Memoria descriptiva

Trabajo Fin de Grado
Memoria Descriptiva
Instalación de energía solar para producción de ACS en una
RESIDENCIA DE ESTUDIANTES
AUTOR: Alejandro Berro Ramírez
TUTOR: José Júlio Guerra Macho
INSTALACIÓN DE ENERGÍA SOLAR PARA PRODUCCIÓN DE
ACS
Memoria Descriptiva
ÍNDICE
1. INTRODUCCIÓN.......................................................................................................... 5
1.1. PETICIONARIO ............................................................................................................ 5
1.2. ANTECEDENTES Y DESCRIPCIÓN DEL PROYECTO ........................................... 5
1.3. OBJETO ......................................................................................................................... 5
1.4. JUSTIFICACIÓN DE USO............................................................................................ 5
RADIACIÓN SOLAR ...................................................................................................... 6
INTRODUCCIÓN A LA ENERGÍA SOLAR TÉRMICA PARA ACS ...................... 6
DESCRIPCIÓN DE UNA INSTALACIÓN SOLAR TÉRMICA ................................ 8
1.5. ESQUEMA ..................................................................................................................... 8
1.6. SISTEMA DE CAPTACIÓN SOLAR ......................................................................... 10
1.6.1. TIPO DE CAPTADORES SOLARES ................................................................. 10
1.6.2. CAPTADOR SOLAR PLANO Y DE TUBOS DE VACÍO ................................ 10
1.6.2.1. CAPTADOR SOLAR PLANO: COMPONENTES Y FUNCIONAMIENTO .. 11
1.6.2.2. CLASIFICACIÓN Y PÉRDIDAS DEL CAPTADOR....................................... 14
1.6.2.3. RENDIMIENTO DEL CAPTADOR.................................................................. 16
1.6.2.4. CAPTADOR DE PANEL DE TUBOS DE VACÍO........................................... 18
1.6.3. CONEXIÓN ENTRE CAPTADORES ................................................................ 20
1.6.4. DISTANCIA MÍNIMA ENTRE CAPTADORES Y SOMBRAS ....................... 23
1.6.5. ORIENTACIÓN E INCLINACIÓN .................................................................... 26
1.6.5.1. IMPLANTACIÓN DE CAPTADORES EN CUBIERTA ................................. 29
1.7. EL ACUMULADOR .................................................................................................... 30
1.7.1. TIPOLOGÍA DE ACUMULADORES ................................................................ 31
1.7.2. FUNCIONAMIENTO Y DISEÑO ...................................................................... 33
1.7.3. CONEXIÓN ENTRE ACUMULADORES ......................................................... 34
1.8. EL INTERCAMBIADOR DE CALOR ....................................................................... 36
1.8.1. TIPOS DE INTERCAMBIADORES ................................................................... 36
1.8.2. PARÁMETROS CARACTERÍSTICOS .............................................................. 38
1.9. SUBSISTEMA DE APOYO: ENERGÍA AUXILIAR ................................................ 39
1.10.
CIRCUITO HIDRÁULICO .............................................................................. 40
1.10.1. CIRCUITO PRIMARIO SOLAR......................................................................... 40
1.10.2. CIRCUITO SECUNDARIO SOLAR .................................................................. 40
1.10.3. FLUIDO CALOPORTADOR .............................................................................. 40
1.10.4. TUBERÍAS........................................................................................................... 41
1.10.5. AISLAMIENTO ................................................................................................... 42
1.10.6. BOMBA DE CIRCULACIÓN ............................................................................. 43
1.10.7. VASO DE EXPANSIÓN ..................................................................................... 44
1.10.7.1. MÉTODO DE CÁLCULO PARA VASO DE EXPANSIÓN .......................... 45
1.10.8. PURGADOR DE AIRE ....................................................................................... 48
1.10.9. SISTEMA DE LLENADO Y VACIADO............................................................ 49
1.10.10.VÁLVULAS......................................................................................................... 49
1.10.11.ACCESORIOS HIDRÁULICOS ......................................................................... 52
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INSTALACIÓN DE ENERGÍA SOLAR PARA PRODUCCIÓN DE
ACS
1.11.
Memoria Descriptiva
SISTEMA DE REGULACIÓN Y CONTROL ................................................. 53
MÉTODO F-Chart ......................................................................................................... 56
1.12.
1.13.
1.14.
1.15.
CORRECCIÓN POR ALMACENAMIENTO.................................................. 58
CORRECCIÓN POR INTERCAMBIADOR.................................................... 59
CORRECCIÓN POR CONSUMO DE ACS..................................................... 60
METODOLOGÍA DE CÁLCULO ................................................................... 60
JUSTIFICACIÓN Y ELECCIÓN DE EQUIPOS ....................................................... 61
1.16.
1.17.
1.18.
1.19.
1.20.
1.21.
1.22.
1.23.
1.24.
1.25.
1.26.
ELECCIÓN DEL SISTEMA............................................................................. 62
FUNCIONAMIENTO DEL SISTEMA ............................................................ 63
DEMANDA DE ENERGÍA TÉRMICA ........................................................... 63
ZONA CLIMÁTICA Y RADIACIÓN SOLAR................................................ 65
SUBSISTEMA DE CAPTACIÓN .................................................................... 65
SUBSISTEMA DE ACUMULACIÓN ............................................................. 66
SUBSISTEMA DE TERMOTRANSFERENCIA ............................................ 67
FRACCIÓN DE COBERTURA SOLAR MENSUAL ..................................... 67
FRACCIÓN DE COBETURA SOLAR ANUAL ............................................. 68
CIRCUITO HIDRÁULICO .............................................................................. 69
SUBSISTEMA DE ENERGÍA AUXILIAR ..................................................... 71
CUMPLIMIENTO DE LA NORMATIVA .................................................................. 73
1.27.
CUMPLIMIENTO DEL CTE HE4 ................................................................... 73
INFORMACIÓN TÉCNICA DE EQUIPOS ................................................................ 77
1.28.
1.29.
1.30.
1.31.
1.32.
1.33.
CAPTADOR...................................................................................................... 77
INTERACUMULADOR SOLAR ..................................................................... 79
BOMBA DE RECIRCULACIÓN ..................................................................... 82
INTERACUMULADOR CONVENCIONAL .................................................. 84
CALDERA DE APOYO ................................................................................... 87
SISTEMA DE CONTROL DE CAPTADORES .............................................. 90
BIBLIOGRAFÍA........................................................................................................... 101
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INSTALACIÓN DE ENERGÍA SOLAR PARA PRODUCCIÓN DE
ACS
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INDICE DE ILUSTRACIONES
Ilustración 1: Esquema de una instalación solar térmica para ACS .............................................. 9
Ilustración 2: Circulación directa sin bomba o por termosifón ................................................... 10
Ilustración 3:Circulación indirecta con bomba o por circulación forzada .................................. 11
Ilustración 4: Componentes de un captador solar plano.............................................................. 12
Ilustración 5: Superficies de un captador solar plano.................................................................. 14
Ilustración 6: Intercambios energéticos de un captador solar plano............................................ 16
Ilustración 7: Pérdidas de un captador solar plano ...................................................................... 17
Ilustración 8: Curva de rendimiento de dos captadores solares .................................................. 19
Ilustración 9: Captador de panel de tubos de vacio ..................................................................... 20
Ilustración 10: Conexión en serie de captadores ......................................................................... 22
Ilustración 11: Conexión en paralelo de captadores .................................................................... 22
Ilustración 12: Conexión en serie de dos baterías de captadores ................................................ 22
Ilustración 13: Conexión en paralelo de dos baterías de captadores ........................................... 23
Ilustración 14: Conexión de baterías en retorno invertido .......................................................... 24
Ilustración 15: Distancia entre baterías de captadores ............................................................... 25
Ilustración 16: Pérdidas por orientación e inclinación ................................................................ 27
Ilustración 17: Movimiento que describe el Sol.......................................................................... 27
Ilustración 18: Pérdidas máximas con respecto a la inclinación óptima ..................................... 28
Ilustración 19: Pérdida de energía con respecto a varias inclinaciones....................................... 29
Ilustración 20: Cubierta mediante bancada de hormigón ............................................................ 30
Ilustración 21: Apoyo para captadores VIESSMANN................................................................ 31
Ilustración 22: Tipos de Acumuladores ...................................................................................... 34
Ilustración 23: Esquema de Acumulador .................................................................................... 36
Ilustración 24: Conexión entre captadores .................................................................................. 36
Ilustración 25: Intercambiador de placas .................................................................................... 39
Ilustración 26: Intercambiador de carcasa y tubos ...................................................................... 39
Ilustración 27: Esquema vaso de expansión ................................................................................ 46
Ilustración 28: Ejemplo comportamiento vaso de expansión con la temperatura ...............¡Error!
Marcador no definido.
Ilustración 29: Dispositivo de llenado ......................................................................................... 47
Ilustración 30: Válvula de corte .................................................................................................. 49
Ilustración 31: Válvula de seguridad ........................................................................................... 49
Ilustración 32:Válvula de Regulación ......................................................................................... 50
Ilustración 33:Válvula termostática ............................................................................................ 51
Ilustración 34: Esquema de sistema de control ........................................................................... 54
Ilustración 35: Gráfico método F-Chart ...................................................................................... 56
Ilustración 36: Factor de corrección por almacenamiento .......................................................... 57
Ilustración 37: Corrección por intercambiador ........................................................................... 58
Ilustración 38: Esquema instalación centralizada ....................................................................... 61
Ilustración 39: Demanda ACS de la instalación.......................................................................... 63
Ilustración 40 :Demanda de Energía térmica de la instalación ................................................... 63
Ilustración 41: Radiación solar en superficie inclinada............................................................... 64
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INSTALACIÓN DE ENERGÍA SOLAR PARA PRODUCCIÓN DE
ACS
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Ilustración 42: Comparativa de captadores solares planos para elección.................................... 65
Ilustración 43: Fracción de la cobertura mensual de la demanda de energía térmica ................. 66
Ilustración 44: Resumen cobertura solar mensual, demanda de energía térmica y apoyo auxiliar
..................................................................................................................................................... 67
Ilustración 45: Gráfica resumen de cobertura solar..................................................................... 67
Ilustración 46: Pérdida de carga en circuitos hidráulicos ............................................................ 68
Ilustración 47: Tuberías forradas de aluminio............................................................................. 69
Ilustración 48: Esquema de la Instalación ................................................................................... 71
Ilustración 49: Resumen de la Instalación................................................................................... 72
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INSTALACIÓN DE ENERGÍA SOLAR PARA PRODUCCIÓN DE
ACS
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1. Introducción
1.1 Peticionario
La supervisión y tutela de este proyecto la ha realizado Don José Julio Guerra Macho,
profesor del departamento de Termotécnia de la Escuela Técnica Superior de Ingenieros.
1.2 Antecedentes y Descripción del edificio
El presente proyecto se realiza cumpliendo la normativa de instalaciones de energía
solar térmica para dotar de agua caliente sanitaria a una residencia de estudiantes, usando esta
agua para baños, duchas, cocinas etc.
La instalación se llevará a cabo, como hemos dicho, en una residencia de estudiantes
situada en la provincia de Sevilla. Este edificio cuenta con suministro de agua, luz y
alcantarillado. Su ubicación la he decidido yo ya que la empresa que proporciona los planos
para la realización del proyecto no nos la ha facilitado. Luego la sitúo en una parcela con
suficiente área para albergar la construcción de dicha instalación y la cual queda definida en los
planos del proyecto. Su localización es Carretera de Utrera Nº 1, junto al hipermercado
Carrefour.
1.3 Objeto
El objeto del presente proyecto es la instalación de energía solar térmica para la
producción de agua caliente sanitaria (ACS) para un edificio cuyo uso es el de residencia para
estudiantes. Este edificio cuenta con tres plantas y sótano. El agua caliente se usará en los
cuartos de baños, donde existirán duchas, lavabos, retretes, etc. y electrodomésticos como
lavaplatos, fregaderos etc. En los planos de este edificio no aparecen calderas convencionales
para la producción de ACS, luego calcularé y elegiré el sistema convencional de calderas de
acuerdo con la normativa así como el depósito de acumulación convencional de ACS. Todo el
sistema de distribución convencional de ACS como bombas, tuberías, etc. se considera
existentes en nuestra instalación.
Todo el diseño y cálculo de la instalación se ha llevado a cabo acorde con la normativa
del Reglamento de Instalaciones Térmicas en la Edificación (RITE) y el Código Técnico de la
Edificación (CTE).
1.4 Justificación de uso
Usar este tipo de energías trae consigo ventajas al consumidor final tanto económicas
como desde el punto de vista ambiental.
Un parámetro importante que se ha tenido en cuenta en la incorporación de esta
tecnología al edificio es la situación geográfica, es decir, en este caso la provincia de Sevilla
siendo una de las zonas con mejores características para el uso de la energía solar dado que
cuenta con un número de horas de sol al año relevante.
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INSTALACIÓN DE ENERGÍA SOLAR PARA PRODUCCIÓN DE
ACS
Memoria Descriptiva
Usando el sol como fuente de energía, los costes para producir agua caliente se verán
reducidos una vez se amortice la inversión. Para ello se tendrá en cuenta la elección de
materiales cuya vida útil sea lo más larga posible haciendo la inversión más rentable.
Por otro lado, el medio ambiente se mejorará con la utilización de este tipo de sistemas,
porque se reducen emisiones de CO2, y además se evitan riesgos derivados del uso de otras
energías que no son consideradas limpias.
2. Radiación Solar
Como una forma habitual de medir la energía, o bien la potencia, que recibimos del sol
generalmente se emplea el término de radiación solar.
La radiación del sol, que se define como la energía procedente del sol en forma
de ondas electromagnéticas, se compone principalmente de dos tipos: radiación directa
y radiación difusa.
La primera es la que llega a la superficie terrestre directamente desde el sol,
mientras que la difusa es la parte de la radiación que resulta después de la interacción
con los componentes atmosféricos. Así, en un día despejado casi toda la radiación
recibida es del tipo directa, mientras que en un día nublado será radiación difusa.
De esta forma, se tiene la "irradiancia" (E) que define la potencia incidente de la
radiación solar sobre la unidad de superficie, expresándose en el Sistema Internacional
de Unidades (S.I.) en W por metro cuadrado (W/m2).
En instalaciones solares fotovoltaicas se suele emplear el concepto "horas de sol
pico" como una forma de medir el aprovechamiento de la energía solar por efecto
fotoeléctrico y que representa las horas de sol disponibles a una hipotética irradiancia
solar constante de 1000 W/m2.
Pero si se quiere definir la radiación solar en términos de energía, entonces se
emplea el concepto de "irradiación", que se define como la energía solar incidente
sobre una superficie por unidad de superficie y a lo largo de un cierto período de
tiempo. La irradiación en el Sistema Internacional de Unidades se mide en kWh/m2.
3. Introducción a la Energía solar Térmica para ACS
Una de las formas de aprovechamiento directo de la energía solar es la que se consigue
empleando una instalación termosolar, donde la energía radiante del sol se transforma en
energía térmica, es decir, calor para generar agua caliente sanitaria (ACS) destinada al consumo
humano (agua que es potable).
A esta tecnología se le conoce también como conversión térmica a baja
temperatura, dada que el rango de temperaturas máximas que alcanza el fluido que
forma parte del sistema se sitúa en torno a los 100 ºC (T<100 ºC).
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INSTALACIÓN DE ENERGÍA SOLAR PARA PRODUCCIÓN DE
ACS
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Al principio, durante años se permitieron las instalaciones directas de circuito
abierto, es decir, aquellas donde el agua de red era también el fluido primario que pasa
por los captadores solares para ser calentada, y luego ser consumida por el usuario como
agua caliente. Sin embargo, su uso ha venido presentando ciertas limitaciones e
inconvenientes en su funcionamiento, higiene y durabilidad, hasta que en la actualidad
casi ninguna legislación nacional lo permite.
Lo más común es emplear sistemas termosolares de circuitos cerrados e
independientes (al menos dos, un circuito primario y otro secundario), donde el agua de
consumo no pasa directamente por los colectores solares, sino que es un fluido
caloportador el que circula por el circuito primario pasando por los captadores solares
para ganar energía térmica, y posteriormente, a través de un intercambiador de calor,
ceder el calor al agua de consumo que forma parte de un circuito secundario e
independiente. Por tanto, ambos fluidos, fluido caloportador de trabajo y el agua de red,
nunca se mezclan.
De esta manera, todo sistema termosolar estará constituido, al menos en la
versión más simplificada, por dos circuitos independientes: un circuito primario por
donde va el fluido de trabajo caloportador (realmente es un líquido anticongelante para
resistir las heladas del exterior) que al pasar por una batería de tubos situados dentro de
los captadores solares, se calienta y aumenta su temperatura por la radiación solar
recibida.
Posteriormente el circuito primario llega hasta un intercambiador, que en los
sistemas más sencillos se encuentra en el interior de un depósito acumulador (en otros
casos el intercambiador es de tipo externo al depósito acumulador).
En el caso de un intercambiador interno, éste se trata de un serpentín de tubos de
cobre, que actúa como un intercambiador de calor, por donde circula el fluido
caloportador y cede parte de ese calor ganado al agua contenida en el depósito
acumulador, que proviene de la red de abastecimiento de agua, la cual se irá calentando.
Por tanto, es en el interior del acumulador, mediante el empleo de un
intercambiador de calor, donde se produce la transferencia de calor entre el líquido
anticongelante calentado en las placas solares y el agua de consumo, que una vez
caliente, se usará en nuestra vivienda. Esta agua caliente del acumulador pasará al
circuito secundario, que mediante la instalación interior de la vivienda se distribuirá a
cada punto de consumo.
En caso que el agua contenida en el acumulador no alcance la temperatura de
uso deseada (por falta de radiación suficiente, por ejemplo), entrará en funcionamiento
automáticamente un sistema auxiliar de apoyo (caldera de gas o termo eléctrico) que se
encarga de generar el calor complementario. Todo el proceso es automático y vigilado
por un sistema de control que será necesario instalar.
El agua caliente que se obtiene en una instalación termosolar se emplea en los
edificios para usos sanitarios (baños, duchas, etc.) y para otros usos de limpieza
(fregado de platos, lavadora, lavavajillas, fregado de suelos, etc.), de ahí que las
instalaciones termosolares sean de gran aplicación en viviendas y en otras edificaciones
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INSTALACIÓN DE ENERGÍA
ENERG SOLAR PARA PRODUCCIÓN DE
ACS
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tales como hoteles, hospitales, comedores y restaurantes, vestuarios y en general en
edificios donde el uso del agua caliente sea necesario.
4. Descripción de una instalación solar térmica
4.1 Esquema
La producción de agua caliente sanitaria mediante la utilización de energía solar y
apoyo auxiliar puede realizarse siguiendo diferentes esquemas de principio. No obstante, en
todos ellos pueden identificarse las siguientes partes esenciales:
-
Un subsistema de captación
Un subsistema de intercambio y acumulación
Un subsistema de apoyo
Finalmente existen unos elementos de regulación que se encargan de hacer actuar los
diferentes componentes de la instalación de forma adecuada, con la finalidad de garantizar la
calidad del servicio
vicio de agua caliente aprovechando al máximo la energía solar disponible.
Básicamente el esquema de una instalación solar térmica de baja temperatura para ACS
es el siguiente:
Ilustración 1:
1 Esquema de una instalación solar térmica para ACS
En esta imagen se pueden apreciar los elementos fundamentales de la instalación. El
agua proviene de la red de distribución y se caliente a su paso por los captadores solares. Esta
agua calentada se almacena en el depósito y de ahí se distribuirá
distribuirá para su posterior consumo.
consumo
Para la producción de ACS existen dos configuraciones básicas:
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INSTALACIÓN DE ENERGÍA
ENERG SOLAR PARA PRODUCCIÓN DE
ACS
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1. Circulación directa sin bomba o por termosifón:
termosifón: en este tipo de
instalaciones el movimiento del fluido de trabajo se produce por variaciones de
densidad del mismo, debido a las fluctuaciones en temperatura del fluido (convección
natural).
Ilustración 2: Circulación directa sin bomba o por termosifón
2. Circulación indirecta con bomba o por circulación forzada:
forzada en este tipo
de instalaciones el movimiento del agua se produce por la utilización de una bomba
de trabajo.
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INSTALACIÓN DE ENERGÍA SOLAR PARA PRODUCCIÓN DE
ACS
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Ilustración 3:Circulación indirecta con bomba o por circulación forzada
4.2 Sistemas de captación solar
El sistema de captación es el elemento de la instalación encargado de captar la energía
proveniente del Sol y transmitírsela al fluido caloportador. Es el componente principal de una
instalación solar térmica
4.2.1 Tipos de Captadores Solares
Un captador solar, también llamado colector solar, es cualquier dispositivo diseñado para
recoger la energía radiada por el sol y convertirla en energía térmica. Los colectores se dividen
en dos grandes grupos: los captadores de baja temperatura (alcanza un máximo de 50 ºC),
usados fundamentalmente en sistemas domésticos de calefacción y ACS, y los colectores de alta
temperatura (alcanza un máximo de 150 ºC), conformados mediante espejos, y utilizados
generalmente para producir vapor que mueve una turbina que generará energía eléctrica.
Los tipos fundamentales de captadores son:
-
-
Captador solar plano: consistente en una caja plana metálica por la que circula el
fluido que se calienta a su paso por el panel, puede ser a su vez protegido o no
protegido.
Panel de tubos de vacío: donde la superficie captadora está aislada del exterior por
un doble tubo de vidrio que crea una cámara de vacío. 196 % más eficientes que los
captadores planos por su forma cilíndrica que hace siempre recibir siempre los rayos
perpendicularmente.
4.2.2 Captador Solar Plano y de Tubos de vacío
Un captador solar plano, también llamado colector solar o panel solar térmico, es un
dispositivo que sirve para aprovechar la energía de la radiación solar, transformándola en
energía térmica de baja temperatura para usos domésticos o comerciales (calefacción, agua
caliente, y climatización de piscinas, fundamentalmente).
Estos captadores constan principalmente de una cubierta transparente, de un absorbedor
metálico, de material aislante y de una caja o carcasa exterior que contiene los elementos
anteriores. Además incluye conexiones para tuberías, que circulan dentro del captador.
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INSTALACIÓN DE ENERGÍA SOLAR PARA PRODUCCIÓN DE
ACS
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4.2.2.1 Captador Solar Plano: Componentes y Principio de Funcionamiento
Ilustración 4: Componentes de un captador solar plano
Convertidor de Energía:
En caso del colector de líquido el convertidor se compone de placa absorbente y
conductos de fluido térmico. En el caso del colector de aire el convertidor es la placa
absorbente. La placa absorbente intercepta la radiación solar que deja pasar la cubierta y la
transforma en calor. En los colectores sin cubierta la radiación alcanza directamente, a través del
aire contenido en el conducto, la placa absorbente. En los colectores de líquido el convertidor
está constituido por una placa plana en la que se han insertado una red de conductos por las que
circula el fluido térmico. Al chocar la radiación con la placa se transforma en calor. Este calor
se transfiere después al fluido térmico que circula por los conductos. Los materiales más usados
son para construir la placa y sus conductos son el cobre y el acero inoxidable, por sus buenas
propiedades térmicas, resistencia a La corrosión, etc.
Si el fluido circula por una única tubería que lo distribuye por toda la placa se denomina
en serie (como un serpentín). Si existen dos conductos, uno de entrada y otro de salida que se
conectan con unos cuantos tubos que circulan por la placa, se denomina en paralelo. Debe
presentar un buen equilibrado hidráulico, el cual debe ser el mismo a través del absorbedor para
12
INSTALACIÓN DE ENERGÍA SOLAR PARA PRODUCCIÓN DE
ACS
Memoria Descriptiva
que no disminuya el rendimiento del mismo. También debe producirse la circulación del fluido
en régimen turbulento, para que la transferencia de calor sea más favorable.
La radiación interceptada por la cubierta se transmite y alcanza la placa absorbente del
convertidor, transformándose en calor. Como es sabido, el cuerpo que absorbe más radiación es
el cuerpo negro. Por lo tanto es conveniente que la cubierta tienda a comportarse como un
cuerpo negro para así aumentar su capacidad de absorción de la radiación. Esto se tiene en
cuenta al elegir el tipo de recubrimiento del convertidor para que su coeficiente de absorción α
sea del orden de 0,9-0,95. Debido a que la placa del convertidor alcanza temperaturas
ligeramente altas, se convierte en emisora de radiación que es energía perdida. Para minimizar
estas pérdidas y para aumentar la absorción de radiación, se usan los denominados
recubrimientos selectivos que suelen estar formados por una capa delgada de óxido metálico,
de color negro, con baja emisividad de radiación térmica y gran coeficiente de absorción. La
superficie selectiva con mejores resultados se ha desarrollado depositando una capa de níquel
sobre el absorbedor y sobre ésta una capa de óxido de cromo extremadamente fina. El
coeficiente de absorción de las superficies selectivas ronda el 0,95 y el de emisividad 0,1.
La mayoría de los captadores solares presentes en el mercado español tienen una
. En este punto debe tenerse en cuenta que existen
superficie comprendida entre 1,5 y 2,5
diferentes definiciones para el área de una captador solar.
-
La superficie del absorbedor: es el área máxima de la superficie del absorbedor.
La superficie de apertura: es el área máxima del captador por la que penetra la
radiación solar perpendicular al captador.
La superficie total: es el área máximo de proyección del captador completo, sin
incluir los soportes y tubos de conexión hidráulica.
Tal y como se ve en la siguiente figura la superficie de apertura es, en general, algo
inferior a la superficie total, y mayor que la superficie del absorbedor. En captadores planos con
cubiertas de vidrio, estas diferencias pueden ser del orden del 5 al 10 %.
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INSTALACIÓN DE ENERGÍA SOLAR PARA PRODUCCIÓN DE
ACS
Memoria Descriptiva
Ilustración 5: Superficies de un captador solar plano
Aislamiento Térmico:
Al encontrarse el convertidor a una temperatura superior a la del ambiente, se transfiere
de forma espontánea calor a la atmósfera. La emisión de calor por la cara que recibe la radiación
es mitigada por el efecto invernadero. Para reducir la emisión de calor por la cara posterior se
instala una lámina de asilamiento térmico, de 4 cm o 5 cm de espesor, entre la cara posterior y la
caja. El aislamiento cumple la función de disminuir las pérdidas de calor desde el convertidor
hasta el ambiente que lo rodea.
La capacidad para impedir que el calor se fugue depende de las propiedades físicas del
aislante. Las principales son: conductividad térmica, densidad aparente, comportamiento ante la
humedad, estabilidad térmica, etc.
Actualmente los materiales aislantes más utilizados son la lana de roca, la lana mineral y
la fibra de vidrio. Además se usan paneles laminados de poliuretano rígido expandido
combinado con lana mineral para así poder soportar las elevadas temperaturas.
Caja:
La caja aloja el conjunto de componentes que constituyen el colector. Su función
principal es asegurar la estanquidad del colector ya que si no podría originar pérdidas por fugas
de calor y también impedir que entre humedad si hay componentes que se dañen con ella.
Además se evita el contacto con contaminantes que puedan corroer el entrar en contacto con el
convertidor. Si hay humedad dentro, puede empañar los cristales haciendo disminuir la
transmitancia de los cristales y reduciendo el flujo de radiación disminuyendo con ello el
rendimiento del colector.
La caja tiene que aguantar las condiciones corrosivas a las que es sometido por parte de la
atmósfera. Ha de ser duradera y soportar el paso del tiempo con el mínimo deterioro posible.
Suele ser de acero galvanizado con tratamiento de anodizado.
Cubierta Transparente:
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La cubierta del colector es transparente y cumple una doble misión. La primera, atenuar
las pérdidas de calor del convertidor impidiendo, en lo posible, el paso de la radiación que éste
emite; la segunda, evitar que el aire exterior esté en contacto con el convertidor provoque
pérdidas por convección.
La atenuación de las pérdidas de calor por radiación desde la superficie del absorbedor
puede lograrse aprovechando el “efecto invernadero”. Este efecto se consigue al crearse dos
ambientes: uno interior, cerrado por la superficie transparente de vidrio, también puede
utilizarse el plástico, y otro exterior. La radiación solar que llega del exterior se transmite a
través de la superficie transparente y se propaga hasta el recinto interior, donde es interceptada
en la superficie del convertidor. Al chocar la radiación se transforma en calor y la placa eleva su
temperatura. Al aumentar su temperatura la placa absorbente emite radiación en una longitud de
onda mayor, con menor energía, y esta radiación interior no se transmite al exterior a través de
la cubierta transparente. En consecuencia queda atrapada entre la placa y la cubierta, efecto
pretendido que facilita la transmisión de la radiación solar pero no permite la transmisión de la
radiación de origen térmico desde la placa hacia el exterior.
Las cubiertas pueden ser de vidrio o de plástico aunque este último material tiene el
inconveniente de perder sus propiedades ante los rayos ultravioleta y de ser blando que permite
su fácil rayado. Las ventajas son que es más barato y ligero. La distancia aconsejable entre el
absorbedor y la cubierta es de 25-40 mm. El problema del vidrio es su fragilidad pero las
cubiertas actuales son de vidrio templado que solventan en parte este problema.
Un vidrio de ventana normal, para un ángulo de incidencia perpendicular, refleja un 10%
de la radiación. Un típico cristal de 0,03 m de espesor absorbe entre un 1% y un 5%, siendo el
2% el valor medio. La transmitancia normal para una cubierta es de un 88%, es decir, que deja
pasar un 88% de la energía solar incidente.
4.2.2.2 Clasificación y Pérdidas de Captadores Solares Planos
Según el número de cubiertas:
1.
2.
3.
Sin cubierta
Una cubierta
Varias cubiertas
Según el material de la cubierta:
1. Vidrio
2. Plástico
Según el tipo de superficie absorbente:
1.
2.
Con superficie selectiva
Con superficie negra
Según el material de la superficie absorbente:
1. Cobre
2. Acero
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INSTALACIÓN DE ENERGÍA
ENERG SOLAR PARA PRODUCCIÓN DE
ACS
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3. Aluminio
4. Caucho
Según la disposición de los tubos:
1. Serpentín
2. Parrilla
3. Placa
Según el fluido de trabajo:
1. Captadores de Agua
2. Captadores de Aire
Los principales intercambios energéticos de un captador solar plano se recogen a
continuación en la siguiente figura
Ilustración 6:
6 Intercambios energéticos de un captador solar plano
De donde se pueden deducir las siguientes pérdidas:
-
-
Pérdidas ópticas: por reflexión del 4-6
4 6 % de la irradiancia incidente, dependiendo del
tipo de vidrio. Si la cubierta transparente no es vidrio, la reflexión puede ser muy
diferente.
Pérdidas térmicas: básicamente
básicamente las mayores pérdidas térmicas en un captador solar se
producen por la cara anterior (cubierta transparente) en aproximadamente un 80% del
total de las pérdidas. El resto por la cara posterior y los laterales dependiendo del
aislamiento térmico que
que se incorpore y de las condiciones de temperatura y velocidad
del viento exterior.
16
INSTALACIÓN DE ENERGÍA
ENERG SOLAR PARA PRODUCCIÓN DE
ACS
Memoria Descriptiva
En la siguiente figura se puede observar aproximadamente los porcentajes de los flujos
energéticos en un captador solar. Se calcula aproximadamente que un 60 % de la radiación
radiac
solar
es aprovechada por el absorbente. El 40% restante se pierde por diferentes fenómenos.
Ilustración 7: Pérdidas de un captador solar plano
17
INSTALACIÓN DE ENERGÍA SOLAR PARA PRODUCCIÓN DE
ACS
Memoria Descriptiva
4.2.2.3 Rendimiento del Captador
El rendimiento de un captador solar se define como el cociente entre la cantidad de
energía que se obtiene (es decir, el calentamiento que experimenta el agua o fluido caloportador
que circula por su interior) y la cantidad de energía recibida (es decir, la radiación solar
incidente sobre el captador). Siendo
la cantidad de energía entregada al fluido caloportador
y
la cantidad de energía procedente de la radiación solar, el rendimiento η se podría expresar
del siguiente modo:
y
en función de la temperatura del agua, la
Desarrollando las expresiones de
temperatura ambiente, la radiación recibida y los factores que determinan las pérdidas térmicas
y ópticas, el rendimiento de un captador solar puede expresarse del siguiente modo:
Siendo:
-
η:
:
:
:
:
:
Rendimiento del captador
Factor de eficiencia óptica
Coeficiente global de pérdidas, en
Temperatura de entrada del captador
Temperatura ambiente exterior en K
Intensidad de la radiación solar incidente en el plano del captador, en
Si se admite que los coeficientes de
y
son constantes, la representación
gráfica de la expresión anterior es una recta, donde la ordenada en el origen
, indica el
rendimiento del captador considerando solamente el valor de las pérdidas ópticas y la
, es indicativa de las pérdidas térmicas, que dependen de la temperatura de
pendientes
entrada del fluido al captador.
En definitiva, el comportamiento energético de un captador se puede caracterizar con un
par de coeficientes
y
de los cuales el primero se expresa en
y el segundo es
adimensional.
La determinación de los coeficientes característicos de los captadores solares se realiza
mediante un ensayo normalizado efectuado en el laboratorio. El fabricante o distribuidor de los
captadores dispone de esta información y debe facilitarla al proyectista.
La mayor parte de los captadores solares presentes en el mercado español tienen unos
coeficientes característicos comprendidos entre los siguientes límites:
-
Factor de eficiencia óptica
Coeficiente global de pérdidas
:
:
entre 0,65 y 0,82
entre 4,0 y 8,0
18
INSTALACIÓN DE ENERGÍA SOLAR PARA PRODUCCIÓN DE
ACS
Memoria Descriptiva
Para un mismo captador solar, los coeficientes característicos son diferentes si están
referidos a la superficie de apertura, del absorbedor o la superficie total. Por tanto, no basta solo
con conocer los coeficientes característicos del captador sino que es necesario saber a qué
superficie están referidos. Normalmente se utiliza la superficie de apertura como referencia para
la obtención de los coeficientes característicos del captador solar. Cuanto mayor sea el factor de
eficiencia óptica y menor su coeficiente global de pérdidas, mejor será su rendimiento.
A modo de ejemplo se pueden comparar las curvas de rendimiento de dos captadores
solares.
Ilustración 8: Curva de rendimiento de dos captadores solares
Como se puede comprobar, a medida que las condiciones de trabajo del captador son más
desfavorables, mayor salto de temperatura
y menor radiación incidente, el
rendimiento del captador solar disminuye. Esta disminución es más acusada para captadores que
tiene un elevado coeficiente global de pérdidas
.
19
INSTALACIÓN DE ENERGÍA
ENERG SOLAR PARA PRODUCCIÓN DE
ACS
Memoria Descriptiva
4.2.2.4 Captador de panel de tubos de vacío
Los colectores solares de tubos de vacío están formados por hileras paralelas de
tubos de vidrio transparente. Cada tubo contiene a su vez otro tubo interior de absorción
recubierto con pintura selectiva para mejorar la absorción de calor, por donde circula
circul el
líquido caloportador.
Ilustración 9: Captador de panel de tubos de vacio
Este tipo de captador incluye una innovación respecto a los paneles solares planos
convencionales, que consiste en hacer el vacío en el espacio que
que queda entre el cristal
protector del tubo exterior y la superficie absorbente del tubo interior.
Con este cambio se consigue eliminar las pérdidas por convección interna, dado
que se elimina el aire que pueda transferirlas, por lo que se puede aumentar así la
temperatura de trabajo y el rendimiento de la instalación.
Los tubos de vacío están compuestos por un doble tubo de vidrio, entre cuyas
paredes se hace un vacío muy elevado (en torno a 0,005 Pa) con objeto de minimizar las
pérdidas de calor por conducción
nducción y convención. La superficie de vidrio del tubo interior
suele llevar un recubrimiento selectivo a base de metal pulverizado para aumentar la
absorción de la radiación. Las dimensiones de los tubos son similares a las de un tubo
fluorescente, en torno
rno a los 60 mm de diámetro y 180 cm de largo.
En un captador de vacío, la radiación solar atraviesa el tubo exterior de vidrio,
incide en el tubo de absorción interior y se transforma en calor. El calor se transfiere al
líquido que fluye dentro del tubo interior
i
a través de sus paredes.
Estos, captadores permiten calentar agua hasta temperaturas de 110 ºC, hecho que
posibilita la utilización de sistemas de distribución de calor convencionales en
aplicaciones de calefacción con agua.
20
INSTALACIÓN DE ENERGÍA SOLAR PARA PRODUCCIÓN DE
ACS
Memoria Descriptiva
Además, por la propia configuración de los tubos de vacío que componen el
colector solar, éstos son capaces de capturar la radiación difusa, incluso de días
nublados, llegando a calentar el agua a niveles aceptables.
Este tipo de colector trabaja mediante el sistema antilegionela, dado que el agua
que recorre los tubos y se almacena en la parte alta del colector nunca se mezcla con el
agua caliente sanitaria (ACS) de consumo, sino que el agua de consumo circula por el
interior del depósito superior del colector gracias a un serpentín de cobre que actúa
como intercambiador de calor.
Otra característica de los colectores solares de vacío es que permiten adaptarse
mejor a aquellos casos donde no es posible una instalación con la inclinación u
orientación óptima, mejorando el rendimiento respecto a los colectores solares planos.
Esta propiedad hace que los captadores de tubos de vacío puedan integrarse aún mejor
en la arquitectura de los edificios que en cada caso será diferente.
21
INSTALACIÓN DE ENERGÍA
ENERG SOLAR PARA PRODUCCIÓN DE
ACS
Memoria Descriptiva
4.2.3 Conexión entre captadores
En la práctica
áctica los captadores no se instalan de forma separada, sino que se agrupan
formando baterías, reduciendo el número de accesorios a utilizar, con la consiguiente reducción
de coste. Los captadores solares se conectan hidráulicamente en grupos para formar
for
el campo de
captación solar. Esta conexión se puede efectuar en serie o en paralelo.
A continuación se ilustra ambos tipos de conexión:
Ilustración 10: Conexión en serie de captadores
Ilustración 11: Conexión en paralelo de captadores
El rendimiento energético de un captador solar disminuye cuando aumenta la temperatura
de entrada Te como se pudo ver en el apartado de rendimiento del captador solar. Por tanto, el
acoplamiento
amiento en serie de dos captadores, o de dos filas de captadores, si bien permite obtener un
aumento de la temperatura del agua producida, a pesar de que el rendimiento de la instalación
disminuya. En cualquier caso, para producción de ACS, no se instalarán
instalarán en serie más de dos
captadores o más de dos filas de captadores.
A continuación se muestra un ejemplo de dos baterías de captadores conectadas en serie:
Ilustración 12: Conexión en serie de dos baterías de captadores
22
INSTALACIÓN DE ENERGÍA
ENERG SOLAR PARA PRODUCCIÓN DE
ACS
Memoria Descriptiva
Para la producción de ACS lo más adecuado es disponer los captadores conectados en
paralelo, formando filas que a su vez se conectan entre sí también en paralelo.
El número de captadores que pueden conectarse en paralelo en un mismo grupo depende
de las características
rísticas constructivas del captador y es una información que debe ser suministrada
por el fabricante. En general, se desaconseja la conexión de más de 8 captadores solares en un
mismo grupo. Si se supera este número, es posible que el caudal no se reparta homogéneamente
por todos los captadores y, por tanto, se penalice la productividad energética del conjunto.
Asimismo se debe prestar especial atención en la estanqueidad y durabilidad de las
conexiones del captador y en asegurar que el circuito hidráulico de conexión entre los diferentes
grupos esté equilibrado,, es decir, que no existan recorridos preferentes que puedan originar que
algunos grupos no reciban el caudal suficiente de fluido caloportador para su correcto
funcionamiento.
A continuación se presente
presente una ilustración de dos baterías conectadas en paralelo:
Ilustración 13:
13 Conexión en paralelo de dos baterías de captadores
Con esta configuración, existe un recorrido preferente por el grupo A de captadores, lo
que provocará una disminución del caudal circulante por el grupo B y una reducción de su
rendimiento. Este problema puede solucionarse mediante la instalación de válvulas de
equilibrado hidráulico a la entrada de cada grupo.
El equilibrado puede lograrse también
también mediante el adecuado diseño de los recorridos de
tubería, con retorno invertido,
invertido, es decir, diseñando el trazado del circuito de modo que no haya
recorridos de menor longitud de tuberías. Si se cumple esta condición y la pérdida de cara
unitaria por metroo de tubería no presenta grandes diferencias entre los diferentes tramos, el
circuito queda equilibrado, aunque aun así se deberán de colocar las válvulas de equilibrado
hidráulico para asegurar el equilibrado.
A efectos de minimizar las pérdidas energéticas
energéticas en el circuito, los tramos que se
prolongan son los situados antes de la entrada a los captadores, ya que son los que se encuentras
a menor temperatura.
A continuación, en la siguiente página, se muestra a modo de ilustración la conexión de
dos y de cuatro
uatro baterías con retorno invertido.
23
INSTALACIÓN DE ENERGÍA
ENERG SOLAR PARA PRODUCCIÓN DE
ACS
Memoria Descriptiva
Ilustración 14: Conexión de baterías en retorno invertido
24
INSTALACIÓN DE ENERGÍA
ENERG SOLAR PARA PRODUCCIÓN DE
ACS
Memoria Descriptiva
4.2.4 Distancia mínima entre captadores y determinación de sombras
Los captadores deberán separarse suficientemente de los obstáculos próximos que puedan
proyectar sombras sobre ellos (muretes, chimeneas de ventilación, otras filas de captadores,…).
Como criterio general, la distancia mínima de separación debe ser suficiente para que el
obstáculo no proyecte
royecte sombras sobre el captador
captad al mediodía solar del solsticio
cio de invierno,
invierno que
es el día en el que la altura solar es menor y, por tanto, las sombras son de mayor longitud.
El valor de la distancia , medida sobre la horizontal, puede calcularse de forma
fo
sencilla
mediante la siguiente expresión:
Siendo:
-
: Distancia de separación entre obstáculo y captador, en metros
: Altura del obstáculo en metros
-
Ilustración 15: Distancia entre baterías de captadores
En el caso de varias filas de captadores, la distancia mínima entre las bases de captadores
será igual o mayor al valor obtenido mediante la expresión siguiente:
Las pérdidas de radiación solar que experimenta una superficie debida a sombras
circundantes se expresan como un porcentaje de la radiación solar global que incidirá sobre la
mencionada superficie, de no existir sombra alguna.
En este proyecto solo se dispone de una sola hilera de captadores luego las posibles
sombras que producirían filas de captadores entre sí quedan descartadas. Debido al
emplazamiento del edificio también se desecha la idea de posibles sombras que edificio u
obstáculos puedan producir sobre los captadores
25
INSTALACIÓN DE ENERGÍA
ENERG SOLAR PARA PRODUCCIÓN DE
ACS
Memoria Descriptiva
El procedimiento para determinar estas pérdidas viene descrito en el código técnico de la
edificación. Este procedimiento consiste en la comparación del perfil de obstáculos que afecta a
la superficie de estudio con el diagrama de trayectorias del sol. Los pasos a seguir son los
siguientes (CTE):
1. Localización de los principales obstáculos que afectan a la superficie, en términos de sus
coordenadas de posición acimut (ángulo de desviación con respecto a la dirección sur) y
elevación (ángulo de inclinación con respecto al plano horizontal). Para ello puede
utilizarse un teodolito.
figura 3.4, en el que se muestra
2. Representación del perfil de obstáculos en el diagrama de la figura
la banda de trayectorias del sol a lo largo de todo el año, válido para localidades de la
Península Ibérica
bérica y Baleares (para las Islas Canarias el diagrama debe desplazarse 12º en
sentido vertical(ascendente).
ascendente). Dicha banda se encuentra dividida en porciones, delimitadas
por las horas solares (negativas antes del mediodía solar y positivas después de éste) e
identificadas por una letra y un número (A1, A2, ..., D14).
3. Cada una de las porciones de la figura representa el recorrido del sol en un cierto periodo
de tiempo (una hora a lo largo de varios días) y tiene, por tanto, una determinada
contribución a laa irradiación solar global anual que incide sobre la superficie de estudio.
Así, el hecho de que un obstáculo cubra una de las porciones supone una cierta pérdida de
irradiación, en particular aquélla que resulte interceptada por el obstáculo. Debe escogerse
escoger
para el cálculo la tabla de referencia más adecuada de entre las que se incluyen en el anejo
B.
4. La comparación del perfil de obstáculos con el diagrama de trayectorias del sol permite
calcular las pérdidas por sombreado de la irradiación solar global que incide sobre la
superficie, a lo largo de todo el año. Para ello se han de sumar las contribuciones de
aquellas porciones que resulten total o parcialmente ocultas por el perfil de obstáculos
representado. En el caso de ocultación parcial se utilizará el factor de llenado (fracción
oculta respecto del total de la porción) más próximo a los valores: 0,25, 0,50, 0,75 ó 1.
26
INSTALACIÓN DE ENERGÍA
ENERG SOLAR PARA PRODUCCIÓN DE
ACS
4.2.5
Memoria Descriptiva
Orientación e Inclinación
La orientación de los captadores solares representa una variable muy importante a la hora
de analizar la transformación de la radiación solar en energía térmica. La orientación α óptima
de los captadores solares coincide con la orientación Sur geográfico, aunque unas
una desviaciones
de hasta unos 25º hacia el Este o hacia el Oeste tiene una influencia pequeña sobre la
producción energética solar anual.
Ilustración 16: Pérdidas por orientación e inclinación
Cabe recordar que el Sur
Sur geográfico no coincide con el magnético, aportado por la
brújula. La inclinación de los captadores debe elegirse en función de la latitud del lugar y de la
estacionalidad de la demanda. En edificios de viviendas, es habitual que la demanda energética
derivada
rivada del consumo de agua caliente sanitaria sea ligeramente inferior en verano que en
invierno. La temperatura del agua de red es algo superior en los meses más calurosos.
En estas condiciones, el máximo aprovechamiento de la radiación solar se logra cuando
cua
la
inclinación de los captadores solares es similar a la latitud del lugar (±10º).
Ilustración 17: Movimiento que describe el Sol
27
INSTALACIÓN DE ENERGÍA
ENERG SOLAR PARA PRODUCCIÓN DE
ACS
Memoria Descriptiva
Para la utilización de la instalación regular y durante todo el año, el máximo
aprovechamiento
ento de la radiación solar se logra con los captadores solares orientados al Sur
geográfico ±25º e inclinados un ángulo similar a la latitud del lugar ±10º.
En muchas ocasiones, los captadores solares se instalan en la terraza plana superior del
edificio dee viviendas, sobre estructuras metálicas (normalmente de acero galvanizado o acero
inoxidable), que suelen ser suministradas por el propio fabricante de los captadores. Dado que la
España peninsular se encuentra situada entre los paralelos 36º y 43º, y que la demanda
energética para producción de agua caliente sanitaria en edificios de viviendas presenta pocas
oscilaciones estacionales, se ha generalizado la utilización de estructuras de soporte para
terrazas planas con una inclinación β de 45º.
En casos en los que se tenga la certeza de que existe un consumo de agua netamente
superior en verano que en invierno, se utilizan estructuras con una inclinación de 30º.
En edificios con cubierta inclinada, los captadores pueden instalarse superpuestos,
normalmente con la misma orientación α de la vertiente más
ás favorable y con las misma
inclinación β que ésta. Es importante prever un sistema de acceso a los captadores para efectuar
los trabajos de mantenimiento o posibles reparaciones.
La posible penalización energética derivada de la instalación de los captadores solares
con inclinación muy distintas de los valores óptimos quedan caracterizados y definidos por el
código técnico de la edificación HE4, en el cual, determinado el ángulo de acimut α, se
calcularán los límites de inclinación aceptables de acuerdo a las pérdidas máximas respecto a la
inclinación óptima establecidas con la siguiente imagen, válida para una latitud Φ de 41º.
Ilustración 18:
18 Pérdidas máximas con respecto a la inclinación óptima
28
INSTALACIÓN DE ENERGÍA
ENERG SOLAR PARA PRODUCCIÓN DE
ACS
Memoria Descriptiva
Según la norma , las pérdidas máximas permitidas son:
-
10 % por orientación e inclinación
20 % por superposición
40 % por integración arquitectónica
Los cálculos asociados a las pérdidas vienen definidos en la memoria de cálculo.
A modo de ilustración para clarificar conceptos, se representa la pérdida de energía
incidente sobre una superficie con diferentes inclinaciones β y tres orientaciones α (Sur y
desviaciones de 30º y 60º respecto al Sur) , situada en Barcelona. Los valores de
d las ordenadas
son los puntos de la energía solar anual incidente sobre la superficie referidos a la situación
óptima (orientación Sur, α = 0º,
0 e inclinación igual a la latitud, β = 41º).
Ilustración 19:
19 Pérdida de energía con respecto a varias inclinaciones
Como se puede observar, la influencia de la orientación y la inclinación sobre la radiación
solar anual incidente es muy pequeña en amplios rangos alrededor de los valores óptimos.
En el presente proyecto, se ha elegido la siguiente configuración en base a los
conocimientos descritos y el aprovechamiento de la situación de las vertientes de la cubierta:
-
Inclinación de los captadores:
Orientación:
45º
Sur , α = 0º
29
INSTALACIÓN DE ENERGÍA
ENERG SOLAR PARA PRODUCCIÓN DE
ACS
Memoria Descriptiva
4.2.5.1 Implantación de los captadores en cubierta
La implantación de los captadores solares se realiza normalmente en la cubierta del
edificio, que puede ser inclinada (normalmente con acabado de tejas) o plana.
En general, la superficie de terraza plana de un edificio
edificio suele ser suficiente para la
ubicación de los captadores solares, salvo en caso de edificios con un diseño singular o
excepcionalmente elevados o con una exigencia de que la fracción solar anual sea muy elevada.
En el caso de tejados inclinados, las
las opciones son escasas y se limitan a la elección de
vertiente mejor orientada. En cualquier caso debe preverse el acceso a los captadores solares
con comodidad, y sobre todo con seguridad para el personal de mantenimiento. En este sentido,
la accesibilidad
ad a los captadores en un tejado inclinado es más dificultosa.
La estructura y fijación de los captadores solares debe realizarse de forma que resistan las
sobrecargas de viento y nieve. Se debe prestar especial atención en no dañar la
impermeabilización nii dificultar el desagüe de la cubierta.
Algunos fabricantes y/o distribuidores de captadores solares disponen de soluciones para
la fijación de captadores solares en cubiertas inclinadas, de forma que las tejas no se vean
afectadas. A continuación se muestra
muestra una imagen a modo de ilustración de la fijación de
captadores solares sobre una cubierta mediante bancadas de hormigón.
Ilustración 20: Cubierta mediante bancada de hormigón
De forma general se deberán tener en cuenta los siguientes aspectos:
-
Para evitar filtraciones, se debe tratar de evitar traspasar la cubierta del edificio con el
anclaje, siendo preferible la construcción de muretes o bancadas de hormigón sobre
los que se anclarán las estructuras.
30
INSTALACIÓN DE ENERGÍA
ENERG SOLAR PARA PRODUCCIÓN DE
ACS
-
-
-
Memoria Descriptiva
La estructura de soporte y su sistema de fijación y anclaje a la cubierta permitirán las
necesarias dilataciones térmicas, sin transmitir cargas que puedan afectar a la
integridad de los captadores o del sistema hidráulico.
Los puntos de sujeción serán los suficientes para evitar flexiones en el captador
superiores a las indicadas por el fabricante.
Todos los componentes de la estructura soporte, incluida la tornillería, deben ser
aptos para ser instalados a la intemperie.
La distancia entre grupos de captadores situados en línea será suficiente para permitir
la ejecución de las conexiones entre las tuberías y captadores y la instalación de
elementos necesario de reglaje y control.
Los topes de sujeción de captadores y la propia estructura no deberán proyectar
sombras sobre los captadores.
El fabricante del captador que hemos seleccionado para nuestra instalación,
VIESSMANN, adjunta en la planificación para la instalación del modelo de captador la forma
de la estructura soporte para la sujeción de los captadores en la cubierta
cubierta inclinada de tejas.
La cubierta inclinada tiene una pendiente de 13º con respecto a la horizontal y la
inclinación de los captadores sobre la horizontal hemos dicho que es 45º. Según el manual del
fabricante, los soportes de los colectores vienen premontados.
premontados. Éstos se componen de la base de
sustentación, soporte de apoyo y soporte regulables. Los soportes regulables cuentan con
orificios que permiten ajustar el ángulo de inclinación.
Ilustración 21: Apoyo para captadores VIESSMANN
31
INSTALACIÓN DE ENERGÍA SOLAR PARA PRODUCCIÓN DE
ACS
4.3
Memoria Descriptiva
El Acumulador
En una instalación de energía solar térmica, la acumulación de energía es necesaria al
desfase que existe entre la radiación solar y el consumo.
La función del depósito de acumulación es independizar el circuito de captación solar
(oferta) del circuito de consumo (demanda). La acumulación desempeña el papel de un
volante de inercia en un sistema mecánico.
El objetivo de la acumulación es almacenar la energía solar disponible en periodos de
escasa demanda para poder suministrarla posteriormente cuando exista demanda.
Se puede prescindir de la acumulación si se adopta como criterio de diseño aportar
energía solar captada al sistema sólo cuando esté disponible en el subsistema de captación.
Este criterio se aplica en determinadas circunstancias cuando la demanda de energía de la
instalación es prácticamente constante durante las horas de disponibilidad del recurso
renovable.
La introducción del subsistema de acumulación en una instalación de energía solar
conlleva que se puede satisfacer una determinada fracción de la demanda con diferentes
tamaños de la instalación (superficie de captación y volumen de acumulación). El tamaño
de la instalación por tanto no es único y el dimensionado final es el resultado de un proceso
de optimización.
Los requisito del depósito de acumulación son los siguientes:
-
Calor específico elevado del medio de acumulación
Pérdidas térmicas bajas (superficie exterior reducida y buen nivel de aislamiento)
Buena estratificación de temperaturas en el acumulador.
Vida útil al menos equivalente al del captador solar
Bajo coste y disponibilidad del medio de acumulación
Buenas propiedades medioambientales y de higiene del medio de acumulación
Capacidad de soportar las temperaturas y presiones de trabajo.
El medio de acumulación depende básicamente del fluido de trabajo en el captador solar
-
Captadores de agua: Depósito de agua
Captadores de aire: Acumulador en lecho de rocas
En las instalaciones de ACS se utiliza agua como medio de acumulación.
Normalmente, los materiales empleados para los acumuladores son el acero inoxidable y
el acero al carbono con tratamientos interiores, a base de vitrificado de simple o doble capa y
recubrimiento epoxi. El acumulador debe ser capaz de admitir temperaturas interiores superiores
a 70 ºC y disponer de un sistema de protección catódica.
32
INSTALACIÓN DE ENERGÍA
ENERG SOLAR PARA PRODUCCIÓN DE
ACS
Memoria Descriptiva
4.3.1 Tipología de Acumuladores
Según la función del depósito tenemos:
-
-
Acumulador solar de ACS:
ACS: resistente a la corrosión debido a la presencia de oxígeno
y presión de trabajo igual a la de suministro
s
del agua de red.
Acumulador de inercia:
inercia: se utiliza en grandes instalaciones, y es independiente del
circuito de ACS. Al trabajar en circuito cerrado es menos exigente la protección
frente a la corrosión y la presión de trabajo es independiente de la presión de
suministro del agua de red.
Acumulador de precalentamiento solar:
solar: mismos requerimientos que el acumulador
solar de ACS.
Acumulador del sistema convencional:
convencional: mismos requerimientos que el acumulador
solar de ACS.
Acumulador Solar de ACS
Existen dos tipos de acumuladores de ACS:
-
-
Depósito Acumulador de ACS:
ACS: En este caso, el calentamiento del agua acumulada
se produce en el exterior del depósito, mediante su recirculación a través de un
intercambiador de calor externo.
Depósito con intercambiador
intercambiador incorporado o Interacumulador de ACS:
ACS
El
calentamiento y la acumulación del agua se producen en el mismo depósito, que ya
incorpora si propio intercambiador. Se pueden distinguir dos tipo de
interacumuladores:
A. Interacumulador de doble pared: Acumulador
Acumulador de agua caliente cuyo
intercambiador de calor está constituido por una doble envolvente que rodea
el depósito dentro de la cual circula el fluido del circuito primario.
33
INSTALACIÓN DE ENERGÍA
ENERG SOLAR PARA PRODUCCIÓN DE
ACS
Memoria Descriptiva
B. Interacumulador de serpentín:
Acumulador de
intercambiador de calor está formado por un tubo
serpentín, por el interior del cual circula el fluido
Algunos acumuladores pueden disponer de más
calentamiento.
agua caliente cuyo
curvado en espiral o
del circuito primario.
de un serpentín de
Los depósitos han de ser preferentemente verticales
verticales y con una relación altura/diámetro
elevada. Las conexiones de las tuberías al acumulador deben realizarse de modo que se
contribuya a la estratificación de temperaturas en el interior, acumulando el agua más caliente
en la zona superior y el agua más
m fría en la parta inferior.
En el caso de equipos prefabricados, el acumulador suele ser horizontal y está ubicado en
la parte superior del conjunto de captadores.
La estratificación permite tener un suministro instantáneo de agua a temperatura de
consigna
na sin necesidad de que todo el depósito esté a dicha temperatura. Además contribuye a
obtener un mejo rendimiento de los captadores solares.
Ilustración 22: Tipos de Acumuladores
-
-
-
La conexión de las aspiración del circuito hidráulico hacia el intercambiador de calor
exterior o hacia los captadores debe estar situada en el tercio inferior del acumulador.
El retorno del intercambiador de calor exterior o de los captadores debe conectarse
preferentemente a una boca
boca situada a una altura comprendida entre el 50 % y el 75 %
de la altura del acumulador.
La entrada de agua fría de red debe realizarse en la parte baja del acumulador. En el
caso de que la entrada esté situada en la cara inferior del acumulador (y no
lateralmente),
almente), es necesario que dicha boca disponga de un deflector.
El agua caliente debe extraerse de la parte superior del acumulador.
34
INSTALACIÓN DE ENERGÍA SOLAR PARA PRODUCCIÓN DE
ACS
Memoria Descriptiva
Acumulador de Inercia
Este tipo de acumuladores se utilizan en instalaciones de producción de ACS, usos
industriales, calefacción, etc. La presión de trabajo en este tipo de dispositivo suele ser más bajo
que en el acumulador de agua caliente sanitaria. En el uso para producción de ACS se requiere
un intercambiador que se encargue de separar el agua que contiene el acumulador de inercia del
agua potable de consumo
4.3.2 Funcionamiento y Diseño
Para el correcto funcionamiento es importante una serie de factores que permitan
minimizar la pérdidas térmicas, así como posibles deterioros. Para ello debemos conseguir que
se cumpla una adecuada estratificación de temperaturas en el interior del acumulador y tener un
correcto aislamiento térmico.
Estratificación de Temperaturas
Una adecuada estratificación de temperaturas supone que en la parte superior se
encontrará agua caliente y en la inferior agua fría, de forma que en el acumulador exista a la vez
agua caliente, agua templada y agua fría. Esto se debe a la diferencia de densidades del agua que
es función de la temperatura de la misma en cada punto. Para que esto se produzca de forma
correcta se deben usar acumuladores con una relación altura/diámetro elevada (todo lo que sea
posible).
Se debe conseguir que la salida de agua caliente sea lo mayor posible, así conseguimos
que el sistema de energía de apoyo se active lo más tarde posible). El agua en la parte inferior
deberá entrar al acumulador a la menor temperatura posible (se consigue así que el rendimiento
de los captadores sea mayor, evitando que se desaproveche toda la energía acumulada).
Existen dispositivos incorporados en el acumulador que permiten hacer más efectiva la
estratificación del sistema.
Aislamiento Térmico
Los acumuladores deben estar convenientemente aislados para minimizar las pérdidas
energéticas al exterior. Es conveniente para no disminuir el rendimiento del acumulador. Se
deben usar tanto materiales aislantes apropiados, aislar todo el acumulador, las tuberías, los
accesorios, etc. Para realizar el aislamiento se puede utilizar espuma rígida de poliuretano
inyectado, fibra de vidrio, etc.
Una vez descrito el funcionamiento es importante destacar en el diseño que no conviene
que se produzca la mezcla del agua en el acumulador para que no se produzca la
homogeneización de la temperatura y con ellos la no estratificación de la mezcla. Para esto se
35
INSTALACIÓN DE ENERGÍA
ENERG SOLAR PARA PRODUCCIÓN DE
ACS
Memoria Descriptiva
usaran tubos difusores o deflectores, reduciendo así la velocidad del agua. También es
importante la buena disposición
osición de las tuberías de conexión, para ello se recomienda que la
entrada de agua fría sea por la parte inferior del acumulador y la caliente por la superior.
Ilustración 23: Esquema de Acumulador
4.3.3 Conexión entre Acumuladores
Acum
La conexión entre los depósitos de acumulación se pueden realizar en serie, en paralelo y
de forma mixta (esta última no es muy habitual).
Ilustración 24: Conexión entre captadores
36
INSTALACIÓN DE ENERGÍA SOLAR PARA PRODUCCIÓN DE
ACS
-
Memoria Descriptiva
En serie: la conexión en series invertida con el circuito de consumo favorece la
estratificación de las temperaturas.
En paralelo: su funcionamiento es el mismo que colocar un acumulador que tenga el
mismo volumen que la suma del total de acumuladores que se han puesto en paralelo.
Se consigue una distribución más homogénea de temperaturas en el volumen total del
acumulador.
37
INSTALACIÓN DE ENERGÍA SOLAR PARA PRODUCCIÓN DE
ACS
4.4
Memoria Descriptiva
El Intercambiador de calor
Un intercambiador de calor es por definición, un dispositivo para transferir calor entre
dos medios que estén separados por una barrera o que se encuentren en contacto. Son parte
esencial de los dispositivos de calefacción, refrigeración acondicionamiento de aire, producción
de energía y procesamiento químico.
4.4.1 Tipos de Intercambiadores
En una instalación solar para ACS podemos encontrarnos con el intercambiador de calor
en el acumulador solar, conocidos como interacumuladores, e instalaciones con el
intercambiador de calor independiente.
-
Intercambiadores interiores al acumulador: como se ha mencionado en el apartado de
acumuladores, destacan los de tipo serpentín y doble envolvente.
A. Intercambiador tipo serpentín: consta de un tubo de cobre, acero inoxidable o
acero vitrificado, arrollado en espiral sumergido en el acumulador. Por el
tubo circula el fluido caliente procedente de los captadores solares,
realizando la transferencia de calor al agua contenida en el acumulador a
través de la superficie exterior del tubo. Como la sección que presenta el tubo
es normalmente pequeña, se recomienda aumentar la longitud del mismo para
disponer de mayor superficie total de transferencia de calor.
B. Intercambiador de doble envolvente: consta de una capa cilíndrica
concéntrica alrededor del mismo. El fluido procedente de los captadores
circula entre el acumulador y la capa concéntrica transfiriendo calor por
conducción, a través de la superficie interna del acumulador, al agua
acumulada en su interior.
-
Intercambiadores exteriores: en este grupo encontramos los intercambiadores de
placas y los de carcasa y tubos. La circulación de los fluidos frío y caliente puede
tener lugar en el mismo sentido (equicorriente) o en sentido contrario
(contracorriente), recomendándose la utilización de modelos de funcionamiento en
contracorriente. Además se recomienda aislar adecuadamente a este tipo de
intercambiadores para disminuir las pérdidas térmicas. Los intercambiadores
exteriores requieren la instalación de una bomba adicional en el circuito secundario.
38
INSTALACIÓN DE ENERGÍA
ENERG SOLAR PARA PRODUCCIÓN DE
ACS
Memoria Descriptiva
A. Intercambiador de placas:
placas consiste en una pila de placas metálicas que se
mantienen unidas mediante presión de un bastidor y selladas por medio de
una junta de modo que se forma una serie de pasillos interconectados por los
que circula el fluido. Cada placa consta de 4 orificios de forma que a través
de 2 de ellos circula el fluido frío o caliente. Las juntas de estanqueidad fijan
la dirección de estos fluidos a través de las placas.
Ilustración 25: Intercambiador de placas
B. Intercambiador de carcasa y tubos:
tubos consta de una hazz de tubos por el interior
de los cuales circula uno de los fluidos que intercambia calor. Este haz de
tubos se encuentra en el interior de una carcasa circulando el otro fluido por
el espacio comprendido entre el haz de tubos y la carcasa. Este tipo de
intercambiador
tercambiador no suele usarse en instalaciones solares.
Ilustración 26: Intercambiador de carcasa y tubos
39
INSTALACIÓN DE ENERGÍA SOLAR PARA PRODUCCIÓN DE
ACS
Memoria Descriptiva
4.4.2 Parámetros característicos
Los dos parámetros que mejor definen un intercambiador son el rendimiento y la eficacia
de intercambio.
El rendimiento es la relación entre la energía obtenida y la aportada. La diferencia entre
una y otra se debe a las pérdidas térmicas.
La eficacia de intercambio se define como la relación entre la potencia térmica
intercambiada y la máxima que teóricamente podría intercambiarse. Para un caudal de fluido
caloportador determinado, la eficacia es una constante que dependerá de la superficie de
intercambio, de su forma y geometría y del material empleado.
Para el caso de interacumuladores, el intercambio se produce por convección natural y la
eficacia es:
!
Siendo:
-
ε:
:
:
!
:
eficacia del intercambiador
temperatura de entrada del fluido caloportador, en ºC
temperatura de salida del fluido calorportador, en ºC
temperatura del agua acumulada, en ºC
En el caso de intercambiadores exteriores de placas, la expresión de la eficacia es la
siguiente:
"
Siendo:
-
ε:
:
:
":
eficacia del intercambiador
temperatura de salida del intercambiador del circuito secundario, en ºC
temperatura de entrada al intercambiador del circuito secundario, en ºC
temperatura de entrada al intercambiador del circuito primario, en ºC
40
INSTALACIÓN DE ENERGÍA SOLAR PARA PRODUCCIÓN DE
ACS
4.5
Memoria Descriptiva
Subsistema de apoyo: Energía Auxiliar
Las instalaciones solares para producción de agua caliente sanitaria no se diseñan
para cubrir la totalidad de la demanda por motivos económicos o de cualquier otro tipo de
viabilidad. Por ello, para asegurar la continuidad del abastecimiento de la demanda térmica,
las instalaciones de energía solar deben disponer de un sistema de energía convencional
auxiliar.
El sistema de energía auxiliar es un elemento imprescindible en toda instalación
solar, si no se quiere sufrir restricciones energéticas en aquellos periodos en los que no hay
suficiente radiación y/o el consumo es superior a lo previsto. Para prevenir estas
situaciones, casi la totalidad de los sistemas de energía solar térmica cuentan con un apoyo
basado en energías convencionales. La fuente de apoyo es muy variable, aunque en general
es recomendable que se encuentre vinculada a un sistema de control.
Según la norma, el sistema auxiliar se diseñará para cubrir el servicio como si no se
dispusiera del sistema solar y sólo entrará en funcionamiento cuando sea necesario, dándole
prioridad a la energía de captación.
Las condiciones que deben reunir el subsistema de apoyo se puede resumir en los
puntos siguientes:
-
-
-
Los componentes de la caldera/calentador han de soportar la entrada de agua caliente
a la temperatura de suministro del sistema de captación solar, que puede alcanzar el
valor fijado como temperatura de consigna (o incluso superior en algunos casos)
El sistema de apoyo debe ser capaz de adaptar su potencia a las necesidades en cada
momento. La caldera/calentador debe, por tanto aportar la energía necesaria para
calentar el agua desde la temperatura de salida del sistema de captación hasta la
temperatura de consigna, sin producir un sobrecalentamiento del agua de consumo.
El funcionamiento de la caldera/calentador ha de dar prioridad al aprovechamiento de
la energía solar frente al consumo de gas.
Las calderas mixtas que incorporan su propia acumulación, pensadas para satisfacer
grandes caudales puntuales de agua caliente sanitaria, son una opción siempre válida, ya que la
aportación de energía se realiza en función de la temperatura del agua acumulada.
La mayoría de los fabricantes y/o distribuidores de calderas o calentadores instantáneos
han adaptado sus productos, para que sus prestaciones técnicas y de confort no se vean
modificadas aunque se tengan temperaturas de entrada de agua elevadas. Normalmente los
modelos considerados aptos para esta aplicación disponen de una identificación comercial
específica.
En nuestra instalación tendremos un sistema auxiliar para la demanda de ACS. La caldera
tendrá que proporcionar toda la energía demandada de su correspondiente circuito. El cálculo de
la potencia que tiene que aportar la caldera viene en función del caudal instantáneo de cada uno
de los grupos de consumos y detallado en la memoria de cálculo. El combustible utilizado será
gas natural ya que es un combustible económico y de suministro continuo.
41
INSTALACIÓN DE ENERGÍA SOLAR PARA PRODUCCIÓN DE
ACS
4.6
Memoria Descriptiva
Circuito Hidráulico
Un circuito hidráulico es un sistema que comprende un conjunto de componentes
interconectado separados que transporta líquido. Mediante el circuito hidráulico podemos
transportar la energía captada por los captadores hasta el punto de consumo de la forma más
eficiente posible. El circuito hidráulico de una instalación solar está formado por el conjunto de
tuberías, bombas de circulación, válvulas y accesorios que se encargan de conectar entre sí los
principales componentes de la instalación solar.
El circuito hidráulico ha de concebirse de por sí equilibrado, si no fuera posible, el flujo
ha de controlarse mediante válvulas de equilibrado.
En una instalación solar se encuentra por lo general dos circuitos, uno primario y uno
secundario.
4.6.1 Circuito primario Solar
El circuito primario solar es el encargado de transportar la energía procedente de los
captadores solares hasta el subsistema de intercambio y acumulación. En el caso de equipos
prefabricados de funcionamiento por termosifón, los componentes del circuito primario forman
parte del propio equipo, por lo que no es necesario elegirlos.
En el caso de la configuración con acumulación solar centralizada, el circuito primario
finalizará en el intercambiador de calor externo o interno del depósito de acumulación, situado
en la sala de máquinas del edificio.
En el caso de la configuración con acumulación solar individual, el circuito primario
llegaría hasta cada vivienda, para conectarse a cada interacumulador. Es importante garantizar el
equilibrado hidráulico del circuito, por lo que, los interacumuladores individuales se dispondrán
en retorno invertido.
Nuestra instalación cuenta con un sistema con acumulación solar centralizada, luego el
circuito primario finalizará en el intercambiador de calor interno al depósito.
4.6.2 Circuito secundario Solar
El circuito secundario solar es el encargado de distribuir el agua caliente sanitaria una vez
se le ha transmitido la energía captada por los captadores
4.6.3 Fluido Caloportador
El fluido que circulará por el circuito primario será una mezcla de agua con
anticongelante, con una proporción tal que permita eliminar el riesgo de congelación dentro de
las tuberías, ya que podría producir daños irreparables en el captador.
42
INSTALACIÓN DE ENERGÍA SOLAR PARA PRODUCCIÓN DE
ACS
Memoria Descriptiva
Los tipos de fluidos caloportador que se utilizan habitualmente son:
-
Agua (sistemas directos).
Agua con adición de anticongelante (propilenglicol o etilenglicol).
Fluidos orgánicos.
Aceites de silicona.
La solución más generalizada es la de agua con anticongelante para ofrecer protección
contra las heladas. Esta agua podrá ser de la red de suministro, agua desmineralizada o agua con
aditivos. Hay que tener presente las diferencias de las propiedades físicas que va a haber entre el
agua y el anticongelante: viscosidad, dilatación, estabilidad, calor específico o temperatura de
ebullición.
Para conocer las proporciones de anticongelante en el agua es necesario saber las
temperaturas mínimas registradas en las diferentes provincias españolas. También se deberá
tener en cuenta el porcentaje de anticongelante para determinar correctamente la pérdida de
carga en tuberías.
El fluido de trabajo que se emplee, además de estar prevenido contra las heladas, no
deberá hervir para el rango de temperatura y presión de trabajo de la instalación, no ser agresivo
químicamente con los componentes de la instalación, y ser además atóxico para que en caso de
fuga no ponga en peligro la salud de las personas. Además de todo esto deberá ser un fluido que
sea económicamente accesible para que este tipo de instalaciones sea rentable.
Para que el periodo de garantía de una instalación termosolar no se vea afectado, deberá
emplearse siempre como fluido de trabajo del circuito primario el líquido recomendado por el
fabricante.
Para compensar posibles pérdidas de fluido caloportador en el circuito primario, se
considerará un sistema de llenado a través del vaso de expansión cerrado (que se encontrará en
la zona de aspiración de la bomba junto a la salida del circuito primario del acumulador) que
permite llenar el circuito y mantenerlo presurizado siempre que sea necesario.
4.6.4. Tuberías
Los materiales más usados para las tuberías de una instalación termosolar dependen si se
refieren al circuito primario o al circuito secundario.
Para el circuito primario, por donde circula el fluido de trabajo caloportador desde los
captadores solares hasta el intercambiador y su posterior retorno, se suelen usar tuberías de
cobre o de acero inoxidable. En la actualidad se están desarrollando nuevos materiales plásticos
termorresistentes, certificados y homologados para esta aplicación.
Para el circuito secundario o de circulación de agua caliente sanitaria se podrán usar
tuberías de cobre, de acero inoxidable o de acero galvanizado, pero nunca se usarán tuberías de
acero negro para circuitos de agua caliente destino al consumo.
A continuación se realizan algunas indicaciones para ciertos tipos de tuberías que pueden
ser empleadas en las instalaciones termosolares:
43
INSTALACIÓN DE ENERGÍA SOLAR PARA PRODUCCIÓN DE
ACS
-
-
-
-
Memoria Descriptiva
Tuberías de cobre: de todos es el tipo de tubería más recomendado, por su excelente
relación calidad/precio. Ofrece gran resistencia a la corrosión, es maleable y dúctil lo
cual facilita las operaciones de montaje, y es inocua por lo que ofrece buenas
condiciones de salubridad.
Acero negro: no se puede emplear en instalaciones de agua caliente sanitaria por
producirse oxidaciones que afectan negativamente a la potabilidad del agua. Solo es
posible su uso como material de las conducciones del circuito primario.
Tuberías de plástico termorresistentes: actualmente se están desarrollando nuevos
materiales plásticos, que resultan muy competitivos de precio, y que pueden resistir
sin problemas temperaturas de trabajo superiores a los 100 ºC. No obstante, por lo
general este tipo de materiales se deterioran por la exposición directa a los rayos
solares, por lo que su uso está restringido a espacios interiores o bajo estructuras de
protección que los aísle de la acción directa de loa rayos solares.
Acero galvanizado: aunque es muy empleado en instalaciones de fontanería/plomería
en agua fría, no se puede emplear como material en el circuito primario, dado que la
protección del galvanizado se deteriora cuando se alcanza temperaturas superiores a
los 65 ºC.
Con el fin de evitar pérdidas térmicas la longitud de tuberías será lo más corta posible y
los tramos horizontales tendrán siempre una pendiente mínima de un 1 % en el sentido de la
circulación tal y como se indica en (CTE).
En las tuberías hay que distinguir dos tipos de pérdidas de cargas:
-
Pérdida de carga lineales: son las que se producen a lo largo de toda la tubería o
conducto. Éstas disminuirán al aumentar el diámetro de tubería.
Pérdidas de carga singulares: son las que se producen en los equipos y accesorios.
Éstas disminuirán evitando codos, válvulas, etc.
Las uniones de los grupos de captadores a las tuberías del circuito primario deben realizarse de
modo que las dilataciones del material no produzcan esfuerzos en los puntos de unión, por
ejemplo, mediante la utilización de tubos flexibles de malla de acero inoxidable.
4.6.5. Aislamiento
Con el objeto de minimizar las pérdidas de calor, es necesario dotar de aislamiento las
paredes de las conducciones y accesorios del sistema hidráulico que conforma todas la
instalación termosolar.
Por otro lado, las conducciones del circuito primario que conducen el fluido caloportador
suelen alcanzar temperaturas elevadas, especialmente si el sistema está parado, por lo que el
material que se emplee como aislante de dichas tuberías deberá ser tal que no se degrade con el
tiempo y pueda soportar sin problemas temperaturas de hasta 150 ºC.
44
INSTALACIÓN DE ENERGÍA SOLAR PARA PRODUCCIÓN DE
ACS
Memoria Descriptiva
De acuerdo al RITE, no solo deben aislarse térmicamente los conductos, sino también
equipos, aparatos y depósitos cuando contengan fluidos con temperatura mayor a 40 ºC o
fluidos refrigerados con temperatura menor que la ambiente del local por el que discurran.
4.6.6. Bomba de Circulación
La bomba de circulación es el elemento de la instalación solar térmica encargado de hacer
circular el fluido a través del circuito hidráulico de una instalación de circulación forzada. Es
decir , generan el movimiento del fluido de trabajo desde la salida del depósito acumulador, una
vez pasado por el intercambiador, hasta los colectores solares. Normalmente son de tipo
centrífugas.
Las bombas se deben montar en las zonas más frías del circuito primario, teniendo en
cuenta que no se produzca ningún tipo de cavitación y siempre con el eje de rotación en
posición horizontal.
de captación) es
Según el CTE en instalaciones con un tamaño considerable (>50
obligatorio la instalación de otra bomba idéntica y en paralelo con ésta para evitar la parada de
la instalación por avería o mal funcionamiento de la bomba. También añade el CTE que los
materiales de la bomba del circuito primario deberán ser compatibles con las mezclas de
anticongelantes y en general con el fluido caloportador utilizado, y siempre se instalarán en la
parte más fría del circuito hidráulico.
Toda bomba circuladora, para unas determinadas condiciones de trabajo y tipo de fluido a
bombear, se caracteriza por el caudal de fluido y la altura manométrica de impulsión.
Esta altura manométrica es la suma de:
-
La pérdida de carga en el circuito más desfavorable de tuberías (incluidas las pérdidas
de carga singulares de los accesorios)
La pérdida de carga producida por el intercambiador de calor, ya sea externo o
incorporado al acumulador (serpentín).
La pérdida de carga de los captadores solares.
Las bombas circuladoras empleadas en los circuitos termosolares suelen tener varias
velocidades y el fabricante lo indicará en sus gráficas de funcionamiento. Lo aconsejable es que
se trabaje en una velocidad intermedia, con objeto de tener margen de actuación en el caso de
ser necesaria variar la presión de suministro de la bomba ante cambios en las condiciones de la
instalación.
Asimismo, previo a la aspiración de la bomba, se suele instalar un filtro con objeto de
evitar que entren al interior de la bomba impurezas procedentes de los cordones de soldadura y
otros desprendimientos del interior de la instalación.
45
INSTALACIÓN DE ENERGÍA
ENERG SOLAR PARA PRODUCCIÓN DE
ACS
Memoria Descriptiva
4.6.7.. Vaso de Expansión
Las variaciones extremas de temperatura que experimente el fluido de trabajo en el
circuito primario, hacen variar su densidad, y por tanto el volumen que ocupa dentro de la
instalación.
En efecto, al aumentar la temperatura del fluido caloportador (por ejemplo, a su paso por
los captadores solares), ocasiona el aumento de su volumen dentro de las tuberías y por tanto,
también un aumento de la presión interior del fluido, que si no se dispone de algún elemento
que alivie este incremento de presiones, podría dar lugar a fugas y roturas de la instalación.
Por tanto con objeto de absorber las dilataciones del fluido caloportador se coloca un
dispositivo, denominado vaso de expansión, tal que el fluido sobrante que no cabe en la
instalación entre el vaso de expansión, consiguiendo así que la presión no suba.
Entre los más usados, son los vasos de expansión de tipo cerrado, los cuales consisten en
un depósito cerrado herméticamente, cuyo interior se encuentra dividido en dos partes separadas
porr una membrana impermeable y extensible.
Ilustración 27: Esquema vaso de expansión
La parte del depósito rodeado por la membrana está ocupado por un gas (suele ser
nitrógeno, que no se oxida ni estropea la membrana, aunque se puede emplear aire), mientras
que la otra parte útil del depósito está conectada al circuito hidráulico y es por donde entra y
sale el fluido caloportador de la instalación.
Pues bien, como se ha dicho, al expandirse el fluido por aumento de su temperatura,
temperat
parte
del fluido que no cabe en la instalación entra en el vaso de expansión empujando a la
membrana.
El gas que ocupa la parte del vaso de expansión se comprime y absorbe la entrada del
fluido sobrante, evitando así variaciones de presión en el circuito.
circu
La parte del vaso de expansión ocupada por el gas suele disponer de una válvula de
seguridad para limitar la presión al valor especificado por el fabricante de la instalación.
4.6.7.1. Método de cálculo para el Vaso de Expansión
El método de cálculo seguido
seguido para el diseño del vaso de expansión viene definido en la
norma UNE 100155:2004.
46
INSTALACIÓN DE ENERGÍA
ENERG SOLAR PARA PRODUCCIÓN DE
ACS
Memoria Descriptiva
4.6.8. Purgador de Aire
Las instalaciones termosolares también disponen de un purgador, cuya función es la de
extrae las burbujas de aire que se puedan formar dentro de las conducciones.
-
-
-
Es importante seguir las siguientes recomendaciones en el diseño de cualquier
instalación termosolar con objeto de evitar la acumulación de bolsas de aire dentro de
las conducciones, que dificultaría enormemente la circulación del fluido caloportador:
Los purgadores de aire se colocarán en los lugares altos del circuito, que es donde
tenderá a acumularse las bolsas de aire, y será más fácil su eliminación;
Las bombas circulatorias se montarán en tramos verticales, de forma que se impida la
formación de bolsas de aire en el interior de las mismas;
Se recomienda que la velocidad del fluido por las tuberías nunca sea inferior a 0,6
m/s;
En los circuitos cerrados se montará el vaso de expansión en la zona de aspiración de
la bomba;
A todo tramo
mo horizontal de tubería se le dotará de una ligera pendiente mínima del
1% en el sentido de circulación para impedir la formación de bolsas de aire y que
éstas queden estancadas en la tubería;
Al menos, en el punto más alto de la instalación se mantendrá una presión mínima de
1,5 kg/cm2.
Además de los anteriores elementos, se pueden montar otros accesorios y dispositivos con
funciones diferentes, como la instalación de un grifo mezclador a la salida del depósito
acumulador con objeto de permitir la mezcla de agua fría con la procedente del colector, para
así evitar el riesgo de quemaduras en momentos donde el colector alcance temperaturas muy
elevadas.
Otro dispositivo necesario es el de llenado/vaciado del circuito. En caso de disponer de un
vaso de expansión
ión de tipo abierto a la atmósfera, éste puede ser empleado como sistema de
llenado.
En caso de disponerse de un vaso de expansión de tipo cerrado, entonces es necesario
instalar un dispositivo adicional para efectuar las operaciones de llenado y vaciado del
d fluido
caloportador y mantenerlo presurizado. En este caso, el dispositivo de llenado deberá disponerse
en la parte baja del circuito de manera que se evite la formación de bolsas de aire durante las
operaciones de llenado.
Ilustración 28: Dispositivo de llenado
47
INSTALACIÓN DE ENERGÍA SOLAR PARA PRODUCCIÓN DE
ACS
Memoria Descriptiva
4.6.9. Sistemas de llenado y vaciado
En una instalación de energía solar se encuentra un fluido de trabajo que será el
encargado de transferir la energía térmica al resto del sistema. Pero dicho fluido debe ser
introducido al sistema y debe garantizar la estanqueidad del mismo.
El llenado puede ser automático o manual. Y se debe favorecer la eliminación de aire
dentro del sistema, para ello es conveniente el llenado por la parte inferior del sistema, ya que
así se consigue que el aire se vaya eliminando por la parte superior (donde se encuentra el
sistema de purga). Se utiliza para la entrada por la tubería una válvula de bola.
El vaciado se debe realizar por donde se ha realizado el llenado, aprovechando la apertura
de una posible válvula de bola colocada en la instalación. La válvula hay que desplazarla de su
posición cerrada de forma manual o automática.
4.6.10. Válvulas
De entre los accesorios que son necesarios para un funcionamiento correcto y seguro de
todo el sistema hidráulico caben destacar las válvulas (en sus distintas versiones según su
funcionalidad).
La elección del tipo de válvula más idónea se debe realizar atendiendo a la función que
realiza dentro del circuito. Además, el tipo de válvula instalada deberá ser capaz de soportar con
garantías los valores extremos de presión y temperatura que se alcancen en el sistema.
Las válvulas usadas con más frecuencia en sistemas solares son:
Válvulas de corte
Son válvulas de tipo esféricas cuya función dentro del sistema es la de aislamiento,
ayudando así a facilitar tareas de mantenimiento. Se usan también para los sistemas de purga,
sistemas de llenado y sistemas de vaciado. Las válvulas de corte se instalarán en:
-
A la entrada y salida de cada batería del campo de colectores.
A las entradas y salidas de los acumuladores, intercambiadores y bombas.
A la entrada y salida del circuito de distribución de agua fría y caliente.
- A la entrada y salida de la instalación solar para poder aislarla del sistema de apoyo.
48
INSTALACIÓN DE ENERGÍA
ENERG SOLAR PARA PRODUCCIÓN DE
ACS
Memoria Descriptiva
Hay que garantizar en las instalaciones de energía solar la estanqueidad total para evitar
la entrada de cualquier tipo de partícula indeseada. Las válvulas de corte son específicas para
estas instalaciones.
Ilustración 29: Válvula de corte
Válvula de seguridad
Para el sistema es importante que la presión excesiva que se pueda generar en épocas de
mayor radiación solar no influya de forma negativa, por tanto existen este tipo de válvulas que
limitan la presión máxima de trabajo, protegiendo el resto de componentes de una instalación.
Su funcionamiento consiste en permitir la salida de fluido al exterior evitando la presión
excesiva.
Para este tipo de función se suelen usar válvulas de tipo resorte.
res
Se instalará una válvula
de seguridad por fila de captadores en el circuito primario.
Ilustración 30: Válvula de seguridad
49
INSTALACIÓN DE ENERGÍA
ENERG SOLAR PARA PRODUCCIÓN DE
ACS
Memoria Descriptiva
Válvula de retención
Las válvulas de retención, también conocidas como válvulas antiretorno, son dispositivos
que permiten que el fluido solo circule en un único sentido. En general se deben instalar cuando
se quieran evitar posibles retornos del fluido. Para este tipo de función
ión las válvulas usadas son
las de clapeta y de disco. Las de clapeta suelen fabricarse de bronce. Las de disco poseen un
muelle que se fabrica de acero especial.
Estas válvulas se instalarán en:
-
La acometida de agua fría para evitar circulaciones naturales
naturales indeseadas.
En cada una de las bombas.
Válvula de regulación
Debido a la complejidad que existe para conseguir que circule el caudal correcto por cada
uno de los circuitos posibles en un sistema hidráulico se utilizan las válvulas de regulación,
permitiendo fijar un caudal de circulación y así poder equilibrar hidráulicamente una
instalación. Para este tipo de funcionamientos se usan válvulas de asiento.
Ilustración 31:Válvula de Regulación
50
INSTALACIÓN DE ENERGÍA
ENERG SOLAR PARA PRODUCCIÓN DE
ACS
Memoria Descriptiva
Válvula termostática
Su uso viene justificado por la posible elevación de la temperatura de ACS debido a la
radiación solar captada en algunos meses. Para evitar quemaduras por temperaturas excesivas se
puede disponer de este topo de válvulas. Las válvulas termostáticas poseen 3 vías (dos de
entrada y una de salida). Una entrada de agua fría y otra de agua caliente que se van
combinando para que la temperatura de de la vía de salida sea la indicada, por tanto el caudal de
la vía de entrada de agua fría y caliente se irá modificando
modificando constantemente para mantener la
temperatura deseada.
Es recomendable su instalación a la salida del sistema de producción de agua caliente
sanitaria cuando el agua pueda alcanzar valores de temperaturas por encima de los 60 ºC.
Ilustración 32:Válvula termostática
4.6.11. Accesorios hidráulicos
Además de las válvulas, se necesitan otro tipo de accesorios para poder llevar a cabo un
control y realizar un proceso óptimo, con la menor cantidad de pérdida de carga y con la mayor
posibilidad de ahorro energético. Para ello se describen a continuación una serie de accesorios
característicos de una instalación como la que nos ocupa.
Caudalímetro
Un caudalímetro es un instrumento de medida para la medición de caudal o gasto
volumétrico de un fluido o para la medición del gasto másico.. Estos aparatos suelen colocarse
en línea con la tubería que transporta el fluido. También suelen llamarse medidores de caudal,
caudal
medidores de flujo o flujómetros.
flujómetros
Existen versiones mecánicas y eléctricas. Un ejemplo de caudalímetro eléctrico lo
podemos encontrar en los calentadores de agua de paso que lo utilizan para determinar el caudal
que está circulando o en las lavadoras
lavado para llenar su tanque a diferentes niveles.
51
INSTALACIÓN DE ENERGÍA SOLAR PARA PRODUCCIÓN DE
ACS
Memoria Descriptiva
Se pueden distinguir varios tipos de caudalímetros pero los más usados son los de
ultrasonidos o turbinas de palas.
Contador de energía
Es un dispositivo que nos permite conocer la entalpía o energía de un fluido que se
encuentra en circulación. Para ello se utilizan dos sondas de control de temperatura, una en la
tubería fría y otra en la caliente, un caudalímetro y un dispositivo electrónico que se encarga de
determinar la energía según los valores aportados por las señales de las sondas y los valores del
caudalímetro.
En una instalación solar nos sirve para ver el aporte de energía térmica del sistema de
captación al sistema de acumulación.
Filtros
La presencia de partículas indeseadas como arena, restos de materiales en corrosión, etc. i
influyen negativamente en cualquier instalación. Por ello se usan filtros que eviten el paso de
estas partículas.
Es necesario utilizar filtros eficientes y de fácil acceso para sustituirlos cuando sea
necesario. Siendo útil colocarlos a la entrada de agua fría y tras los componentes del circuito
hidráulico como las válvulas, las bombas, etc. normalmente son de cobre, combinados con una
malla plástica o metálica.
52
INSTALACIÓN DE ENERGÍA SOLAR PARA PRODUCCIÓN DE
ACS
Memoria Descriptiva
4.7. Sistemas de Regulación y Control
En los sistemas termosolares de circulación forzada, es necesario la instalación de un
sistema de control y regulación que active y controle, entre otras variables, la velocidad de
bombeo de la bomba circulatoria del circuito primario en función de las necesidades del
sistema.
La variable principal que marca el funcionamiento de la bomba es el gradiente de
temperatura en el fluido caloportador del circuito primario que exista entre la salida de los
captadores solares y la temperatura del fluido a la salida del acumulador (o del intercambiador
térmico).
Para ello será necesario disponer, al menos, de sendas sondas de temperatura en las zonas
anteriormente indicadas, que enviará los datos marcados a la unidad de control.
El sistema de control recibirá ambas señales y comparará las temperaturas registradas por
los distintos sensores.
Si la diferencia de temperatura registrada en el fluido del circuito primario entre la salida
de los captadores solares y la salida del acumulador es superior a un valor programado
previamente por el instalador, de entre 4 y 6 ºC (el nuevo Código Técnico de la Edificación
establece este límite en 7 ºC), el sistema activará el funcionamiento de la bomba.
Por el contrario, cuando esta diferencia de temperatura se sitúa entre 2 y 4 ºC (el Código
Técnico de la Edificación lo marca a una diferencia menor a 2 ºC) el sistema detendrá el
funcionamiento de la bomba.
Asimismo, otras de las funciones del sistema de control es la de activar la unidad auxiliar
de apoyo para aportar calor adicional al agua de consumo en caso que la instalación solar, por sí
sola, no pueda aportar toda la energía térmica demandada en ese momento. Para ello se
dispondrá también de una sonda de temperatura que registrará la temperatura del agua sanitaria
a la salida del acumulador que se destina a su consumo.
Toda unidad de control se compondrá, al menos, de los siguientes módulos funcionales:
1. Un teclado, para la introducción de parámetros de funcionamiento, por ejemplo, el
rango de temperaturas diferenciales que marque el arranque y parada de la bomba;
2. Pantalla LED, que sirva para visualizar el estado de funcionamiento del sistema y de sus
parámetros de diseño;
3. Un módulo de conexión analógica para entrada de datos, que sirva para el conexionado
de las sondas de temperaturas distribuidas por el sistema, etc;
4. Un módulo de conexión para la salida de órdenes, que conecte con la bomba para
activar su arranque/parada, o con la unidad auxiliar de apoyo para su control, etc.
53
INSTALACIÓN DE ENERGÍA
ENERG SOLAR PARA PRODUCCIÓN DE
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Memoria Descriptiva
Un ejemplo de funcionamiento básico es el propuesto a continuación:
Ilustración 33: Esquema de sistema de control
La sonda de temperatura T1 (parte caliente) se sitúa a la salida del último del grupo de
captadores, de modo que su lectura sea la temperatura en los captadores. La sonda T2 (parte
fría) se sitúa en la parte inferior del acumulador solar. En el caso de que exista más de un
acumulador solar, se situará en el depósito que parta la conexión de ida hacia los captadores.
El regulador pone en marcha la bomba cuando la temperatura de la sonda T1 supera en
6ºC la temperatura de la sonda T2 situada en el acumulador. Y lo detiene cuando la diferencia es
inferior a 2ºC. Estas diferencias de temperatura entre T1 y T2 para la puesta en marcha y
detención de la bomba se establecen
establecen para compensar las posibles pérdidas energéticas en las
tuberías del circuito primario. Pueden ajustarse con la instalación en funcionamiento y
establecerse otros saltos térmicos diferentes a 6ºC y 2ºC.
Existen diversos reguladores de instalaciones solares
solares en el mercado que incorporan
además otras funciones como la limitación de temperatura en el acumulador, la puesta en
marcha cuando se detecta una temperatura en el circuito primario próxima a la congelación, o la
apertura o cierre de contactos adicionales.
adicion
Respecto a la limitación de la temperatura del
acumulador solar, debe elegirse un valor que se adecue a las condiciones de funcionamiento del
depósito, teniendo en cuenta que, a mayor temperatura se acumule mayor será la estratificación.
En general, el recubrimiento interior de los acumuladores de ACS es un esmalte que puede
soportar temperaturas máximas de unos 60ºC, o hasta 70ºC si el calentamiento es esporádico.
En cambio los acumuladores de inercia, al no estar esmaltados, son capaces de soportar
temperaturas de unos 90ºC.
54
INSTALACIÓN DE ENERGÍA SOLAR PARA PRODUCCIÓN DE
ACS
Memoria Descriptiva
5. Métodos de cálculo: Método F-Chart
En la realización de este Proyecto se ha decidido usar el método F- Chart, pasemos a
explicar su fundamento. El método F-Chart, aplicable a calefacción de edificios y calentamiento
de A.C.S., es un método simplificado ampliamente aceptado como un proceso de cálculo
suficientemente exacto cuando se dispone de datos en base mensual. Para desarrollarlo, como
datos de partida se utilizan datos mensuales medios meteorológicos y de demanda. Es
perfectamente válido para determinar el rendimiento o factor de cobertura solar en instalaciones
de calentamiento y producción de ACS, en todo tipo de edificios, mediante captadores solares.
El resultado final que proporciona el método F-Chart, es una estimación de la fracción de
carga total suministrada por la energía solar. La principal variable de diseño será el área de
captación, siendo variables secundarias el tipo de captador, capacidad de almacenamiento,
relación de flujos, etc.
El método en sí, fue obtenido a partir de correlaciones de resultados de un gran número
de simulaciones detalladas. Los resultados de estas numerosas simulaciones fueron
correlacionadas en términos de variables adimensionales fáciles de obtener. El resultado de la
correlación, como veremos en la memoria de cálculo, será f; fracción de carga mensual que será
suministrada por energía solar. Este factor se obtendrá como función de dos parámetros
adimensionales cuyos cálculo se detalla en la memoria de cálculo.
El alcance de este método se resume a continuación:
-
Método basado en datos diarios medios mensuales
Considera sistemas de calefacción y producción de ACS, donde la carga de ACS es
inferior al 20 % de la carga de calefacción.
El método se desarrolla para un sistema base de energía solar, sin intercambiador de
calor en el circuito de captación y con una capacidad de acumulación de 75 l/
de
superficie de captación.
Como hipótesis de partida se establece que las pérdidas en base mensual son
despreciables, es decir:
#
$%
'$(
&
'
()
#
Siendo
-
%
-
'
-
(
%* +,í. /01.+ ú341 5.63.7. 8
#
&
Energía auxiliar consumida 8
Demanda térmica 8
9
:
9
9
:
:
Pérdidas en transporte y acumulación 8
9
:
El rendimiento del sistema se define como la fracción de demanda cubierta por energía solar (f)
y se ecuaciona como:
55
INSTALACIÓN DE ENERGÍA
ENERG SOLAR PARA PRODUCCIÓN DE
ACS
Memoria Descriptiva
Como ya he citado en la página anterior todos los cálculos son justificados en la memoria
de cálculo, aquí solo se presenta el método de forma general.
g
El rendimiento del sistema depende de dos variables adimensionales (X,Y):
(X,Y)
Siendo:
Temperatura de referencia, igual a 100 ºC
Temperatura media mensual ext.
(τα)m: Producto (τα)
τα) medio mensual del captador = 0,96
0,96·(τα)n
Esta función se obtiene a partir de resultados de simulaciones
simulaciones horarias mediante TRANS.
TRANS
A continuación muestro las curvas f para sistemas con colectores de líquido.
Ilustración 34: Gráfico método F-Chart
56
INSTALACIÓN DE ENERGÍA
ENERG SOLAR PARA PRODUCCIÓN DE
ACS
Memoria Descriptiva
El rango de variación de los parámetros de diseño son los siguientes:
-
Orientación captadores solares:
Inclinación captadores solares:
Caudal de circulación en captadores:
Efectividad intercambiador c.p:
Capacidad de almacenamiento
Sur ±15º
Latitud ±15º
0,01 a 0,02 l/s
50 a 100 l/
50 a 100 l/
Como hemos dicho, el método se desarrolla para un sistema base de energía solar, sin
intercambiador de calor en el circuito de captación y con una capacidad de acumulación de 75
l/
de superficie de captación. Luego si la capacidad de acumulación difiere de la base, se
emplean unas correcciones. Estas correcciones se exponen a continuación.
5.1. Corrección por Almacenamiento
El método se ha desarrollado para una capacidad de 75 l/ . Si la capacidad de
acumulación es diferente se corrige el grupo adimensional X mediante la ecuación:
Ilustración 35: Factor de corrección por almacenamiento
57
INSTALACIÓN DE ENERGÍA
ENERG SOLAR PARA PRODUCCIÓN DE
ACS
Memoria Descriptiva
5.2. Corrección por Intercambiador
Si existe un intercambiador de calor en el circuito primario, se corrigen los grupos
adimensionales Xe Y a través del factor Fr (recta de rendimiento), en función de la efectividad
del intercambiador y de las capacidades caloríficas de los fluidos.
Ilus
Ilustración
36: Corrección por intercambiador
Aumenta el gradiente de temperatura entre el depósito de acumulación y el captador
solar, disminuyendo el rendimiento de captación.
Se define un captador solar equivalente
intercambiador de calor en el circuito de captación.
de una instalación equivalente sin
Se obtiene operando la siguiente expresión:
58
INSTALACIÓN DE ENERGÍA SOLAR PARA PRODUCCIÓN DE
ACS
=,
;" < >
/
Memoria Descriptiva
=,
? <
>@
/
5.3. Corrección por Consumo de ACS
El método se ha desarrollado para instalaciones donde la carga de ACS es inferior al 20
% de la carga de calefacción. Si este porcentaje es superior se corrige el grupo adimensional X
mediante la ecuación:
XB
X
11,6 $ 1,18 TrefKB $ 3,86 Tred
100 TKOP
2,32 TKOP
5.4. Metodología de Cálculo
1. DATOS DE PARTIDA:
- Localidad y datos de consumo
- Inclinación y azimut del captador
2.
-
METODOLOGÍA:
Elegir un captador solar:
R,
Definir agrupación de captadores y acumulación (V)
Corregir por caudal
por agrupación de captadores
Corregir
Corregir
por intercambiador de calor.
2.1. Para cada mes:
- Calcular la demanda mensual (L)
- Calcular R. Solar sobre superficie de captación: H S/
- Calcular los parámetros X/A e Y/A
- Corregir X/A por demanda ACS si 'UVW X 0,20 '! Y Z
- Corregir X/A por acumulación si V≠75 1/
- Elegir una superficie de captación: A
- Calcular X e Y
- Calcular f en función de X e Y
7í.
2.2. Para el año completo:
- Calcular f en base anual
59
INSTALACIÓN DE ENERGÍA SOLAR PARA PRODUCCIÓN DE
ACS
Memoria Descriptiva
6. Justificación, elección de equipos y resumen de la instalación
El edificio para el cual se ha desarrollado el diseño de la instalación solar térmica para
ACS corresponde a un edifico de residencia para estudiantes situado en la provincia de Sevilla.
Este edificio consta de 3 plantas y un sótano, y cuenta con un total de 71 camas. La localización
del edificio no ha sido proporcionada por la empresa a través de la cual he adquirido los planos,
luego he decido yo mismo una localización posible para encajar la instalación en la localidad de
Sevilla siguiendo la orientación definida por los planos del edificio.
Queda definido en el plano de situación y emplazamiento.
60
INSTALACIÓN DE ENERGÍA
ENERG SOLAR PARA PRODUCCIÓN DE
ACS
Memoria Descriptiva
6.1. Elección del sistema
La selección del sistema más adecuado, para acoplar una instalación solar a la convencional,
convencional es
de mucha importancia ya que la correcta selección y dimensionado de cada uno de los
componentes de estas opciones influyen en el ahorro solar alcanzable. Las opciones
opciones son:
-
Campo solar único con acumulación solar común acoplado a sistemas centralizados
de ACS para el edificio.
Campo solar único con acumulación solar común acoplado a sistemas distribuidos de
ACS en cada vivienda del edificio.
Campo solar único con acumulación solar distribuida acoplado a sistemas
distribuidos de ACS en cada vivienda del edificio.
En edificios como hoteles, residencias oficinas, etc. las instalaciones de producción de
ACS son centralizadas como el primer tipo descrito es decir, campo
campo solar único con
acumulación solar común acoplado a sistemas centralizados de ACS para el edificio. Suelen
utilizar
tilizar combustibles fósiles. El esquema de la instalación se detalla en los planos
pla
del proyecto,
pero básicamente es de la siguiente forma:
Ilustración 37: Esquema instalación centralizada
El sistema de nuestra instalación será el de una instalación solar con la caldera central. La
instalación solar se utilizará para precalentar el agua de la red y la caldera central
complementará el salto térmico requerido en el caso de que el calentamiento solar no sea
suficiente.
El sistema solar escogido es el de una
un instalación con campo solar único y acumulación
solar común acoplada al sistema centralizado de ACS, el cual también debe diseñarse ya que el
edificio no cuenta con calderas convencionales para ACS. Estos dos sistemas se conectarán
mediante el circuito hidráulico que se muestran en los planos.
61
INSTALACIÓN DE ENERGÍA SOLAR PARA PRODUCCIÓN DE
ACS
Memoria Descriptiva
6.2. Funcionamiento del sistema Solar
En esta instalación lo captadores transfieren su calor al acumulador solar a través de un
serpentín interno al acumulador. El agua precalentada procedente del acumulador solar se
transporta al acumulador convencional mediante un circuito hidráulico, y a partir de aquí se
distribuye a los puntos de consumo mediante un circuito de distribución con recirculación.
El circuito de distribución es existente. Su diseño no es de aplicación en este proyecto.
Sin embargo si es aplicable el diseño de la caldera convencional para el apoyo de energía
auxiliar así como el acumulador de la caldera.
6.3. Demanda de Energía térmica
Para el cálculo de la demanda de energía térmica para producción de ACS se han tenido en
cuenta los siguientes factores:
-
Temperatura de almacenamiento del ACS:
La temperatura de entrada de agua fría de la red
La demanda de ACS
La Temperatura de almacenamiento de ACS es la temperatura de consigna que se
desea que permanezca constante en el acumulador. En este proyecto, acorde con el CTE, se
considerará como temperatura media de uso 60 ºC.
Los valores de la Temperatura de entrada de agua fría de la red de distribución en los
diferentes meses del año se ha tomado los que proporciona la norma UNE 94002:2005
Mes Ene.
Tº : 11
Febr. Mar.
11
13
Abril May. Jun. Jul.
14
16
19
21
Ago. Sept. Oct. Nov. Dic.
21
20
16
13
11
En este proyecto, para conocer la demanda de ACS no se ha podido conocer los datos de
consumo del edificio de otros años anteriores y el estudio se ha realizado de manera genérica
partiendo de los siguientes datos.
-
Número de camas: 71 camas
% ocupación: será del 100 % durante todo el año
Consumo diario: el establecido por la sección (CTE) (55 l/cama) para residencia.
Los cálculo están realizados en la memoria de cálculo, en esta memoria se detallan los
resultados a modo de resumen y justificación.
A continuación se muestra la demanda de ACS en forma de gráfico, particularizando para
cada mes.
62
INSTALACIÓN DE ENERGÍA SOLAR PARA PRODUCCIÓN DE
ACS
Memoria Descriptiva
Litros
122000
120000
118000
116000
114000
112000
110000
108000
106000
104000
102000
Litros
Ilustración 38: Demanda ACS de la instalación
Con todos esto, he podido llegar a la conclusión de que la demanda de energía térmica de
nuestra instalación es la siguiente:
L (MJ)
30000
25000
20000
15000
10000
L (MJ)
5000
0
Ilustración 39 :Demanda de Energía térmica de la instalación
Siendo la demanda energética total anual igual a 265413 MJ
63
INSTALACIÓN DE ENERGÍA SOLAR PARA PRODUCCIÓN DE
ACS
Memoria Descriptiva
6.4. Zona climática y Radiación Solar
La cobertura solar mínima de nuestra instalación depende de la zona climática del edificio
. la contribución solar mínima esta tabulada en el (CTE) y según la misma. Considerando que la
provincia de Sevilla corresponde a Zona climática V, independientemente de la demanda total
de ACS del edificio (l/d) la cobertura solar deberá ser del 70 %.
La superficie sobre la que van apoyados los captadores es una cubierta dos aguas con una
pendiente de 13º con respecto a la horizontal. Para saber la radiación que incide sobre los
captadores, los cuales han sido colocados con una inclinación sobre la horizontal de 45 º, he
tenido que aplicar el método de cálculo que viene en la memoria de cálculo y en este caso, para
la provincia de Sevilla se ha obtenido los siguientes resultados:
Mes
Enero
Febrero
Marzo
Abril
Mayo
Junio
Julio
Agosto
Septiembre
Octubre
Noviembre
Diciembre
Radiación Solar en
Superficie Inclinada
(MJ/m2 día)
15,77
17,8
18,88
19,04
20
20,05
21,63
22,55
21,17
19,61
16,92
15,22
Ilustración 40: Radiación solar en superficie inclinada
6.5. Subsistema de captación
Para este proyecto se ha optado por la aplicación de un captador plano debido a:
-
Elevada durabilidad
Facilidad de montaje (en tejado para nuestra instalación)
Buena relación calidad/precio
Comportamiento adecuado a las temperaturas de aplicación a las que está destinada el
sistema solar.
Coste inferior a otros captadores más complejos como los de tubo de vacío.
Como hemos dicho anteriormente, los captadores estarán apoyados sobre la cubierta a dos
aguas con orientación Sur, azimut 0º. Esta cubierta no presenta obstáculos a su alrededor que
puedan proyectar sombras sobre los captadores. La cubierta a dos aguas es de teja y se considera
lo suficientemente resistente para poder recibir con todas las garantías de seguridad el peso de
los equipos.
64
INSTALACIÓN DE ENERGÍA SOLAR PARA PRODUCCIÓN DE
ACS
Memoria Descriptiva
La orientación de los captadores es la misma que la de la cubierta sobre la que reposa,
orientación Sur, azimut 0º. Estos tienen una inclinación de 45 º sobre la horizontal.
El espacio donde se instalan los captadores no es demasiado grande, luego debo de
intentar optimizar el espacio buscando un captador de alto rendimiento, penalizando el coste
total de la instalación.
Aprovechando un estudio realizado en el proyecto fin de carrera de Carlos Capitán:
Diseño de una instalación solar en un centro deportivo, se puede observar que para una misma
superficie total de captación hay captadores que cubren más fracción de la demanda que otros:
Ilustración 41: Comparativa de captadores solares planos para elección
En el eje de las “x” se realizan el mismo cálculo con 25 modelos de captadores mientras
que en el eje “y” se puede ver la fracción solar alcanzada en %. El modelo 23 es el que alcanza
mayor fracción solar y corresponde al modelo VITOSOL 300 F de VIESSMANN SV3A .
Estudiando este modelo llego a la conclusión de que se adapta perfectamente a las
características que necesito tanto de espacio como técnicas. Luego es el modelo de captador
elegido para la instalación.
6.6. Subsistema de Acumulación
Para el subsistema de acumulación solar se ha recurrido al fabricante LAPESA para
seleccionar el depósito para producción y acumulación de ACS de gran capacidad Máster INOX
serpentines, series MXV, modelo-SSB de 4000 litros.
Estos depósitos son de gran capacidad, fabricados en acero inoxidable y destinados a
funciones de producción y acumulación de agua caliente sanitaria, para instalaciones de gran
consumo individuales, comunitarias o industriales. Todos los depósitos de este modelo van
aislados con 80 mm de espesor de espuma rígida de poliuretano de densidad optimizada y libre
de CFC, inyectada en el molde. Otra característica destacable es el sistema exclusivo de
intercambiadores. Se trata de un conjunto desmontable de serpentines que unen los colectores de
ida y retorno del circuito primario, fabricados en acero inoxidable e instalados en el depósito
acumulador a través de la boca lateral de hombre DN 400. La boca DN 400 también incorpora
su aislamiento térmico convenientemente adaptado.
65
INSTALACIÓN DE ENERGÍA SOLAR PARA PRODUCCIÓN DE
ACS
Memoria Descriptiva
Todos los modelos disponen de conexiones para la incorporación de resistencias
eléctricas de calentamiento como sistema principal de producción de ACS, o como sistema de
apoyo a una fuente energética externa.
El volumen de acumulación ha sido seleccionado teniendo en cuenta que el volumen
óptimo de acumulación está en torno a los 70 litros por cada
de captador.
También he tenido en cuenta otras recomendaciones como la de IDAE la cual sugiere que
el volumen de acumulación debe ser próximo al volumen total del consumo diario.
6.7. Subsistema de Termotrasnferencia
El intercambiador seleccionado en este proyecto es un intercambiador incorporado al
acumulador (serpentín), puesto que los intercambiadores de placas externos tienen mayores
pérdidas y se necesita añadir una segunda bomba de circulación aumentando el coste de la
instalación. El modelo del interacumulador es SBB, el cual está diseñado expresamente para
instalaciones solares con las siguientes características a las condiciones de trabajo nominales del
interacumulador:
-
Superficie de captación: 8,4
Potencia nominal: 440 kW
6.8. Fracción de la cobertura solar mensual
Una vez hemos definido la demanda de energía térmica de la instalación, hemos definido
el volumen de acumulación acorde con la demanda de ACS y hemos definido el modelo de
captador, podemos operar con todo esto usando el modelo de cálculo F-Chart y obtener las
siguientes conclusiones usando 24 captadores con las siguientes características:
Área del captador: 2,327
Rendimiento Óptico: 0,833
Coeficiente de pérdida de calor: 3,66 W/
·K
f
1
0,8
0,6
0,4
0,2
0
Diciembre
Noviembre
Octubre
Septiembre
Agosto
Julio
Junio
Mayo
Abril
Marzo
Febrero
f
Enero
-
Ilustración 42: Fracción de la cobertura mensual de la demanda de energía térmica
66
INSTALACIÓN DE ENERGÍA SOLAR PARA PRODUCCIÓN DE
ACS
Memoria Descriptiva
6.9. Fracción de la cobertura sola anual
El objetivo del sistema de captación es generar la suficiente energía como para cubrir al
menos el 70 % de la demanda energética anual para ACS.
Usando los resultados obtenidos del modelo F-Chart de la fracción mensual de cobertura
solar, se calcula la producción de energía útil de la instalación y como consecuencia la energía
de apoyo necesaria en cada mes:
Mes
Enero
Febrero
Marzo
Abril
Mayo
Junio
Julio
Agosto
Septiembre
Octubre
Noviembre
Diciembre
Total:
L (MJ)
24836
22433
23822
22563
22302
20111
19767
19767
19620
22302
23054
24836
265413
f
0,5763
0,6493
0,7013
0,7181
0,7723
0,8059
0,8813
0,9086
0,8513
0,7592
0,6362
0,5575
EU.mes (MJ)
14312,99
14565,75
16706,37
16202,49
17223,83
16207,45
17420,66
17960,30
16702,51
16931,68
14666,95
13846,07
192747,045
E. Apoyo (MJ)
10523,01
7867,25
7115,63
6360,51
5078,17
3903,55
2346,34
1806,70
2917,49
5370,32
8387,05
10989,93
Ilustración 43: Resumen cobertura solar mensual, demanda de energía térmica y apoyo auxiliar
La fracción solar anual resultante F sería, en este caso:
[
192747,045
· 100
265413
ab, cb %
Cumpliendo con la normativa vigente y con nuestras expectativas.
30000
25000
20000
L (MJ)
15000
EU.mes (MJ)
E.Apoyo (MJ)
10000
5000
0
1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12
Ilustración 44: Gráfica resumen de cobertura solar
67
INSTALACIÓN DE ENERGÍA
ENERG SOLAR PARA PRODUCCIÓN DE
ACS
6.10.
Memoria Descriptiva
Circuito Hidráulico
En primero lugar voy a definir como se han conectado los captadores. Tenemos un total
de 24 captadores,, los cuales forman una superficie total de captación de 55,85
.
Estos se han distribuido en 4 baterías de 6 captadores cada una. Los captadores se han
conectado entre sí en paralelo y cada batería entre sí en paralelo también. El sistema de
conexión de tuberías ha sido tal que se ha buscando que estén lo más equilibrado posible, por lo
que se ha configurado como retorno invertido.
i
En la conexión de los captadores en paralelo se tiene de forma general una pérdida de
carga pequeña, bastante menor que con la conexión en serie. En contraposición se observan
caudales relativamente altos en comparación con la conexión en serie.
Las pérdidas de cada tramo han sido calculadas en la memoria de cálculo. Como
consecuencia de todo esto, se ha obtenido 4 circuitos posibles en nuestra instalación, dando
como resultado una pérdida de carga total (suma de la pérdida de carga en tramos lineales,
lin
accesorios, captadores e intercambiador) de cada circuito de:
Circuitos
T1,T7,T8,T9,T10
T1,T2,T3,T4,T10
T1,T2,T5,T8,T9,T10
T1,T2,T3,T6,T9,T10
Per. Carga (m.c.a)
2,624
2,624
2,583
2,595
Ilustración 45: Pérdida de carga en circuitos hidráulicos
Queda de manifiesto que los circuitos están aproximadamente equilibrados aunque
dispondrán de válvulas de equilibrado para prevenir posibles desajustes.
A continuación se muestra gráficamente la conexión de estos captadores.
68
INSTALACIÓN DE ENERGÍA
ENERG SOLAR PARA PRODUCCIÓN DE
ACS
Memoria Descriptiva
Gran parte del recorrido de las tuberías del circuito primario discurren por el exterior del
edificio. Para ello las tuberías irán grapeadas a la pared y forradas de aluminio.
Ilustración 46: Tuberías forradas de aluminio
69
INSTALACIÓN DE ENERGÍA SOLAR PARA PRODUCCIÓN DE
ACS
6.11.
Memoria Descriptiva
Subsistema de Energía Auxiliar
Nuestra instalación no cuenta con sistema de calderas convencionales para calentar el
agua del edificio, por ello, hemos tenido que diseñar un sistema de caldera con su acumulador
para el consumo de ACS. Este diseño, tal y como justifica la norma, ha de realizarse como si no
se dispusiera de circuito de captación solar, de modo que si algún día fallase la producción de
ACS por energía solar, la instalación pueda seguir consumiendo ACS a través de la caldera
convencional. En condiciones normales, esta caldera servirá de apoyo a la energía solar cuando
la temperatura de consigna no llegue a la establecida.
En la memoria de cálculo se justifican y detallan todos los cálculos que han sido
necesarios para determinar la potencia y el volumen de acumulación de esta caldera. Para ello,
hemos tenido que determinar cuántos grupos de consumo tiene nuestra instalación y de qué tipo,
para que una vez definido estos, poder determinar el caudal de cálculo.
Tipo de aparato
Lavamanos
Bidé
Bañera de 1,40 m o más
Bañera de menos de 1,40
m
Retrete con cisterna
Lavavajillas doméstico
Fregadero doméstico
Caudal ACS
(dm3/s)
0,03
0,065
0,2
0,15
Planta
0
0,33
0,13
0,2
0,6
Planta
1
0,69
0,325
0,6
2,7
Planta
2
0,93
0
0,4
4,05
Planta
3
0,12
0
0,2
0,45
‐
0,1
0,1
Total:
‐
0,1
0,1
1,46
‐
0,1
0,1
4,515
‐
0
0
5,38
‐
0
0
0,77
A través de esta tabla se consigue el caudal total y a través del caudal total el caudal de
consumo. Con todo esto se llega la conclusión de que el volumen de acumulación convencional
y la potencia de la caldera es:
-
Volumen de acumulación: 2316 litros
Potencia nominal: 101 kW
Para la acumulación se ha seguido con el mismo fabricante que para la acumulación solar,
es decir, LAPESA. El modelo seleccionado es el MASTER VITRO MVV 2500 l SB. Este modelo
tiene incorporado un serpentín de 4,2
. Las características técnicas se detallan en el anexo.
Para la caldera se ha elegido el fabricante VIESSMANN modelo VITOCROSSAL 200 con
las siguientes características generales:
-
V. de agua: 292 litros
Potencia térmica: de 87 a 311 kW
A continuación se muestra un esquema general de conexión entre el sistema solar y el
sistema convencional.
70
INSTALACIÓN DE ENERGÍA
ENERG SOLAR PARA PRODUCCIÓN DE
ACS
Memoria Descriptiva
Ilustración 47: Esquema de la Instalación
71
INSTALACIÓN DE ENERGÍA SOLAR PARA PRODUCCIÓN DE
ACS
Memoria Descriptiva
Resumen de la instalación
Número de captadores
η óptico
Cof. Pérdida de calor
Área total de Captación
Inclinación
Fluido Calopotador
24
‐
0,833
‐
3,66
W/m2·K
55,85
m2
45
°
Tyfocor LS
3905
litros/día
Temp. De Consumo
40
°C
Temp. Acum. ACS
60
ºC
4000
litros
Consumo de ACS
Volumen Acum. ACS
Temp. Auxiliar
‐
2316
litros
198,65
kW
108
W
Volumen Vaso
8
litros
Presión Válvula Seg.
6
bar
265413
MJ
192747,045
MJ
Caudal primario ACS
2454,144
litros/h
Cobertura Solar anual
72,62
%
Gas Natural
‐
Volumen Auxiliar
Potencia Caldera
Potencia Bomba
Demanda Ener. Anual
Producción Ener. Anual
Energía Auxiliar
Ilustración 48: Resumen de la Instalación
72
INSTALACIÓN DE ENERGÍA SOLAR PARA PRODUCCIÓN DE
ACS
Memoria Descriptiva
7. Cumplimiento de la normativa
7.1. Cumplimiento del CTE: HE 4.
1. Cumplimiento de la contribución solar mínima (Apartado 2.1).
-
Contribución solar mínima exigida: 70%
Contribución solar de nuestra instalación: 72,62 % CUMPLE
2. Cumplimiento de las pérdidas límites (Tabla 2.4).
-
Pérdida límite por orientación e inclinación: 10%
Pérdida calculada por orientación e inclinación:0,768 % CUMPLE
-
Pérdida límite por sombras: 15%
Pérdida calculada por sombras: 0% CUMPLE
-
Pérdida límite total:15%
Pérdida calculada total: 0% CUMPLE
3. Cumplimiento de exceso de contribución solar (Apartado 2.1.4)
-
Ningún mes supera una contribución del 110 %. CUMPLE
No se supera el 100 % de la contribución en más de 3 meses seguidos. CUMPLE
4. Cumplimiento de la potencia mínima de intercambio (Apartado 3.3.4.2)
-
Relación entre superficie útil de intercambio y superficie total de captación mínima
igual a 0,15
Relación entre superficie útil de intercambio y superficie total de captación igual a
0,1504. CUMPLE
5. Cumplimiento de la superficie total de captación (Apartado 3.3.3.1)
-
El área total de captadores tendrá un valor tal que se cumpla la condición: 50< V/A<180
En nuestra instalación: V/A = 71,62 litros/
CUMPLE
6. Cumplimiento del circuito hidráulico (Apartado 3.3.5.1)
-
El caudal del fluido caloportador estará comprendido entre 1,2 l/s y 2 l/s por cada 100
de red de captadores.
En nuestra instalación el caudal es 1,234 l/s por cada 100
. CUMPLE
1. Información técnica de equipos
1.1. Captador.
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Fluido Caloportador Tyfocor LS
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1.2. Interacumulador Solar
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1.3. Bomba de circulación
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1.4. Interacumulador Convencional
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1.5. Caldera de apoyo
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1.6. Sistema de control Captadores
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BIBLIOGRAFÍA
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3. Reglamento de Instalaciones Térmicas en los Edificios (RITE)
4. Aenor: “ Instalaciones solares térmicas para producción de agua caliente sanitaria.
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6. Aenor : “ Abastecimiento de agua- Dimensionado de Instalaciones de agua para
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17. http://ingemecanica.com/tutorialsemanal/tutorialn188.html Tutorial de diseño de una
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19. “Proyecto Instalación Solar para ACS en hotel”. Autor: Carlos Fernández Fernández,
Universidad Carlos III de Madrid.
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21. “Instalación de placas de energía solar térmica para ACS para empresa productora de
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