Energía solar Instalación solar térmica de baja...

MEERR_2_3

TEMA 2

Instalación solar térmica de baja

temperatura

I. INTRODUCCIÓN

II. OBJETIVOS DEL TEMA

III. MECANISMOS DE TRANSMISIÓN DE CALOR

IV. FUNDAMENTOS DE LAS INSTALACIONES SOLARES TÉRMICAS PARA APLICACIONES EN BAJA TEMPERATURA

V. TIPOLOGÍA Y CLASIFICACIÓN DE LAS INSTALACIONES

VI. CAPTADOR SOLAR TÉRMICO

VII. SISTEMAS DE ACUMULACIÓN

VIII. INTERCAMBIADORES DE CALOR

IX. CIRCUITOS HIDRÁULICOS

X. SISTEMAS DE CONTROL Y REGULACIÓN DE LA INSTALACIÓN

XI. RESUMEN DEL TEMA

AUTOEVALUACIÓN

AUTOEVALUACIÓN– Solución

Ediciones Roble, S.L.

Energía solar térmica y pasiva

23

TEMA 2. INSTALACIÓN SOLAR TÉRMICA DE BAJA TEMPERATURA

MEERR_2_3

ÁREA DE ENERGÍAS RENOVABLES

ENERGÍA SOLAR TÉRMICA Y PASIVA

I. INTRODUCCIÓN

En este tema se describen las instalaciones solares térmicas para

aplicaciones en baja temperatura. Son los sistemas de mayor implantación dentro de las aplicaciones solares térmicas. Se emplean para el suministro de agua caliente sanitaria en la edificación, para apoyo a la calefacción, para climatización de piscinas o para precalentamiento en usos industriales.

En primer lugar se explican brevemente los mecanismos de transmisión de calor en los que se basa la operación de este tipo de instalaciones: conducción, convección y radiación.

A continuación, se exponen las características generales de los sistemas y las principales configuraciones existentes sobre el terreno.

Se incluye una descripción detallada de los componentes de los sistemas solares térmicos

El elemento básico es el captador solar, en el que se realiza la transferencia energética desde la radiación solar incidente hasta un fluido portador, que se calienta. Se presentarán los principales parámetros operativos así como las diversas tecnologías existentes en la actualidad en el mercado.

Como los momentos de incidencia solar serán en general diferentes a los de uso del calor transferido, se necesita un sistema de acumulación, que aúne una elevada eficiencia, una capacidad de reserva suficiente y un coste razonable.

Tanto por motivos operativos como sanitarios, el fluido que circula por los captadores no es el agua de consumo, sino que se disponen unos intercambiadores de calor que transfieren el calor de un circuito primario o “solar”, al circuito secundario o de consumo.

Finalmente, se necesitan una serie de elementos de control y protección para que la instalación opere de la forma más eficiente y segura posible.

24



MEERR_2_3


II. OBJETIVOS DEL TEMA

Los objetivos básicos del tema son:

Conocer las características fundamentales de las instalaciones

solares térmicas para aplicaciones en baja temperatura.

Identificar las diferentes configuraciones existentes en la actualidad.

Conocer las características básicas de los diferentes elementos que conforman la instalación, sus condiciones operativas y las tecnologías existentes.

III. MECANISMOS DE TRANSMISIÓN DE CALOR

Antes de avanzar en la descripción de los sistemas solares térmicos y de sus componentes, resulta conveniente describir de forma breve los tres mecanismos de transmisión de calor existentes: conducción, convección y radiación.

La conducción es la transmisión de calor propia de los elementos sólidos, en su interior, o entre sólidos en contacto. Se produce por el contacto directo entre las moléculas del material o por el movimiento de los electrones en los metales. El flujo calorífico se dirige desde las zonas de mayor temperatura (más energéticas) a las de menor temperatura.

La velocidad de transmisión de calor, q, por conducción, depende de la diferencia de temperaturas caliente (T2) y fría (T1), de las medidas del sólido (superficie S y grosor x) y de su material de composición, especificado este por el coeficiente de conductividad térmica, :

Sx

TTq

12

Una mayor o menor conductividad térmica permite clasificar a los materiales desde aislantes hasta conductores térmicos, con aplicaciones bien diferentes. En un captador solar térmico se utilizan ambos tipos de materiales para cumplir diferentes funciones.

25


MEERR_2_3



Como simples ejemplos ilustrativos, cabe mencionar los valores del coeficiente de conductividad de diversos materiales de uso común:

Material Conductividad térmica, (W·m-1·K-1)

Fibra de vidrio 0,03-0,07

Ladrillo 0,8

Vidrio 0,6-1,0

Metales 50(Acero)-420(Plata)

Tabla 3.1: Coeficientes de conductividad térmica medios de materiales de

diferentes propiedades térmicas, a temperatura ambiente. Fuente: AJ Chapman

La convección es la transmisión de calor que se produce por movimiento de un fluido debido a las diferencias de densidad causadas por la temperatura (convección libre o natural). Es propia de líquidos y gases. Su caracterización matemática es muy compleja, debiendo aunarse con relaciones de carácter empírico y experimental.

STThq ).( 12

En esta expresión, q es la velocidad de transmisión de calor por

convección, S la superficie del sólido desde la que se transmite el calor al fluido circundante, T2 la temperatura de la superficie del sólido, más caliente y T1 la temperatura uniforme del fluido (a una cierta distancia del sólido).

En esta ecuación, de apariencia sencilla, la dificultad se centra en la estimación del coeficiente de transmisión de calor por conducción, h. Este coeficiente depende de la composición del fluido, de la geometría de la superficie del sólido y del tipo de movimiento del fluido.

El tercero de los mecanismos de transmisión de calor es la radiación. La radiación es la emisión de energía en forma de ondas electromagnéticas, sin que se requiera un medio de transporte como sí ocurre en la conducción y convección. En realidad, cualquier cuerpo caliente emite radiación, en todas direcciones, pudiendo ser de diferentes longitudes de onda. Cuando alcanza otro cuerpo puede ser reflejada, absorbida o transmitida. El Sol es un claro ejemplo de cuerpo emisor de radiación.

26



MEERR_2_3


La velocidad de emisión de energía por radiación q de un sólido de superficie S que se encuentra a una temperatura T es:

STq ... 4

Donde es una constante universal (constante de Boltzmann) y

es una propiedad del objeto emisor, denominada emisividad.

El flujo neto de calor transmitido entre dos cuerpos por radiación es proporcional a la diferencia de temperaturas elevadas a la cuarta potencia.

Estos tres mecanismos de transmisión intervienen en el funcionamiento de la instalación solar térmica en todas sus etapas y componentes. Como adelanto, cabe resaltar que en el propio captador solar tienen una gran influencia los tres mecanismos, en su operación, en el diseño y en la elección de los materiales que lo forman. Resulta más conocido el caso del acumulador, del intercambiador, o de los circuitos hidráulicos.

En realidad, desde un punto de vista global, el sistema solar térmico es un sistema de transmisión e intercambio de calor desde el propio Sol hasta el agua de consumo.

IV. FUNDAMENTOS DE LAS INSTALACIONES SOLARES TÉRMICAS PARA APLICACIONES EN BAJA TEMPERATURA

Las instalaciones solares térmicas para aplicaciones de baja temperatura aprovechan la energía de la radiación solar para complementar determinadas necesidades térmicas.

Las principales aplicaciones de la energía solar térmica en baja temperatura están relacionadas con los usos residenciales y de servicios. Son los siguientes:

Instalaciones solares para Agua Caliente Sanitaria.

Instalaciones solares para Agua Caliente sanitaria y apoyo a la Calefacción.

Climatización de piscinas.

Calefacción solar centralizada (District Heating).

27


MEERR_2_3



Refrigeración solar.

Precalentamiento en usos industriales.

Por ser el tipo de aplicación más extendido, el desarrollo del tema

se va a centrar en las aplicaciones solares térmicas para suministro de Agua Caliente Sanitaria. Es, asimismo, la aplicación recogida como obligatoria en el Código Técnico de la Edificación aprobado en marzo de 2006.

Desde un punto de vista funcional, una instalación solar térmica consta de los siguientes sistemas fundamentales:

Sistema de Captación.

Sistema de Acumulación.

Circuito hidráulico.

Intercambiador.

Sistemas de regulación y control.

Generador auxiliar.

El Sistema de Captación está formado por los propios captadores

solares térmicos, conectados entre sí en serie y/o paralelo, más la estructura soporte que permita su adaptación a la cubierta del edificio.

Como se estudia en detalle en la sección correspondiente, existen sistemas simples donde es la propia agua de consumo la que se calienta al paso por el captador. Sin embargo, tanto por cuestiones sanitarias como por cuestiones operativas, se emplea un fluido de trabajo, portador del calor, que circula en un circuito primario cerrado y que recibe un incremento térmico al paso por el captador.

El calor absorbido por este fluido es transferido al agua de consumo en un intercambiador. En ocasiones este intercambiador está integrado dentro del propio acumulador de agua en forma de serpentín.

Debido a la diferencia temporal entre los momentos de generación térmica por incidencia solar y los momentos de consumo, es necesario incluir un sistema de acumulación. Estos depósitos deben estar bien aislados y cumplir las condiciones sanitarias exigidas. Existen diversas configuraciones posibles.

28



MEERR_2_3


Los elementos principales de la instalación están conectados mediante los circuitos hidráulicos, primario o solar, y secundario o de consumo. Además del conjunto de tuberías deben disponerse otra serie de elementos como las bombas para forzar la circulación tanto del fluido primario como del agua de consumo, válvulas con diferentes funciones, sistemas de purga, vaso de expansión, caudalímetros, etc.

BOMBA

BATERIA DE 1 COLECTOR

16/18

16/18

16/18

16/18

16/18

M T

M T

DEPOSITO ACUMULADOR

SCHÜCO 200 l

Tm ax. 90º C

ST T

Ø1"

16/18

45º

CALDERA GASOIL

1 6/18

16/18

45º

TODO- N ADA M EZCLADORA

F

GRUPO

Grup o Bom b eo

Figura 3.1: Esquema de principio de instalación solar térmica para producción de

ACS en vivienda unifamiliar, con apoyo de caldera. Fuente: Expert Sistemas Solares

La instalación solar térmica es un sistema en el que el factor de entrada principal, esto es, la radiación solar, es variable y aleatoria. El consumo de agua es también variable en la mayor parte de las aplicaciones. Asimismo, las necesidades de temperatura dependen del tipo de aplicación.

Toda instalación, salvo las más sencillas y baratas, disponen de un sistema de regulación y control que permite mantener unas condiciones operativas adecuadas y evita situaciones de riesgo, como un excesivo calentamiento del agua.

En todo caso, debido a las propias características del recurso solar, unido a la variabilidad del consumo, se hace necesario incluir un sistema generador auxiliar que permita garantizar un suministro de agua suficiente y a la temperatura requerida.

29


MEERR_2_3



Para ello se utilizan los sistemas tradicionales de gas natural, gasóleo o eléctricos. La elección de uno u otro sistema auxiliar influye en la propia configuración de sistema solar, como queda reflejado en el Código Técnico de la Edificación.

V. TIPOLOGÍA Y CLASIFICACIÓN DE LAS INSTALACIONES

Existe una amplia variedad de configuraciones en las instalaciones

solares térmicas para suministro de Agua Caliente Sanitaria. Se pueden establecer diferentes criterios de clasificación, atendiendo a las características e integración de los equipos constituyentes. Se resumen en la siguiente tabla, previa a una explicación en mayor profundidad.

Principio de circulación Circulación natural o termosifón

Circulación forzada mediante bombeo

Sistema de intercambio Sistemas directos

Sistemas indirectos en doble circuito

Integración de los componentes

Integrado, con captador y depósito en el mismo componente

Compacto, con captador y depósito montados en una unidad

Partido, con captador y depósito separados

Sistema de energía auxiliar

Instantáneo o en línea

En depósito de acumulación secundario

En depósito de acumulación solar

Grado de distribución en edificios multifamiliares (captación centralizada)

Acumulación centralizada, sistema auxiliar centralizado Acumulación centralizada, sistema auxiliar distribuido Acumulación distribuida, sistema auxiliar distribuido

Tabla 3.2: Clasificación de las instalaciones solares térmicas

30



MEERR_2_3


Existen otras diferencias específicas, como el uso de sistemas de expansión abiertos a la atmósfera o en circuitos cerrados, o la disposición horizontal o vertical de los acumuladores que se tratan en las secciones dedicadas al circuito hidráulico y al sistema de acumulación, respectivamente.

5.1. Clasificación según el principio de circulación

Los sistemas solares térmicos se pueden clasificar según la forma

en la que se produce el movimiento del fluido que circula por los captadores solares. Así, se tienen los sistemas con circulación natural y los sistemas con circulación forzada.

5.1.1. Sistemas con circulación por convección natural o termosifón

En estas instalaciones, el fluido de trabajo circula por convección

natural, debido a la diferencia de densidad entre el fluido caliente y frío.

Cuando el fluido entra en el captador, se va calentando debido a la transferencia del calor desde la denominada placa absorbedora. Al aumentar su temperatura, su densidad disminuye y se produce un efecto ascendente.

A la salida del captador solar el fluido caliente alcanza el acumulador, donde entrega calor y retorna, a menor temperatura, hasta la entrada del captador. Se produce una circulación del fluido que depende del gradiente de temperaturas entre el foco frío y el caliente.

Cuando la diferencia de temperaturas se reduce, el fluido se ralentiza, hasta pararse cuando se igualan.

Si en ese momento se produce un consumo de agua caliente, el depósito se rellena con agua fría de la red. Al disminuir la temperatura respecto a la de los captadores se reinicia el movimiento.

Estas instalaciones con movimiento de fluido natural no requieren del uso de bombas. Tampoco suelen llevar sistemas de control, por lo que pueden instalarse en lugares sin acceso al suministro eléctrico.

Las instalaciones por termosifón son autorregulables, con un caudal circulante proporcional a la diferencia de temperaturas entre el punto más alto del captador solar (punto más caliente del circuito) y el punto inferior de depósito (con el fluido más frío).

31


MEERR_2_3



Al aumentar la radiación solar incidente, el calor absorbido provoca una subida de la temperatura del fluido a su paso por el captador que, a su vez, produce un incremento del caudal circulante. Al haber más caudal, el calor se “reparte” entre más cantidad de agua y la temperatura desciende, con lo cual se produce una disminución de caudal.

Este ajuste del caudal permite mantener un gradiente de temperaturas entre los extremos del captador de unos 10ºC.

Figura 3.2: Instalación solar térmica con convección natural (termosifón).

Fuente: Isofotón

Es un sistema muy simple, de precio reducido, con un montaje y mantenimiento sencillo, que tiene una muy amplia presencia en el mundo. Sin embargo, presenta algunos inconvenientes.

Por una parte, no es posible limitar la temperatura máxima del fluido en el acumulador en épocas de irradiación elevada y escaso consumo. Por otra, el diseño de la instalación debe ser especialmente cuidadoso para evitar el rozamiento del fluido en las conducciones, ya que la fuerza ascensional producida es reducida. Se requieren, por tanto, tubos de ancho suficiente y un mínimo de codos o elementos que dificulten la circulación.

Asimismo, para garantizar el movimiento, el depósito debe situarse por encima de los captadores. Además, es necesario evitar que el fluido circule en sentido contrario por la noche, desde un acumulador

32



MEERR_2_3


más caliente hasta los captadores más fríos, lo que provocaría una pérdida del calor almacenado. Para ello, se dispone el acumulador a un altura suficiente (de 30cm o más) respecto a los captadores, o se incluye una válvula antirretorno en el circuito.

Los sistemas más habituales disponen el acumulador también en el exterior, junto a los captadores y algo por encima de ellos. Esto requiere unas condiciones climáticas benévolas, sin riesgo excesivo de heladas.

Los sistemas por termosifón se utilizan principalmente en

instalaciones pequeñas, con uno o dos captadores y climas cálidos. Si las necesidades de consumo se incrementan, se requiere la conexión de un mayor número de equipos. Con ello, las pérdidas de carga en las conducciones se incrementan y la convección natural no es capaz de asegurar la circulación del fluido.

En estos casos debe instalarse un sistema con circulación forzada.

Figura 3.3: Sistema solar térmico termosifón. Fuente: Módulo Solar

33


MEERR_2_3



5.1.2. Sistemas con circulación forzada

En los sistemas con circulación forzada, el movimiento del fluido se activa mediante la puesta en marcha de una bomba de circulación. Esto permite disponer de un caudal superior al de los sistemas de termosifón.

La regulación del sistema, esto es, el control del encendido y apagado de la bomba, se efectúa a partir de la diferencia de temperaturas entre los puntos de mayor y menor temperatura del circuito.

Como se muestra en la figura 3.4, se instalan sondas de temperatura a la salida de los captadores y en la parte baja del depósito. En función de los valores diferenciales de ambas sondas se actúa sobre la bomba.

El encendido de la bomba se suele realizar cuando la diferencia de temperatura entre la salida del captador y el fondo del depósito supera un valor programable, que puede fijarse en unos 7ºC. La bomba se desconecta cuando dicha diferencia de temperaturas se sitúa sobre los 2-3ºC.

Figura 3.4: Instalación solar térmica con convección forzada. Fuente: Isofotón

34



MEERR_2_3


El sistema de control diseñado para la regulación de la circulación permite, al mismo tiempo, controlar otras variables del sistema, como la temperatura máxima (en la zona alta del depósito), para evitar sobrecalentamientos peligrosos.

La inclusión de bombas de circulación tiene como principal inconveniente el incremento del coste del sistema respecto a los de tipo termosifón. También resulta más compleja y costosa su instalación y las tareas de mantenimiento. Asimismo, requieren de instalación eléctrica para la operación de los sistemas de bombeo y control.

En el caso de situar este sistema de suministro de agua caliente en una vivienda sin acceso a la red eléctrica se puede utilizar un panel fotovoltaico para la generación eléctrica. El uso del recurso energético común, la radiación solar, garantiza la simultaneidad operativa de ambas tecnologías.

Además de garantizar el movimiento del fluido aún con caudales elevados, los sistemas con circulación forzada tienen otras ventajas. Permiten una mayor flexibilidad en la ubicación del depósito, que ya no tendrá que situarse por encima de los captadores y, normalmente al exterior, como en los sencillos sistemas de termosifón.

Así, el depósito puede colocarse en el interior del recinto, en un lugar acondicionado al efecto, lo cual también beneficia la eficiencia del sistema en caso de temperaturas nocturnas frías.

Según el Código Técnico de la Edificación, resulta obligado disponer de un sistema con circulación forzada para una superficie de captación por encima de los 10m2.

En sistemas más pequeños se autorizan los sistemas de termosifón y los de circulación mediante bombeo.

5.2. Clasificación según el sistema de intercambio

Los sistemas solares térmicos para el suministro de agua caliente

sanitaria pueden clasificarse según la forma de transferencia energética entre el circuito primario o de captadores y el circuito secundario o de consumo.

Si existe conexión física entre ambos circuitos, esto es, si la propia agua de consumo es la que circula por los captadores solares, se denomina sistema directo.

35


MEERR_2_3



Por el contrario, en los sistemas indirectos los circuitos primario y secundario son independientes. En ellos la transferencia energética se produce en el llamado intercambiador, y no por mezcla de fluidos.

5.2.1 Sistemas directos

En los sistemas directos al agua de consumo circula por los captadores solares, donde incrementa su temperatura. De estos fluye hasta el depósito de acumulación. De la zona alta del depósito se extrae el agua más caliente hacia el circuito de consumo o bien se recircula, desde la zona baja, de nuevo a los captadores (ver figura 3.5).

Los sistemas solares directos son más sencillos, si bien presentan bastantes inconvenientes.

En primer lugar, deben garantizarse las condiciones sanitarias del agua de consumo. Asimismo, las características del agua de red, con elevado contenido en oxígeno provoca la corrosión en el circuito primario si no se emplean materiales adecuados.

Además, el agua de red puede contener sustancias disueltas y una elevada concentración de cal, que pueden acumularse en forma de depósitos calcáreos en el circuito de captadores, reduciendo la transferencia energética y aumentando la pérdida de carga.

Figura 3.5: Instalación solar térmica en sistema directo. Fuente: Módulo Solar

36



MEERR_2_3


Otro problema adicional es la congelación del agua en las tuberías situadas a la intemperie durante el invierno. Como en los sistemas directos no es posible añadir productos anticongelantes al agua de consumo, debe recurrirse al vaciado del circuito hidráulico de los captadores o a la recirculación de agua caliente, etc.

Por todos estos motivos, resulta conveniente el uso de sistemas con doble circuito independiente, los sistemas indirectos.

5.2.2 Sistemas indirectos

En España, el Código Técnico de la Edificación sólo permite la

instalación de sistemas solares indirectos. Son instalaciones con separación física entre el circuito primario o de captadores, que es un circuito cerrado y el circuito de consumo.

El fluido que circula por los captadores es una mezcla de agua y glicol, para reducir el punto de congelación por debajo de la temperatura ambiente mínima del lugar.

Este fluido de trabajo se calienta en los captadores y de ahí fluye hasta el intercambiador, donde se produce la transferencia de calor al agua de consumo, sin mezcla física entre ambos. A la salida del intercambiador, ya a temperatura inferior, el fluido retorna al captador.

El intercambiador puede estar situado dentro del acumulador, lo que es habitual en sistemas de tamaño pequeño o medio (ver figura 3.6), o constituir un equipo independiente.

El circuito secundario o de consumo toma el calor en el intercambiador y lo almacena en el depósito que tiene que cumplir las exigencias sanitarias correspondientes.

En los sistemas indirectos por circulación natural o termosifón, debe cuidarse que el fluido de trabajo no tenga una viscosidad excesiva, ya que ello aumentaría las pérdidas de carga y dificultaría la circulación.

37


MEERR_2_3



Figura 3.6: Instalación solar térmica en sistema indirecto, con intercambiador integrado en el depósito. Fuente: IDAE

5.3. Clasificación según la distribución de los componentes

Los sistemas integrados tienen un captador que al tiempo hace función de acumulador. Son equipos con escasa presencia en el mercado, si bien el crecimiento del sector puede conducir a nuevos desarrollos tecnológicos futuros.

En sistemas pequeños, incluidos los de circulación por termosifón, la configuración más extendida es la compacta. En los sistemas compactos el captador y el depósito están montados en una misma unidad, aunque existe separación física entre ambos. Si el sistema es indirecto, el intercambiador suele estar integrado dentro del depósito, habitualmente de doble envolvente.

Mientras, en instalaciones de mayor tamaño, los sistemas partidos son los más comunes. En ellos, los captadores se encuentran ubicados en la cubierta del edificio, mientras que el depósito y el intercambiador se encuentran alejados, normalmente en el interior. Los circuitos hidráulicos, tanto primario como secundario son más largos, por lo que es casi obligado el uso de circulación forzada.

Otra de las ventajas de de los sistemas partidos, con el depósito en el interior del edificio, es la mejora de la integración arquitectónica, con equipos bien adaptados a la cubierta, tanto desde un punto de vista estético como funcional.

38



MEERR_2_3


5.4. Clasificación según la ubicación del sistema de generación auxiliar

El aporte de energía auxiliar que debe complementar el déficit térmico del sistema solar puede realizarse de diferentes formas, destacando tres de ellas: en línea, en acumulador secundario o en acumulador solar.

5.4.1. Sistema auxiliar en línea o instantáneo (modulante)

En este tipo de sistemas, el generador auxiliar únicamente calienta el agua demandada, desde la temperatura de salida del acumulador hasta la temperatura de consumo requerida.

Se necesitan calentadores de elevada potencia y rápidos, ya que tienen que calentar el total de la demanda, siendo los de gas los más utilizados.

El funcionamiento óptimo se obtiene con las calderas llamadas modulantes, que regulan el consumo de gas en función de la temperatura alcanzada en el acumulador solar y de la temperatura de utilización.

En este caso, la operación de la instalación se puede seguir en la figura 3.7. Habitualmente la válvula V1 de entrada de agua de red al acumulador solar está abierta y la V2 cerrada. Únicamente por mantenimiento del sistema solar se recurriría al uso directo de la caldera convencional (cierre de V1 y apertura de V2).

En el acumulador el agua se calienta gracias al calor proveniente de los captadores a través del circuito primario.

Cuando se requiere agua caliente, si la temperatura a la salida del acumulador es suficiente, el calentador auxiliar no actúa, manteniéndose abierta la válvula V4 y cerradas las V3 y V5.

Por el contrario, si es necesario proporcionar un último salto térmico al agua antes de su uso, se cierra la válvula V4 y se abren V3 y V5, circulando el agua a través del calentador, regulado en función de las necesidades.

39


MEERR_2_3



Figura 3.7: Sistema de energía auxiliar en línea. Fuente: Isofotón

Si la caldera auxiliar no es modulante, esto es, si no permite la

regulación por temperatura, sino por caudal, entonces el aprovechamiento del calentamiento solar es menor y la regulación de la temperatura final menos eficiente.

Afortunadamente, el crecimiento reciente del mercado solar térmico ha supuesto el desarrollo de nuevos equipos con características de regulación por temperatura de salida, óptimas para el uso en estos sistemas.

5.4.2. Sistema auxiliar en acumulador secundario

Otra configuración posible, para sistemas de tamaño medio, consiste en la inclusión de dos acumuladores. El primero de ellos es el acumulador solar (con intercambiador interno o externo en función de su tamaño). En serie con el acumulador solar se dispone otro acumulador, conectado a un sistema de generación auxiliar convencional.

Este sistema permite un buen ajuste de la temperatura del agua de consumo, así como disponer de todo el volumen de agua almacenada.

V2 ACUMULADOR

SOLAR

AGUA FRÍA V1

V5 V3

V4

AGUA CALIENTE DE CONSUMO

40



MEERR_2_3


Por el contrario, se incrementa el coste del sistema y la ocupación de espacio. Asimismo, el calor del acumulador solar sólo se transfiere cuando hay consumo de agua caliente, por lo que no permite cubrir con el calor solar las pérdidas térmicas en el acumulador convencional y en las tuberías, aún en condiciones de elevada insolación.

La operación del sistema solar no es óptima por esta reducción del rendimiento.

5.4.3. Sistema auxiliar en acumulador solar

Una configuración relativamente común hasta ahora en instalaciones pequeñas, de hasta 10m2, para el suministro de agua caliente a una o dos viviendas es el uso de un único acumulador solar denominado bivalente. En la parte baja del acumulador se realiza el intercambio entre el circuito primario y secundario. Al tiempo, en la

parte alta se almacena el agua puesta a disposición para el consumo, con una temperatura ajustable a los requisitos de utilización, mediante una caldera convencional acoplada a él.

El aporte de energía desde la caldera convencional se realiza en la parte alta del acumulador y con una limitación de temperatura (45-50ºC) para evitar calentar

en exceso el agua de la zona inferior, que es la que circula por los captadores. Un calentamiento del agua de esta zona baja supone desaprovechar el potencial del sistema solar frente a un mayor gasto en combustible.

Asimismo es posible controlar el horario de encendido y apagado del generador auxiliar, de forma que quede apagado después del pico de consumo que se produce a primera hora de la mañana, de forma que el aprovechamiento de la instalación solar sea mayor.

Sin embargo, a pesar de su importante presencia en el mercado, el nuevo Código Técnico de la Edificación prohíbe la conexión del sistema de generación auxiliar a un acumulador solar, para evitar la reducción del aprovechamiento solar. Sí es una opción muy extendida

Figura 3.8: Esquema de sistema auxiliar integrado en

acumulador solar, con intercambiados primario interno (acumulador bivalente). Fuente: Elaboración propia y Lumelco

41


MEERR_2_3



en países como Alemania, sin embargo justificada por las peores condiciones climáticas allí presentes.

5.5. Clasificación según el grado de descentralización en edificios residenciales multifamiliares

Al igual que ocurre con los sistemas de calefacción convencionales, las instalaciones solares térmicas en edificios multivivienda presentan diferentes configuraciones posibles atendiendo al grado de descentralización.

El sistema de captación suele estar centralizado, común para todas las viviendas. De esta forma se reduce el número de conducciones necesarias, se aprovecha mejor el espacio en cubierta que normalmente no es excesivo y se optimiza la operación del propio sistema de captación. Desde un punto de vista económico también resulta más beneficioso disponer un sistema de captación común para todo el edificio.

Sin embargo, tanto en los sistemas de acumulación e intercambio como en el de generación auxiliar se encuentran diferentes opciones, que a continuación se resumen. No dependen exclusivamente de criterios propios de la instalación solar, sino que deben tener en cuenta los sistemas de apoyo existentes ya en el edificio, o los más habituales en el mercado en el caso de obra nueva.

Asimismo, en el diseño de toda instalación de este tipo debe contarse siempre con las dimensiones y la distribución del edificio.

5.5.1. Acumulación centralizada y sistema auxiliar centralizado

En esta configuración, el agua destinada al consumo se calienta en

uno o varios acumuladores centrales. La transferencia de calor desde el circuito de captadores se realiza mediante intercambiadores internos o externos a los depósitos.

El generador de apoyo también está centralizado, con varias configuraciones posibles: generador auxiliar actuando sobre el mismo acumulador solar (no permitido por el CTE); generador auxiliar actuando sobre un acumulador central secundario o generador auxiliar en línea (figura 3.9) o en paralelo. En la práctica se recomienda el uso de sistemas de generación auxiliar centralizada cuando en el edificio ya existe o está proyectada una caldera central convencional y el espacio suficiente para su ubicación.

42



MEERR_2_3


La principal ventaja de estos sistemas reside en una mayor eficiencia de acumulación. Un sistema de acumulación centralizado presenta menores pérdidas que muchos pequeños depósitos. Al tiempo, los costes de inversión son inferiores y no se necesita disponer de un espacio en cada vivienda para situar el depósito, lo cual es importante conociendo el tamaño medio de la vivienda en España.

.

Figura 3.9: Esquema acumulación centralizada, aporte auxiliar centralizado. Fuente: IDAE

En cuanto al aporte auxiliar centralizado, tal y como se explicó para sistemas individuales, este no debe afectar al rendimiento del sistema solar. Resulta aconsejable disponer de un acumulador secundario, independiente del acumulador solar, para evitar que la aportación con combustible convencional afecte a la temperatura de la zona baja del depósito, lo que reduciría la eficiencia del sistema de captadores.

Por este motivo, además de no estar permitido por CTE, no resulta recomendable la instalación de un acumulador bivalente (acumulación solar más aportación auxiliar en un mismo depósito) en este tipo de configuraciones porque falsearía a la baja el rendimiento de la captación solar.

El principal inconveniente de un sistema auxiliar centralizado actuando sobre el acumulador es que no responde directamente a la demanda. Esto es, su encendido y apagado está regulado por temperatura, pero opera sobre un volumen elevado que puede ser demandado en un instante u otro. Si la demanda se retarda, se

43


MEERR_2_3



incrementan las pérdidas de calor y parte del gasto de combustible hubiera sido en vano.

Esto se soluciona con un generador auxiliar central en línea, que caliente el agua demandada en cualquier punto de la instalación.

En todos los casos, cabe destacar que el sistema de distribución debe transportar el agua a su temperatura final de uso. Se requiere, entonces, un muy buen aislamiento, ya que el consumo de combustible ya se ha realizado.

Si no es así, debe aportarse un sobrecalentamiento al acumulador, lo cual como es lógico resulta negativo desde el punto de vista de la eficiencia energética.

5.5.2. Acumulación centralizada y sistema auxiliar distribuido

Este tipo de configuración es la más habitual en las instalaciones

solares térmicas en edificios multivivienda.

El sistema de captación común transfiere su calor al acumulador solar central a través del intercambiador interno, en sistemas de tamaño pequeño o medio, o externo en los de tamaño superior.

Figura 3.10: Esquema acumulación centralizada, aporte auxiliar distribuido. Fuente: Termicol

Al acumulador solar se conecta un circuito de distribución principal con recirculación, para mantener una temperatura adecuada. Desde

44



MEERR_2_3


este circuito de consumo principal, común para todo el edificio o parte de él, se derivan las conducciones a cada vivienda individual. Si el volumen de acumulación es muy elevado, se instalarán dos depósitos en serie con recirculación entre ellos para mejorar el rendimiento de intercambio térmico a la vez que se favorece la estratificación. En cada conducción individual, y ya dentro de la vivienda particular, se dispone en serie un caldera auxiliar, normalmente de gas o eléctrica.

Las calderas individuales se disponen en línea, de forma que únicamente deben calentar, de forma instantánea, el consumo demandado desde la temperatura de salida del acumulador hasta la temperatura final de consumo. En el sistema de distribución se podrán producir algunas pérdidas en función del tipo de aislamiento y de la distancia de la vivienda al acumulador.

Las principales ventajas de esta configuración residen, por una parte, en la liberación de espacio en la vivienda para a la acumulación, además de una mayor eficiencia.

Asimismo, el disponer de calderas auxiliares individuales implica una mejor adaptación del consumo de combustible convencional a la demanda. Al mismo tiempo, las pérdidas energéticas globales se reducen, ya que en este caso el agua circula por los circuitos de distribución antes de ser calentada por última vez, en caso de ser necesario.

Las calderas auxiliares, sin embargo, deben ser modulantes, esto es con regulación automática en función de la temperatura, para lograr el máximo aprovechamiento de la generación solar.

Un sistema de acumulación solar común implica que este calor gratuito se “comparte” ente todos los vecinos, y los excesos de consumo de unos revierten en el gasto de combustible de otros, ya que la temperatura del agua en el acumulador se reduce con la demanda en cualquier punto del edificio.

Para controlar cuánto calor solar utiliza cada vivienda y poder compensar esas divergencias, deben incluirse contadores individuales de agua caliente solar en cada vivienda, además del contador habitual de gas en el caso de calderas que utilicen este combustible.

5.5.3. Acumulación distribuida y sistema auxiliar distribuido

A partir de un sistema de captación común, también se pueden disponer acumuladores y generadores auxiliares distribuidos, uno por vivienda.

45


MEERR_2_3



Esta solución se materializa cuando no existe espacio disponible para un acumulador central o cuando por su ubicación, no se dan las condiciones constructivas para soportar el peso de aquel.

Como elemento a favor también está la valoración que los propios usuarios puedan hacer de disponer del acumulador y caldera en su propia vivienda, en la que ya no será necesario incluir un contador individual de caudal de agua caliente solar.

Sin embargo, este tipo de configuraciones presentan varios inconvenientes. Por una parte las enormes pérdidas de carga que se producirían y por otra parte el diseño del sistema de distribución presenta una mayor complejidad.

En una primera opción (figura 3.11), el circuito de captadores se prolonga y distribuye a los diferentes acumuladores individuales, que disponen de un intercambiador en su interior. A cada uno de estos depósitos se transfiere diferente cantidad de calor en función de la temperatura del agua sanitaria, es decir, de la demanda de agua.

Así, pues, el control de la instalación se presenta bastante más

complejo en este caso que en sistemas con acumulación centralizada. Al ser el circuito solar primario común, con derivaciones, el control de temperaturas a realizar para controlar la circulación del fluido por los captadores es complejo. Se puede comprender la dificultad de operar

Figura 3.11: Esquema acumulación distribuida, aporte auxiliar distribuido. Fuente: Termicol

46



MEERR_2_3


una instalación donde las temperaturas de salida de los acumuladores (foco frío) difiere en cada vivienda.

Junto a esto, cabe destacar que la eficiencia de los pequeños acumuladores solares individuales será inferior al de uno central.

Otra opción, también con acumulación distribuida, es disponer un intercambiador central (figura 3.12), de forma que el circuito primario sea más reducido. Existe un circuito secundario intermedio, ya con agua, aunque no de consumo, entre este intercambiador y los acumuladores de cada vivienda, donde se cede al calor a las líneas de consumo.

Figura 3.12: Esquema intercambiador central, con acumulación distribuida y aporte auxiliar distribuido. Fuente: Termicol

El problema de estos sistemas es que si no hay demanda en el circuito de consumo y todos los depósitos han alcanzado la temperatura de consigna, no se produce intercambio lo que puede llevar a graves problemas de sobrecalentamiento y que los colectores alcancen la temperatura de estancamiento, situación fatal para éstos. La solución sería instalar un disipador de calor en el circuito primario acarreando un gasto energético importante que únicamente es justificable por la imposibilidad de disponer de un depósito de acumulación de inercia por problemas de espacio. Se podría recurrir a otras soluciones como infradimensionar la superficie de captación pero iría en contra del espíritu de la energía solar térmica.

47


MEERR_2_3



5.5.4. Acumulación solar mixta (central + distribuida) con sistema auxiliar descentralizado

Una solución intermedia entre las dos anteriores se configura con un acumulador solar central, del que parte una línea de distribución a las viviendas. En cada una de ellas se dispone un acumulador secundario para suministrar el agua demandada con un determinado nivel de reserva. De este acumulador parte la línea de consumo sobre la que actúa el aporte auxiliar, en caso de ser necesario, hasta alcanzar la temperatura de utilización.

Figura 3.13: Esquema acumulación solar mixta. Fuente: Termicol

Se puede observar que el circuito secundario es cerrado por lo que el depósito no necesitará tratamiento antilegionella al no existir la posibilidad de presencia de oxígeno.

VI. CAPTADOR SOLAR TÉRMICO

El captador solar es el componente fundamental de toda instalación. Es el elemento donde se produce la aportación de energía externa que permite la operación del sistema.

48



MEERR_2_3


Al incidir la radiación solar sobre la superficie del captador, este se calienta. El calor absorbido se trasfiere a un fluido portador que circula por su interior. Este fluido sale del captador en el llamado circuito primario, para ceder posteriormente el calor al agua de consumo o calefacción, en función de la demanda requerida.

Como se explica a continuación, un buen captador debe optimizar la obtención de calor por incidencia de radiación solar. Al mismo tiempo, debe ser lo más eficaz posible en la transferencia de calor al fluido.

Además de la optimización energética, el captador debe garantizar una operación prolongada, sin degradación excesiva. Debe tenerse en cuenta que trabaja a la intemperie, en condiciones de temperatura muy variable, entre el exterior y su interior, y todos los días del año.

Asimismo, debe cuidarse la integración de los captadores solares en los edificios, tanto desde un punto de vista constructivo como estético. Si bien en los inicios no existía prácticamente integración entre equipos y cubierta del edificio, cada vez es mayor el número de desarrollos que incorporan la instalación térmica en el proyecto arquitectónico. Los propios diseños de captadores también se están adaptando a las nuevas necesidades.

Es de esperar que la implantación del Código Técnico de la Edificación incida positivamente en la mejora del nivel de integración arquitectónica de la tecnología solar térmica en la edificación.

Existen varias tecnologías de captadores solares en el mercado. La más extendida en España es, sin duda, la de captadores solares planos, que se adapta mejor a las condiciones climáticas de nuestro país y a las aplicaciones más habituales de suministro de ACS, a precios razonables.

El denominado captador de tubos de vacío se vende a un coste superior, con equipos de menor tamaño que si bien permiten obtener temperaturas superiores, no son por el momento los más adecuados para el mercado español.

El tercer tipo son los captadores abiertos plásticos, normalmente polipropileno, sin cubierta transparente. Sus condiciones operativas son peores que los anteriores, especialmente por sus elevadas pérdidas de calor, sin embargo, su bajo coste hace que tengan un mercado en la climatización de piscinas al aire libre, donde no está permitido el uso de fuentes no renovables y donde tampoco se justifica un gasto excesivo en la instalación.

49


MEERR_2_3



Figura 3.12: Captador solar plano (izq.), captador de tubos de vacío (centro) y de

polipropileno (dcha.). Fuente: Junkers, Viessmann y Saclima

En la actualidad la presencia de captadores solares planos es

mayoritaria, sobre un 90% del mercado, en m2 instalados. Por este motivo, se realiza primero una descripción de la constitución interna del captador solar plano para después destacar las diferencias existentes en el captador de tubos de vacío y en el captador plástico.

6.1. Constitución y funcionamiento del captador solar plano

Un captador solar plano estándar dispone de los siguientes componentes básicos:

Cubierta transparente.

Absorbedor.

Aislamiento térmico y juntas.

Bastidor, caja contenedora o carcasa.

Figura 3.13: Esquema de constitución básica de captador solar plano. Fuente: elaboración propia.

Cubierta transparente

Absorbedor

Aislamiento Bastidor

Conductos

50



MEERR_2_3


Antes de entrar en la descripción detallada de las características y operación de cada uno de los elementos que componen un captador solar, se describe de forma breve sus mecanismos de funcionamiento básicos.

Como se ha mencionado, en un captador solar térmico se producen los tres tipos de transmisión de calor descritos en el apartado 3: convección, conducción y radiación.

La radiación emitida por el Sol alcanza el captador. En el llamado absorbedor, se convierte en calor y se transmite por conducción hasta los tubos por los que circula el fluido de trabajo. Desde la superficie interna de los tubos se transfiere por convección al fluido, que finalmente extrae el calor por convección (natural o forzada). Asimismo, el propio absorbedor, caliente, emite por radiación una cierta cantidad de energía de pérdidas, que se suman al desplazamiento por convección del aire circundante.

Estas pérdidas se reducen en parte por la presencia de la cubierta transparente, que impide la salida de gran parte de esta radiación.

Puede decirse que el diseño de los captadores se ha desarrollado con los años tratando siempre de optimizar estos procesos dentro de un nivel de costes asumible.

6.1.1. Absorbedor

El absorbedor es el elemento donde se produce la conversión de la energía de la radiación solar en calor. Este calor se transfiere al fluido portador, que circula por los conductos que forman parte del propio absorbedor.

Un absorbedor está formado por láminas o chapas sobre las que incide la radiación y que transmiten el calor a los tubos. Los tubos que reciben el calor y lo transmiten al fluido son finos, con diámetros inferiores al centímetro. En función de la configuración, estos tubos vierten a los tubos de distribución de mayor grosor, sobre los 20mm, y número reducido, que comunican con la salida del captador.

Si bien en modelos antiguos se ha utilizado el acero como material de fabricación, se han detectado importantes problemas de corrosión. Asimismo, su conductividad térmica no es muy elevada, por lo que su presencia actual es escasa.

El uso de acero inoxidable sí ha tenido una mayor aplicación, principalmente en la formación de los tubos conductores. Si el fluido

51


MEERR_2_3



portador es agresivo, como puede ser el agua de las piscinas, este tipo de material es recomendable.

Sin embargo, no es habitual utilizar acero inoxidable para conformar las láminas de absorbedor. Para reducir el peso del equipo y para mejorar la transmisión de calor, en la actualidad es más común la fabricación de las láminas en aluminio o cobre, con tubos también en cobre.

Los valores de conductividad térmica de estos tres materiales se reflejan en la tabla 3.3:

Material Conductividad térmica

(W·m-1·K-1) Cobre 372-385

Aluminio 210 Acero 47-58

Tabla 3.3: Coeficientes de conductividad térmica de los materiales más utilizados

en el absorbedor de los captadores planos. Fuente: AJ Chapman.

Además del material, el propio diseño del absorbedor define su eficiencia en la transferencia energética al fluido. En la actualidad las configuraciones más habituales son las siguientes:

Dos chapas conformadas para permitir el paso del fluido y

soldadas entre sí (figura 3.13).

Parrilla de tubos unidos a una chapa continua o a un conjunto de aletas.

Chapa unida a un serpentín.

Las láminas son de poco grosor (0,3-0,5mm, aprox., según

Preuser), para reducir la inercia térmica, esto es, los tiempos de calentamiento y cesión de calor.

El calor del absorbedor debe transferirse de la forma más eficiente (y rápida) posible al fluido portador. Para ello, la distancia entre tubos no debe ser excesivamente grande. Una separación grande ralentiza la respuesta del equipo bajo insolación e incrementa las pérdidas. Valores típicos se encuentran entre 80-120mm (Fuente: catálogos comerciales).

Los tubos deben estar repartidos de forma uniforme por toda la superficie del captador, para evitar zonas sin aprovechamiento.

52



MEERR_2_3


Deben ser tubos finos, de poco caudal, lo que permite un calentamiento mucho más rápido que si el volumen a calentar fuera mayor.

Al mismo tiempo deben estar diseñados para introducir la menor pérdida de carga posible en el circuito primario, ya que pérdidas elevadas implican un mayor coste del sistema de bombeo.

Pero el absorbedor no sólo está formado por las láminas y los tubos conductores. El material metálico de las láminas del absorbedor, por sí solo, reflejaría una cantidad importante de radiación, con la consiguiente reducción de eficiencia.

Para aumentar el aprovechamiento energético, todos los equipos llevan en su cara expuesta al Sol un recubrimiento que incremente la absorción de energía.

Una posible opción consiste en pintar de negro toda la superficie del absorbedor. Son pinturas especiales que resisten bien las condiciones externas a las que se ven sometidos los captadores.

Las pinturas, además de su bajo coste, ofrecen un índice de absorción o absortancia elevada ( ≈ 0,9), sin embargo, también tienen un índice de emisión, emisividad, o emitancia elevada (≈ 0,9).

Una alternativa más costosa es la aplicación de los llamados tratamientos superficiales selectivos, que si bien reducen un poco la absorción de energía (sobre 0,9 de absortancia) reducen de forma significativa la emisión infrarroja (0,05-0,15 de emitancia).

Figura 3.14: Esquema de absorción-emisión de absorbedores con recubrimiento.

Fuente: elaboración propia.

En la actualidad se encuentran en el mercado equipos con tratamiento superficiales tanto selectivos como con pintura negra.

Ante niveles de radiación medios y bajos es cuando más beneficio se obtiene de los captadores selectivos frente a los comunes.

Pintura negra

Absorbedor

Absorción 0,9

Emisión 0,85-0,95

Capa selectiva

Absorbedor

Absorción 0,95

Emisión 0,05-0,15

53


MEERR_2_3



Muchos fabricantes desarrollan tratamientos selectivos para sus equipos, incluidos como un valor añadido en las hojas técnicas del mercado.z

En la siguiente tabla se presentan los principales valores de algunos de estos tratamientos, incluida la pintura negra.

Producto Absortancia Emitancia Recubrimiento Absorbedor

Sunstrip 0,95±0,02 0,15±0,02 Niquel sobre

Aluminio oxidado Aluminio

Sunstrip new 0,95 0,1 Níquel Aluminio

Cromo negro 0,95±0,02 0,12±0,02 Cromo negro sobre níquel

Cobre

Tinox 0,95 0,05 TiNOX Cobre Absorbedor Solar

0,94±0,02 0,18±0,04 Cromo negro sobre níquel

Acero inoxidable

Sun Select 0,94 0,05 Mezcla de materiales

Cobre

Black Cristal ≥0,95 ≤0,1 Níquel Cobre

Maxorb 0,97±0,02 0,11±0,01 Níquel negro Aluminio

Diversos 0,9±0,02 0,9±0,05 Pintura negra

especial Aluminio/Cobre

Tabla 3.4: Valores característicos de recubrimientos de absorbedores del mercado

actual. Fuente: FA Peuser y catálogos comerciales

6.1.2. Cubierta transparente

La cubierta transparente de un captador solar cumple varias funciones importantes:

Proteger al absorbedor y al aislante térmico de los agentes

externos.

Contribuir al aislamiento térmico del equipo.

Permitir el paso de la radiación solar incidente, de onda corta, y, a su vez, impedir la salida de la radiación de longitudes de onda largas emitidas por el absorbedor.

Para poder cumplir con estas funciones en el tiempo, la cubierta

debe tener una vida útil prolongada, sin pérdida de sus condiciones

54



MEERR_2_3


ópticas y con una buena resistencia ante los agentes externos (lluvia, granizo, viento, radiación ultravioleta, etc.)

Para comprender la función esencial de la cubierta transparente en un captador solar térmico resulta necesario describir la distribución espectral de la radiación solar y el comportamiento del absorbedor ante su incremento de temperatura.

Se observa en la figura 3.15 que la radiación solar incidente presenta un espectro de longitudes de onda amplio, desde el ultravioleta, el visible, hasta el infrarrojo cercano (0,5-3m), donde se concentra la mayor cantidad de energía recibida. En el infrarrojo lejano (por encima de los 3m) es casi nula la aportación energética de la radiación incidente.

Por el contrario, la radiación emitida por el absorbedor negro una vez calentado entre 40-100ºC, es básicamente radiación infrarroja entre los 4-70m. Esta diferencia resulta aprovechable con un diseño adecuado de la cubierta transparente, que sea muy transparente a longitudes de onda bajas y casi opaca a longitudes de onda elevadas.

La capacidad de transmisión de la radiación de un material se denomina transmitancia, , siendo 1 para un objeto completamente transparente y 0 para uno opaco.

Figura 3.15: Espectro de radiación solar incidente sobre la tierra, porcentaje de irradiancia por debajo de cada longitud de onda y transmitancia de la cubierta

transparente. Fuente: Instituto de Energía Solar

Espectro solar

Transmitancia cubierta

% energía

55


MEERR_2_3



En la figura 3.15 también se muestra la curva de transmitancia de una cubierta para cumplir las condiciones expuestas, de transparencia alta ante la radiación entrante (0,5-2,5m) y opacidad ante la radiación infrarroja de onda larga emitida.

Así pues, la superficie interna de la cubierta refleja la mayor cantidad de radiación posible que llega desde el absorbedor, produciéndose un efecto rebote. Este fenómeno que se produce dentro del captador solar no es más que el efecto invernadero, que en este caso produce un aumento de la eficiencia del equipo.

Figura 3.16: Efecto invernadero en un captador solar con cubierta transparente. Fuente: elaboración propia.

En los primeros captadores térmicos con cubierta se utilizaban plásticos, vidrios de ventana, en ocasiones en doble capa y metacrilato. La doble cubierta pretendía reducir las pérdidas térmicas del equipo si bien también disminuía la transmitancia, es decir, la entrada de radiación solar.

En la actualidad se emplean vidrios templados o recocidos, con un espesor entre 3-6mm y tratamiento superficiales que permitan cumplir la doble función, reducir la reflexión en la cara exterior ante radiación solar y aumentarla en el interior ante la radiación infrarroja de onda larga.

6.1.3. Aislante térmico y juntas

Para reducir las pérdidas térmicas por conducción en el captador

solar se dispone un aislante térmico en la parte posterior y laterales del equipo. Lógicamente, se emplean materiales de baja conductividad térmica que, además, deben tener un buen comportamiento ante temperaturas elevadas (hasta 100ºC). También

Radiación solar incidente

Cubierta transparente

Absorbedor

Emisión infrarroja

56



MEERR_2_3


deben tener un peso específico reducido ya que los captadores irán normalmente situados sobre cubierta en las edificaciones. Asimismo, deben ser resistentes a la humedad y al fuego, sin emisión de gases tóxicos.

Los materiales más utilizados son lana de vidrio, fibra de vidrio y lana mineral, además de resinas de melanina para el aislante lateral. También se utilizan espumas de poliuretano, si bien por su baja resistencia térmica, se recomienda disponer una capa de otro aislante entre la espuma y el absorbedor, para evitar su deterioro.

Tan importantes como el aislamiento son las juntas que se sitúan en las uniones del bastidor, en la cubierta transparente y en las conexiones de las tuberías. Además de evitar la fuga de calor, deben impedir la entrada de agua durante la vida útil del equipo.

Estas juntas están sometidas a temperaturas elevadas, sobre todo las situadas en las tuberías de salida del captador. En estancamiento se pueden alcanzar hasta 180ºC. Asimismo, debido a la dilatación térmica, las juntas soportan cargas mecánicas importantes.

Entre los materiales empleados en su fabricación destaca el etilen-propilen-dien-monómero (EPDM), que se encuentra en un gran número de equipos del mercado actual.

6.1.4. Bastidor

En los captadores planos, el absorbedor y el aislante están envueltos por una caja contenedora, carcasa o bastidor. Proporciona protección frente a la humedad y los daños mecánicos.

El material más utilizado en la actualidad para la fabricación de los bastidores es el aluminio o aleaciones de Aluminio, por sus buenas condiciones ante la corrosión y por su ligereza. También se usa fibra de vidrio con chapa de acero inoxidable.

En aplicaciones de integración completa en cubiertas de edificios el bastidor puede formarse con otros materiales y formas siempre que cumpla su función.

6.2. Constitución básica del captador de tubos de vacío

Junto a los captadores planos, la otra gran tecnología presente en el mercado solar térmico actual la constituyen los captadores de tubos de vacío, si bien con una cuota de mercado bastante inferior, como se indicó anteriormente.

57


MEERR_2_3



El objetivo de diseño de estos equipos, de introducción en el mercado mucho más reciente, es la reducción de las pérdidas térmicas por conducción y convección entre el absorbedor y la cubierta de vidrio.

Para ello, se realiza el vacío en el espacio entre ambos tubos, siendo las pérdidas térmicas dependientes del grado de vacío aplicado.

Existen diseños que introducen gas de xenón para obtener pérdidas reducidas con un grado de vacío inferior. De esta forma se reducen los costes de fabricación, que es por el momento la principal desventaja de esta tecnología frente al captador plano.

Figura 3.17: Tubo de vacío de captador solar, con doble tubo de vidrio (tipo Sydney). Fuente: Schott

Los captadores de tubos de vacío alcanzan temperaturas bastante

superiores a los captadores planos; tienen un mejor rendimiento, siempre que ese mayor gradiente térmico sea aprovechable. En estos casos se reduce de forma apreciable la superficie/número de captadores para la misma demanda energética.

Así, encajan bien en aplicaciones que requieren condiciones térmicas elevadas, como determinados usos industriales, climatización solar, etc. Son preferibles también para las aplicaciones más comunes de suministro de ACS en lugares con temperatura ambiente fría. Se puede deducir, por tanto, que también lo son para aplicaciones de apoyo a la calefacción, necesaria cuando la temperatura ambiente es baja.

Sin embargo, las elevadas temperaturas condicionan el propio diseño de los equipos, con materiales adecuados para soportarlas sin degradación. También los aislantes y juntas del circuito hidráulico

58



MEERR_2_3


primario a la salida del captador deben ser aptas para resistir temperaturas de hasta 160ºC.

El propio fluido de trabajo debe estar aprobado explícitamente para poder ser utilizado en este tipo de captadores.

Existen diversos tipos de captadores solares de tubo de vacío. Se resumen a continuación destacando únicamente los elementos que los diferencian.

6.2.1. Tubos de vacío de flujo directo

En estos captadores, el absorbedor se dispone en forma de aletas planas dentro del propio tubo de vacío, con el tubo de circulación del fluido asociado a él.

Para optimizar la recepción de radiación solar el absorbente se puede girar un cierto ángulo (±25º, por ejemplo), siguiendo al Sol. Son captadores que se pueden colocar en horizontal, lo que los hace aprovechables para su integración arquitectónica en cubiertas horizontales.

6.2.2. Tipo heatpipe (tubo de calor)

En estos captadores, el absorbedor está unido a un tubo de calor que contiene una pequeña cantidad de agua u otro fluido. Este fluido se evapora en un vacío parcial al recibir el calor captado por el absorbedor. El vapor asciende hasta un condensador situado en el extremo del equipo, donde cede su calor al fluido del circuito primario. A continuación, el fluido del captador retorna al interior del tubo, de nuevo en forma líquida.

La ascensión del vapor hasta el condensador requiere una inclinación mínima, entre 20-30º.

6.2.3. Captadores tipo Sydney

El diseño de captadores de tipo Sydney presenta un doble tubo de

vidrio. Entre ambos cilindros de vidrio se realiza el vacío (ver figura 3.18), para reducir las pérdidas, como en diseños anteriores.

En este caso, el absorbedor es también cilíndrico, encontrándose pegado a la cara interna del tubo interior del captador. Aún más al interior circula el fluido de trabajo en un doble circuito de ida y vuelta.

59


MEERR_2_3



Para que la superficie trasera (inferior) del absorbedor cilíndrico reciba radiación, deben disponerse unos reflectores en la parte trasera del absorbedor que permita aprovechar toda su superficie.

Cabe destacar dos tipos de reflectores que conducen a dos modelos de captadores de tubos de vacío diferentes.

Por una parte, los captadores CPC disponen de unos reflectores cilíndrico-parabólicos compuestos acoplados a los tubos de vacío, por el exterior. El principal problema puede venir de la acumulación de suciedad, de la oxidación y pérdida de cualidades reflectoras.

Por otra parte, existe un diseño comercial, que incluye un reflector semicircular en el interior del tubo de vacío, lo que conlleva un equipo más compacto y asegura una menor degradación y suciedad del reflector.

Figura 3.18: Esquema de sección de un tubo de vacío Sydney con reflectores semicirculares. Fuente: Schott y elaboración propia.

Como se muestra en la figura 3.18, tanto la doble cubierta

transparente como el absorbedor son cilíndricos. Carecen del aislante descrito en los captadores planos. Por dentro del absorbedor cilíndrico se disponen las conducciones del fluido de trabajo, en doble recorrido de ida, por el interior, y vuelta, por el exterior, para obtener un rendimiento óptimo.

La radiación que no ha incidido directamente se refleja en el reflector y alcanza la parte posterior del absorbedor.

Vidrio exterior

Absorbedor

Fluido menor temperatura (ida) Fluido mayor

temperatura (retorno)

Reflectores

Vidrio interior

60



MEERR_2_3


6.3. Parámetros característicos y especificaciones técnicas del captador

El objetivo de todo captador solar es convertir la radiación solar incidente en calor y transferir este calor al fluido, todo ello con el mayor rendimiento posible en condiciones seguras.

Una vez estudiada la constitución interna de los captadores se exponen a continuación los principales parámetros característicos, en relación con la información técnica que suministran los fabricantes.

Esta información permite comparar la calidad de diferentes equipos, sus condiciones para una determinada aplicación y los valores que serán de utilidad en el diseño de un sistema.

Como paso previo, se analiza el balance de energía en un captador solar.

6.3.1. Balance de energía en el captador solar térmico

Al incidir la radiación solar sobre un objeto, se produce un incremento de la temperatura de este, hasta que se alcanza un equilibrio entre la energía incidente y las pérdidas por conducción, convección y radiación, asociadas a dicha temperatura.

Si se aprovecha parte de esta energía para el calentamiento del fluido de trabajo, es decir, se extrae parte del calor, se alcanza un nuevo punto de equilibrio, un régimen estacionario en el que se cumple la siguiente relación:

Eútil = Eincidente - Epérdidas

Por la complejidad de los procesos de transmisión de calor

mencionados al inicio del tema, resulta conveniente definir una serie de parámetros de comportamiento global que agrupen los tres mecanismos de pérdidas.

Se define el coeficiente global de pérdidas del captador, UL, expresado en W/m2 oC, a partir del cual se obtiene la potencia calorífica perdida, qperdidas, o energía por unidad de tiempo, como:

qperdidas = A.UL.(Tm-Tamb)

Donde A es la superficie del captador (área de apertura), Tm es la

temperatura media del fluido a su paso por el absorbedor y Tamb la

61


MEERR_2_3



temperatura ambiente. El significado de área total, área de apertura y área de absorbedor se indican más adelante.

Se observa en la expresión anterior la disminución de las pérdidas de calor en el captador con el aumento de la temperatura ambiente.

La potencia incidente sobre la cubierta exterior del captador es la propia irradiancia solar, G, ya tratada en el tema relativo a la radiación solar. La irradiancia solar G se expresa en W/m2.

Debe aclararse que en el coeficiente UL no están incluidas las pérdidas por reflexión en la cubierta transparente ni en el propio absorbedor, sino sólo las pérdidas dependientes de la temperatura. La diferencia entre la radiación que alcanza la cubierta y la que finalmente es absorbida se aborda con sus propios parámetros.

Así, la transmitancia de la cubierta indica la proporción de energía que la atraviesa, esto es, que no se ha reflejado en ella. Mientras, la absortancia del absorbedor, como ya se definió en su momento, indica la proporción de energía absorbida, no reflejada en él.

Así pues, la energía que realmente es absorbida por el captador de superficie de apertura A, por unidad de tiempo, o potencia calorífica absorbida, qabsorbida, es:

qabsorbida = A.G..

La potencia calorífica útil de un captador solar se obtiene por

diferencia entre la absorbida y las pérdidas medias:

qútil = qabsorbida - qperdidas

qútil = A.[G.. - UL.(Tm-Tamb)]

La temperatura media del captador, Tm, se estima habitualmente como la media entre las temperaturas de entrada, Te, y de salida, Ts, del fluido de trabajo.

Una alternativa al uso de la temperatura media como referencia es considerar que todo el captador se encuentra a la temperatura de entrada Te, valor fácilmente medible situando un termómetro a la entrada del captador.

Para corregir los efectos de esta simplificación se define el llamado factor de evacuación de calor, FR, que es el cociente entre el calor absorbido realmente por el fluido y el que absorbería al considerar

62



MEERR_2_3


todo el captador a la temperatura de entrada, más baja y, por tanto, el máximo posible.

En este caso, la potencia calorífica útil que llega al fluido se puede expresar como:

qútil = A.FR.[G.. - UL.(Te-Tamb)]

6.3.2. Rendimiento del captador solar térmico

El comportamiento de un captador solar térmico se evalúa normalmente mediante sus curvas de rendimiento.

El rendimiento de un captador solar térmico, , es la relación entre la potencia útil transferida al fluido de trabajo por unidad de superficie de captador y la irradiancia solar incidente.

Del análisis del balance energético del apartado anterior, se obtienen dos expresiones, en función de la temperatura de referencia considerada. La primera de ellas utiliza la temperatura media del fluido, Tm:

G

TTU

GA

q ambmL

útil ...

.

Mientras que en la segunda ecuación se considera la temperatura

de entrada al captador, Te:

.)(

.....

G

TTUFF

GA

q ambeLRR

útil

Existe bastante confusión sobre las diferentes formas de expresar el rendimiento en la actualidad. Tiene su importancia, ya que no es posible la comparación directa entre captadores cuyo rendimiento se haya obtenido y se exprese bajo diferentes condiciones.

Así, con diversos precedentes normativos desde los años 70 y 80, en 1994 se estableció la norma ISO 9806-1. A partir de 2002 entró en vigor la norma EN-12975, actualmente vigente. En España, además, la homologación de paneles se ha realizado hasta ahora según otra norma diferente, la norma del INTA 610001.

Según la norma EN-12975, para la evaluación del rendimiento de un captador solar térmico se aconseja utilizar la temperatura media del fluido del captador, esto es, con una diferencia de temperatura

63


MEERR_2_3



T=Tm-Tamb, si bien también se acepta el uso de la temperatura de entrada y así se referencia en el Código Técnico de la Edificación.

En el cálculo del rendimiento de un captador también influye el área considerada, ya sea el área total, el área de apertura o el área de absorbedor. En la norma EN-12975 se indica la utilización del área de apertura o del área del absorbedor para este ensayo, no el área total, que incluye el bastidor.

En todo caso, debe indicarse siempre qué área y que temperaturas se han utilizado para la realización de los ensayos.

Junto a las propias condiciones de los ensayos, las curvas resultantes pueden ajustarse de forma matemática por aproximaciones lineales o cuadráticas al modelo físico real, como establece la norma EN-12975.

Así pues, en su aproximación cuadrática la curva característica del rendimiento de un captador se describe como:

G

TTa

G

TTa ambmambm

2

210 ..

Donde 0 es el denominado rendimiento óptico del captador, o rendimiento cuando la diferencia de temperatura media del fluido y el ambiente es nula.

El coeficiente a1 es el coeficiente lineal de pérdidas térmicas, expresado en W/m2 .oC y a2 el coeficiente cuadrático de pérdidas térmicas, en W/m2.oC2.

A modo de ejemplo, se ofrecen los valores de los parámetros para un captador solar del mercado.

Parámetro Curva de rendimiento EN

12975

0 0,773

a1 3,243W/m2 ºC

a2 0,014 W/m2 ºC2

Tabla 3.5: Valores de ajuste del rendimiento en captador solar plano Isotherm

Plus. Fuente: Isofotón

64



MEERR_2_3


Si bien la comparación entre captadores basándose únicamente en estos dos parámetros puede conducir a errores, debe entenderse que cuanto mayor sean ambos coeficientes, menor será el rendimiento, sobre todo a temperaturas elevadas.

La representación más habitual de los laboratorios que realizan los ensayos según esta norma EN-12975 muestra la evolución del rendimiento en función del cociente entre la diferencia de temperaturas y la irradiancia. Se obtiene una única curva.

00,10,20,30,40,50,60,70,80,9

1

0 0,02 0,04 0,06 0,08 0,1 0,12

Ren

dim

ien

to,

(Tm-Tamb)/G, oC/(W/m2)

Figura 3.19: Curva característica cuadrática de rendimiento de un captador, en función del cociente entre diferencia de temperaturas e irradiancia, según norma

EN 12975. Fuente: Elaboración propia con datos de Isofotón (tabla 3.5)

Se puede observar cómo la curva es prácticamente lineal, esto es,

el térmico cuadrático tiene una influencia muy reducida. Aumenta el peso de este término para valores elevados de (Tm-Tamb)/G.

Para un análisis más detallado de la operación del sistema, resulta de mayor utilidad la representación del rendimiento en función sólo de la diferencia de temperaturas, dejando la irradiancia como parámetro independiente.

Se obtiene entonces una curva para cada nivel de irradiancia. En función del lugar de ubicación de los paneles (Sur de Europa, Centroeuropa, etc.) convendrá suministrar la curva a un determinado nivel de irradiancia.

65


MEERR_2_3



0,0

0,2

0,4

0,6

0,8

1,0

0 20 40 60 80 100 120 140 160

Ren

dim

ien

to,

Tm - Tamb , oC

400W/m2 600W/m2

800W/m2 1.000W/m2

Figura 3.20: Curva característica de rendimiento, con la irradiancia como parámetro. Fuente: Elaboración propia con datos de Isofotón

De dichas curvas, se puede deducir que el rendimiento disminuye

al aumentar la diferencia de temperaturas entre el captador y el ambiente, lo cual es lógico ya que aumentan las pérdidas por convección hacia el aire circundante. Si la temperatura del captador aumenta, también lo harán las pérdidas por radiación.

Asimismo, el rendimiento del captador se reduce si la irradiancia disminuye, aunque en este caso también varían las condiciones térmicas.

En estas curvas se observa con algo más de claridad el efecto cuadrático.

Volviendo a las expresiones matemáticas del rendimiento, si se combinan los coeficientes lineal y cuadrático se puede obtener el llamado coeficiente global de pérdidas térmicas, aglobal como:

).(21 ambmglobal TTaaa

Esta forma de expresión se establece en la norma ISO 9806-1.

El CTE establece una limitación en la elección de los captadores a un valor del coeficiente global de 10W/m2 ºC, obtenido en ensayos con temperatura de entrada respecto a temperatura ambiente.

66



MEERR_2_3


Si bien la principal norma de aplicación europea es la citada EN 12975 (UNE-EN 12975 en España), hasta ahora la mayor parte de los captadores solares homologados en España lo han sido a través de los ensayos de la norma INTA-610001.

Esta norma utiliza un solo coeficiente de pérdidas térmicas para representar la dependencia del rendimiento, por lo que se obtiene una relación lineal. Se utiliza tanto la referencia a la temperatura media como a la de entrada. Además, presenta diferencias en cuanto a la expresión de la variable dependiente del eje horizontal.

Si se utiliza la temperatura media del fluido en el captador como

referencia, la variable T* de la expresión anterior es:

oambm U

G

TTT

*

Por el contrario, si se emplea la temperatura de entrada, que es

como se refleja en el CTE:

o

ambe UG

TTT

*

En ambos casos el coeficiente Uo = 10W/m2.ºC es un simple factor

de escala, por lo que el parámetro k1 según norma INTA-610001 es igual al parámetro aglobal dividido por 10, siempre que haya coherencia en la temperatura de referencia (media o de entrada).

A modo de ejemplo se muestra la curva de rendimiento lineal referida a norma INTA de tres modelos de captador del mismo fabricante:

*1Tko

67


MEERR_2_3



0

0,2

0,4

0,6

0,8

1

0 0,2 0,4 0,6 0,8 1 1,2

Ren

dimiento, �

T*

Solaria 2.1Al Solaria 2.4Al Solaria 2.8Al

Figura 3.21: Curva característica lineal de rendimiento, según norma INTA 60001.

Curva de rendimiento, INTA 610001

Parámetro Solaria 2.1 Solaria 2.4 Solaria 2.8

0 0,7223 0,6715 0,7132

k1 (W/m2ºC) 0,5096 0,3141 0,4396

k1*10 5,096 3,141 4,396

Tabla 3.6: Valores de ajuste lineal del rendimiento de tres modelos de captador

solar plano. Ejemplo. Fuente: Fagor

Si se utiliza el factor de escala 10, los coeficientes lineales están comprendidos entre 0 y 1. Es más habitual trabajar con los coeficientes globales de pérdidas térmicas entre 1 y 10, como se referencia en el propio CTE. Basta con multiplicar por 10 los anteriores.

Es previsible que con el tiempo se alcance una unificación definitiva en la caracterización de los equipos, con la implantación de la norma UNE-EN 1275 en unas condiciones claras, que termine con la confusión actual.

En España existen tres laboratorios acreditados para la certificación de captadores solares térmicos: INTA, CENER e ITC.

68



MEERR_2_3


6.3.3. Otros resultados de los ensayos de rendimiento

Junto a la obtención de la curva de rendimiento, con el valor de rendimiento óptico y los coeficientes de pérdidas térmicas a1 y a2, la norma UNE-EN 12975 incluye la medición de otros parámetros:

Modificador del ángulo de incidencia, k: evalúa la variación del

rendimiento ante ángulos de incidencia no perpendiculares. Es común suministrar el valor de corrección para un ángulo de 50º, tanto en dirección transversal como longitudinal. En este caso los resultados se sitúan entre 0,9 y 0,95.

Capacidad térmica del captador, C: es la cantidad de calor necesaria para aumentar la temperatura del fluido en un grado centígrado (o Kelvin). Es una medida de la inercia térmica, esto es, de la rapidez de respuesta del captador ante insolación o ausencia de esta. Es ventajoso disponer de una capacidad térmica reducida, para aprovechar lo antes posible la incidencia solar. En el caso de enfriamiento se pueden disponer los medios adecuados para detener la circulación del circuito primario.

Pérdidas de carga del captador: se obtienen las pérdidas de carga de fluido al atravesar el captador para diferentes caudales. Si el ensayo se ha realizado con un fluido diferente al de trabajo deben realizarse las correcciones correspondientes.

Figura 3.22: Variación de la pérdida de carga con el caudal y con el número de captadores conectados en serie, auroTherm VFK 900. Fuente: Vaillant

Las pérdidas de carga en el captador aumentan con el caudal de fluido y, también, con el número de captadores conectados, ya que

69


MEERR_2_3



aumenta el recorrido del primario. Se describe en detalle el conexionado de captadores en el tema dedicado al diseño de instalaciones.

6.3.4. Temperatura de estancamiento del captador

La norma EN 12975 también establece el procedimiento de obtención de la llamada temperatura de estancamiento, importante para el funcionamiento, control y seguridad de la instalación.

Según el CTE la Temperatura de estancamiento del captador corresponde a la máxima temperatura del fluido que se obtiene cuando, sometido el captador a altos niveles de radiación y temperatura ambiente y siendo la velocidad del viento despreciable, no existe circulación en el captador y se alcanzan condiciones cuasi-estacionarias.

Esta temperatura puede ser realmente alta 211ºC Si tomamos por ejemplo el captador más montado en España (según IDAE) aunque en el mercado se puede encontrar alguno hasta con 245ºC que se incrementan a los 300ºC en el de algunos modelos de captadores de tubos de vacío.

Los fabricantes de colectores garantizan sus productos hasta esa temperatura de estancamiento lo que no está tan claro es que determinados elementos de la instalación lo soporten es el caso de racores, juntas, purgadores,…

En el caso, no habitual, de que se produzcan las condiciones de estancamiento, esto es, irradiación solar fuerte con corte en el suministro eléctrico y parada del bombeo, hay que diseñar el sistema para que no sufra daños.

Debe procederse a reducir la temperatura del sistema, o bien mediante el uso de aletas (disipación pasiva) o bien mediante un aerotermo (disipación activa) formado por un electroventilador que impulsa aire a un serpentín que reduce la temperatura del fluido caloportador del circuito primario que circula por dentro.

En toda instalación hay que realizar una prueba de estancamiento en su puesta en marcha para comprobar que la instalación soportaría esa situación límite.

70



MEERR_2_3


6.3.5. Área del captador

Al hablar de área de captador, surgen tres referencias diferentes que conviene aclarar:

Área total (o bruta) del captador, AG: es el área entre los límites externos del captador, incluyendo al bastidor. En inglés se denomina Gross Area.

Área de Apertura, Aa: es la superficie que ofrece el captador a la radiación solar, normalmente igual a la superficie de la cubierta transparente. En los tubos de vacío es el producto del diámetro de cada tubo por su longitud (no sombreada) y por el número de tubos. Según la norma EN 12975 debe considerarse el área de apertura para la estimación del rendimiento.

Área del absorbedor, AA: es el área total ocupada por el absorbedor (aletas o chapas y tubos). Según la norma ISO 9806 se puede utilizar esta área para el cálculo del rendimiento.

6.3.6. Ejemplos de especificaciones técnicas de captadores solares

Como resumen de lo tratado hasta ahora en relación con los captadores solares, a continuación se muestra un ejemplo de las características técnicas de un captador solar plano y de un captador de tubos de vacío del mercado.

Características Datos

Medidas 2151x1215x110mm Superficie Bruta 2,61m2 Apertura 2,39m2 Absorbedora 2,33m2 Peso 48kg Volumen de fluido 1,3 l Absorbedor Cobertura Alto selectivo al vacío Absorción, 0,95 Emisión, 0,05 Marco/carcasa Aluminio anodizado, con aislamiento

lateral y posterior (60mm) Cubierta Composición Vidrio seguridad 4mm Transmisión, 0,91

71


MEERR_2_3



Características Datos Curva de rendimiento Rendimiento óptico, o 0,818 Coeficiente lineal de pérdidas, k1 2,47W/m2.ºC Coeficiente cuadrático, k2 0,0101W/m2.ºC2 Presión trabajo, máx. 10 bar Caudal high-flow 30-50l/h.m2 Caudal low flow 10-30l/h.m2 Max temperatura reposo 227º Captadores en serie, máx 4 Inclinación mínima 27º Diámetro interior tubos 6mm Distribución tubos 2 canales paralelos internos 2x5

Tabla 3.7 Ejemplo de especificaciones técnicas de captador solar plano, Roth F1.

Fuente: Roth

Características Datos

Nº tubos 10 Medidas 709x2031x143mm Superficie Bruta 1,44m2 Apertura 1,06m2 Absorción 1,02m2 Peso 26kg Curva de rendimiento Rendimiento óptico, o 0,82 Coeficiente lineal de pérdidas, k1 1,62W/m2.ºC Coeficiente cuadrático, k2 0,0068W/m2.ºC2 Capacidad térmica 25,5 kJ/m2.ºC Volumen de fluido 2,2 l Presión de servicio admisible 6 bar Temperatura máxima de estancamiento

300ºC

Tabla 3.8 Ejemplo de especificaciones técnicas de captador solar de tubos de

vacío, Vitosol 200-T SD2. Fuente: Viessmann

La descripción de los diferentes tipos de conexionado de los

captadores solares se trata en el apartado dedicado a los circuitos hidráulicos.

72



MEERR_2_3


6.4. Captador solar abierto

El captador solar abierto, sin cubierta transparente, y normalmente fabricado en polipropilenos, se utiliza fundamentalmente para el calentamiento del agua de piscinas al aire libre. De esta forma se puede ampliar la temporada de baño al compensar las pérdidas térmicas nocturnas en zonas donde durante las horas de sol la temperatura es agradable.

Al no tener una cubierta delante del absorbedor, realizado en polipropileno, la eficiencia óptica es muy elevada, por encima de 0,9. Sin embargo, las pérdidas térmicas también son altas, con valores de coeficiente global de pérdidas sobre los 18,5 W/m2ºC, precisamente por la ausencia de la cubierta y el efecto invernadero que produce (Fuente: Módulo Solar).

Este captador no se puede utilizar en aplicaciones sometidas al Código técnico de la Edificación, como es el suministro de ACS y la climatización de piscinas cubiertas, pero sí para piscinas al aire libre, donde las necesidades térmicas son inferiores a las del agua caliente de consumo. Su temperatura de estancamiento, esto es, a pleno sol pero sin circulación de fluido y, por tanto, sin extracción de calor, no sobrepasa los 80ºC, frente a los más de 200ºC de otras tecnologías.

Los captadores de polipropileno se fabrican en un rango de tamaños amplio, con equipos que van desde 2 hasta más de 7m2 de superficie.

VII. SISTEMA DE ACUMULACIÓN 7.1. Características generales

El perfil temporal de la demanda de agua caliente difiere del perfil

de incidencia de radiación solar, por lo que no es posible realizar un suministro directo de calor desde la generación al consumo, sino que se requiere un sistema de acumulación.

En función del tipo de aplicación, el tiempo de acumulación puede ser de unas horas o pocos días, en los casos más habituales, hasta meses, en el caso de los acumuladores estacionales.

El sistema de acumulación debe cumplir una serie de requisitos básicos.

En el estudio del absorbedor del captador solar se explicaba su diseño con baja capacidad calorífica, ya que el objetivo buscado era

73


MEERR_2_3



una respuesta rápida ante insolación y posterior transferencia del calor solar al fluido de trabajo.

En el acumulador, por el contrario, interesa una elevada inercia térmica, esto es, una capacidad calorífica alta que permita conservar el calor durante el mayor tiempo posible una vez cortado el suministro de calor desde los captadores. Esta función la realiza el fluido acumulado.

Se utiliza normalmente agua, por su elevada capacidad calorífica, su disponibilidad y coste, frente a otro tipo de sustancias. Se emplea agua potable en caso de ser la de uso final, o de calefacción cuando no es así.

En instalaciones pequeñas o medianas el acumulador suele contener el agua caliente sanitaria, mientras que en las de mayor tamaño se incluyen depósitos intermedios de inercia con agua no apta para consumo, en una transferencia de calor en etapas.

Una vez que el agua se ha calentado, las pérdidas térmicas hacia el exterior deben ser reducidas, como es lógico. Para ello, el acumulador debe tener un buen aislamiento.

Al mismo tiempo, su forma debe minimizar la relación entre superficie (disipación) y volumen (acumulación). La forma geométrica óptima sería la esfera, habitual en muchos tipos de depósitos de otras aplicaciones. Sin embargo, en depósitos de agua caliente deben considerarse también los efectos de la estratificación del agua acumulada.

La estratificación es la distribución espacial del agua en capas o estratos en función de su temperatura, más caliente en la zona alta y más fría en la zona baja. Esta distribución, sin separación física entre capas, es bastante más eficiente que un volumen total a una temperatura media.

En un acumulador, la entrada de agua fría se debe realizar por la parte baja y la salida de agua caliente desde la zona alta, para no romper dicha estratificación. Asimismo, el flujo de entrada no debe provocar corrientes dentro del acumulador ni la mezcla del fluido, por los mismos motivos.

En el CTE se indica el posicionamiento de las tomas de entrada y salida que deben llevar los acumuladores:

“Las conexiones de entrada y salida se situarán de forma que se

eviten caminos preferentes de circulación del fluido y, además:

74



MEERR_2_3


a) La conexión de entrada de agua caliente procedente del intercambiador o de los captadores al interacumulador se realizará, preferentemente a una altura comprendida entre el 50% y el 75% de la altura total del mismo;

b) La conexión de salida de agua fría del acumulador hacia el intercambiador o los captadores se realizará por la parte inferior de éste;

c) La conexión de retorno de consumo al acumulador y agua fría de red se realizarán por la parte inferior;

d) La extracción de agua caliente del acumulador se realizará por la parte superior.”

En definitiva, los acumuladores solares suelen tener forma

alargada, situados en vertical, para aumentar la estratificación. Así se indica en el CTE (Apartado 3.3.3.1 punto 3 del Documento Básico HE4):

“Preferentemente, el sistema de acumulación solar estará

constituido por un solo depósito, será de configuración vertical y estará ubicado en zonas interiores.”

Únicamente se instalan en horizontal por problemas de espacio. En este caso, el CTE señala que las tomas de agua caliente y fría deben estar situadas en extremos opuestos para evitar caminos directos de circulación del fluido.

Además, el acumulador debe poder soportar las condiciones de trabajo y temperatura previstas, manteniendo sus condiciones estructurales y sanitarias, con tiempos de vida útil sobre los 25 años.

Figura 3.23: Acumulador solar vertical. Fuente: Termosun

75


MEERR_2_3



El CTE también obliga a disponer de un acceso al interior (boca de hombre) en los acumuladores de más de 750 litros.

7.2. Tipos de acumuladores

En la sección dedicada a la descripción de las instalaciones ya se mencionaban diferentes opciones en la ubicación y tamaño de los acumuladores, para las diversas configuraciones de instalaciones: centralizada y descentralizada.

En este apartado se describen los tipos de acumuladores existentes según dos criterios: aplicación en el sistema e integración con el intercambiador.

7.2.1. Clasificación según aplicación del acumulador

Se pueden distinguir dos categorías de acumuladores según su posición y función: acumuladores de Agua Caliente Sanitaria y acumuladores de inercia.

a) Acumulador de Agua Caliente Sanitaria

Como su nombre indica, estos depósitos acumulan el agua de consumo. Deben cumplir las condiciones sanitarias y de higiene exigidas por la normativa. Asimismo, deben ser resistentes a la corrosión.

Podrán utilizarse acumuladores de las características y tratamientos descritos a continuación:

- Acero con tratamiento interior vitrificado con protección

catódica.

- Acero con tratamiento interior de resinas epoxi.

- Acero inoxidable de buena calidad, adecuado al tipo de agua y temperatura de trabajo, como por ejemplo, con tratamiento cerámico.

- No metálicos siempre que soporten la temperatura máxima del circuito y esté autorizada su utilización por las compañías de suministro de agua potable.

Además del uso de materiales compatibles con el agua de

consumo, cabe incidir en un aspecto importante, como es el riesgo de

76



MEERR_2_3


legionelosis, que afecta al conjunto de la instalación, pero tiene su punto central en la temperatura del agua de consumo.

Las instalaciones de agua caliente sanitaria con acumulación están incluidas entre las de elevado riesgo de proliferación y dispersión de Legionella, según el R.D. 865/2003 de 4 de julio, por el que se establecen los criterios higiénico-sanitarios para la prevención y control de la legionelosis.

Este Real Decreto excluye de su ámbito de aplicación las instalaciones en edificios dedicados al uso exclusivo en vivienda. Sí debe tenerse muy presente, sin embargo, en instalaciones de uso general como hospitales, hostelería, gimnasios, centros de enseñanza, etc.

La Legionella es una bacteria ambiental capaz de sobrevivir en un amplio intervalo de condiciones físico-químicas, multiplicándose entre 20 oC y 45 oC y destruyéndose a 70 oC. Su temperatura óptima de crecimiento es 35-37 oC.

Además de otras actuaciones, en el citado Real Decreto se cita el control de la temperatura del agua como una de las medidas preventivas frente a la Legionella. En concreto, en su Art. 3: Medidas preventivas especificas de las instalaciones:

“Mantener la temperatura del agua, en el circuito de agua caliente, por encima de 50 °C en el punto más alejado del circuito o en la tubería de retorno al acumulador. La instalación permitirá que el agua alcance una temperatura de 70 °C.

Cuando se utilice un sistema de aprovechamiento térmico en el que se disponga de un acumulador conteniendo agua que va a ser consumida y en el que no se asegure de forma continua una temperatura próxima a 60 °C, se garantizará posteriormente, que se alcance una temperatura de 60 °C en otro acumulador final antes de la distribución hacia el consumo.”

En instalaciones en edificios residenciales que no afecten al entorno, según el Reglamento de Instalaciones Térmicas en Edificios (RITE, 2007) se debe aplicar la norma UNE 100.030:2005 IN: Guía para la prevención y control de la proliferación y diseminación de la legionella en instalaciones. En esta norma técnica se exige que la temperatura de distribución sea de 50ºC, con lo que suponiendo una pérdida en tuberías de 3ºC y admitiendo unos 2ºC de margen en el sistema de control y regulación de la instalación, se debe seleccionar una temperatura mínima de acumulación de 55ºC.

77


MEERR_2_3



En los casos en los que el depósito de ACS principal no alcance las temperaturas exigidas para prevenir la legionelosis, se puede instalar un depósito adicional en línea donde el calentamiento extra del agua que se va a consumir lo realiza la generación auxiliar convencional. Para evitar quemaduras, debe realizarse una mezcla con agua fría hasta la temperatura final de consumo, de forma que no pueda superar los 60ºC en su salida.

El CTE permite, de forma puntual y sólo para combatir la Legionella, la conexión de la generación auxiliar con el acumulador de ACS, mediante recirculación de agua por ejemplo, para alcanzar una temperatura suficiente.

b) Acumulador de inercia

Los acumuladores de inercia se utilizan habitualmente en instalaciones solares grandes, destinadas al suministro de ACS o para apoyo a la calefacción. Si se requieren grandes volúmenes de acumulación, se puede separar la acumulación de ACS con una acumulación previa en estos acumuladores de inercia, que ya no deben cuidar tanto los requisitos de higiene, de anticorrosión, ni de presión, puesto que no van a estar en contacto con el agua de consumo. Se encuentran de diferentes tipos:

- Acumuladores de inercia en ligera sobrepresión: en un

circuito cerrado, la sobrepresión evita la entrada de oxígeno desde el exterior; se reduce así el riesgo de corrosión. Se puede utilizar acero normal, sin tratamientos especiales antioxidación.

- Acumuladores de inercia abiertos: se pueden usar materiales plásticos, resistentes a la corrosión. Al no estar en contacto con el agua de consumo no requieren especiales condiciones sanitarias.

- Acumuladores combinados: es un acumulador doble, ya que el acumulador de inercia lleva en su interior otro depósito “al baño maría”, para el agua caliente sanitaria. El calor se recibe a través de la propia pared de este segundo acumulador, bañada por el exterior por el agua de calefacción, con lo que no es necesario un intercambiador adicional. Existen diversos equipos en el mercado con estas características.

78



MEERR_2_3


7.2.2. Clasificación según integración del intercambiador en el depósito

La transferencia de calor desde el circuito primario al agua de consumo, o de una etapa de calentamiento a la siguiente, se produce en los intercambiadores de calor, que se explican en la siguiente sección.

Los intercambiadores pueden estar situados en el exterior del depósito. En este caso, el acumulador recibe el calor mediante un circuito de recirculación que pasa por el intercambiador externo. Es una opción habitual en sistemas de gran tamaño.

Por otra parte, se encuentran los acumuladores con intercambiador interno o interacumuladores. En ellos el intercambio de calor se produce dentro del propio depósito. Existen dos tipos de interacumuladores en el mercado:

De doble pared o de envolvente: el fluido primario circula por

una envolvente o camisa que rodea al depósito de agua. Son habituales en los pequeños sistemas compactos por termosifón, donde el interacumulador se sitúa en posición horizontal acoplado al captador.

Figura 3.24: Acumulador de inercia combinado, con depósito de agua caliente sanitaria en el interior.

Fuente: Wagner & Co.

79


MEERR_2_3



Figura 3.25: Interacumulador de doble pared. Fuente: Schüco

De serpentín: el fluido primario circula por uno o más

serpentines (tubos en espiral), desde donde se transfiere el calor al agua del depósito. Su presencia en el mercado es muy superior al de los acumuladores de doble pared, salvo para los sistemas de pequeño tamaño mencionados.

Figura 3.26: Sección de interacumuladores con uno y dos serpentines. Fuente: Termosun

La división del volumen de acumulación mediante el interconexionado de varios acumuladores se aborda en el tema siguiente. También la operación en carga y descarga y la evolución de sus condiciones con el tiempo.

80



MEERR_2_3


VIII. INTERCAMBIADORES DE CALOR 8.1. Características generales y parámetros característicos

Los intercambiadores de calor permiten transferir el calor de un fluido a otro sin mezcla física entre ellos. Su uso en los sistemas solares térmicos permite mejorar las condiciones del fluido que circula por los captadores, a la intemperie. Al no haber contacto con el agua de consumo, al agua del circuito primario se le añade normalmente un anticongelante, en las zonas donde sea necesario. Además, no requiere unas condiciones sanitarias muy exigentes, sino las que mejor se adapten a su función de vehículo de transmisión de calor.

Un buen intercambiador de calor debe cumplir los siguientes requisitos:

Buenas propiedades de conductividad térmica y transmisión de

calor.

Pequeña diferencia de temperaturas entre las paredes del intercambiador.

Pérdidas de carga reducidas.

Resistente a los fluidos de trabajo con los que se encuentre en contacto, tanto en su interior como en el exterior.

Resistentes a las condiciones de temperatura y presión de trabajo.

Los materiales más utilizados para la fabricación de

intercambiadores de calor son el acero inoxidable y el cobre.

Como se especifica en el CTE, existen una serie de limitaciones a aplicar a los materiales empleados para la fabricación de estos equipos. Si se alcanza una temperatura de 60ºC debe evitarse el uso de acero galvanizado. Asimismo, hay que instalar manguitos electrolíticos entre elementos de diferentes materiales, para evitar el par galvánico.

En este sentido, resulta siempre beneficioso el uso de materiales compatibles entre sí o, aún mejor, reducir al máximo la heterogeneidad de materiales.

81


MEERR_2_3



Los intercambiadores de calor se caracterizan mediante una serie de parámetros técnicos: potencia térmica, caudal de diseño, temperaturas de entrada y salida y pérdida de carga.

La potencia térmica está relacionada con el caudal de circulación y el salto térmico, mediante la siguiente expresión:

TCQP p ...

Donde la potencia térmica P se expresa en kCal/h

(1W0,86kCal/h), el caudal Q en litros/h, el calor específico del fluido Cp en kCal/kg.ºC, la densidad en kg/l y el salto térmico, en ºC. El salto térmico es la diferencia de temperaturas entre la entrada y la salida:

se ttT

Para el agua, el calor específico es de 1kCal/kg.ºC y la densidad de

1kg/l.

El calor específico del fluido del primario, normalmente agua con anticongelante, es diferente del secundario que es sólo agua, como se muestra en la sección correspondiente.

El caudal del circuito secundario suele ser algo menor que el del primario, pudiendo estimarse en un 90% de este.

Según el CTE, la potencia térmica del intercambiador independiente debe ser de al menos 500 veces la superficie de captadores, esto es:

Pintercambio (W)≥500.Scaptación(m2)

En otros documentos se recomienda un factor de 600 para esta

estimación (Pliego IDAE).

Este requisito se complementa con la limitación de potencia de intercambio mínima por ºC y por m2 de captador:

“Si en una instalación a medida sólo se usa un intercambiador entre el circuito de captadores y el acumulador, la transferencia de calor del intercambiador de calor por unidad de área de captador no debería ser menor que 40 W/m2·ºC.”

Si se trata de un interacumulador, se indica en el mismo CTE:

82



MEERR_2_3


“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.”

El caudal específico de diseño del intercambiador o caudal por unidad de superficie de captador, Qs, debe estar en concordancia con el caudal de diseño del propio sistema de captadores, ya que el fluido del primario circula por ambos. Suelen estar en el rango de los 42-60 litros/h.m2 de captadores (Pliego IDAE).

En cuanto a la diferencia de temperatura entre la entrada y salida, en el Pliego del IDAE se recomiendan los siguientes valores orientativos, según aplicaciones:

Aplicación Temperatura

entrada primario, Tpe

Temperatura salida

secundario, Tss

Temperatura entrada

secundario, Tse

Piscinas 50 28 24 Agua Caliente Sanitaria 60 50 45 Calefacción a Baja Temperatura

60 50 45

Refrigeración/Calefacción 105 60 75

Tabla 3.9: Valores de temperatura del intercambiador recomendados. Fuente: Pliego de Condiciones Técnicas para Instalaciones Solares Térmicas, IDAE.

La pérdida de carga, o pérdida de presión del fluido a su paso por

el intercambiador es un factor importante que debe cuidarse en el diseño del intercambiador. El Pliego del IDAE establece un máximo de 3 metros de columna de agua (1m.c.a equivale a 98 mbares), tanto en el circuito primario como en el secundario, aunque normalmente los valores reales son inferiores.

Estos parámetros característicos tienen más utilidad para los intercambiadores independientes, externos al acumulador. En los interacumuladores, la caracterización se centra básicamente en la relación entre superficie de intercambio y volumen de acumulación, sin muchas posibilidades de modificación.

8.2. Tipos de intercambiadores

Se distinguen dos grupos de intercambiadores en función de su integración con el acumulador.

83


MEERR_2_3



8.2.1. Intercambiadores de calor internos

Se han descrito ya los llamados interacumuladores, en los que el intercambiador se encuentra integrado en el interior del depósito. Se ahonda algo más en ellos, desde el punto de vista del intercambiador en sus dos configuraciones: serpentín y envolvente o doble pared.

Los intercambiadores de tipo serpentín están fabricados en cobre, con tubos lisos, corrugados o con aletas para mejorar la transferencia de calor. También se fabrican en tubos de acero inoxidable liso o tubo de acero vitrificado u otro tratamiento anticorrosivo.

El fluido caliente se mueve mediante circulación forzada por el interior de los tubos, mientras que en el exterior, el agua del depósito circula por convección natural, por diferencia de temperaturas.

En tubo liso, la transferencia por unidad de superficie es elevada, al utilizar material conductivo y grosores de pared de tubo pequeños. También es menos costoso que el tubo aleteado.

Sin embargo, en el tubo liso la superficie de intercambio no es muy grande, por lo que se requiere una mayor longitud de tubo, con el consiguiente incremento de las pérdidas de carga y aumento del consumo eléctrico de bombeo.

Las aletas incrementan la superficie de intercambio, aunque la transferencia por unidad de superficie es menos eficiente, ya que se produce un gradiente de temperatura a lo largo de la aleta que reduce su diferencia con el fluido frío. Estos diseños presentan una mejor relación de transmisión por unidad de longitud de tubo, aunque con costes de fabricación más elevados que los de tubo liso.

Los intercambiadores internos se utilizan en sistemas de pequeño tamaño puesto que en grandes depósitos difícilmente se alcanzaría la superficie mínima de intercambio por lo que conviene mirar con mucha atención las fichas técnicas facilitadas por los fabricantes, a pesar de resultar más atractivo por el ahorro en mano de obra y de la correspondiente bomba de impulsión.

8.2.2. Intercambiadores de calor externos

El intercambiador en este caso es un equipo independiente, externo al acumulador de agua. Esta disposición permite una mayor flexibilidad, pudiendo aumentar la potencia de intercambio de forma independiente a la acumulación.

Se pueden encontrar dos tipos de intercambiadores externos:

84



MEERR_2_3


Intercambiador tubular (o de haz de tubos o de carcasa y tubos).

Intercambiador de placas.

El intercambiador tubular más sencillo está formado por dos tubos

concéntricos. Por dentro del tubo de menor diámetro circula uno de los fluidos, mientras que el otro circula por el espacio entre tubos. Se produce un mejor aprovechamiento térmico si el paso de flujos se realiza a contracorriente, como se muestra en la figura 3.27, donde Tpe y Tps son las temperaturas de entrada y salida del primario, o fluido caliente que entrega el calor, y Tse y Tss son las temperaturas de entrada y salida del secundario, donde se encuentra el fluido frío que recibe el calor.

Figura 3.27: Intercambiador simple de tubos concéntricos. Fuente: Elaboración propia

En esta configuración la diferencia de temperaturas en toda la longitud del tubo intercambiador es más constante que en el paso de flujos en paralelo, en la que iría decreciendo con su avance.

Tpe

Tss

Tse

Tps

85


MEERR_2_3



Figura 3.28: Diferencia de temperaturas en un intercambiador tubular con flujo a

contracorriente. Esquema. Fuente: Elaboración propia

El diámetro de los tubos debe ser reducido, para que la superficie de intercambio en relación al volumen de circulación sea elevado. Un tubo de mayor diámetro implica que el fluido de la zona central no reciba suficiente calor.

Para poder aumentar el caudal de circulación, se diseñan los equipos mediante un haz de tubos interiores en paralelo por los que circula uno de los fluidos, todos ellos dentro de una carcasa única por la que circula el otro fluido. Como la entrada y salida de la carcasa están situadas en posiciones opuestas (en sentido longitudinal y transversal), ambos fluidos se cruzan (sin contacto físico).

Estos son los denominados intercambiadores de carcasa y tubos, de uso mayoritario en la industria, ya que se comportan bien ante elevadas presiones y temperaturas. Sin embargo, la transferencia de calor no es demasiado eficiente.

En las instalaciones solares térmicas con intercambiador externo es más común la utilización de intercambiadores de placas. Un intercambiador de placas está formado por un paquete de placas metálicas con orificios por los que circulan los fluidos de intercambio. Se disponen unas juntas que obligan a los fluidos a circular entre las

T (ºC)

Tpe

Tse

Tss

Tps

x (m) L

Figura 3.29: Intercambiador de carcasa y tubos. Fuente: J. Mambres SL

86



MEERR_2_3


placas, de forma alterna frío-caliente. Las placas presentan una superficie con relieve corrugado, que aumenta la transferencia de calor mediante la formación de turbulencias.

Este tipo de intercambiadores ofrece un mantenimiento más sencillo, puesto que es desmontable y sus placas reemplazables por otras.

Son adecuados para fluidos con baja viscosidad, como el agua, y temperaturas moderadas, por debajo de los 150ºC, como son los valores de trabajo de las instalaciones solares térmicas de baja temperatura. Tampoco soportan bien presiones elevadas, debido al propio ensamblaje de placas independientes.

Los intercambiadores de placas ofrecen una muy buena transferencia de calor, ya que la superficie de intercambio (placas) es grande en comparación con el volumen de caudal.

El intercambiador de calor externo puede tener diferentes aplicaciones, en función de su posición en la instalación. Puede estar situado en el llamado circuito de carga del acumulador, esto es, transfiriendo el calor entre el circuito primario solar o de captadores y el circuito secundario de agua de calefacción (no ACS de consumo directo) que se almacena en un acumulador de inercia, ya descrito.

La otra ubicación posible es en el circuito de descarga, entre el acumulador de inercia y el acumulador de ACS.

Figura 3.30: Intercambiador de placas. Esquema de funcionamiento y equipo (Modelo: Vitotrans 100)

Fuente: Viessmann

87


MEERR_2_3



Dependiendo de su posición, tanto el tipo de fluido como las temperaturas y el caudal serán diferentes, por lo que también lo será su operación.

A continuación se muestran, como ejemplo ilustrativo, los datos técnicos de un modelo de intercambiador de placas del mercado. Puede instalarse tanto en el circuito de carga como en el de descarga. Mediante el acoplamiento de más o menos número de placas se pueden configurar equipos para diferentes rangos de operación (ver variación de longitud, para la misma anchura y altura).

Circuito de carga Circuito de descarga Datos constructivos

Dimensiones sin aislamiento térmico

Longitud mm 155-278 96-211 Anchura mm 118 118 Altura mm 523 523

Dimensiones con aislamiento térmico

Longitud mm 130-282 160-337 Anchura mm 178 178 Altura mm 600 600 Peso kg 14-26 6,8-18,8

Capacidad Circuito primario litros 2,28-4,66 0,85-3,22

Circuito secundario litros 2,37-4,74 0,95-3,32 Presión máxima de servicio admisible

bar 16 30

Temperatura máxima de servicio admisible

ºC 200 200

Datos operativos Potencia térmica kW 25-60 25-90

Caudal Circuito primario m3/h 0,83-2,00 0,61-2,20

Circuito secundario m3/h 0,84-2,01 0,43-1,55 Pérdida de carga

máx.

Circuito primario mbar 54-80 27-24 Circuito secundario mbar 51-72 14-12

Superficie máxima de captradores

m2 42-100 ----

Tabla 3.10: Datos técnicos de intercambiador de calor externo de placas, varias

configuraciones y aplicaciones de modelo Vitotrans 100. Fuente: Viessmann

88



MEERR_2_3


En la tabla se observa cómo para una superficie de captación grande el tamaño y peso del intercambiador no son excesivos.

Los datos operativos están calculados para unas temperaturas de intercambiador de Tpe=60ºC, Tps=36ºC, Tse=30ºC y Tss=56ºC.

En el tema 4 se analizan todos los aspectos relativos al diseño de las instalaciones y sus componentes.

IX. CIRCUITOS HIDRÁULICOS

9.1. Características generales

Los elementos fundamentales de captación, intercambio, acumulación y suministro de calor necesitan del sistema de conducciones que transporte los fluidos de uno a otro de la forma más eficiente y segura posible. Este sistema hidráulico es básico para asegurar el buen funcionamiento de la instalación.

Dentro del estudio del sistema hidráulico incluimos los siguientes puntos:

Fluido de trabajo.

Conexionado de captadores.

Tuberías.

Bombas de circulación.

Válvulas.

Vasos de expansión.

Purga de aire.

Vaciado y llenado de la instalación hidráulica.

Como se ha señalado en varias ocasiones a lo largo del documento,

se pueden diferenciar varios circuitos hidráulicos en una instalación solar térmica. El número de ellos no es fijo, ya que depende del tamaño de la instalación.

Debido a la prohibición de los sistemas directos, donde el agua de captadores es la misma que la de consumo, en toda instalación existen al menos dos circuitos hidráulicos, si bien puede haber más. En definición del CTE:

89


MEERR_2_3



Circuito primario: circuito del que forman parte los captadores y las tuberías que los unen, en el cual el fluido recoge la energía solar y la transmite.

Circuito secundario: circuito en el que se recoge la energía transferida del circuito primario para ser distribuida a los puntos de consumo.

Circuito de consumo: circuito por el cual circula el agua de consumo.

En sistemas pequeños, con unos pocos captadores y un

interacumulador donde se acumula ya el ACS para suministrar a los diferentes puntos de consumo (a través de un calentador auxiliar en línea, por ejemplo), sólo existen dos circuitos, siendo el secundario y el de consumo el mismo.

En instalaciones grandes, sin embargo, se puede recurrir a intercambiadores externos o a acumuladores de inercia, con lo cual la transmisión del calor se realiza en más etapas y el número de circuitos hidráulicos es mayor. En estos casos, está clara la definición de circuito primario, el de captadores, y circuito de consumo como extremos de la cadena.

Por sus características propias de este tipo de instalaciones, se presta especial atención al circuito primario y así lo hace también el CTE y otros documentos similares. Las siguientes etapas hasta el consumo deben cumplir las condiciones generales de todo sistema de suministro de ACS sobre pérdidas de carga reducida, aislamiento térmico, etc.

Antes de entrar en la descripción de los diferentes elementos, conviene rescatar las indicaciones generales del CTE sobre el circuito hidráulico primario, en su apartado 3.3.5.1 del Documento Básico HE4:

1. Debe concebirse inicialmente un circuito hidráulico de por sí

equilibrado. Si no fuera posible, el flujo debe ser controlado por válvulas de equilibrado.

2. 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 1,2 l/s y 2 l/s por cada 100 m² de red de captadores. En las instalaciones en las que los captadores estén conectados en serie, el caudal de la instalación se obtendrá aplicando el

90



MEERR_2_3


criterio anterior y dividiendo el resultado por el número de captadores conectados en serie.”

Un circuito hidráulico equilibrado es aquel en el que se produce una

distribución uniforme de caudales por cada captador o conjunto de captadores y, en general, por cada rama en paralelo de la instalación. Para lograr esta distribución uniforme, las longitudes y recorrido de las tuberías en cada rama deben producir unas pérdidas de carga similares.

Si los caudales son equilibrados, el incremento térmico en los grupos de captadores conectados en paralelo será similar y el aprovechamiento de la instalación el óptimo.

En ocasiones resulta complicado garantizar el equilibrado únicamente mediante el diseño del sistema de conducciones y conexionado de captadores. En estos casos deben incluirse las válvulas de equilibrado que permitan asegurar la distribución uniforme de caudales.

En cuanto al caudal recomendado para el circuito de captadores o primario, los valores indicados de caudal específico se estiman en un rango entre 43 y 72 litros/h.m2, según el CTE, hasta 60l/h.m2 en el Pliego del IDAE. Algunos fabricantes recomiendan un caudal de 10-30 litros/h.m2, es lo que se conoce como low-flow, mejora el rendimiento aunque puede encarecer el precio de la bomba e intercambiador.

Lógicamente, en los captadores en serie el caudal es el mismo para todos ellos, por lo que se contabilizan a estos efectos como un único equipo. Su efecto se materializa en un mayor salto térmico, por etapas.

Así pues, el rango de caudales recomendados para el circuito primario, Q, se puede estimar cómo:

Q (l/h) =43-72(l/h.m2).Nparalelo.Scaptador (m2)

Donde Nparalelo es el número de ramas en paralelo del sistema de

captadores y Scaptador la superficie de cada captador.

Estas estimaciones deben ajustarse con los datos suministrados por el fabricante de los captadores solares.

91


MEERR_2_3



9.2. Fluido de trabajo

El fluido de trabajo, o fluido de captadores, es el que circula por el circuito primario. Recibe el calor a su paso por los captadores y lo transfiere al agua del circuito secundario o de consumo en el intercambiador (o interacumulador).

El fluido del circuito primario requiere una serie de características mínimas derivadas de sus condiciones de operación (Peuser, 2005):

Ser resistente a la temperatura de trabajo, incluso hasta el

valor máximo o temperatura de estancamiento del captador.

Ofrecer protección frente a las heladas, en el caso de que la climatología del lugar así lo precise.

Garantizar protección anticorrosiva si en el circuito primario se utilizan materiales mixtos o con tendencia a oxidarse.

Tener un calor específico elevado y una buena conductividad térmica, para poder efectuar de manera óptima el transporte y transferencia del calor.

No debe ser tóxico ni contaminar el medioambiente, ya que aunque circula por un circuito cerrado, puede haber fugas y, además, en algún momento hay que cambiar el fluido degradado.

Tener una baja viscosidad para mantener en valores reducidos las pérdidas de carga en las conducciones.

Tener un coste bajo y una amplia disponibilidad en el mercado.

La propia agua de red cumple todas estas condiciones, siendo el

fluido más adecuado salvo en lugares donde se puedan producir heladas en algún momento del año. Incluso en estos lugares, si el sistema dispone de “drain-back”, puede utilizarse.

El “drain-back” es el vaciado automático del circuito de captadores cuando estos se encuentran a una temperatura excesiva (para evitar el sobrecalentamiento) o muy baja, frente a heladas. Cuando esto ocurre se detiene la bomba de circulación y el fluido se acumula en el depósito instalado al efecto o bien en el propio intercambiador en sistemas con un volumen reducido del circuito primario.

Cuando sí hay riesgo de heladas nocturnas se utiliza agua con anticongelante, normalmente glicol en sus derivados, antes

92



MEERR_2_3


etilenglicol y ahora propilenglicol, este último de menor riesgo para la salud.

El CTE establece una serie de requisitos para el fluido de trabajo, que complementan lo anteriormente expuesto:

1. El fluido portador se seleccionará de acuerdo con las

especificaciones del fabricante de los captadores. Pueden utilizarse como fluidos en el circuito primario agua de la red, agua desmineralizada o agua con aditivos, según las características climatológicas del lugar de instalación y de la calidad del agua empleada. En caso de utilización de otros fluidos térmicos se incluirán en el proyecto su composición y su calor especifico.

2. El fluido de trabajo tendrá un pH a 20 °C entre 5 y 9, y un contenido en sales que se ajustará a lo señalado en los puntos siguientes:

a) La salinidad del agua del circuito primario no excederá de

500 mg/l totales de sales solubles. En el caso de no disponer de este valor se tomará el de conductividad como variable limitante, no sobrepasando los 650 μS/cm;

b) El contenido en sales de calcio no excederá de 200 mg/l, expresados como contenido en carbonato cálcico;

c) El límite de dióxido de carbono libre contenido en el agua no excederá de 50 mg/l.

3. Fuera de estos valores, el agua deberá ser tratada.

Asimismo, en el punto dedicado a la protección frente a heladas, el

CTE limita las características del aditivo anticongelante del agua del primario:

“La instalación estará protegida, con un producto químico no tóxico cuyo calor específico no será inferior a 3 kJ/kg.K, en 5 ºC por debajo de la mínima histórica registrada con objeto de no producir daños en el circuito primario de captadores por heladas. 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.”

93


MEERR_2_3



Fluido de trabajo

(% propilenglicol)

Densidad 20ºC

(kg/l)

Viscosidad 20ºC

(mm2/s)

Caída presión relativa

Calor específico Cp (-20ºC) (kJ/kg.ºC)

Conductividad 20ºC

(W/m.ºC)

Punto congelación

(ºC)

Agua (0%) 0,998 1 1 4,182 (0ºC) 0,5996 0

40% 1,037 4,5 1,5 3,55 0,38 -21

50% 1,045 6 1,7 3,3 0,36 -32

60% 1,053 9 1,8 3,1 0,32 -47

Tabla 3.11: Características de fluido de trabajo (agua + propilenglicol) a diferentes

concentraciones. Fuente: Tyforop Chemie GmbH y AJ Chapman

Se observa en la tabla que los aditivos que es necesario añadir al

agua para proteger al circuito primario frente a las heladas modifican las condiciones del fluido. El objetivo buscado es la disminución del punto de congelación, dependiendo de las condiciones climatológicas del lugar de instalación. Se observa una importante reducción de este punto con el aumento de la concentración de glicol.

La concentración de anticongelante en agua debe ajustarse a lo requerido; no debe ser excesiva, ya que también aumenta la viscosidad del fluido y disminuye su calor específico. Un aumento de la viscosidad implica mayores pérdidas de carga o presión, que hace necesaria una mayor potencia de bombeo.

La disminución del calor específico supone una menor eficiencia en la transferencia energética. El CTE establece un mínimo de 3kJ/kgºC para una temperatura de 5ºC por debajo del mínimo histórico del lugar. Se ha seleccionado una temperatura de -20ºC, salvo en el agua, ya que esta ya estaría congelada a esa temperatura. Una concentración por encima del 60% supone un calor específico demasiado bajo, fuera de norma.

Además, el fabricante del producto indica una temperatura máxima de operación de 170ºC para evitar la degradación de sus propiedades.

9.3. Conexionado de captadores

En los sistemas que requieren varios captadores para el suministro de la energía térmica demandada, estos deben conectarse en serie y/o paralelo, tratando de mantener un flujo uniforme o equilibrado en todos ellos.

Si por alguno de los conductos del primario a su paso por los captadores circula un flujo inferior a lo previsto, la extracción de calor

94



MEERR_2_3


del absorbedor será deficiente, con un incremento excesivo de la temperatura del equipo, que incrementa las pérdidas.

El CTE presenta un conjunto de requisitos para el conexionado de captadores solares térmicos:

1. “Se debe prestar especial atención en la estanqueidad y

durabilidad de las conexiones del captador.

2. Los captadores se dispondrán en filas constituidas, preferentemente, por el mismo número de elementos. Las filas de captadores se pueden conectar entre sí en paralelo, en serie ó en serie-paralelo, debiéndose instalar válvulas de cierre, en la entrada y salida de las distintas baterías de captadores y entre las bombas, de manera que puedan utilizarse para aislamiento de estos componentes en labores de mantenimiento, sustitución, etc. Además se instalará una válvula de seguridad por fila con el fin de proteger la instalación.

3. Dentro de cada fila los captadores se conectarán en serie ó en paralelo. El número de captadores que se pueden conectar en paralelo tendrá en cuenta las limitaciones del fabricante. En el caso de que la aplicación sea exclusivamente de ACS se podrán conectar en serie hasta 10 m2 en las zonas climáticas I y II, hasta 8 m2 en la zona climática III y hasta 6 m2 en las zonas climáticas IV y V.

4. La conexión entre captadores y entre filas se realizará de manera que el circuito resulte equilibrado hidráulicamente recomendándose el retorno invertido frente a la instalación de válvulas de equilibrado.”

El conexionado en serie implica que existe un caudal único por toda

la rama así conectada. El caudal circulante incrementa su temperatura por etapas, a su paso por cada captador. La restricción del párrafo anterior del CTE se debe a que en zonas de menor insolación (zonas climáticas I y II) se requiere un mayor número de etapas (captadores en serie) para obtener el mismo salto térmico total, ya que el calentamiento por cada etapa es inferior al de las zonas de mayor insolación.

Se indica también que para lograr el equilibrado del sistema es preferible una conexión con retorno invertido a la instalación de válvulas de equilibrado.

95


MEERR_2_3



La conexión con retorno invertido consiste (ver figura 3.31) en llevar la conducción del fluido frío al captador más lejano y a partir de ahí distribuir el fluido a todos los captadores por su parte baja. La recogida del fluido caliente se realiza por la parte superior opuesta a la conexión de entrada, y en orden contrario a como se ha distribuido, es decir, el captador que se alimenta el último es ahora del que se recoge primero el fluido caliente y viceversa.

Figura 3.31: Conexionado de captadores con retorno invertido. Fuente: Termicol

Para que el retorno invertido realmente provoque un reparto uniforme de caudales, las pérdidas de carga en las tuberías de conexión y distribución deben ser al menos tres veces inferiores a la pérdida de carga en cada captador. Es decir, es el captador el que define principalmente las pérdidas de carga del conjunto.

A continuación se describen las diferentes configuraciones de los sistemas de captación en las instalaciones solares térmicas.

96



MEERR_2_3


9.3.1. Conexionado en paralelo

En el conexionado de captadores en paralelo el flujo del primario que proviene del intercambiador se divide en tantas partes como ramas en paralelo haya. Al paso por el captador, el fluido incrementa su temperatura en un valor similar en todos ellos, siempre que el caudal circulante y la radiación incidente sean iguales. A la salida, los caudales de los captadores se vuelven a juntar en una conducción de distribución de mayor diámetro, que retorna al intercambiador o interacumulador, donde cede parte de su calor.

En este tipo de conexiones las pérdidas de carga son reducidas, ya que el recorrido del fluido por los captadores es corto, en comparación con la conexión serie. El caudal es elevado en la distribución, pero basta con diseñar un diámetro de conductos suficiente.

La conexión en paralelo permite disponer de caudales totales elevados.

Además del diseño del circuito primario con retorno invertido mostrado en la figura anterior, existen equipos que incorporan la tubería de distribución y las conexiones de forma que se puede realizar el acoplamiento entre captadores directamente, sin necesidad de añadir tuberías externas para componer la conexión paralelo.

Cada una de estas unidades, de no más de 5 equipos, se denomina batería de captadores. Para formar un campo de captación mayor se pueden conectar varias baterías de captadores en paralelo (o en serie), como se muestra en el ejemplo en la figura 3.32.

Figura 3.32: Conexionado en paralelo de dos baterías de captadores, cada una de

ellas también con equipos en paralelo. Fuente: Isofotón

Entrada agua fría

Salida agua caliente

97


MEERR_2_3



Si todos los captadores están conectados en paralelo, el caudal total de diseño del circuito primario es igual al producto del caudal específico del campo solar por la superficie total de captadores.

Qtotal (l/h)= Qs (l/h.m2).Scaptación(m2)

Qtotal (l/h)=Qs (l/h.m2).Ncaptadores.Scaptador(m2)

Si de las hojas técnicas del fabricante se conoce el caudal por

captador, el caudal total en la conexión paralelo es:

Qtotal (l/h)=Qcaptador(l/h).Ncaptadores

9.3.2. Conexionado en serie

En el conexionado en serie el flujo total del primario pasa por todos y cada uno de los captadores. De la salida del primero de ellos se accede a la entrada del segundo, de la salida de este a la entrada del siguiente, como se muestra en la figura 3.33.

Figura 3.33: Conexionado en serie de captadores. Fuente: Isofotón

Así pues, en conexión serie el caudal total del conjunto de captadores es igual al caudal de un captador:

Qtotal (l/h)=Qcaptador(l/h)

Si el dato conocido es el caudal específico (por unidad de superficie) el caudal total es el producto de dicho caudal específico por la superficie de un captador:

Qtotal (l/h)=Qs (l/h.m2).Scaptador(m2)

98



MEERR_2_3


Se comprende que en una conexión serie el caudal del circuito primario es reducido. Con este caudal, el incremento de temperaturas en las diferentes etapas es elevado, con un rendimiento inferior del campo solar. El número de captadores en serie debe limitarse para evitar problemas de sobrecalentamiento.

Es posible aumentar el caudal sobre lo indicado como mínimo por el fabricante, si bien este aumento implica mayores pérdidas de carga en los captadores.

Resumiendo, la conexión serie se caracteriza por caudales de circulación bajos y pérdidas de carga elevadas. Estas condiciones dificultan las labores de bombeo del agua. Como principal ventaja está el equilibrado del caudal circulante, lógicamente, ya que es el mismo por todos los captadores.

Para que las pérdidas de carga al paso por el captador no sean excesivas, se pueden usar captadores con los tubos internos del absorbedor en forma de parrilla, esto es, en paralelo. El caudal que llega al captador se divide en tantas partes como tubos forman dicha parrilla.

9.3.3. Conexionado en serie-paralelo

En una instalación de gran tamaño resulta complejo obtener un sistema totalmente equilibrado mediante conexionado paralelo exclusivamente, aunque incorpore retorno invertido, debido a las grandes longitudes de tuberías que hay que disponer.

Por otra parte, el número de captadores en serie está limitado por temperatura. Al ser los caudales de circulación bajos no es posible incluir un número de etapas de calentamiento excesivo.

Combinando ambas configuraciones, se obtiene el conexionado mixto, serie-paralelo, como el mostrado en la figura 3.34:

Figura 3.34: Conexionado en paralelo de dos ramas de tres captadores en serie cada una. Fuente: Isofotón

99


MEERR_2_3



En esta conexión el caudal total es la suma de los caudales de las ramas en paralelo:

Qtotal (l/h)=Qcaptador (l/h).Nparalelo

Este tipo de conexionado aprovecha las ventajas de ambas

configuraciones y reduce sus inconvenientes.

Debido a que las pérdidas de carga en los captadores son al menos 3 veces superiores a las de las conducciones externas, de distribución, se favorece el equilibrado del sistema. De esta forma, no es necesario el diseño de un retorno invertido que implica un coste elevado en tuberías y una peor integración arquitectónica.

Al mismo tiempo, la reducción de caudal (denominado bajo flujo o low-flow) a la que obliga la conexión serie permite instalar tubos de menor diámetro.

9.4. Tuberías y aislamiento

El CTE establece las siguientes condiciones generales para el sistema de tuberías de la instalación solar:

1. “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.

2. 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.

3. El aislamiento de las tuberías de intemperie deberá llevar una protección externa que asegure la durabilidad ante las acciones climatológicas admitiéndose revestimientos con pinturas asfálticas, poliésteres reforzados con fibra de vidrio o pinturas acrílicas. 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.”

100



MEERR_2_3


La elección de las tuberías debe tomar en consideración las temperaturas y presiones de trabajo y el tipo de fluido circulante.

Deben ser resistentes a temperaturas de hasta 150ºC en todo el circuito y a la temperatura de estancamiento definida en las especificaciones del captador en los tramos próximos a su salida, en la llamada tubería de impulsión del captador.

Debido al amplio margen de temperaturas de trabajo (-20ºC a 150ºC), entre la noche en invierno y un día soleado de verano, se producen cambios dimensionales por dilatación del material. Los tubos situados a la intemperie deben fabricarse con materiales de bajo coeficiente de dilatación. Resulta especialmente crítico en juntas y uniones entre tramos de tubos y entre tubos y equipos.

El material utilizado debe ser resistente al fluido de trabajo, normalmente agua + glicol en el primario. En la información técnica del fluido de trabajo se indica las posibles incompatibilidades con diversos materiales. Por ejemplo, el glicol disuelve el Zinc, por lo que no se debe utilizar galvanizados en los tubos del primario. Deben cuidarse también las soldaduras, preferiblemente en Plata y Cobre.

Sobre los materiales de fabricación de las tuberías, el CTE ofrece unos requisitos claros:

1. “En las tuberías del circuito primario podrán utilizarse como materiales el cobre y el acero inoxidable, con uniones roscadas, soldadas o embridadas y protección exterior con pintura anticorrosiva.

2. En el circuito secundario o de servicio de agua caliente sanitaria, podrá utilizarse cobre y acero inoxidable. Podrán utilizarse materiales plásticos que soporten la temperatura máxima del circuito y que le sean de aplicación y esté autorizada su utilización por las compañías de suministro de agua potable.”

Se limita por tanto a tuberías de cobre y acero inoxidable en el

circuito primario, a las que se añade plásticos adecuados para ACS en el secundario o circuito de consumo.

Tanto el cobre como el acero tienen una elevada conductividad térmica. Por ello, es indispensable recubrirlas con el aislamiento adecuado que evite la pérdida de calor en los circuitos, de forma que la transferencia hacia el consumo sea lo más eficiente posible.

101


MEERR_2_3



El Reglamento de Instalaciones Térmicas de los Edificios (RITE, BOE 29 Agosto 2007), indica espesores mínimos del aislamiento tanto para conducciones interiores como exteriores, en función del diámetro exterior del tubo y de la temperatura del fluido.

Los valores se muestran en la tabla 3.12, para materiales aislantes con conductividad térmica 20ºC=0,040W/m.ºC. En el mismo documento RITE se propone una corrección para materiales con diferente conductividad.

Diámetro

exterior (mm) Temperatura máxima del fluido (ºC)

40-60 60-100 100-180 Int. Ext. Int. Ext. Int. Ext.

D≤35 25 35 25 35 30 40 35<D≤60 30 40 30 40 40 50 60<D≤90 30 40 30 40 40 50 90<D≤140 30 40 40 50 50 60

D>140 35 45 40 50 50 60

Tabla 3.12: Espesores mínimos de aislamiento de tuberías y accesorios que transportan fluidos calientes que discurren por el interior y exterior de edificios.

Fuente: RITE, 2007.

9.5. Bombas de circulación

Como ya se mencionó al introducir los diferentes tipos de instalaciones, salvo los pequeños sistemas que funcionan por convección natural o termosifón, la mayor parte disponen de bombas que garantizan la circulación del fluido y compensan las pérdidas de carga en los circuitos, que deben ser bajas.

El propio CTE obliga a instalar bombas de circulación en instalaciones que cuenten con más de 10 m2 de superficie de captación en un solo circuito primario al tener que ser éstas de tipo forzado.

Añade que en sistemas de mayor tamaño, por encima de los 50m2 de captadores, se montarán dos bombas idénticas en paralelo, dejando 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 para prolongar su tiempo de vida.

Las bombas en línea deben instalarse en las zonas más frías del circuito, esto es, en la tubería de retorno a captadores en el circuito

102



MEERR_2_3


primario. Incluso en esta zona pueden alcanzarse temperaturas de 100ºC de forma continuada, con picos sobre los 120-130ºC después de una situación de estancamiento.

Debe cuidarse que no aparezca ningún tipo de cavitación (formación de bolsas de aire, dañinas para la bomba) y siempre con el eje de rotación en posición horizontal.

Como se indica en el CTE, los materiales de la bomba del circuito primario deben ser compatibles con las mezclas anticongelantes y en general con el fluido de trabajo utilizado.

En una bomba de circulación no es posible trabajar al mismo tiempo en los valores máximos de caudal y altura de bombeo, como es normal. Las curvas características muestran los posibles puntos de trabajo (altura de bombeo frente a caudal).

En un circuito cerrado, la altura de bombeo viene determinada por las pérdidas de carga que el fluido debe superar en todo su recorrido, incluyendo tuberías (rectas y codos), caudalímetros, válvulas y cualquier otro componente.

Además, debe tenerse en cuenta que cuanto mayor es la concentración de anticongelante, mayor es su viscosidad y también son más elevadas las pérdidas de carga. Así pues, debe analizarse la operación de la bomba en las condiciones reales de operación.

Figura 3.35: Bomba de circulación centrífuga en línea, UPS 25-40. Fuente: Grundfos

103


MEERR_2_3



Se muestra un ejemplo de curva característica en la figura 3.36,

obtenida para unas condiciones de viscosidad comunes en agua con anticongelante y temperatura del fluido de sólo 0ºC. Para temperaturas inferiores la circulación se ve dificultada (arranques después de noches frías), mientras que en operación normal, con temperaturas muy superiores la circulación se facilita.

El caudal circulante está indicado por el fabricante del captador solar, siendo el necesario para poder extraer el calor absorbido por el equipo. Cuando las conexiones de los captadores son en paralelo, el caudal nominal será el igual caudal unitario de diseño multiplicado por la superficie total de captadores en paralelo.

Una evaluación de las pérdidas de carga por debajo de lo real implica que el caudal de circulación en la práctica va a ser inferior a lo esperado. En el gráfico se produce un desplazamiento del punto de

Figura 3.36: Ejemplo de curvas

características de bomba de circulación,

UPS 25-40 180. Fuente: Grundfos

104



MEERR_2_3


trabajo hacia la izquierda a lo largo de la curva característica de la figura anterior.

Si esto sucede, la extracción de calor no será suficiente, alcanzándose temperaturas por encima de lo diseñado en los captadores, que pueden resultar peligrosas para los componentes de la instalación. Asimismo, se reduce la eficiencia de la instalación.

En la siguiente tabla se muestran los principales datos técnicos de una bomba de circulación del mercado, a modo de ejemplo.

Producto

UPS Solar 25-40 180

Técnico

Altura máxima:

4 m

Clase TF

110 (TMAX)

Instalación:

Rango de temperaturas ambientes

0 .. 40 °C

Humedad relativa

95 % Presión de trabajo máxima

10 bar Diámetro de conexiones

G 11/2

Distancia entre conexiones de aspiración y descarga

180 mm

Líquido

Rango de temperatura del líquido

2 .. 110 °C

Datos eléctricos

Potencia

35 .. 55 W

Frecuencia de alimentación

50 Hz

Tensión nominal

1 x 230 V

Corriente nominal

0.16 A

IMAX

0.25 A

Otros

Peso bruto:

2.8 kg

Tabla 3.13: Datos característicos de bomba de circulación UPS 25-40 180.

Fuente: Grundfos

Además de los puntos mencionados anteriormente, el CTE limita la potencia eléctrica máxima de la bomba a instalar, de forma que no se consuma una gran cantidad de energía eléctrica para provocar la circulación del fluido. Los valores especificados son los siguientes:

105


MEERR_2_3



Sistema Potencia eléctrica de la bomba Sistema pequeño 50W o 2% de la mayor potencia calorífica que pueda

suministrar el grupo de captadores Sistemas grandes 1% de la mayor potencia calorífica que pueda

suministrar el grupo de captadores

Tabla 3.14: Potencia eléctrica máxima de la bomba, según CTE DB HE4. Fuente: Código Técnico de la Edificación

9.6. Válvulas

Las válvulas son dispositivos que se emplean para controlar o impedir la circulación del fluido por una tubería. Como todos los elementos de los circuitos hidráulicos, las válvulas deben resistir las condiciones de máxima temperatura y presión a las que se vayan a ver sometidas. Asimismo, las situadas en el circuito primario deben ser compatibles con la mezcla de agua y anticongelante que circula por él.

Existen diferentes tipos de válvulas según su función dentro de la instalación (CTE en su Documento Básico HE4):

Aislamiento o corte: siempre debe existir una válvula de corte

en la acometida de agua fría a la instalación. Además, salvo en sistemas muy pequeños, se recomienda situar válvulas a la entrada y salida de los principales equipos, de manera que se puedan realizar tareas de mantenimiento forma segura, sin tener que vaciar la instalación. En instalaciones de gran tamaño se puede aislar una parte del sistema sin parar el funcionamiento del conjunto, con los circuitos de by-pass correspondientes con válvulas de tres vías. Se recomienda el uso de válvulas de esfera.

Equilibrado de circuitos: son válvulas que introducen una pérdida de carga adicional para obtener el equilibrado de caudales en el circuito. Se recomienda el uso de válvulas de asiento.

Vaciado del circuito: por recambio del líquido degradado o por mantenimiento del circuito hidráulico puede interesar vaciar este completamente. Se recomienda el uso de válvulas de esfera o de macho.

Llenado del circuito y presurización: el llenado del circuito debe garantizar un nivel de presión adecuado y reducir la entrada de aire en lo posible. Se recomienda el uso de válvulas de esfera.

106



MEERR_2_3


Purga de aire: el aire reduce la transmisión de calor, además de dificultar la circulación del agua y provocar riesgo de cavitación en la bomba. Se recomienda el uso de válvulas de esfera o de macho.

Seguridad: son válvulas taradas a una cierta presión que permiten la salida de fluido para evitar sobrepresiones peligrosas. Deben instalarse al menos una en cada circuito cerrado de la instalación, además, en cada sección del campo de captadores y en cada acumulador, siempre en un ramal acoplado a la tubería fría del circuito correspondiente. Se recomienda el uso de válvulas de resorte.

Retención: son válvulas antirretorno, que se utilizan para evitar la circulación del fluido en un sentido no deseado, por circulación natural u otro motivo. Se recomienda el uso de válvulas de disco, de clapeta o de muelle.

Además, pueden utilizarse válvulas mezcladoras en el circuito de

consumo para asegurar que la temperatura de utilización no supera los valores de diseño y no causan daños a los usuarios.

9.7. Vasos de expansión

El vaso de expansión es un depósito acoplado al circuito hidráulico cuya función es compensar los cambios de volumen del fluido de trabajo ante variaciones de temperatura.

Cuando el fluido del circuito primario se calienta experimenta una dilatación. El aumento de volumen se recoge en el vaso. Sin un vaso de expansión, se produciría un aumento de presión hasta llegar al escape por la válvula de seguridad instalada para evitar la sobrepresión. Cuando el fluido se enfría retorna al circuito.

Al realizar su función, el vaso de expansión permite también mantener la presión del circuito dentro del rango de diseño, por encima de la presión atmosférica para evitar la entrada de aire.

Los vasos de expansión pueden ser de dos tipos, abierto o cerrados. Un vaso de expansión abierto está en contacto con la atmósfera, por lo que debe estar situado al menos 2,5 metros (según Pliego IDAE) por encima del punto más alto del circuito para evitar la entrada de aire y el rebose.

Aunque en el CTE se incluye ambos tipos de sistemas de expansión, es recomendable la instalación de vasos de expansión

107


MEERR_2_3



cerrados, sin ninguna duda en los sistemas de tamaño medio y grande, por encima de los 70kWth, que equivale a 100m2. Por ejemplo, en las Prescripciones Técnicas para las Instalaciones Solares Térmicas de la Junta de Andalucía (Abril 2007) se obliga al uso de sistemas cerrados.

Figura 3.37: Vaso de expansión abierto (izq.) y cerrado (dcha.)

Los vasos de expansión cerrados llevan un gas presurizado separado del fluido de trabajo por una membrana elástica.

Resulta obligada la instalación de un vaso de expansión en el primario, ya que no se puede permitir la fuga de fluido. También si se dispone de un circuito secundario cerrado. Es opcional, disponer de vaso de expansión en el circuito de agua de consumo, abierto, en función de las variaciones de temperatura y del rango de fuga de agua.

Como se indica en el CTE el vaso de expansión se sitúa en la

aspiración de la bomba de circulación, como se muestra en la figura 3.37. Los kits de impulsión vienen preparados para la entrada del vaso de expansión, así como del sistema de llenado/vaciado.

Figura 3.38: Tamaños de vasos de expansión solares cerrados. Fuente: Ibaiondo

108



MEERR_2_3


El dimensionado de los vasos de expansión se detalla en el tema siguiente. Debe considerarse la temperatura de trabajo, la presión y el volumen del circuito correspondiente.

9.8. Purga de aire

La entrada de aire al circuito primario resulta perjudicial para su operación. Se reduce la eficiencia del intercambio calorífico y se dificulta la circulación del fluido. Asimismo, perjudica la operación de la bomba y aumenta el riesgo de corrosión de los materiales.

Es necesario disponer los mecanismos de purga del aire que haya podido entrar en el circuito. Existen purgadores de aire de dos tipos: de accionamiento manual o automáticos.

El CTE establece los siguientes criterios para el purgador de aire:

1. “En los puntos altos de la salida de baterías de captadores 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.

2. En el caso de utilizar purgadores automáticos, adicionalmente, se colocarán los dispositivos necesarios para la purga manual.”

Añade una restricción importante referida al uso de purgadores en el circuito primario. Se debe evitar el uso de purgadores automáticos cuando se prevea la formación de vapor en el circuito.

En los demás circuitos donde se incluyan purgadores de aire automáticos, estos deben soportar, al menos, la temperatura de estancamiento del captador y en cualquier caso hasta 130 ºC en las zonas climáticas I, II y III, y de 150 ºC en las zonas climáticas IV y V.

109


MEERR_2_3



9.9. Sistema de llenado

En los sistemas con vasos de expansión abiertos se pueden utilizar dichos vasos para el llenado de la instalación.

Por el contrario, en los sistemas con vaso de expansión cerrado se debe incorporar un sistema de llenado manual o automático que permita, además presurizar el circuito, como indica el CTE en su apartado 3.4.9 del Documento Básico HE4.

El relleno del circuito primario debe realizarse de forma que se mantengan las condiciones del fluido de trabajo, normalmente agua con anticongelante a una determinada concentración. Asimismo debe evitarse la entrada de aire.

X. SISTEMA DE REGULACIÓN y CONTROL DE LA INSTALACIÓN

Junto a los sistemas de captación, acumulación, intercambio,

aporte auxiliar y a los circuitos hidráulicos, toda instalación solar térmica debe disponer de un sistema de regulación y control.

El sistema de regulación y control se encarga de asegurar el correcto funcionamiento de la instalación para proporcionar la máxima energía solar térmica posible y de la protección frente a la acción de múltiples factores como sobrecalentamientos del sistema, riesgos de congelaciones, etc.

En la sección 3.3.7 del CTE Documento Básico HE4 se especifican las funciones del sistema de control de la instalación:

1. “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, heladas etc.

2. En circulación forzada, el control de funcionamiento normal de las bombas del circuito de captadores, deberá ser siempre de tipo diferencial y, en caso de que exista depósito de acumulación solar, deberá actuar en función de la diferencia entre la temperatura del fluido portador en la salida de la

110



MEERR_2_3


batería de los captadores y la del depósito de acumulación. El sistema de control actuará y estará ajustado de manera que las bombas no estén en marcha cuando la diferencia de temperaturas sea menor de 2 ºC y no estén paradas cuando la diferencia sea mayor de 7 ºC. La diferencia de temperaturas entre los puntos de arranque y de parada de termostato diferencial no será menor que 2 ºC.

3. Las sondas de temperatura para el control diferencial se colocarán en la parte superior de los captadores 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 del intercambiador si éste fuera incorporado.

4. El sistema de control asegurará que en ningún caso se alcancen temperaturas superiores a las máximas soportadas por los materiales, componentes y tratamientos de los circuitos.

5. El sistema de control asegurará que en ningún punto la temperatura del fluido de trabajo descienda por debajo de una temperatura tres grados superiores a la de congelación del fluido.

6. Alternativamente al control diferencial, se podrán usar sistemas de control accionados en función de la radiación solar.

7. Las instalaciones con varias aplicaciones deberán ir dotadas con un sistema individual para seleccionar la puesta en marcha de cada una de ellas, complementado con otro que regule la aportación de energía a la misma. Esto se puede realizar por control de temperatura o caudal actuando sobre una válvula de reparto, de tres vías todo o nada, bombas de circulación, o por combinación de varios mecanismos.”

En la figura 3.38 se muestra la disposición del sistema de control

básico con dos tipos de actuación sobre la bomba del primario, de acuerdo con las indicaciones del CTE anteriores:

Control diferencial con sensores en la salida de los captadores

(caliente) y en la parte baja (fría) del acumulador.

Control de temperatura máxima en el acumulador, con sensor de temperatura en la parte alta (caliente).

111


MEERR_2_3



A acumulación

convencional

3000 l.

D.A.C.S.-02

3000 l.

D.A.C.S.-01

Figura 3.38: Control básico de una instalación solar. Fuente: Expert Sistemas Solares

XI. RESUMEN DEL TEMA

En este tema se describen las características básicas de las instalaciones solares y los diferentes tipos según criterios de clasificación diversos.

Se describen los principales componentes de las instalaciones, incidiendo en los requisitos que sobre cada uno de ellos establece el Código Técnico de la Edificación en su Documento Básico HE4.

En primer lugar se explican los tres mecanismos de transmisión de calor que se presentan en una instalación solar térmica: conducción, convección y radiación.

A continuación se describen los fundamentos de la generación térmica y los diferentes tipos de instalaciones.

Las siguientes secciones se dedican a los elementos que componen toda instalación solar térmica: sistema de captación, acumuladores, intercambiadores de calor, circuitos hidráulicos con todos sus componentes, sistema de generación auxiliar, para terminar con el sistema de control y regulación.

112



MEERR_2_3


En todos los casos se han descrito las funciones principales, condiciones operativas y las características técnicas fundamentales de los equipos existentes en el mercado.

Se deja para el tema siguiente todo lo relativo al dimensionado de las instalaciones.

Energía solar Instalación solar térmica de baja...

Documents

Transcript of Energía solar Instalación solar térmica de baja...