, denominaremos a este caudal como caudal de diseño. El caudal del fluido portador se determinará de acuerdo con las especificaciones del fabricante como consecuencia del diseño de su producto. En su defecto su valor estará comprendido entre 43 l/h y 72 l/h por cada metro cuadrado de red de colectores. En las instalaciones en las que los colectores estén conectados en serie, el caudal de la instalación se obtendrá aplicando el criterio anterior y dividiendo el resultado por el número de colectores conectados en serie. En el caso de utilizar colectores sin cubierta para calentamiento de piscinas, este caudal estará comprendido entre los 150 a 250 l/h.m2 de superficie colectora instalada. En instalaciones instalaciones con conexionados en serie, el valor del caudal lo obtendremos obtendremos aplicando el criterio del punto anterior dividiendo ese valor por el número de colectores conectados en serie. Podemos referenciar también el caudal que ha de circular por las tuberías al denominado caudal térmico. El caudal térmico es el caudal necesario para que el fluido absorba, a su paso por los colectores una cantidad determinada de energía calorífica. Este valor debe ser al menos de 50 kilocalorías por metro cuadrado de superficie colectora, por hora y por grado centígrado de salto térmico en el fluido. Este caudal viene dado por la ecuación siguiente: QTc = Qe / (d*Ce*(Tf-Ti))
Donde: QTc es el caudal capaz de absorber el calor indicado por unidad de tiempo en l/h por m2 de colector; Qe es el calor a evacuar del colector, 50 kcal/h.m2 .ºC; d es la densidad en kg/litro; Ce es el calor específico en kcal/kg.ºC; Tf es la temperatura final en ºC; Ti es la temperatura inicial en ºC. Ejemplo. Si suponemos que el líquido caloportador es agua, cosa poco habitual, tendremos que la densidad es de 1 kg/litro, el calor específico de 1 kcal/kg.ºC, el incremento de temperatura 1 ºC y el calor que debemos evacuar es de 50 kcal cada hora, para lo cual necesitamos el siguiente volumen cada hora: QTc = 50 kcal/h.m2.ºC / (1 kg/litro *1 kcal/kg.ºC * 1 ºC) = 50 litros/h.m2 El caudal térmico necesario seria de 50 litros/h por m2 de colector o su equivalente en litros/segundo. Si utilizamos otro líquido caloportador su densidad y calor específico serán diferentes y por tanto el caudal térmico necesario será diferente. Al circular un fluido por el interior de una tubería, se produce una pérdida de energía del fluido. A esta pérdida de energía la denominaremos pérdida de carga. Esto sucederá evidentemente al fluido de trabajo en el interior de las conducciones del circuito. Nosotros debemos conocer estas pérdidas de carga, porque ellas afectaran al caudal que circule por las conducciones, y acabamos de ver que el caudal del fluido de trabajo dentro de las tuberías del circuito puede oscilar únicamente dentro de un rango de valores muy concreto. Las pérdidas de carga en un tramo recto de conducción dependen de la longitud de la tubería, del diámetro del tubo, de la velocidad y densidad del fluido, y de un coeficiente de rozamiento que depende de la rugosidad de la superficie interior de la conducción. A esto hay que añadir pérdidas de carga locales que se producen en cambios bruscos de sección, en cambios bruscos de dirección, en válvulas, bombas, etc. Para su cálculo, en el dimensionamiento de la instalación, utilizaremos una serie de tablas que nos permitirán obtener los valores de las pérdidas de carga en función de otros parámetros que conoceremos previamente. Este cálculo se basa en lo siguiente; - Para que la instalación instalación funcione correctamente, correctamente, debe circular un caudal determinado determinado por los colectores y el intercambiador; hemos definido este caudal como caudal de trabajo. - El hecho que en el circuito se produzcan pérdidas de carga afecta directamente al caudal que circula por el circuito; la pérdida de carga tiende ha disminuir la velocidad del fluido de trabajo, tiende a frenarlo, y por lo tanto a disminuir su caudal. Para mantenerlo quizá sea suficiente el efecto termosifón, o quizá haya que instalar electrocirculadores. - De todas formas, elegiremos las conducciones de forma que su diámetro produzca una pérdida de carga que no supere un valor razonable. De esta forma favoreceremos las condiciones en que se puede producir el termosifón o minimizaremos la potencia de la bomba. - Por razones económicas, elegiremos siempre el mínimo valor posible de diámetro, para el cual se cumplan las condiciones que vamos a establecer de velocidad del fluido
y pérdidas de carga. No obstante los valores de las tuberías están muy estandarizados y muchas veces resulta más barato utilizar un diámetro mayor y más habitual, por lo que aquí realizaremos será un cálculo de los valores mínimos de las tuberías. Para dimensionar el diámetro de la tubería, nos ajustaremos a tres restricciones, una de velocidad máxima y dos de pérdidas de carga: - La velocidad del fluido dentro de las tuberías no debe superar un valor máximo que la experiencia sitúa en: Entre 1,5 m/s y 2 m/s si el fluido circula por la tubería de forma continua y nunca superior a 2 m/s si la tubería discurre por locales habitados. - En cuanto a los valores de pérdidas de carga lineales, se considera como valor máximo admisible el de 40 mm. de columna de agua por metro lineal de tubería. - En cuanto a los valores de pérdidas de carga totales, se considera como valor máximo admisible el de 7 m.c.a. en cada uno de los circuitos, tanto primario, como secundario.
4.5.2. Cálculo de la sección mínima de tubería. Lo primero que tenemos que hacer para calcular el diámetro de la tubería es determinar la sección mínima que ha de tener, para que con el caudal de trabajo la velocidad no sea superior a la establecida en los puntos anteriores. Para ello determinaremos el caudal de trabajo, multiplicando el caudal de diseño elegido por la superficie de colectores. Para calcular la sección mínima aplicaremos la formula: Q=v*S Donde: Q es el caudal en m3 /s; v es la velocidad del fluido en m/s; S es la sección de la tubería en m2 . Con ello obtendremos con ello un primer valor del diámetro de la tubería. Debemos recordar que sección de la tubería S = π* radio2 . También debemos saber que para transformar el caudal de l/h a m3/s hay que aplicar la siguiente igualdad: 3600000 l/h = 1 m3 /s Hay que tener en cuenta que a la hora de calcular el caudal hemos de considerar las condiciones más desfavorables posibles, es decir, que por los colectores circule el máximo caudal que estos permitan, aproximadamente 70 l/m2.hora. Esta cantidad se deberá multiplicar multiplicar por el número de colectores en paralelo. Lo que nos dará el caudal total. O lo que es lo mismo, deberemos multiplicar la superficie total útil de captación por 70 l/m2.hora, para obtener el caudal total de la instalación. Ejemplo. Vamos a calcular el diámetro mínimo de tubería para un colector de 1,8 m2 . El caudal necesario por colector será de:
Q = 70 l/m2 .hora * 1,8 m2 = 126 l/h = 3,5.10-5 m3/s Si consideramos una velocidad máxima de 1,5 m/s. S = Q / v = 3,5.10 -5 (m3 /s) / 1,5 (m/s) ( m/s) = 2,33.10-5 (m2 ) = 23,33 (mm2) S = π. r2 r = (S / π-1/2 = 2,7 mm) Φ(diámetro) = 5,4 mm
Elegiremos el diámetro interior comercial que este justo por encima del valor obtenido. Elegido el diámetro comercial correspondiente, debemos comprobar que se cumplen, además de la restricción r estricción de velocidad, las restricciones de pérdida de carga.
4.5.3. Cálculo de las pérdidas totales de carga. Si se cumplen las restricciones por velocidad nos falta comprobar que sucede con las pérdidas de carga totales. Las pérdidas de totales de carga tienen en cuenta todas las pérdidas que se producen en el circuito. Se producirán pérdidas en los tramos rectos, en codos, curvas, en piezas intercaladas en el circuito (válvulas), en los colectores, en el intercambiador, etc. Estas no deben ser superiores a 7 metros de columna de agua para todo el circuito primario. Dividiremos las pérdidas de carga totales en: - Lineales: valor obtenido en el diagrama multiplicado por la longitud del trazado del circuito. - Singulares: las producidas en codos, ensanchamientos, ensanchamientos, válvulas y otros elementos “singulares” de la instalación. - Pérdidas en los colectores. - Pérdidas en el intercambiador o acumulador. Para calcularlas necesitamos tener el diseño y el trazado del circuito, trazado que dibujaremos sobre los planos del edificio, para conocer longitudes de tuberías, accesorios, etc. En un primer cálculo, la longitud del trazado de tuberías lo obtendremos del trazado realizado sobre los planos del edificio. En este mismo plano, habremos colocado los elementos singulares necesarios para el perfecto funcionamiento funcionamiento de la instalación, instalación, así como para su correcto trazado. 4.5.3.1 Pérdidas de carga lineales en tuberías. Primeramente comprobaremos comprobaremos que la pérdida de carga lineal no sea superior a 40 mm.c.a. Para ello, tomaremos los datos de diámetro y caudal de trabajo y veremos que
valor de pérdida lineal se corresponde en el correspondiente diagrama de trabajo. Adjuntamos el correspondiente al cobre, pero si trabajáis con otro material, tendréis que conseguir los diagramas que permiten conocer su pérdida de carga lineal en función del diámetro y del caudal (Diagramas de ColeBrook) El procedimiento para usar el ábaco de pérdidas es el siguiente: siguiente: - Se coge el gráfico y marca los litros/hora de la instalación (eje de abscisas). - Se marca una línea perpendicularmente perpendicularmente hacia arriba, desde el punto del caudal indicado hasta que te cruces con la línea inclinada que indica el diámetro de la tubería a utilizar. - Desde el punto de intersección de ambas líneas se traza una línea horizontal hasta el eje de ordenadas. - En el eje de ordenadas nos aparecen indicadas las perdidas de presión en la tubería en mm de columna de agua por m de turbia lineal o equivalente. Ejemplo. En la propia tabla aparece un ejemplo de un caudal de 500 l/h para una tubería de cobre de 16 mm de diámetro interior. Las perdidas de carga son de 40 mm.c.a. por m lineal de conducción, que es la máxima pérdida admisible. El valor obtenido en el diagrama se corresponderá a una temperatura determinada, que nosotros corregiremos para el caso más desfavorable en el que tenga que trabajar nuestra instalación. En el caso más extremo 3 ºC, momento en el que tendrá que actuar el sistema antiheladas. Esta corrección se realizará multiplicando multiplicando el factor de corrección anteriormente anteriormente indicado por las pérdidas de carga obtenidas del ábaco de ColeBrook. Este valor tendrá que corregirse nuevamente si el fluido de trabajo no es agua. El factor de corrección cuando el fluido de trabajo no es agua viene dado por la raíz cuarta del cociente entre la viscosidad cinemática cinemática de la disolución y la del agua a la temperatura considerada. Utilizar la viscosidad tiene sus dificultades, ya que la viscosidad varía con la temperatura, por lo que deberemos emplearlas a la temperatura de trabajo de la instalación, instalación, normalmente 45 ºC. No obstante, salvo para cálculos muy precisos pr ecisos en instalaciones grandes, la viscosidad del agua y del líquido caloportador son muy próximas, por lo que no se emplea habitualmente. habitualmente. Esta corrección se realizará multiplicando multiplicando el factor de corrección anteriormente anteriormente indicado por las pérdidas de carga obtenidas del ábaco de ColeBrook, las cuales ya habíamos corregido con la temperatura. Si el valor obtenido de la pérdida de carga lineal es mayor de 40 mm.c.a. por meto de conducción, tomaremos el diámetro comercial que este justo por encima, y repetiremos la operación, hasta que el valor de pérdidas lineales sea menor al establecido.
Las pérdidas de carga lineales se refieren a los tramos de tubería rectos, donde se produce una pérdida de energía en el fluido por que tiene que vencer la fricción con la tubería. Este dato se referencia siempre a un metro lineal de tubería. Una vez establecida una perdida de carga menor de 40 mm.c.a. por metro lineal de tubería procederemos a multiplicar este resultado por el total de metros lineales de tubería y así obtendremos las perdidas lineales totales.
4.5.3.2 Pérdidas de carga en elementos singulares. La pérdida de carga en estos elementos singulares, es un dato que debe facilitarnos el suministrador de estos elementos. Como disponer de ellos en la fase de cálculo puede ser difícil, podemos realizar una aproximación. Existen numerosos métodos que nos permiten realizar esta aproximación. De todos ellos, expondremos el que nos parece que puede resultar más sencillo, que consiste en lo siguiente: - Calculamos las pérdidas de carga en elementos singulares, equiparando estos a tramos rectos de tubería, con lo que tendremos una equivalencia entre el elemento y una longitud de tubería recta determinada que produciría la misma pérdida que el elemento en cuestión. - Multiplicamos este valor por la pérdida de carga por metro obtenida en el diagrama de ColeBrook y con ello obtendremos la pérdida de carga en el elemento en cuestión.
4.5.3.3 Pérdidas de carga en los colectores. Las pérdidas de carga producidas en los colectores, intercambiador intercambiador o acumulador los obtendremos de los datos suministrados por los fabricantes. fabricantes. En el caso concreto de los colectores, el fabricante acostumbra a suministrar el valor de pérdida de carga en un colector en función del caudal que circula por él, pero no siempre en baterías de colectores constituidas por varios de estos conectados en paralelo. En caso de que no nos suministre esta información información podemos aplicar la siguiente aproximación cuadrática: Pérdida en la batería de colectores = 0,26 · Pc · n2 + 0,2 · Pc · n Donde: Pc es la pérdida de carga en un colector; n es el número de colectores en la batería. En colectores en serie, las pérdidas de todos ellos deben sumarse. Las obtendremos sumando las pérdidas de carga de cada uno de los colectores más las que calculemos como pérdidas singulares en los empalmes entre ellos.
4.5.3.4 Pérdidas de carga en los intercambiadores. intercambiadores. La dificultad depende del caso. Normalmente los fabricantes dan las pérdidas de carga del intercambiador. En el caso de no darlas suelen indicar la longitud y sección de los
tubos que componen el intercambiador, con lo que se puede calcular las pérdidas como en cualquier otra tubería, partiendo de las mismas premisas que hemos considerado anteriormente para pérdidas lineales de tuberías. Si por alguna razón disponemos de varios intercambiadores en paralelo, lo indicado en el capítulo anterior, para el equilibrado de las baterías de colectores, también es válido.
4.5.3.5 Suma de las pérdidas de carga. Una vez conocidas las pérdidas de cargas lineales, singulares, singulares, pérdidas en los colectores y pérdidas en el intercambiador o acumulador procederemos a sumarlas, para hallar la pérdida total de carga, que tendrán un valor máximo admisible el de 7 m.c.a. en cualquiera de los circuitos. Si el valor de las pérdidas de carga lineales se encuentra por debajo del máximo admisible, pero el valor de pérdidas de carga totales se encuentra por encima, es recomendable rediseñar el trazado del circuito, y sin con esto no conseguimos que el valor de la pérdida de carga total sea inferior al limite, aumentaremos aumentaremos de nuevo el diámetro del tubo. Esta secuencia la repetiremos hasta que los valores de pérdidas de carga entren dentro de los límites admisibles. Ejemplo. Veamos un ejemplo de todo lo dicho anteriormente, en este ejemplo consideraremos una instalación compuesta por: - Una batería de 4 colectores con unas pérdidas de carga de 18 mm.c.a para un caudal de 130 l/h - 200 m de tubería de cobre. - Un conjunto de válvulas y elementos hidráulicos indicados a continuación. - Un intercambiador con unas pérdidas de carga de 0,4 m.c.a. para un caudal de 500 l/h. El ejercicio está resuelto en la siguiente tabla apartado por apartado. Se puede comprobar que si utilizamos un diámetro comercial menor, las perdidas de carga totales superan lo 7 m.c.a., cosa que no admite la normativa. Por lo tanto, aunque para que la velocidad lineal del fluido caloportador sea inferior a los 2 m/s no es necesaria una tubería tan gruesa, para reducir las pérdidas de carga si necesitamos necesitamos este diámetro de tubería.
4.6. Dimensionado del vaso de expansión. En las instalaciones solares se ha aplicado tradicionalmente el sistema de cálculo de las instalaciones térmicas convencionales, pero por diversos motivos este sistema ha demostrado no ser válido, especialmente en los sistemas con vaso de expansión cerrado. Por lo que aplicaremos el sistema de cálculo dinámico.
4.6.1. Vaso de expansión abierto. Téngase en cuenta que en todas las ecuaciones siguientes se han de introducir todos los valores de los volúmenes en m3. Para el cálculo de un vaso de expansión abierto en primer lugar calcularemos el volumen total de agua contenido en el circuito (tuberías, colectores, intercambiador, intercambiador, etc.), haciendo uso del diseño realizado sobre los planos donde hemos realizado el trazado de tuberías, así como de los datos suministrados por los fabricantes de los diversos elementos. En segundo lugar, estimaremos la temperatura máxima de trabajo, aunque por seguridad aplicaremos 100 ºC. Calcularemos el coeficiente de expansión, coeficiente que refleja el aumento de volumen de un fluido en función de la temperatura, y conocido este calcularemos el volumen útil del vaso. Obtendremos el volumen total del vaso de expansión abierto sumando al valor del volumen útil el volumen ocupado por el agua desde su nivel mínimo hasta el fondo del depósito de expansión y el volumen necesario para el alojamiento del rebosadero respiradero. En cualquier caso el volumen total, será igual, al menos, al 6% del volumen total de agua en el circuito De forma muy simplificada el cálculo clásico es el siguiente: Vu = V · Cex Donde: Vu es el vvolumen útil del vaso de expansión, es el volumen de fluidoexpansionado. Cex es el coeficiente de expansión. Tradicionalmente se le calcula como un coeficiente dependiente de la temperatura del fluido. V Es el volumen total de la instalación. Para calcular Cex normalmente se emplea una ecuación mucho más compleja, pero por simplicidad aplicaremos esta que es mucho más simple, que emplea el coeficiente de dilatación medio del agua, y que nos da un margen de seguridad mayor. Cex = 0,00045 (m3 /ºC) * T Donde: T Es la temperatura del agua en ºC.
4.6.2. Vaso de expansión cerrado. En primer lugar calcularemos el volumen total de agua contenido en el circuito (tuberías, colectores, intercambiador, intercambiador, etc.), haciendo uso del diseño realizado sobre los planos donde hemos realizado el trazado de tuberías, así como de los datos suministrados suministrados por los fabricantes de los diversos elementos.
En segundo lugar calcularemos el coeficiente coeficiente de presión (Cp ). En los vasos de expansión cerrados, el coeficiente de presión representa la relación entre el volumen total (Vt) y el volumen útil del vaso de expansión: Cp = Vt / Vu = PM / (PM – Pm) Donde: PM es la presión máxima de trabajo, que obtendremos añadiendo añadiendo a la presión de tarado de la válvula de seguridad, que es la máxima a la que puede funcionar la instalación, la presión atmosférica (10,13 N/cm2 ). Pm es la presión mínima de trabajo o presión absoluta de altura, que obtendremos añadiendo a la presión de la columna de líquido, que soporte el vaso, la presión atmosférica. Vu es el vvolumen útil del vaso de expansión, es el volumen de fluido expansionado. Vt Es el volumen total del vaso de expansión. La presión de columna de líquido que soporta el vaso, es igual a la diferencia de alturas en metros, del punto más alto de la instalación y el punto donde va conectado el vaso de expansión. Esta diferencia, nos da una presión en metros columna de agua. Tendremos cuidado al sumar a este valor el de la presión atmosférica para que se correspondan las unidades en que estemos trabajando. Aplicamos la ecuación experimental siguiente para calcular Vu: Vu = Vcaptadores + (0,1 * Vtubería) Y aplicamos la ecuación indicada anteriormente para calcular el volumen total de del vaso de expansión: Vt = PM / (PM – Pm) * Vu El resultado será mucho mayor que con el método clásico, pero nos permitirá disponer de un sistema capaz de absorber el líquido vaporizado en momentos de estancamiento de la instalación. El depósito de expansión será muy grande y caro pero la instalación instalación quedará muy bien protegida. En cualquier caso el volumen total, será igual, al menos, al 6% del volumen total de agua en el circuito. Ejemplo. Vamos a dimensionar el vaso de expansión de una instalación donde previamente hemos calculado la longitud de las tuberías del circuito primario, que es de 140 m, con un diámetro de 20 mm, y además tenemos10 colectores colocados en el tejado con una capacidad cada uno de 1,37 litros por unidad. La instalación trabajo a una presión de 2 atmósferas (20,24 N/cm2) y los colectores están a 6 m por encima del vaso de expansión.
Si despreciamos el volumen del fluido en la superficie de intercambio frente a todo el volumen del circuito, podemos calcular el volumen total del circuito primario: Sección de la tubería: S = π. r 2 S = π. 0,012 = 3,14 . 10 -4 m2 = 0,314 litros Volumen de la instalación: Vtubería = 0,314 litros * 140 = 44 litros Vacumuladores = 1,37 litros * 10 = 13,7 litros Vu = 44 litros + 1,37 litros = 45,37 litros Calculo del coeficiente de presión para aplicar en: Vt = Cp . Vu Cp = PM / (PM – P m) Donde los valores son los siguientes: PM = 20, 24 N/cm2 + 10,13 N/cm2 = 30,37 N/cm2 Pm = 6 m * 0,1 kg/m.cm 2 * 9,8 N/kg + 10,13 N/cm2 = 16,01 N/cm2 Sustituyendo los valores: Cp = 2,11 Vt = 2,11 * 45,37 litros = 95,7 litros.
4.7. Dimensionado de las bombas de circulación. El dimensionado teórico de las bombas de circulación es, como vamos ha ver, un punto delicado. La idea es seleccionar la bomba de forma que el caudal y la pérdida de carga de diseño se encuentren dentro de la zona de rendimiento óptimo de la bomba. De esta forma la bomba impulsará el caudal que ha de circular por el circuito y su presión compensará todas las pérdidas de carga del circuito. Volvemos aquí a recordar lo que hemos visto en apartados anteriores, determinar determinar el valor real, y no teórico de las pérdidas de carga existentes en el circuito. Recordemos que las pérdidas de carga del circuito están compuestas por:
- Las pérdidas lineales y singulares de los tramos de tubería, que hemos calculado en el dimensionamiento de las conducciones. - Las pérdidas producidas en los colectores. - Las pérdidas producidas en el intercambiador. Estas dos últimas, en una primera aproximación las obtendremos de los datos suministrados suministrados por los fabricantes. Habrá que tener en cuenta que la pérdida de una batería de colectores, no se corresponde al producto del valor de pérdidas en un colector por el número de colectores. Quizá el fabricante proporcione tablas para el cálculo de las pérdidas en base a las combinaciones más frecuentes. En caso contrario, solo la experiencia servirá como indicativo preciso del valor total de pérdidas de carga del circuito, y solo su medida con el circuito en funcionamiento nos dará seguridad sobre cual es este valor. El dimensionado de la bomba en un circuito cerrado viene determinado por la potencia hidráulica de la bomba viene dada por la ecuación: PH = htrabajo . ρ.g.Q Donde: PH es la potencia hidráulica en W; htrabajo son las pérdidas del circuito en metros de columna de agua (m.c.a.); ρes la densidad del fluido en kg/m3 ; g es la aceleración de la gravedad 9,8 m/s2 ; Q es el caudal que circula por la bomba en m3 /s. Además, a la hora de seleccionar la bomba más adecuada, debemos tener en cuenta lo siguiente: - En instalaciones superiores a 50 m² se montarán dos bombas idénticas en paralelo, una de reserva, tanto en el circuito primario como en el secundario. En este caso se preverá el funcionamiento alternativo de las mismas, de forma manual o automática. - En circuitos abiertos, las bombas deben vencer, además de las pérdidas de carga, la diferencia de alturas entre la parte superior e inferior del circuito. - Siempre que sea posible, las bombas en línea se montarán en las zonas más frías del circuito y en tramos de tubería verticales, evitando las zonas más bajas del circuito. La potencia eléctrica parásita para la bomba no debería exceder los valores dados en tabla: Potencia eléctrica máxima de la bomba Sistema pequeño 50 W o 2% de la mayor potencia calorífica que puedasuministrar el grupo de colectores. Sistemas grandes 1 % de la mayor potencia calorífica calorífica que puede suministrar el grupo de colectores Ejemplo. Vamos a calcular la potencia de un electrocirculador instalado en un circuito con un caudal de 1800 litros/hora y con una pérdida de carga de 2,8 m.c.a.
Aplicando la ecuación de Bernouilli para sistemas abiertos, y suponiendo que las cotas de salida y entrada son las mismas, además de suponer la ecuación de la continuidad de la que se deduce que v1=v2 , nos quedará así para nuestro caso: PH = htrabajo . ρ.g.Q Teniendo en cuenta que: Q = 1800 l/h = 0,0005 m3/s Sustituyendo en la ecuación, obtenemos: PH = 2,8 m * 1000 kg/m3 * 9,8 m/s2 * 0,0005 m3 /s = 13,72 W
4.8. Dimensionado del aislamiento. Como ya sabemos, el aislamiento térmico de equipos y tuberías cumple la función de reducir las pérdidas de calor entre el fluido y el ambiente, con objeto de ahorrar energía. El aislamiento térmico de tuberías y equipos podrá instalarse solamente después de haber efectuado las pruebas de estanqueidad estanqueidad del sistema y haber limpiado y protegido las superficies de tuberías y aparatos. Los aislamientos térmicos de las instalaciones solares tendrán, como mínimo, los espesores equivalentes a los indicados a continuación para un material con coeficiente de conductividad térmica de 0,040 W/m.ºC, a 20 ºC. - El aislamiento de acumuladores cuya superficie sea inferior a 2 m2 tendrá un espesor mínimo de 30 mm, para volúmenes superiores el espesor mínimo será de 50 mm. - El espesor del aislamiento aislamiento del intercambiador de calor no será inferior a 20 mm. Para tuberías y accesorios situados situados al exterior, los valores anteriores se incrementarán en 10 mm como mínimo. Además debemos tener en cuenta: - El material aislante se sujetará con medios adecuados, de forma que no pueda desprenderse de las tuberías o accesorios. - El aislamiento no dejará zonas visibles de tuberías o accesorios, quedando únicamente al exterior los elementos que sean necesarios para el buen funcionamiento y operación de los componentes. - Para la protección del material aislante situado en intemperie se podrá utilizar una cubierta o revestimiento de escayola protegido con pinturas asfálticas, poliésteres reforzados con fibra de vidrio o chapa de aluminio. aluminio. En el caso de depósitos o cambiadores de calor situados en intemperie, podrán utilizarse forros de telas plásticas. plásticas.
4.9. Dimensionado del sistema auxiliar de calentamiento. De forma general, podemos decir que el sistema elegido debe tener suficiente potencia para suministrar la energía media diaria necesitada el mes más desfavorable del año. Es
decir, dimensionaremos el sistema auxiliar como si no existiese el sistema solar. Recomendamos utilizar utilizar un programa de cálculo adecuado, para estimar el tamaño del sistema auxiliar, no obstante podemos hacer una buena aproximación teniendo en cuenta lo indicado a continuación. Tendremos dos situaciones básicas según el sistema auxiliar está en línea o se encuentre situado en un depósito auxiliar.
4.9.1. Sistema auxiliar en línea. Para el caso del ACS, el sistema auxiliar de calentamiento puede actuar en línea o a través de un depósito. Si el sistema auxiliar trabaja en línea, deberá tener suficiente potencia para que pueda calentar un mínimo de agua hasta la temperatura de uso. Este valor mínimo lo definimos en función del número de grifos que queramos tener simultáneamente simultáneamente abiertos, (que en una vivienda unifamiliar unifamiliar acostumbra a ser de uno), y sabiendo que el caudal suministrado por cada grifo se encuentra entre 0,1 y 0,2 litros por segundo (tomaremos el promedio de 0,15 l/s). P = Q . Ce . ∆T Donde: P es la potencia en kW; Q es el caudal mínimo en litros/segundo; Ce es el calor específico del agua 1 cal/gr.ºC; ∆ T es el salto térmico para el día promedio más frío del año, generalmente en torno a 40 ºC. En todos los casos de sistema en línea lo fundamental es establecer el caudal y el salto térmico. El salto térmico es fácil de establecer, pero el caudal dependerá de las características características de cada instalación. Para el caso de la calefacción dependerá de las características de la edificación y del tipo de aplicación, de manera que: - En viviendas familiares podremos considerar que el consumo se centra en 12 horas. - En aplicaciones que no sean viviendas el consumo estará repartido entre las horas de uso o apertura. - En hoteles el consumo total estará repartido en 24 horas, aunque se pueden producir picos en determinadas horas del día, por lo que conviene duplicar la potencia a instalar por seguridad. Una vez conocida la demanda energética en calefacción, dividiremos esta carga entre el periodo en que se debe de suministrar suministrar esta carga, de manera que: P = Qc / t Donde: P es la potencia de la caldera en kW; Qc es la demanda energética en kWh/día; t es el periodo de tiempo a considerar para producir el calor necesario o tiempo de consumo en horas/día.
La conexión del sistema auxiliar siempre será en serie (en línea) con el acumulador solar, pero se permitirá la conexión del sistema de energía auxiliar en paralelo con la instalación solar cuando se cumplan los siguientes requisitos: - El sistema de energía auxiliar sea del tipo en línea, esté constituido por uno o varios calentadores instantáneos no modulantes o no sea posible regular la temperatura de salida del agua. - Exista una preinstalación solar que impida o dificulte el conexionado en serie. - Cuando el recorrido de tuberías de agua caliente desde el acumulador solar hasta el punto de consumo más lejano sea superior a 15 metros lineales a través del sistema auxiliar. - En todos estos casos, la conmutación de sistemas será fácilmente accesible y será obligatorio disponer un indicador de la temperatura del acumulador solar fácilmente visible y accesible por el usuario. Ejemplo. Deseamos calcular la potencia de un sistema auxiliar en línea para ACS y calefacción de una vivienda con caldera individual. Para el cálculo de la demanda en ACS estimamos que solamente permanece abierto un grifo simultáneamente, con un consumo de 0,15 l/s a 40 ºC. Para el consumo de calefacción, estimamos que la vivienda tiene una demanda promedio en el mes de enero de 584 MJ/día. Para el cálculo de la potencia necesaria para ACS, aplicamos la ecuación para el cálculo de la potencia y nos ponemos en las condiciones más adversas: P = Q . Ce . ∆T Donde: Q = 0,15 l/s = 0,00015 m3 /s Ce = 1 Cal/cm3.ºC = 4180 J/m3.ºC ∆ T = 40 ºC
Sustituyendo en la ecuación. P = 0,00015 m3/s * 4180 kJ/m3.ºC * 40 ºC = 25 kW Para el cálculo de la potencia necesaria en calefacción, aplicamos la ecuación para el cálculo de la potencia: P = Qc / t El consumo en la vivienda familiar es de: 584 MJ/día = 584.10 6 J/día * 1 kWh/3600000 J = 162 kWh/día
Para un periodo de calculo de 12 h/día: P = 162 kWh/día / 12 h/día = 13,5 kW La potencia en calefacción, para el sistema en línea es inferior que la necesaria para ACS. Como normalmente las calderas mixtas tienen una potencia equivalente para ambas aplicaciones, utilizaremos la mayor de las dos. Por lo tanto, utilizaremos una caldera de 25 kW.
4.9.2. Sistema auxiliar en depósito. Para un sistema auxiliar en un depósito auxiliar, las ecuaciones a aplicar son las mismas, pero tendrá dos características especiales: - El caudal se calcula teniendo en cuenta la demanda total y considerando que se consume en 24 horas, aunque por seguridad lo duplicaremos. duplicaremos. - El tiempo de consumo a considerar serán siempre 24 horas. La potencia necesaria para un sistema auxiliar en depósito auxiliar es menor que para un sistema en línea, ya que la acumulación hace de colchón frente a los picos de demanda instantánea. El utilizar uno u otro sistema depende del tamaño de la instalación. Para instalaciones pequeñas es mejor utilizar un sistema en línea ya que los costes son inferiores. Para instalaciones grandes sale más económico utilizar un sistema auxiliar en acumulador. El sistema de aporte de energía auxiliar, con acumulación o en línea, siempre dispondrá de un termostato de control sobre la temperatura de preparación que no será superior a 50ºC.
4.9.3. Tratamiento de la legionela. El sistema auxiliar es un elemento básico a la hora de combatir la legionela. De manera que se deberá poder realizar: - En los sistemas en línea será posible alcanzar los 60 ºC a la salida de la caldera, para eliminar la legionela y el depósito de acumulación podrá ser tratado con algún procedimiento procedimiento que garantice su eliminación. - En los sistemas en acumulador se deberá poder calentar el acumulador secundario hasta los 60 ºC con cierta frecuencia para eliminar posibles brotes de legionela. Para todos los casos, con la periodicidad que contemple la legislación vigente referente a la prevención y control de la legionelosis, es admisible prever un conexionado puntual entre el sistema auxiliar y el acumulador solar, de forma que se pueda calentar este último con el auxiliar. No obstante, se podrán realizar otros métodos de tratamiento antilegionela permitidos por la legislación vigente.
4.10. Dimensionado de los elementos auxiliares del circuito hidráulico. A continuación comentaremos los aspectos a considerar en el dimensionado de los elementos auxiliares del circuito hidráulico.
4.10.1. Purgadores y desaireadores. desaireadores. La instalación deberá contar con un sistema de purga por cada batería de colectores. Se instalaran en los puntos altos de salida de las baterías. El volumen útil del botellín de desaireación desaireación lo calcularemos considerando considerando que por cada metro cuadrado de superficie colectora instalada se corresponden 15 cm3 de volumen de botellín. Los sistemas de purga estarán constituidos por botellines de desaireación y purgador manual o automático. El volumen útil del botellín será superior a 100 cm3. En el trazado del circuito deberá evitarse, en lo posible, los sifones invertidos, pero cuando se utilicen se situarán sistemas de purga y desaireación situados en el punto más desfavorable del sifón. En general, el trazado del circuito evitará los caminos tortuosos para favorecer el desplazamiento del aire atrapado hacia los puntos altos. Por lo mismo, los trazados horizontales de tubería tendrán siempre una pendiente mínima del 1% en el sentido de circulación.
4.10.2. Válvulas. Las válvulas que conformen los circuitos hidráulicos de la instalación se elegirán de acuerdo con la función que desempeñen dentro del circuito y dependiendo también de las condiciones extremas de funcionamiento funcionamiento (presión y temperatura): - Para aislamiento aislamiento utilizaremos válvulas de esfera. - Para vaciado utilizaremos válvulas de esfera o de macho. - Para llenado usaremos válvulas de esfera. - Para purga de aire, válvulas de esfera o de macho. - Como válvula de seguridad, válvula de resorte. - Para evitar el flujo inverso, utilizaremos válvulas de disco de doble compuerta, o de carpeta. - Para el equilibrado del circuito hidráulico utilizaremos válvulas de asiento. - Para que el fluido de trabajo circule por circuitos alternativos utilizaremos válvulas de 3 y 4 vías. Todas las válvulas se elegirán de forma que sus dimensiones y características se ajusten a las propias del circuito en cuanto a temperatura, temperatura, caudal, etc. Para ello se trabajará en función de las recomendaciones del fabricante.
4.11. Método f-Chart. El método de las curvas f es un procedimiento para calcular la contribución solar de una instalación, instalación, en función de una serie de parámetros, a la demanda energética total. Este método nos permite ajustar la contribución solar de nuestra instalación variando algunos de sus parámetros como la superficie de captación o el volumen de acumulación. El método se terminó de desarrollar en 1976 y se basó en una serie de sistemas de simulación desarrollados por la universidad de Wisconsin y en estudios experimentales y tiene una larga lista de posibles aplicaciones. A lo largo de los años ha demostrado ser un método de cálculo de la contribución solar muy fiable. La precisión del método es considerable y después de múltiples estudios teóricos y experimentales se ha establecido que su aproximación aproximación a la realidad varia entre un 2,5% y un 9%, por lo que se le considera un sistema estándar estándar de cálculo. El método consiste en establecer la relación entre la energía solar útil aportada por el sistema solar y la energía demandada para consumo, a esto se denomina contribución solar f. Dicho de forma muy simple: f = Energía solar útil captada / Energía demandada para consumo Se ha demostrado que las ecuaciones f-Chart para obtener la fracción solar mensual para las instalaciones destinadas a suministrar calor solar para sistemas que utilizan liquido como fluido caloportador: f = 1,029Y −0,065X −0,245Y2 + 0,0018X2 + 0.0215Y3 Válidas para los intervalos: 0
4.11.1. Estimación de Y Y es la relación entre la energía captada y la demanda energética en un mes y la ecuación que nos la define es la siguiente: Y = Fcy * Rc * A * F g * N / Qc Donde: Fcy es el producto de una serie de factores de corrección, dados en tantos por 1. Rc es la irradiación diaria media mensual captable por el colector (kJ/m 2.día).
A es la superficie de captación (m 2) Fg es el factor de ganancia corregido del colector. colector. Esto es el producto de la transmitancia transmitancia por la absorbancia del colector colector y por el factor de transporte. Dado en tantos por 1. N es el número de días del mes (días/mes). Qc es la potencia térmica consumida, que es la suma de la energía demandada Qnec y de la energía perdida Q per (kJ/mes), es decir, la demanda energética total Qc, que se puede calcular como hemos indicado anteriormente. Los factores de corrección se aplican porque, en realidad, no se aprovecha toda la energía absorbida, ya que existen problemas de radiación mínima de funcionamiento y problemas de acoplamiento con la carga. Las pérdidas dependen de las horas de funcionamiento y de la diferencia de temperatura del colector con respecto a la temperatura ambiente, valores que son variables. Estimaremos posteriormente posteriormente estas pérdidas, que representan los factores de corrección. Es muy importante aplicar correctamente las unidades para el cálculo de Y, ya que de introducir unidades erróneas el valor cambiará considerablemente. considerablemente.
4.11.2. Estimación de X X es la relación entre la energía que los colectores disipan a 100 ºC y la demanda energética en un mes y la ecuación que nos la define, para el caso más general, es la siguiente: X = Fcx * Fg * Up * (100 – TS) * tm * A / Qc Donde: Fcx es el producto de una serie de factores de corrección, dados en tantos por 1. Fg es el factor de ganancia corregido del colector o factor óptico. Esto es el producto de la transmitancia por la absorbancia del colector y por el factor de transporte. Dado en tantos por 1. Up es el coeficiente coeficiente global pérdidas del colector (kJ/m 2 .ºC.s) (100-TS) es la diferencia de temperatura con el ambiente (considerando que está funcionando a 100 ºC). Normalmente se considera la TS media de las horas de sol. tm es el número de segundos del mes (considerando que funciona las 24h) A es la superficie de captación (m 2)
Qc es la potencia térmica consumida, que es la suma de la energía demandada Qnec y de la energía perdida Q per (kJ/mes), es decir, la demanda energética total Qc, que se puede calcular como hemos indicado anteriormente. Al aplicar los factores de corrección hay que tener en cuenta que en realidad no se pierde tanta energía si el consumo es grande ya que el colector trabaja a mucha menos temperatura y que puede trabajar más horas, lo que incrementa su rendimiento medio. Es muy importante aplicar correctamente las unidades para el cálculo de X, ya que de introducir unidades erróneas el valor cambiará considerablemente. considerablemente.
4.11.3. Factores de corrección. Los factores de corrección son funciones bastante complejas de diversos parámetros y resulta muy complejo calcularlos para instalaciones sencillas. Por lo tanto, en vez de utilizar sus ecuaciones, utilizaremos unos valores estándar más o menos aproximados, que nos proporcionarán unos resultados bastante aceptables. En el caso de querer realizar un cálculo más preciso de los factores X e Y recurriremos a las ecuaciones completas que determinan los factores de corrección y que obtendremos en la bibliografía bibliografía especializada. Corrección por diferente curva de rendimiento del colector según temperatura considerada. - Curva de ensayo en función de la temperatura media K1 = 0,95 - Curva de ensayo en función de la temperatura de entrada K1 = 1 El rendimiento del colector varía ligeramente según la curva que tomemos. Esta curva es ligeramente diferente si tomamos la temperatura media del colector o la temperatura de entrada del fluido caloportador. Corrección por diferente ángulo de incidencia - Cristal simple K2 = 0,96 - Cristal doble K2 = 0,94 El tipo de acristalamiento influye en una mayor o menor reflexión de la luz, que aumenta de forma exponencial con la inclinación. Corrección por diferente caudal circulante - Doble caudal test K3 = 1,02 - Caudal test K3 = 1 - Mitad caudal test K3 = 0,94
Las pérdidas del colector varían según el caudal que circula por él. Dicho caudal debe cumplir con la condición: 1,2*A/100< Q (l/s) ( l/s) <2*A/100 Corrección por existencia del intercambiador intercambiador - Con intercambiador K4 = 0,95 - Sin intercambiador K4 = 1 El intercambiador supone unas cierta dificultad en la transmisión del calor. Tomaremos la eficiencia del intercambiador como 0,75. En cualquier caso la potencia del intercambiador intercambiador debe cumplir: P (W) > 500 A (m2) ( m2) Corrección por existencia de colectores en serie - 0 colectores en serie K5 = 1 - 2 colectores en serie K5 = 0,94 - 3 colectores en serie K5 = 0,89 Al existir dos colectores en serie es evidente que el segundo está trabajando con una temperatura de entrada superior (la de salida del primero) y por tanto con un peor rendimiento energético Corrección por existencia del depósito - K6 = (V / (75 * A))-0,25 La existencia de un depósito grande hace que el colector trabaje con una temperatura media inferior, y por lo tanto con menores pérdidas. La relación adecuada es: 50< (V / A) <180 l/m2 Donde: A es la superficie de captación (m 2) V es el volumen de acumulación (litros) (litros) Q es el caudal (litros/segundo)
4.11.4. Estimación de Fcy y de Fcx. La estimación de las correcciones de X e Y es sencilla. Fcy es el producto de los factores de corrección, dados en tantos por 1, siguientes: Fcy = K1 * K2 * K3 *K4 * K5 Fcx es el producto de los factores de corrección, dados en tantos por 1, siguientes:
Fcx = K1 * K3 * K4 * K5 * K6 Una vez identificados los factores K correspondientes a nuestra instalación y hallados Fcy y Fcx, así como el resto de los parámetros de nuestra instalación, es fácil calcular X e Y para cada mes del año y hallar posteriormente la fracción solar f correspondiente a ese mes. Posteriormente será fácil calcular la fracción solar anual proporcionada por energía solar. El cálculo lo podemos realizar manualmente o utilizando la hoja de calculo correspondiente correspondiente incorporada en el programa de cálculo del curso.
5. Documentación de la instalación Lección 5: Documentación de la instalación. En esta lección estudiaremos los aspectos económicos y documentación que es necesario emplear o elaborar a la hora de realizar una instalación instalación de energía solar térmica de baja temperatura. En esta lección podríamos extendernos muchísimo si exponemos los diferentes sistemas de evaluación del coste, rentabilidad y amortización de una instalación. Así mismo podríamos emplear muchísimo espacio en indicar diferentes sistemas y normativas de cómo documentar un proyecto. Pero ninguno de estos aspectos es específico de esta lección por lo que haremos un planteamiento muy sencillo y práctico. En concreto en esta lección veremos los siguientes apartados:
5.1. Proyecto técnico de la instalación. Las instalaciones solares térmicas las dividiremos en dos grupos: - Instalaciones de menos de 200 m 2 de superficie de captación. - Instalaciones de más de 200 m2 de superficie de captación.
5.1.1. Instalaciones de menos de 200 m2 de superficie de captación. Cuando la instalación tenga una superficie de captación igual o inferior a los 200 m2 , su diseño para la certificación se documentará mediante una Memoria, de la que se deberá entregar copia al cliente, en la que se incorporarán como mínimo los siguientes conceptos: - Datos del usuario. - Datos de localización de la instalación. - Datos generales de la instalación. - Datos de partida.
- Cálculo de la carga de consumo. - Cálculo del volumen de acumulación. - Selección de la configuración básica. - Selección de la superficie de colectores. - Selección del fluido de trabajo. - Diseño del sistema de captación. - Diseño del sistema de acumulación. - Diseño del sistema de intercambio. - Diseño del circuito hidráulico. hidráulico. - Diseño del sistema de energía auxiliar. - Diseño del sistema eléctrico, de control y de monitorización. - Diseño de la integración arquitectónica. Como anexos a la memoria de diseño se incorporarán: - Bases del método de cálculo empleado. - Resultados de prestaciones de la instalación. - Especificaciones técnicas de los componentes. - Certificados de homologación de los colectores por el INTA y sus curvas de rendimiento. Los esquemas y planos que, como mínimo, se deben adjuntar a la memoria de diseño son: - Esquema de principio. - Esquema de línea. Distribución de colectores. - Esquema de línea. Trazado de tuberías. - Esquema de línea. Acumulación, intercambio, intercambio, energía auxiliar y bombas. - Esquema eléctrico. - Diseño de las estructuras. La memoria de diseño deberá incluir como resumen las tablas de datos que aparecen a continuación:
5.1.2. Instalaciones de más de 200 m2 de superficie de captación. Para instalaciones con una superficie de captación superior a 200 m2 será imprescindible imprescindible para la certificación certificación la presentación presentación previa de un proyecto firmado por un técnico competente, con la homologación pertinente. Este proyecto tendrá un desarrollo detallado incluyendo como mínimo: - Los aspectos de la memoria de diseño indicados anteriormente. - El resumen con los formatos de datos indicados anteriormente. - Los contenidos que marca el RITE para su rango equivalente de potencia. La forma en que debe presentarse la documentación en instalaciones de este tamaño se desarrolla en el apartado siguiente.
El RITE es una parte fundamental de la normativa legal que rige las instalaciones instalaciones de energía solar. En él se fija que para las instalaciones de calefacción, calefacción, ACS y climatización climatización es necesaria la elaboración de un proyecto técnico visado a partir de una potencia equivalente de 70 kW. Por lo que, cuando la instalación auxiliar tenga una potencia de 70 kW ó más, se necesita un proyecto visado.
5.2. Costes económicos. El coste de una instalación, de energía solar térmica de baja temperatura, depende de diversos factores, que han de ser tenidos en cuenta en todo proyecto para conseguir una rentabilidad económica lo mas alta posible y una eficiencia del servicio. A continuación se mencionan los principales factores a tener en cuenta: - Si se trata de una edificación nueva o no. Es mucho más sencillo y económico la incorporación de los sistemas en un edificio nuevo, que incorporarlos a una edificación ya construida. - El tipo de energía que sustituye. Aquí intervienen factores como posibilidades posibilidades de suministro de cada una de las diferentes fuentes de energía, precio de las energías, precio de los elementos auxiliares de la instalación, etc. - El grado de cobertura deseado. La cobertura es el porcentaje del tiempo de utilización, en el que no es necesario la utilización de una energía auxiliar para el calentamiento del agua. A mayor grado de cobertura el número de colectores solares aumenta exponencialmente. Para pequeñas instalaciones, por ejemplo la vivienda de una familia media de cuatro personas, se consigue una cobertura entre el 70 y el 80 % con una superficie de colectores de entre 2 y 4 m2 , dependiendo de la región de España, siendo esto lo más recomendable. - La optimización optimización económica. Este aspecto determina, para las instalaciones medianas y grandes, el valor de la superficie que proporciona el máximo ahorro durante la vida útil de la instalación. Esto determinara en este tipo de instalaciones el grado de cobertura más apropiado. - El número de usuarios. Por efecto del factor escala, el precio disminuye al aumentar el número de usuarios, que comparten elementos elementos comunes (deposito, tuberías, sistemas de control, etc.). - La radiación solar local. El promedio de energía solar que llega a la superficie de la tierra depende de múltiples factores como la latitud, altitud, mes del año, microclima local, etc. Así por ejemplo en Valladolid en el mes de diciembre la media diaria de irradiación horizontal horizontal es de 4,2 MJ/m2 .día, mientras que en julio es de 25,1 MJ/m2.día. Por lo tanto el dimensionamiento de una instalación debe tener en cuenta estos factores, para ajustarla a la época del año en que se va a requerir r equerir su mayor rendimiento. - Los costes financieros. Estos costes están determinados por múltiples factores: Coste de los créditos, valor de la inversión, costes de mantenimiento, precio del combustible auxiliar, subvenciones, subvenciones, etc. Por lo que se hace necesario realizar un cálculo preciso, para hallar el punto óptimo de dimensionamiento de una instalación. Si se tienen en cuenta los diversos factores que han sido mencionados anteriormente, las variaciones que pueden experimentar las inversiones, en instalaciones de energía solar térmica, pueden ser muy significativas. No indicamos precios concretos debido a las variaciones que sufren los costes de forma continua, sobre todo por el encarecimiento de los costes del petróleo.
5.2.1. Costes de instalación. En concreto, para pequeñas instalaciones, por ejemplo la vivienda de una familia media de cuatro personas, con una cobertura de entre el 70 y el 80 %, se necesita una superficie de colectores de entre 2 y 4 m 2. El coste total de la instalación se puede descomponer básicamente en: - Materiales: Representan el 55 % del coste total de la instalación. En ellos hay que incluir colector, depósito, bombas, válvulas, aislamientos, tuberías, etc. - Regulación y control: Representan el 10 % del coste total de la instalación. Constituido por un sistema automático que mediante la toma de datos de temperatura, nivel de agua, etc., opere la instalación de una manera óptima. - Mano de obra: Representa el 35 % del conste total de la instalación. El sistema de calentamiento auxiliar es un sistema adicional que puede tener un coste muy variable en función del tipo de sistema, de sí se dispone ya de un sistema aprovechable, del tipo de aplicación de la instalación, etc. El método más razonable para instalaciones pequeñas es la utilización de un calentador de gas modulado por la temperatura y caudal del agua que proviene del acumulador.
5.2.2. Costes de funcionamiento. funcionamiento. Los costes de funcionamiento son los asociados a la operación y funcionamiento del sistema. Estos costes son los siguientes: - Los costes de operación de la instalación son básicamente los de la electricidad necesaria para las bombas, válvulas y panel de control (electricidad que puede ser suplida por un pequeño panel fotovoltaico), y que para una pequeña instalación suponen una pequeña cantidad. - Los costes de consumo del sistema auxiliar, los cuales dependerán del tipo de energía auxiliar utilizado. Además, en función del tipo de energía auxiliar tendremos otros costes generales asociados a contratos, contadores, impuestos y términos de potencia. Estos costes varían dependiendo del tipo de energía auxiliar. - Los costes de mantenimiento, que son los de comprobación de niveles de agua en el colector, rellenado del circuito con anticongelante, sustitución ánodo de magnesio, limpieza del cristal del colector, mantenimiento del sistema auxiliar, etc. Estos costes varían en función de sí lo hace el usuario, o sí lo hace una empresa especializada.
5.2.3. Coste comparativo con otras fuentes de energía. Si tenemos en cuenta que el consumo medio de una familia española es de 3.750 kWh/año en A.C.S., con una cobertura del 70%, tendremos que la instalación nos
proporcionara 2.625 kWh/año, siendo el resto (1.125 kWh/año) kWh/año) proporcionado por el sistema auxiliar, cuyos costes ya han sido mencionados mencionados anteriormente. Sin embargo si utilizamos otra fuente de energía para producir los 3.750 kWh, los costes anuales los costes serían superiores, sobre todo si utilizamos electricidad, además habría que incluir los costes de instalación del sistema de calentamiento. De todo lo anterior se deduce que una instalación de energía solar térmica de baja temperatura se puede amortizar aproximadamente en 4 años si sustituye a la electricidad y en 8 años si sustituye al gas natural, teniendo en cuenta que la vida de una de estas instalaciones de energía convencional oscila entre los 15 y 20 años. Pero también debemos considerar otros factores muy importantes a la hora de decidirse por usar un sistema u otro. Los combustibles fósiles, fósiles, como el gas natural, contribuyen al efecto invernadero por las emisiones de CO2 , por lo que es previsible a corto plazo que aumenten su precio debido a los impuestos destinados a reducir sus emisiones, además el precio de todos los combustibles tenderá a aumentar por la limitación de los recursos. Por otro lado hay que considerar que la vida media, de una instalación de energía solar térmica, puede variar entre 25 y 30 años, con lo que el ahorro de costes esta garantizado. Si a esto le sumamos los apoyos públicos, es fácil deducir que la energía solar térmica puede ser muy rentable a medio y largo plazo.
5.2.4. Coste de las instalaciones medianas y grandes. Mucho de lo dicho anteriormente es también valido para instalaciones de energía solar térmica de baja temperatura medianas y grandes, con la diferencia de que es necesario dimensionar adecuadamente estas instalaciones para lograr la superficie de captación óptima, de manera que se obtenga el mayor rendimiento económico. A modo indicativo señalaremos, que los costes de una instalación mediana o grande, están en función de la superficie de captación, pero disminuyen al aumentar el tamaño debido al factor de escala. Para estimar la superficie necesaria hay que considerar que se pueden lograr entre 500 kWh (1800 MJ) y 1.000 kWh (3.600 MJ) al año por cada m2 de colector instalado, dependiendo de la insolación.
5.3. Elaboración de presupuestos. A la hora de realizar una instalación instalación se debe adjuntar a la memoria de diseño la valoración económica de la inversión, que se realizará mediante presupuesto desglosado por partidas y costes unitarios y que deberá ser entregada al cliente para su aceptación. El presupuesto de inversión incluirá: - Datos de la empresa que realiza el presupuesto. - Datos completos de los elementos que componen la instalación con características, número de elementos, precios unitarios y totales. - Listado de todos los componentes accesorios necesarios para el correcto acabado y funcionamiento de la instalación.
- Listado de los trabajos auxiliares, ayudas de albañilería, etc. necesarios para la completa ejecución de la instalación. - Plazo de ejecución de la instalación y periodos de ejecución para establecer pagos o controles. - Periodo de validez del presupuesto. El presupuesto solo deberá ser modificado por la adición de nuevas tareas que sean indicadas por el cliente, fuera de las labores ya encomendadas. El nuevo presupuesto deberá hacerse aparte y ser aceptado independientemente independientemente del anterior por el cliente. Conviene tener en cuenta que es necesario ofrecer una imagen seria y profesional al cliente, y una confianza en cuanto a la calidad de la instalación que se está presupuestando. presupuestando. Para ello se deben ofrecer al cliente en el presupuesto valores de materiales de calidad probada, a costes actualizados de mercado y con sus correspondientes correspondientes garantías de utilización. utilización.
5.4. Subvenciones a las instalaciones. Actualmente en España hay pocas instalaciones de energía solar térmica debido a que su precio de fabricación es relativamente elevado, existe mucho desconocimiento sobre las posibilidades de esta fuente de energía y ha habido poca promoción de sus usos. No obstante, esto va a cambiar rápidamente debido al nuevo Código Técnico de Edificación, que hace obligatorio su uso. Existen cuatro niveles de subvenciones básicos, aunque en algunas ocasiones pueden existir también subvenciones municipales, a las instalaciones de energía solar térmica: - Subvenciones autonómicas. - Subvenciones Subvenciones estatales. - Subvenciones Subvenciones internacionales. internacionales. - Subvenciones mixtas. El problema que existe con las subvenciones es que su normativa cambia anualmente, suele ser diferente según la comunidad autónoma y es bastante difícil para un particular estar continuamente al día de este tema. No obstante se puede conseguir una información al día, de todas las subvenciones existentes, consultando la página Web del IDAE (Instituto para la Diversificación Diversificación y el Ahorro Energético) organismo dependiente del Ministerio de Industria y Energía, cuya dirección es C/ Madera, nº 8, 28004 Madrid, Telf.: 914.564.900 Fax: 915.230.414 Web: http://www.idae.es. Para la solicitud de ayudas publicas a la energía solar térmica, es necesario tener en cuenta, de forma muy estricta, las condiciones, plazos y requisitos establecidos en las órdenes que las recogen, para no incumplir alguna condición que impida la consecución de dichas subvenciones. subvenciones. Las características generales de estas órdenes suelen ser las siguientes:
Establecen la cuantía máxima de la subvención, que suele ser del 30 % de la inversión para las instalaciones de energía solar térmica de baja temperatura. Aunque puede haber grandes variaciones en función del tamaño de la instalación. - Plazo de presentación de las solicitudes suele ser generalmente corto, 2-3 meses. - Las convocatorias autonómicas de subvenciones suelen ser anuales y se suelen publicar a principios de año en los boletines oficiales de las diferentes comunidades autónomas. - Las convocatorias convocatorias nacionales e internacionales pueden ser por periodos más largos de tiempo, pero no hay una regla general en ello. - Se define un modelo concreto para la presentación de las solicitudes. El modelo de solicitud debe ir acompañado de una documentación complementaría que usualmente se compone de: - Tarjeta de identificación fiscal de las personas físicas o empresas que solicitan la subvención. - Declaración de estar al corriente de las obligaciones fiscales y frente a la Seguridad Social. - Memoria donde se describen los objetivos perseguidos que justifiquen el interés de la instalación. - Declaración de las subvenciones concedidas, o en trámite de concesión, por cualquier otra Administración, Ente público nacional o internacionales, internacionales, relativas al mismo proyecto. En cada convocatoria los modelos de petición y requisitos suelen variar ligeramente. Por lo que es necesario recurrir al órgano competente de la comunidad autónoma para utilizar la ultima orden publicada, la cual aconsejamos leer detenidamente para ajustarse estrictamente estrictamente a sus requerimientos. Es necesario presentar una memoria descriptiva descriptiva del proyecto. En cuanto al contenido de la memoria técnica, en caso de que la orden no establezca otra cosa, recomendamos que contenga como mínimo los siguientes apartados: - Justificación de las causas que inducen a realizar el proyecto. - Descripción detallada del proyecto. - Previsiones anuales de energía ahorrada o sustituida y producción a conseguir. - Presupuesto detallado de la realización del proyecto. - Calendario de realización. realización. Entre los requisitos para la concesión de subvenciones en el caso de energía solar destacan: - Necesidad de instalar colectores homologados por la Dirección General de la Energía del Ministerio de Industria, por lo que es necesario que el fabricante nos garantice documentalmente que sus colectores solares lo están. - Diversas especificaciones técnicas de diseño y montaje de la instalación. - Plazo mínimo de garantía de funcionamiento de la instalación.
Los proyectos para pequeñas instalaciones son sencillos y pueden ser realizados por el propio usuario, pero esto requiere una cierta dedicación, por lo que suele ser más útil aconsejar al cliente que deje las gestiones en manos del instalador. En caso de necesitar información recomendamos solicitársela al organismo técnico responsable de la Comunidad Autónoma, la Consejería de Industria y Energía. No obstante, como ya hemos indicado, en caso de duda el organismo público estatal adecuado para proporcionar cualquier tipo de información técnica o de legislación legislación existente es el Instituto para la Diversificación Diversificación y Ahorro de la Energía (IDAE).
5.5. Manual de instrucciones. El Manual de Instrucciones (en adelante MI) es la documentación que incluye la definición completa de la instalación, la forma en que funciona, el sistema de montaje, etc. El MI debe ser realizado por el suministrador para definir el contenido del suministro (la instalación) y recomendar al usuario la forma de utilizarlo y conservarlo. El MI será entregado al usuario, con objeto de que conozca lo que compra y como lo debe usar. El contenido de este manual forma parte del suministro de la instalación y debe ser entregado al usuario a la entrega de la instalación, a la vez que la memoria de diseño o proyecto de la instalación. El MI debe incluir los siguientes apartados: - Características Características de funcionamiento. funcionamiento. - Instrucciones de uso. - Instrucciones de seguridad. - Instrucciones de mantenimiento.
5.5.1. Características de funcionamiento. funcionamiento. En las características de funcionamiento se deben incluir: - Un esquema funcional de la instalación, que permita la explicación del modo de funcionamiento del equipo, el proceso de calentamiento del agua del acumulador, la circulación del fluido, el proceso de extracción o consumo de agua caliente y el funcionamiento funcionamiento del sistema de energía auxiliar. - Los valores nominales de las distintas variables que pueden intervenir y/o visualizarse durante la operación normal de la instalación: temperaturas temperaturas de agua, presiones de circuitos, etc. - Los limites operacionales de estas variables que definen los rangos de funcionamiento normal de las mismas. - Los valores límites de parámetros funcionales, del conjunto y de los componentes principales: presión máxima de trabajo, temperatura máxima admisible, etc. y se concretarán las características constructivas o funcionales que establecen dichos valores límites: resistencia de materiales, de recubrimientos, etc. así como las medidas adoptadas en el diseño para no sobrepasar los límites funcionales.
- Las prestaciones de la instalación, entendiéndose como tal la cantidad de energía solar que se aporta a un consumo determinado en unas condiciones climáticas definidas. Se deben incluir las prestaciones previstas para varios tipos de cargas de consumo. Así mismo se debe indicar el procedimiento seguido para obtener los resultados.
5.5.2. Instrucciones de uso. La facilidad de acceso a ciertos recursos naturales y su coste relativamente relativamente barato ha creado la falsa imagen de que algunos son inagotables y que no hace falta racionalizar o limitar su consumo. Este es el caso del agua. El crecimiento del consumo de recursos por persona, conjuntamente con el crecimiento de la población, ha sido suficiente para cerrar el grifo de muchos sitios del planeta o para vaciar los depósitos (naturales o artificiales) artificiales) en otros. Las actividades industriales y agrícolas, como también el consumo domestico, han fijado en un breve espacio de tiempo (únicamente doscientos años) los límites de este recurso. Hoy sabemos que conseguir agua para estos fines, con la calidad necesaria en cada caso, cuesta mucho dinero. No únicamente esto, sino que hay serias dudas sobre la disponibilidad futura de un bien imprescindible para el mantenimiento de la vida. Por lo tanto en las instrucciones de uso se debe plantear que el consumo de agua debe llevar implícito su uso racional y no el despilfarro, ahorrando tanta agua y energía auxiliar como nos sea posible. En concreto el manual de uso debe contener los siguientes aspectos: - Descripción de los aspectos generales sobre el consumo de agua caliente sanitaria y de las formas de hacer un uso racional del agua y de la energía auxiliar, para lo que se deben incluir recomendaciones respecto a las formas de suministro que ahorran energía (temperaturas de uso del agua y aislamiento de tuberías). - Descripción del funcionamiento de instalaciones de energía solar, en la que se deben incluir aquellos aspectos funcionales que permitan al usuario obtener el máximo provecho de la instalación solar, así como los criterios de mejor utilización y la descripción de los resultados que puedan obtenerse. - Descripción de la forma de utilización del sistema de energía auxiliar en función de la disponibilidad de energía solar y de la demanda de agua caliente en un momento dado. - Recomendaciones y advertencias para hacer un buen uso y evitar daños a la instalación. En este capítulo se deben incluir las precauciones a tomar en épocas en que no se consuma y en las que las temperaturas puedan dañar a la instalación. - Instrucciones para solucionar problemas sencillos y localizar el posible origen de las averías. - Recomendaciones para asegurar el mantenimiento preventivo de la instalación. instalación.
5.5.3. Instrucciones de seguridad.
El Manual de Instrucciones recogerá todas aquellas recomendaciones recomendaciones que la empresa suministradora considere oportunas, con objeto de que se garantice en todo momento la seguridad del usuario al utilizar la instalación. Entre las instrucciones de seguridad deben destacar: - Las medidas establecidas en la instalación ante descargas eléctricas. - Las actuaciones que se deben realizar ante rotura de conducciones y pérdidas de líquido caloportador. - Las acciones a tomar frente a situaciones que superen las temperaturas admisibles por la instalación. - Las limitaciones en cuanto a quien debe controlar, mantener y revisar la instalación.
5.5.4. Instrucciones de mantenimiento. mantenimiento. El objeto de este apartado es definir las condiciones generales mínimas que deben seguirse para el adecuado mantenimiento de las instalaciones de energía solar térmica para producción de agua caliente. Se deben considerar tres niveles de actuación para englobar todas las operaciones necesarias durante la vida útil de la instalación para asegurar el funcionamiento, aumentar la fiabilidad y prolongar la duración de la misma: - Plan de vigilancia - Plan de mantenimiento preventivo - Acciones de mantenimiento correctivo El plan de vigilancia y el plan de mantenimiento han de incluir todas las operaciones de mantenimiento o sustitución necesarias para asegurar que el sistema funcione correctamente durante su vida útil.
5.5.4.1. Plan de vigilancia. El plan de vigilancia se refiere básicamente a las operaciones que permiten asegurar que los valores operacionales de la instalación sean correctos. Es un plan de observación simple de los parámetros funcionales principales, para verificar el correcto funcionamiento de la instalación. Será llevado a cabo, normalmente, por el usuario.
5.5.4.2. Plan de mantenimiento preventivo El plan de mantenimiento preventivo consiste básicamente en operaciones de inspección visual, verificación de actuaciones y otros, que aplicados a la instalación deben permitir mantener dentro de límites aceptables las condiciones de funcionamiento, prestaciones, protección y durabilidad de la instalación. El plan de mantenimiento preventivo debe realizarse por personal técnico especializado de la empresa suministradora, que conozca la tecnología solar térmica y las instalaciones mecánicas en general.
El mantenimiento implicará, como mínimo, una revisión anual de la instalación para instalaciones con superficie de captación inferior a 20 m2 y una revisión cada seis meses para instalaciones con superficie de captación superior a 20 m2. El plan de mantenimiento mantenimiento debe realizarse por personal técnico competente competente que conozca la tecnología solar térmica y las instalaciones mecánicas en general. La instalación tendrá un libro de mantenimiento en el que se reflejen todas las operaciones realizadas así como el mantenimiento mantenimiento correctivo. El mantenimiento ha de incluir todas las operaciones de mantenimiento y sustitución de elementos fungibles ó desgastados por el uso, necesarias para asegurar que el sistema funcione correctamente correctamente durante su vida útil.
5.5.4.3. Acciones de mantenimiento correctivo. correctivo. Las acciones de mantenimiento correctivo son aquellas que se deben tomar cuando se produce una avería que afecta al funcionamiento de la instalación. Las acciones de mantenimiento correctivo deben realizarse por personal técnico especializado de la empresa suministradora, que conozca la tecnología solar térmica y las instalaciones mecánicas en general.
5.6. Contrato de mantenimiento. Se debe ofrecer al usuario la realización de un contrato de mantenimiento (preventivo y correctivo) por un periodo de tiempo al menos igual que el de la garantía. En el contrato de mantenimiento se deben recoger: - El periodo de realización del mantenimiento preventivo, que de forma indicativa debe consistir en una revisión anual de la instalación para instalaciones inferiores o iguales a 20 m 2 de superficie útil homologada, y una revisión cada seis meses para instalaciones superiores a 20 m 2. - Las condiciones del mantenimiento, que deben indicar los costes que son atribuibles al usuario y los que son a cargo del contrato. - El coste de dicho contrato. - La garantía que implica la realización del contrato de mantenimiento. mantenimiento.
5.7. Garantía de la instalación. La garantía de la instalación debe concederse a favor del comprador de la instalación, lo que deberá justificarse debidamente mediante el correspondiente certificado de garantía, que debe contener:
- La fecha de certificación y entrega de la instalación. - El nombre y datos de la empresa que soporta la garantía. - El nombre y firma del representante de la empresa que soporta la garantía, así como el sello de la empresa. - Las condiciones generales y particulares de la garantía. A continuación se recogen algunos aspectos que se incluyen de forma habitual en las condiciones generales y particulares de la garantía.
5.7.1.1. Ámbito general de la garantía. Sin perjuicio de cualquier posible reclamación a terceros, la instalación será reparada de acuerdo con estas condiciones generales si ha sufrido una avería a causa de un defecto de montaje o de cualquiera de los componentes, siempre que haya sido manipulada correctamente de acuerdo con lo establecido en el manual de instrucciones.
5.7.1.2. Plazos. El suministrador garantizará la instalación durante un periodo de 3 años, para todos los materiales utilizados y el procedimiento empleado en su montaje a partir de la recepción de la instalación por parte del usuario. Si hubiera de interrumpirse la explotación del suministro debido a razones de las que es responsable el suministrador, o a reparaciones r eparaciones que el suministrador haya de realizar para cumplir las estipulaciones de la garantía, el plazo se prolongará por la duración total de dichas interrupciones. interrupciones.
5.7.1.3. Condiciones económicas. La garantía comprende la reparación o reposición, en su caso, de los componentes y las piezas que pudieran resultar defectuosas así como la mano de obra empleada en la reparación o reposición durante el plazo de vigencia de la garantía. Quedan expresamente incluidos incluidos todos los demás gastos, tales como tiempos de desplazamiento, medios de transporte, amortización de vehículos y herramientas, disponibilidad de otros medios y eventuales portes de recogida y devolución de los equipos para su reparación en los talleres del fabricante. Asimismo se deben incluir la mano de obra y materiales necesarios necesarios para efectuar los ajustes y eventuales reglajes del funcionamiento de la instalación. Si en un plazo razonable, el suministrador incumple las obligaciones derivadas de la garantía, el comprador de la instalación podrá, previa notificación escrita, fijar una fecha final para que dicho suministrador cumpla con sus obligaciones. Si el suministrador no cumple con sus obligaciones en dicho plazo último, el comprador de la instalación podrá, por cuenta y riesgo del suministrador, realizar por sí mismo o
contratar a un tercero para realizar las oportunas reparaciones, sin perjuicio de la ejecución del aval prestado y de la reclamación por daños y perjuicios.
5.7.1.4. Anulación de la garantía. La garantía podrá anularse cuando la instalación haya sido reparada, modificada o desmontada, aunque sólo sea en parte, por personas ajenas al suministrador o a los servicios de asistencia técnica de los fabricantes, no autorizados expresamente por el suministrador.
5.7.1.5. Lugar y tiempo de la prestación. Cuando el usuario detecte un defecto de funcionamiento en la instalación, lo comunicará fehacientemente fehacientemente al suministrador. suministrador. Cuando el suministrador suministrador considere que es un defecto de fabricación de algún componente lo comunicará fehacientemente al fabricante. El suministrador atenderá el aviso en un plazo de: - 24 horas, si se interrumpe el suministro de agua caliente, procurando establecer establecer un servicio mínimo hasta el correcto funcionamiento de ambos sistemas (solar y de apoyo). - 48 horas, si la instalación solar no funciona. - Una semana, si el fallo no afecta al funcionamiento. Las averías de las instalaciones se repararán en su lugar de ubicación por el suministrador. Si la avería de algún componente no pudiera ser reparada en el domicilio del usuario, el componente deberá ser enviado al taller oficial designado por el fabricante por cuenta y a cargo del suministrador. El suministrador realizará las reparaciones o reposiciones de piezas con la mayor brevedad posible una vez recibido el aviso de avería, pero no se responsabilizará responsabilizará de los perjuicios causados causados por la demora en dichas reparaciones siempre que sea inferior a 15 días naturales.
