SEA UNIDAD 4

Escuela Politécnica Superior de Elche
GRADO EN INGENIERÍA DE TECNOLOGÍAS DE TELECOMUNICACIÓN
SISTEMAS ELECTRÓNICOS DE ALIMENTACIÓN
Unidad Didáctica 4:
Instalaciones solares térmicas
Componentes de las instalaciones solares térmicas
v.1.01
1. LAS INSTALACIONES SOLARES TÉRMICAS
1.1. CLASIFICACIÓN SEGÚN EL PRINCIPIO DE FUNCIONAMIENTO
Según la forma en que circule el fluido caloportador desde el captador
hasta el acumulador, debe de distinguirse entre:
Instalaciones con circulación natural (circulación por termosifón):
El fluido que circula por dentro del captador entra por la parte inferior y se
calienta por efecto de la radiación solar incidente, disminuyendo su densidad.
Esto provoca un movimiento ascendente del fluido, que sale por la parte
superior y llega al acumulador, donde entrega todo el calor absorbido en el
captador. Al enfriarse, su densidad aumenta, sale del acumulador y vuelve a
entrar en el captador, cerrándose el circuito. La velocidad de circulación
depende de la diferencia de temperaturas entre el captador y el acumulador. Se
trata por lo general de sistemas muy compactos en los que el captador y
acumulador forman una unidad. La altura entre el acumulador y los colectores
debe ser mayor de 30 centímetros. La circulación natural reduce el
rendimiento del sistema solar.
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1. LAS INSTALACIONES SOLARES TÉRMICAS
1.1. CLASIFICACIÓN SEGÚN EL PRINCIPIO DE FUNCIONAMIENTO
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1. LAS INSTALACIONES SOLARES TÉRMICAS
1.1. CLASIFICACIÓN SEGÚN EL PRINCIPIO DE FUNCIONAMIENTO
Instalaciones con circulación forzada:
En este tipo de instalaciones, una bomba se encarga de hacer circular el fluido
caloportador .La bomba debe de colocarse entre el acumulador y los
captadores, es decir, en el tramo frio del circuito primario.
Una ventaja de este sistema frente al de circulación natural es que los
captadores pueden situarse a cierta distancia del acumulador. Por su
rendimiento, este sistema suele emplearse para conseguir volumenes de agua
mayor, así como mayores temperaturas.
Regla más de 5 m2 de captación  Sistema forzado
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1. LAS INSTALACIONES SOLARES TÉRMICAS
1.1. CLASIFICACIÓN SEGÚN EL PRINCIPIO DE FUNCIONAMIENTO
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1. LAS INSTALACIONES SOLARES TÉRMICAS
1.2. COMPONENTES DE UNA INSTALACIÓN SOLAR TÉRMICA FORZADA
• El principio básico de funcionamiento es el que sigue:
• CAPTACION de la energía radiante para ser transformada en energía térmica,
con el aumento de la temperatura de un fluido de trabajo.
• INTERCAMBIO de la energía térmica desde un circuito primario, o de
captación hasta el circuito secundario o de almacenamiento
• ALMACENAMIENTO, de la energía térmica para su posterior utilización.
• Estas funciones deben complementarse con la producción de energía
térmica mediante un sistema convencional, para asegurar la satisfacción de
la demanda energética en momentos de escasa radiación. APOYO
SEA: UNIDAD 2– Components de las instalaciones solares térmicas
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1. LAS INSTALACIONES SOLARES TÉRMICAS
1.2. COMPONENTES DE UNA INSTALACIÓN SOLAR TÉRMICA FORZADA
• Subsistema de CAPTACION: está formado por uno o varios colectores
que transforman la radiación solar incidente en energía térmica, que
es transferida al fluido de trabajo contenido en su interior.
• Subsistema de INTERCAMBIO: Realiza la transferencia de la energía
térmica captada desde el circuito de colectores al circuito de
acumulación.
• Subsistema de ALMACENAMIENTO o acumulación, constituido por
uno o mas depósitos que almacenan el agua caliente hasta que se
precisa su uso. En el caso de calentamiento de agua para piscinas, el
sistema de almacenamiento es el propio vaso de la piscina.
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1. LAS INSTALACIONES SOLARES TÉRMICAS
1.2. COMPONENTES DE UNA INSTALACIÓN SOLAR TÉRMICA FORZADA
• Subsistema HIDRÁULICO. Constituido por tuberías, bombas,
válvulas…que se encargan de conducir el fluido caliente desde el
sistema de captación al de acumulación y de ahí, hasta la red de
consumo.
• Subsistema de REGULACIÓN Y CONTROL, es responsable de asegurar
el correcto funcionamiento de la instalación para proporcionar un
adecuado servicio de agua caliente y aprovechar la máxima energía
solar posible.
• Subsistema de ENERGÍA AUXILIAR, se utiliza para complementar el
aporte solar suministrando la energía necesaria para cubrir la
demanda prevista y garantizando la continuidad del suministro.
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2. EL SUBSISTEMA DE CAPTACIÓN
2.1. EL CAPTADOR SOLAR
• El captador solar es el elemento encargado de transformar la radiación
solar (radiación electromagnética) en energía térmica (agua caliente, aire
caliente, etc. ) en definitiva un fluido a una temperatura superior a la del
ambiente.
• Existen diversos tipos y diseños de captadores con costes y rendimientos
diferentes y se pueden utilizar en diversas aplicaciones. Actualmente el
más utilizado es el colector solar plano del cual existen muchas variantes.
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2. EL SUBSISTEMA DE CAPTACIÓN
2.1. EL CAPTADOR SOLAR
Sabemos que todo cuerpo expuesto al sol se calienta y simultáneamente se
producen perdidas por radiación, convección y conducción que crecen con la
temperatura.
En equilibrio termodinámico, la potencia incidente (irradiancia solar) en un
captador solar será igual a la potencia perdida.
El equilibrio se produce a 100ºC cuando G=1000W/m2.
Si además de las perdidas que se producen, extraemos energía útil del mismo (caso
del captador solar ), se tiene:
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2. EL SUBSISTEMA DE CAPTACIÓN
2.1. EL CAPTADOR SOLAR
2.1.1. ELEMENTOS DE UN CAPTADOR SOLAR
En la siguiente figura se muestra un esquema de un captador solar
plano para líquidos. En ella se representan los elementos más
importantes del mismo.
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2. EL SUBSISTEMA DE CAPTACIÓN
2.1. EL CAPTADOR SOLAR
2.1.1. ELEMENTOS DE UN CAPTADOR SOLAR
Desde el punto de vista geométrico , en un captador solar se diferencian los
siguientes términos relativos a la superficie del mismo:
• Área total: área máxima proyectada por el captador completo, excluyendo
cualquier medio de soporte y acoplamiento de tubos.
• Área de apertura: área proyectada máxima a través de la cual penetra la
radiación solar sin concentración en el captador.
• Área del absorbedor: área proyectada máxima de la proyección del absorbedor.
No incluye ninguna parte del absorbedor que no es alcanzada por la radiación
solar cuando su dirección es perpendicular al plano de proyección que define el
área del absorbedor.
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2. EL SUBSISTEMA DE CAPTACIÓN
2.1. EL CAPTADOR SOLAR
2.1.2. EFECTO INVERNADERO
La radiación electromagnética al incidir sobre un cuerpo puede ser total o
parcialmente absorbida, reflejada o transmitida. La mayor parte del espectro
de la radiación solar esta comprendido entre 0.3 y 3μm. El vidrio es
transparente entre 0.3 y 3μm y opaco fuera de esas longitudes de onda.
La irradiación después de atravesar el vidrio incide sobre el absorbedor, el
cual se calienta y emite a su vez radiación con longitud de onda comprendida
entre 4.5 (370ºC) y 7.2 μm (129ºC) para la cual el vidrio es opaco.
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2. EL SUBSISTEMA DE CAPTACIÓN
2.1. EL CAPTADOR SOLAR
2.1.3. CUBIERTA TRANSPARENTE PLANA
La cubierta transparente plana: Es el elemento transparente a la radiación
solar y opaco a la radiación de onda larga que emite el absorbedor (material
selectivo trasmisivo), produciendo así el efecto invernadero en el interior del
captador.
Algunos captadores llevan varias cubiertas transparentes que reducen las
pérdidas pero aumentan mucho el coste de los equipos.
Funciones:
• Protege los elementos internos del colector, absorbedor y aislamiento.
• Forma parte de los elementos de aislamiento del colector y permite la
creación del efecto invernadero. Reduce las pérdidas térmicas por convección
y radiación en el absorbedor.
• Debe permitir que la radiación solar penetre fácilmente
• Debe resistir los efectos del medio ambiente (estanqueidad)
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2. EL SUBSISTEMA DE CAPTACIÓN
2.1. EL CAPTADOR SOLAR
2.1.3. CUBIERTA TRANSPARENTE PLANA
• Vidrio:
Propiedades ópticas:
La transmisión energética es función del espesor, del ángulo de incidencia y
del tipo de vidrio (composición química). Podemos definir el coeficiente de
transmisión de un vidrio como:
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2. EL SUBSISTEMA DE CAPTACIÓN
2.1. EL CAPTADOR SOLAR
2.1.3. CUBIERTA TRANSPARENTE PLANA
• Vidrio:
Composición:
La composición química del vidrio tiene un gran influencia sobre τ. Un alto contenido
en sales de hierro reduce notablemente la transmisividad de un vidrio. Por ello lo
recomendable es el uso de vidrios selectivos con bajo contenido en FeO.
Normalmente se fabrican vidrios especiales para cubiertas de captadores solares tanto
desde el punto de vista mecánico (templado, 3‐4 mm espesor) y óptico (τ>90%). La
distancia entre el vidrio y el absorbedor esta comprendida entre los 2‐4 cm.
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2. EL SUBSISTEMA DE CAPTACIÓN
2.1. EL CAPTADOR SOLAR
2.1.4. ABSORBEDOR
El absorbedor: es el elemento fundamental de un captador solar plano, su misión
es recibir la radiación solar, transformarla en energía térmica y transmitirla al fluido
caloportador.
Se suele emplear cobre o aluminio. En el caso de que el fluido que pasa por el
absorbedor sea el mismo que se utiliza en el sistema (ej. piscinas) se emplean
absorbedores de acero o plástico.
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2. EL SUBSISTEMA DE CAPTACIÓN
2.1. EL CAPTADOR SOLAR
2.1.4. ABSORBEDOR
El uso de materiales metálicos en captadores radica principalmente en su elevada
conductividad térmica y su baja emisividad. Por el contrario, este tipo de materiales
poseen una baja absortividad lo cual
reduce la captación de energía
electromagnética y su transformación en térmica.
Por ello es necesario cubrir el absorbedor con una superficie adecuada,
básicamente se utilizan dos tipos de tratamiento para cubrirla.
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2. EL SUBSISTEMA DE CAPTACIÓN
2.1. EL CAPTADOR SOLAR
2.1.4. ABSORBEDOR
Tratamientos no selectivos. Pinturas:
• Coeficiente de absorción elevado,
coeficiente de emisión elevado (α≈ε)
• Las perdidas por emisión son elevadas
y crecen con la temperatura.
Tratamientos selectivos:
• Coeficiente de absorción elevado (α ≈
0.9)
• Coeficiente de emisión bajo (ε ≈ 0.1)
• Superposición de varias capas (metal y
compuestos metálicos). Normalmente
suelen ser metales pulimentados
recubiertos por una capa de pintura
negra a base de oxido de cromo,
níquel, hierro o cobre.
• El cociente α/ε es el índice de
selectividad o efectividad de un
absorbedor, a medida que aumenta ,
aumenta la calidad del absorbedor de
un captador.
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2. EL SUBSISTEMA DE CAPTACIÓN
2.1. EL CAPTADOR SOLAR
2.1.5. AISLAMIENTO TÉRMICO
Para evitar la cesión de calor desde el interior del captador al exterior es necesario proveer al
equipo de capas de aislamiento en el lateral y en fondo.
Un buen aislamiento en estas zonas que no están expuestas generalmente al sol contribuye a
disminuir el factor de pérdidas del captador, aumentando su rendimiento. Los aislantes deben de
poseer, entre otras, las siguientes características:
• Buen comportamiento a altas temperaturas.
• En Verano pueden alcanzarse los 200ºC de temperaturas.
• Bajo nivel de desprendimiento de vapores.
• Con la acción del calor los aislantes pueden desprender vapores que pueden
condensarse en la cubierta.
• Bajo nivel de degradación con el tiempo.
• Resistentes a la humedad.
• Por lo general los aislantes se degradan con rapidez ante la presencia de humedad, por
lo que se debe de evitar la penetración accidental de agua o la presencia de
condensaciones en el captador.
En el mercado existen diferentes tipos de aislantes, los más utilizados en captadores planos son:
Lana de vidrio, corcho expandido, XPS, EPS, resina de melanina…(λ<0,05 W/mK a 50ºC)
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2. EL SUBSISTEMA DE CAPTACIÓN
2.1. EL CAPTADOR SOLAR
2.1.5. AISLAMIENTO TÉRMICO
• La caja o carcasa se encarga de encapsular todos
los elementos que componen el colector,
dotando al conjunto de rigidez mecánica. Es el
elemento que sirve para conformar el captador,
fijando la cubierta.
• Habrá que prestar atención a la corrosión y
deterioro debido a la radiación solar y a los
agentes atmosféricos.
• Está realizada preferentemente en aluminio
anodizado, si bien para soluciones de menor
calidad constructiva se utilizan materiales con
una mas baja resistencia a la intemperie.
• Como elemento fundamental de la caja se
encuentra la junta de la cubierta. Es un
elemento de material elástico cuya función es
asegurar la estanqueidad de la unión entre
cubierta y carcasa. Servirá a su vez para absorber
las diferencias en las dilataciones entre la
carcasa y la cubierta, para que no se produzca
rotura en ningún elemento del captador.
MARCO ALUMINIO
ANODIZADO
RACOR
CONEXIÓN
TUBO DE
COBRE DEL
COLECTOR
 22 mm
TUBOS DE COBRE
DEL COLECTOR
CRISTAL
PIRAMIDAL
ABSORBEDOR
AISLAMIENT
O DE LANA
DE ROCA
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2. EL SUBSISTEMA DE CAPTACIÓN
2.1. EL CAPTADOR SOLAR
2.1.6. BALANCE ENERGÉTICO DE UN CAPTADOR
Balance energético en un captador:
• El flujo energético y las pérdidas que se producen en un captador solar:
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2. EL SUBSISTEMA DE CAPTACIÓN
2.1. EL CAPTADOR SOLAR
2.1.6. BALANCE ENERGÉTICO DE UN CAPTADOR
El balance energético de un captador, suponiendo régimen estacionario, es el
siguiente:
Donde:
Qu : es la potencia útil que absorbe el fluido caloportador (W)
Qa : la potencia absorbida por el captador (W)
Qp : es la potencia que se pierde hacia el entorno (W)
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2. EL SUBSISTEMA DE CAPTACIÓN
2.1. EL CAPTADOR SOLAR
2.1.6. BALANCE ENERGÉTICO DE UN CAPTADOR
Aislando la potencia útil y desarrollando la expresión anterior se obtiene:
Donde:
I: es la irradiancia que incide en el captador (W/m2)
Ac: el área efectiva del captador (m2)
τ: la fracción de radiación solar que llega a la placa absorbente, es decir, que atraviesa la cubierta
(transmitancia de la cubierta)
α: la fracción de radiación solar que es absorbida por la placa absorbente (absorbancia de la placa)
UL: el coeficiente global de pérdidas, que comprende las perdidas de calor a través de la carcasa y la
cubierta (W/m2ºC)
Tp: temperatura de la placa absorbente (ºC)
Ta: temperatura ambiente (ºC)
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2. EL SUBSISTEMA DE CAPTACIÓN
2.1. EL CAPTADOR SOLAR
2.1.6. BALANCE ENERGÉTICO DE UN CAPTADOR
El producto de la transmitancia‐absorbancia varia con el ángulo de incidencia de la
radiación solar sobre el captador. Depende, por tanto, de la relación entre la
radiación directa y difusa, y puede expresarse de la siguiente manera:
Donde Kατ es el modificador del ángulo de incidencia de la radiación solar y (ατ)n es
el producto transmitancia‐absorbancia para una incidencia normal al captador. En
los ensayos que los fabricantes de captadores realizan, la radiación incidente es
normal al captador y, por tanto, podrá sustituirse el producto ατ por (ατ)n.
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2. EL SUBSISTEMA DE CAPTACIÓN
2.1. EL CAPTADOR SOLAR
2.1.6. BALANCE ENERGÉTICO DE UN CAPTADOR
El factor de eficiencia de intercambio entre la placa absorbente y el fluido
caloportador (FR) es la relación entre la energía que se obtiene realmente y la que
se obtendría si la temperatura de la placa absorbente fuera igual a la del fluido a la
entrada del captador (Te):
Como la temperatura media de la placa es difícil de medir, generalmente se
sustituye por la temperatura media del fluido en el captador, que es la media
aritmética entre la entrada y la salida del captador, siendo el error cometido
prácticamente despreciable. El factor FR dependerá del tipo de fluido, del caudal y
de las características del captador solar.
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2. EL SUBSISTEMA DE CAPTACIÓN
2.1. EL CAPTADOR SOLAR
2.1.6. BALANCE ENERGÉTICO DE UN CAPTADOR
Por tanto, teniendo en cuenta las consideraciones anteriores, la potencia útil puede
expresarse como:
Esta expresión se denomina ecuación de Bliss.
La determinación experimental de esta energía útil se lleva a cabo en banco de
ensayos, y viene dada por la expresión:
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2. EL SUBSISTEMA DE CAPTACIÓN
2.1. EL CAPTADOR SOLAR
2.1.6. RENDIMIENTO ENERGÉTICO DE UN CAPTADOR
El rendimiento energético o eficiencia instantánea de un captador es la relación entre la
energía útil y la recibida en un instante de tiempo determinado,
Si para un captador determinado y caudal constante se considera que FR(ατ)n y FRUL son
constantes e independientes de I, Te y Ta, la expresión anterior e asimilaría a la ecuación de
una recta en una representación gráfica de η frente a (Te‐Ta)/I
Donde:
ηo es la ordenada en el origen y se denomina rendimiento óptico (ηo= FR(ατ)n)
m: la pendiente de la recta y representa las pérdidas térmica (m=FRUL)
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2. EL SUBSISTEMA DE CAPTACIÓN
2.1. EL CAPTADOR SOLAR
2.1.6. RENDIMIENTO ENERGÉTICO DE UN CAPTADOR
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2. EL SUBSISTEMA DE CAPTACIÓN
2.1. EL CAPTADOR SOLAR
2.1.6. RENDIMIENTO ENERGÉTICO DE UN CAPTADOR
En ocasiones, el rendimiento del captador se representa en función de la
temperatura media (Tm o temperatura media final) del fluido en vez de la
temperatura de entrada, es decir, η frente a (Tm‐Ta)/I.
La ecuación de rendimiento vista hasta ahora está especialmente indicada para
captadores planos. Sin embargo, a medida que el rango de temperaturas
aumenta, el error introducido por esta aproximación lineal también lo hace y
puede llegar a ser significativo. En tales casos es preferible utilizar una expresión
de segundo grado.
De esta forma, de acuerdo a la norma UNE EN 12975‐2 los laboratorios pueden
aportar dos tipos de curvas. Un a se denomina curva lineal (curva de primer
orden), y la otra la curva cuadrática (curva de segundo orden). Siendo preferible
trabajar con la de segundo orden debido al menor error introducido en los cálculos.
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2. EL SUBSISTEMA DE CAPTACIÓN
2.1. EL CAPTADOR SOLAR
2.1.6. RENDIMIENTO ENERGÉTICO DE UN CAPTADOR
De esta forma, la ecuación general del rendimiento
de un captador solar térmico es la siguiente:
Siendo su aproximación lineal la vista hasta el
momento:
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2. EL SUBSISTEMA DE CAPTACIÓN
2.1. EL CAPTADOR SOLAR
2.1.6. RENDIMIENTO ENERGÉTICO DE UN CAPTADOR
Rendimiento instantáneo de un captador:
Puntos significativos de la curva de rendimiento de un captador:
• Corte con el eje de ordenadas: Rendimiento óptico o máximo.
• Corte con el eje de abscisas:
• Rendimiento instantáneo nulo, bien por baja irradiancia solar, bien por que la
temperatura en el interior del colector es tan alta que las perdidas térmicas
son iguales a la energía absorbida.Temperatura de estancamiento.
• Según UNE EN12975 Testc /G=1000W y tamb=30º.
A raíz del balance energético de un captador, ¿Qué tipo de captadores existen en el
mercado?, En función del rendimiento ¿para qué tipo de instalaciones se utilizan?
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2. EL SUBSISTEMA DE CAPTACIÓN
2.1. EL CAPTADOR SOLAR
2.1.6. RENDIMIENTO ENERGÉTICO DE UN CAPTADOR
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2. EL SUBSISTEMA DE CAPTACIÓN
2.1. EL CAPTADOR SOLAR
2.1.6. RENDIMIENTO ENERGÉTICO DE UN CAPTADOR
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2. EL SUBSISTEMA DE CAPTACIÓN
2.1. EL CAPTADOR SOLAR
2.1.6. RENDIMIENTO ENERGÉTICO DE UN CAPTADOR
¿Qué tipo de curva de rendimiento tendrán cada uno de los captadores vistos?
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2. EL SUBSISTEMA DE CAPTACIÓN
2.1. EL CAPTADOR SOLAR
2.1.8. INSTALACIÓN DE CAPTADORES. MONTAJE
Inclinación de captadores:
• En fotovoltaica, la inclinación óptima son 30º ya
que es la que mayor captación solar acumula a
lo largo del año.
• Sin embargo, en térmica no siempre interesa
obtener el máximo anual. Pensemos, por
ejemplo, en las necesidades de agua caliente
para usos domésticos. El consumo de ACS no
difiere mucho del invierno al verano. Si situamos
los colectores a 30º obtendremos la máxima
cantidad anual de ACS pero repartida de la
siguiente forma: poca en invierno y mucha en
verano.
• Dependiendo del objetivo a lograr emplearemos
una inclinación mayor o menor:
• Captación lo más uniforme posible a lo
largo del año: 45 º.
• Captación preferentemente en invierno: 55
º.
• Captación preferentemente en verano: 5 º.
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2. EL SUBSISTEMA DE CAPTACIÓN
2.1. EL CAPTADOR SOLAR
2.1.8. INSTALACIÓN DE CAPTADORES. MONTAJE
Ejemplo 1:
• Determinar cuál de los tres captadores tienen un mejor rendimiento instantáneo, teniendo en cuenta que va a
trabajar en las siguientes condiciones: temperatura del fluido a la entrada del captador de 45°C, la temperatura a
la salida de 50°C y con una temperatura ambiente de 10°C. La radiación media es de 800 W/m2. Nota: los
coeficientes c0 , c1 y c2 son denominados con otras letras según cada fabricante, pero siempre con el mismo sub
índice (ej: n0, k1 y k2).
• CAPTADOR A y B:
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2. EL SUBSISTEMA DE CAPTACIÓN
2.1. EL CAPTADOR SOLAR
2.1.8. INSTALACIÓN DE CAPTADORES. MONTAJE
Ejemplo 1:
• CAPTADOR C:
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2. EL SUBSISTEMA DE CAPTACIÓN
2.1. EL CAPTADOR SOLAR
2.1.8. INSTALACIÓN DE CAPTADORES. MONTAJE
Ejemplo 2:
En una instalación necesitamos obtener 1000 litros de agua caliente a 70°C, y tenemos como datos de partida:
• Temperatura ambiente 15°C
• Irradiación media800W/m2
• Horas de sol 5h.
• Captador Euro C32‐HTF.
Obtener el número de captadores necesarios por el método instantáneo. Nota: calcular la demanda de energía a partir de la siguiente expresión:
𝐷 𝑘𝑊
𝑚 𝑘𝑔
𝐶𝑝
𝑘𝐽
𝑘𝑔 º𝐶
𝑇𝑓
𝑇𝑖 º𝐶
Donde:
•
D: demanda de energía de un proceso de calentamiento sin cambio de estado de fase [kJ]
•
m: es la candidad de fluido a calentar [kg]
•
Cp: es el calor específico del fluido a calentar. En el caso de agua: 4,18 kJ/kgºC
•
Tf : es la temperatura final del proceso.
•
Ti: es la temperatura inicial del proceso. En ausencia podemos suponer que es igual a la temperatura ambiente.
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2. EL SUBSISTEMA DE CAPTACIÓN
2.1. EL CAPTADOR SOLAR
2.1.8. INSTALACIÓN DE CAPTADORES. MONTAJE
Ejemplo 2:
En una instalación necesitamos obtener 1000 litros de agua caliente a 70°C, y tenemos como datos de partida:
• Temperatura ambiente 15°C
• Irradiación media800W/m2
• Horas de sol 5h.
• Captador Euro C32‐HTF.
Obtener el número de captadores necesarios por el método instantáneo. Nota: calcular la demanda de energía a partir de la siguiente expresión:
𝐷 𝑘𝑊
𝑚 𝑘𝑔
𝐶𝑝
𝑘𝐽
𝑘𝑔 º𝐶
𝑇𝑓
𝑇𝑖 º𝐶
Donde:
•
D: demanda de energía de un proceso de calentamiento sin cambio de estado de fase [kJ]
•
m: es la candidad de fluido a calentar [kg]
•
Cp: es el calor específico del fluido a calentar. En el caso de agua: 4,18 kJ/kgºC
•
Tf : es la temperatura final del proceso.
•
Ti: es la temperatura inicial del proceso. En ausencia podemos suponer que es igual a la temperatura ambiente.
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3. EL SUBSISTEMA DE ACUMULACIÓN
3.1. INTRODUCCIÓN
Fuentes: Guía Solar Térmica. IDAE
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3. EL SUBSISTEMA DE ACUMULACIÓN
3.1. INTRODUCCIÓN
El objetivo de la acumulación en sistemas de climatización solar es el
de poder compensar la separación temporal que hay entre
producción de energía solar y consumo de calor o frío.
El sistema de acumulación de energía en sistemas de calefacción o de
producción de agua caliente más usual es el de agua caliente en
depósito.
En las aplicaciones de calentamiento de piscinas, no será necesario
emplear depósito de acumulación (se puede emplear el propio vaso
de la piscina).
En sistemas de climatización y refrigeración solar, la acumulación de
calor puede ser dentro del ciclo de calor.
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3. EL SUBSISTEMA DE ACUMULACIÓN
3.3. CARACTERÍSTICAS DE LA ACUMULACIÓN EN SISTEMAS SOLARES
La acumulación de energía se puede llevar a cabo en forma de calor sensible de un
medio sólido o líquido, en forma de calor de fusión para sistemas químicos, o como
energía química de productos en una reacción química reversible.
El tipo de sistema de acumulación depende de la naturaleza del proceso. Para agua
caliente, la acumulación de energía a través de calor sensible es lo más lógico.
Las características principales que se deben tener en cuenta en un sistema de
acumulación son:
• a) su capacidad de acumulación
• b) rango de temperaturas sobre el que opera el sistema
• c) los mecanismos de añadir y de extraer el calor, así como la diferencia de temperatura
asociada a estas operaciones
• d) la estratificación de temperatura en el tanque
• e) las necesidades de energía para realizar los procesos de acumulación y de extracción de
energía
• f) los contenedores, tanques y otros elementos estructurales que se utilizan como
acumuladores.
• g) las formas de control de las pérdidas de temperatura desde el sistema de acumulación
• h) su coste.
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3. EL SUBSISTEMA DE ACUMULACIÓN
3.4. CAPACIDAD DE ACUMULACIÓN. DIMENSIONADO
La acumulación de energía afecta de forma importante al rendimiento de una instalación solar.
De hecho, el CTE‐HE4 establece un margen de volumen de acumulación en relación con el área
de captación.
Las perdidas energéticas en un acumulador son función de:
Un aumento en la capacidad de acumulación aumentara las perdidas y por lo tanto puede
disminuir el rendimiento global de la instalación.
Es importante recordar que el rendimiento de un captador depende de la temperatura de
trabajo. A mayor temperatura menor es el rendimiento.
Una capacidad de acumulación deficiente implica que el aumento de la temperatura de
acumulación y por lo tanto una reducción del rendimiento global de la instalación.
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3. EL SUBSISTEMA DE ACUMULACIÓN
3.5. ESTRATIFICACIÓN EN TANQUES DE AGUA CALIENTE
3.5.1. INTRODUCCIÓN A LA ESTRATIFICACIÓN
Los tanques de acumulación de agua caliente
tienen que funcionar con una diferencia de
temperatura mínima de unos grados, entre la
parte superior del tanque y la parte inferior. Ya
que el tanque tiene que garantizar dos objetivos:
• Debido a que los colectores tienen que tener la
temperatura de entrada lo más baja posible,
para tener un buen rendimiento, interesa tener
agua lo más fría posible en la parte inferior del
tanque, la cual irá hacia el colector.
• Suministrar el agua a la temperatura que se
necesita, la cual corresponde a la de salida de
colectores, de esta forma, se tiene un volumen
determinado de agua a la temperatura de uso,
en la parte superior, la cual se va renovando.
¿Que sucedería si el tanque estuviera mezclado?
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3. EL SUBSISTEMA DE ACUMULACIÓN
3.5. ESTRATIFICACIÓN EN TANQUES DE AGUA CALIENTE
3.5.1. INTRODUCCIÓN A LA ESTRATIFICACIÓN
El grado de estratificación de un tanque depende de:
• El diseño del tanque (dimensión y aislante)
• La ubicación (vertical u horizontal)
• El diseño o ubicación de las tuberías de entrada y salida
del agua
• El caudal de entrada y salida del tanque.
• Temperatura uso final del agua. (máxima eficiencia del
sistemamucha estratificación)
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3. EL SUBSISTEMA DE ACUMULACIÓN
3.5. ESTRATIFICACIÓN EN TANQUES DE AGUA CALIENTE
3.5.4. SISTEMAS DE ESTRATIFICACIÓN EN ACUMULADORES
Fuentes: SONNENKRAFT
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3. EL SUBSISTEMA DE ACUMULACIÓN
3.6. DISEÑO DE ACUMULADORES
3.6.1. CONEXIONES E INTERCONEXIONES DE ACUMULADORES
Fuentes: Guía técnica ACS . IDAE
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3. EL SUBSISTEMA DE ACUMULACIÓN
3.6. DISEÑO DE ACUMULADORES
3.6.2. CONEXIONES DEL ACUMULADOR CON EL SISTEMA AUXILIAR
El CTE prohíbe expresamente, en los casos que sea de aplicación, los sistemas
de acumulación bivalente, en que dentro del mismo acumulador coexistan el
sistema de intercambio auxiliar y el aporte solar.
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3. EL SUBSISTEMA DE ACUMULACIÓN
3.6. DISEÑO DE ACUMULADORES
3.6.3. CONEXIONES DEL CAMPO DE CAPTADORES CON EL ACUMULADOR
Debido a que el agua del campo de colectores suele tener líquido
anticongelante se necesita siempre un sistema de intercambio de calor
indirecto.
El retorno de agua hacia los colectores se monta el retorno de agua a los
colectores en la parte inferior del tanque, donde el agua está más fría.
La entrada de agua de colectores al tanque estará a diferentes alturas, tal como
se ha explicado en el apartado anterior.
El caudal de campo puede ser de:
• Caudal elevado:
• Aproximadamente unos 50 l/h∙m2 de colector.
• Implica un aumento de temperatura en los colectores de unos 10 ºC.
• La entrada de agua en el acumulador debe de estar cerca del fondo del tanque, de
forma que el tanque se caliente lentamente hacia arriba.
50
3. EL SUBSISTEMA DE ACUMULACIÓN
3.7. INTERCONEXIÓN DE ACUMULADORES. CRITERIOS.
La conexión de acumuladores depende del objetivo final que se pretenda:
• Conexión en serie: Al conectar depósitos en serie, lo que se pretende es, por una parte aumentar
la estratificación, ya que es como si se fabricará un depósito mucho más alto, y al mismo tiempo
se pretende ahorrar consumo de energía auxiliar, ya que se evita la mezcla de agua, y así el
sistema auxiliar solo caliente la parte superior de uno de los depósitos. El limite recomendado es
de 2 depósitos en serie.
• Conexión en paralelo: Al conectar depósitos en paralelo lo que se pretende es aumentar la
capacidad de acumulación, manteniendo el mismo grado de estratificación. Es equivalente a
instalar un depósito más “ancho”.
51
3. EL SUBSISTEMA DE ACUMULACIÓN
3.7. INTERCONEXIÓN DE ACUMULADORES. CRITERIOS.
Ejemplo 3:
Calcula las pérdidas de un acumulador de 2000 x 830Φ mm con un
coeficiente global de perdidas U=0.1W/m2K. (Tacu: 60ºC, Text:
25ºC). Determina las pérdidas mensuales y anuales.
52
4. SUBSISTEMA DE INTERCAMBIO
4.1. INTRODUCCIÓN
Fuentes: Guía Solar Térmica. IDAE
53
4. SUBSISTEMA DE INTERCAMBIO
4.1. INTRODUCCIÓN
Un intercambiador de calor tiene la misión de realizar la transferencia de
energía entre fluidos, que separados por una pared rígida, se encuentran a
diferente temperatura.
Mediante su uso conseguimos transferir calor sin que se mezclen los fluidos.
La utilización de intercambiadores presenta tres inconvenientes:
• Disminución del rendimiento del sistema
• Elevación del coste de la instalación
• Cuando en una de las ramas circula un fluido no potable, las reglamentaciones
son estrictas.
54
4. SUBSISTEMA DE INTERCAMBIO
4.1. TIPOS DE INTERCAMBIADORES DE CALOR
Clasificación de los intercambiadores para ACS:
• Por su posición:
• Interiores al depósito
• Exteriores al depósito
• Por su construcción:
•
•
•
•
De serpentín
De haz tubular
De doble envolvente
De placas
• Por su régimen de funcionamiento
• Sistema natural (termosifón)
• Sistema forzado
• Por su ubicación en el circuito hidráulico:
• Exterior primario o de calentamiento
• Exterior secundario o de enfriamiento
• Exterior de descarga
55
4. SUBSISTEMA DE INTERCAMBIO
4.1. TIPOS DE INTERCAMBIADORES DE CALOR
4.1.1. INTERCAMBIADORES INTERIORES AL DEPÓSITO
Este tipo de intercambiadores queda definido por la
superficie de intercambio y el caudal de diseño de los
mismos. Los más habituales son:
• Intercambiador tipo serpentín:
•
•
•
•
Se utiliza en pequeñas y medianas instalaciones. Rendimiento medio
Coste medio
Pérdida de carga media.
Solo necesita una bomba.
• Intercambiador de doble envolvente:
• Se utiliza en instalaciones pequeñas y en especial en las termosifón.
Bajo rendimiento.
• Baja pérdida de carga.
• Gran superficie de intercambio.
• Barato.
• Solo necesita una bomba.
En ambos casos se recomienda que la relación entre el área
útil de intercambio y el área de captadores no sea inferior a
0,2, frente al valor de 0,15 establecido por la HE4 del CTE
56
4. SUBSISTEMA DE INTERCAMBIO
4.1. TIPOS DE INTERCAMBIADORES DE CALOR
4.1.2. INTERCAMBIADORES EXTERIORES AL DEPÓSITO
Son aquellos que se instalan independiente y externamente a los
depósitos de acumulación. Por tanto, necesitan de dos circuitos, con sus
correspondientes bombas de circulación, para transferir el fluido del
circuito primario al circuito secundario.
Este tipo de intercambiadores se denominan intercambiadores exteriores
de placas. Sus principales ventajas son:
•
•
•
•
•
•
•
•
Se utiliza en grandes instalaciones
Mantenimiento sencillo.
Admite ciertas ampliaciones y correcciones.
Material es de alta calidad y durabilidad.
Alto rendimiento.
Muy compacto.
Alta perdida de carga.
Coste elevado.
57
4. SUBSISTEMA DE INTERCAMBIO
4.1. TIPOS DE INTERCAMBIADORES DE CALOR
4.1.3. DISEÑO DE INTERCAMBIADORES
Los parámetros que caracterizan un intercambiador son:
• El rendimiento:
• Relación entre potencia obtenida y la introducida.
• El rendimiento debe ser > 95 %.
• El rendimiento cuantifica las pérdidas térmicas.
• La eficiencia:
• Relación entre la potencia intercambiada y la máxima que teóricamente podría
intercambiar.
• Depende del:
• Área de intercambio
• Forma y geometría de la misma.
• Material.
• La eficiencia del intercambiador deberá de ser como mínimo del 70% para instalaciones
de utilización preferente en verano, y un 80% para las de utilización preferente en
invierno.
58
4. SUBSISTEMA DE INTERCAMBIO
4.1. TIPOS DE INTERCAMBIADORES DE CALOR.
4.1.3. DISEÑO DE INTERCAMBIADORES
FACTOR CAPTADOR INTERCAMBIADOR:
El factor F’R/FR se denomina factor de corrección del conjunto captador intercambiador. Se calcula a
partir de los parámetros del captador, de los caudales que circulan por el intercambiador de calor, y
de la eficiencia del mismo. Su valor está comprendido entre 0 y 1 e indica el aumento de
temperatura que se necesita en el fluido del primario para compensar las pérdidas energéticas en el
intercambiador (ε<1).
El parámetro F’R/FR se puede calcular a través de la siguiente expresión:
Donde:
Ac : área efectiva del captador (m2)
FR : el factor de eficiencia de intercambio entre la placa absorbedora y el fluido caloportador
UL : el coeficiente global de pérdidas (W/m2ºC)
Cmin : la capacidad calorífica menor entre los dos fluidos que circulan por el intercambiador de calor.
59
4. SUBSISTEMA DE INTERCAMBIO
4.2. CRITERIOS DE DISEÑO
Para intercambiadores el CTE indica que para el caso de intercambiador independiente, la potencia
mínima del intercambiador P, se determinará para las condiciones de trabajo en las horas centrales
del día suponiendo una radiación solar de 1000 W/m2 y un rendimiento de la conversión de
energía solar a calor del 50 %, cumpliéndose la condición:
Además la transferencia de calor por unidad de área de captación debe de ser mayor de 40
W/m2K:
Donde:
ΔTp: Ts1‐Te2
ΔTs: Te1‐Ts2
60
4. SUBSISTEMA DE INTERCAMBIO
4.2. CRITERIOS DE DISEÑO
Se aconseja la utilización de intercambiadores de placas cuando el volumen de
acumulación sea mayor de 1000 litros.
Para su dimensionado se debe acudir a las tablas del fabricante.
Se recomienda dimensionar el intercambiador suponiendo que la potencia
térmica transmitida (kW) sea igual a 2/3 de la superficie de captadores
expresada en m2  666 W por m2 de captador.
La perdida de carga de diseño de un intercambiador de calor será inferior a
3m.c.a, tanto en el primario como en el secundario.
En intercambiadores de placas para instalaciones de ACS las temperaturas
recomendadas para su dimensionado son:
• Temperatura entrada primario: 60⁰C
• Temperatura entrada secundario: 45⁰C
• Temperatura salida secundario: 50⁰C
En los intercambiadores, los caudales de diseño del primario y del secundario
no diferirán más del 10%. Donde el caudal del primario será igual o mayor que
el del secundario.
61
5. SUBSISTEMA HIDRÁULICO
5.1. INTRODUCCIÓN
62
5. SUBSISTEMA HIDRÁULICO
5.1. REQUISITOS DE LOS COMPONENTES Y MATERIALES EN EL CIRCUITO PRIMARIO
5.1.1. COMPONENTES DEL CIRCUITO PRIMARIO
Los componentes principales del circuito
primario son los siguientes:
• Captadores.
• Tuberías de conexión entre los captadores y
tuberías entre el campo de captadores y el
acumulador.
• Aislamiento térmico de las tuberías.
• Purgadores de aire.
• Equipo de seguridad (válvulas de seguridad, vaso
de expansión).
Los sistemas indirectos están provistos de:
• Intercambiador de calor.
• Fluido de trabajo en los captadores y las tuberías.
Finalmente, los circuitos de circulación forzada
constan además de:
• Bomba de circulación y válvulas.
Fuentes: Sistemas solares térmicos. CENSOLAR
63
5. SUBSISTEMA HIDRÁULICO
5.1. REQUISITOS DE LOS COMPONENTES Y MATERIALES EN EL CIRCUITO PRIMARIO
5.1.2. CONDICIONES DE TRABAJO DEL CIRCUITO PRIMARIO
Las condiciones de funcionamiento de un circuito primario que deben de
soportar los elementos son:
• Temperatura:
• Durante períodos de estancamiento con alto nivel de irradiancia, las temperaturas
elevadas en el campo de captadores y en ciertas partes del circuito primario pueden
representar un problema.
• Si la irradiancia durante un período de estancamiento es muy elevada, los
captadores planos pueden alcanzar temperaturas de aproximadamente 200 °C y los
captadores de tubos de vacío se podrán calentar hasta unos 300 °C
• Al reanudar la marcha la bomba tras un período de estancamiento, es posible que
dentro del circuito primario se produzcan temperaturas máximas de hasta 160 °C.
• Se aconseja reanudar la operación de la bomba del circuito primario, tras un período
de estancamiento, sólo después de que se hayan enfriado los captadores a una
temperatura notablemente inferior a la temperatura de estancamiento, por ejemplo
a 120 °C.
64
5. SUBSISTEMA HIDRÁULICO
5.1. REQUISITOS DE LOS COMPONENTES Y MATERIALES EN EL CIRCUITO PRIMARIO
5.1.2. CONDICIONES DE TRABAJO DEL CIRCUITO PRIMARIO
• Presión:
• A fin de reducir los costes de una
instalación solar se suelen utilizar
componentes con una presión nominal de
hasta 6‐10 bar.
• La presión a la que se halla expuesto cada
uno de los componentes varía según la
altura relativa en el edificio.
• En condiciones de funcionamiento:
• Si la presión de trabajo es baja  puede
entrar aire en el circuito y disminuye el
punto de ebullición del fluido.
• Si la presión de trabajo es alta  al
aumentar la temperatura aumenta la
presión, sobrepasando el punto de máxima
resistencia mecánica de los componentes.
• Se recomienda trabajar con presiones
relativas entre 0,3 y 3 bar en el captador en
frio.
65
5. SUBSISTEMA HIDRÁULICO
5.1. REQUISITOS DE LOS COMPONENTES Y MATERIALES EN EL CIRCUITO PRIMARIO
5.1.4. SOBRECALENTAMIENTO
En una instalación con una relación volumen de acumulación entre área
de captación baja, el acumulador puede alcanzar los 80‐90⁰C con
facilidad durante periodos de no consumo.
El límite de temperatura de una instalación solar suele venir dado por la
temperatura nominal del acumulador solar.
Se recomienda emplear acumuladores con una temperatura nominal
superior a 80⁰C.
No obstante, las instalaciones solares térmicas deberán de disponer de
un sistema de seguridad frente a altas temperaturas. Ejemplos:
•
•
•
•
•
Empleo de aerotermos para enfriar el fluido primario
Empleo de disipadores de calor estáticos
Enfriamiento del acumulador por recirculación nocturna.
Extracción de agua caliente al desagüe
Parada de la bomba.
66
5. SUBSISTEMA HIDRÁULICO
5.1. REQUISITOS DE LOS COMPONENTES Y MATERIALES EN EL CIRCUITO PRIMARIO
5.1.4. SOBRECALENTAMIENTO
67
5. SUBSISTEMA HIDRÁULICO
5.1. REQUISITOS DE LOS COMPONENTES Y MATERIALES EN EL CIRCUITO PRIMARIO
5.1.5. HELADAS
Las instalaciones solares se encuentran en el exterior y están totalmente
expuestas a las condiciones exteriores más desfavorables.
Por lo tanto, existe la posibilidad de que se produzcan heladas que
afecten a la instalación produciendo:
• La rotura del captador en primera instancia
• Si la tubería no esta bien aislada, la rotura de la bomba en la puesta en marcha.
• La rotura de otros elementos del circuito primario.
Para evitar esta situación, se recomienda:
• El empleo de fluidos de trabajo con un punto de congelación 5⁰C por debajo de
la temperatura mínima histórica de la localidad donde en donde se ubicará la
instalación.
• Un correcto aislamiento de las tuberías.
• En climas cálidos, se puede emplear el método de la recirculación nocturna.
SEA: UNIDAD 2– Componentes de las instalaciones solares térmicas
68
5. SUBSISTEMA HIDRÁULICO
5.2. CONEXIONADO DE CAPTADORES
5.2.1. TIPOS DE CONEXIONADOS
En el conexionado de los captadores se pretende alcanzar un flujo uniforme a
través de cada uno de ellos. De esta manera, cada captador podría operar con
el mayor rendimiento, evitando que se formen zonas con un flujo muy débil o
deficiente y, por lo tanto, no refrigeradas, es decir, áreas inútiles.
Los conjuntos de colectores pueden conectarse de tres maneras:
 Paralelo
 Serie
 Serie‐paralelo
69
5. SUBSISTEMA HIDRÁULICO
5.2. CONEXIONADO DE CAPTADORES
5.2.1. TIPOS DE CONEXIONADOS
PARALELO:
 Este tipo de conexión nos asegura que todos los colectores funcionan de
una manera similar, pero el número máximo de conexiones tendrá en
cuenta las limitaciones del fabricante y la propia limitación de diámetro
de tubería ya que los caudales de los colectores en paralelo se sumarán
en la tubería de alimentación “sistemas high‐flow”.
 Por el contrario la perdida de presión será igual a la de un captador.
70
5. SUBSISTEMA HIDRÁULICO
5.2. CONEXIONADO DE CAPTADORES
5.2.1. TIPOS DE CONEXIONADOS
SERIE:
 La conexión en serie se realiza como se muestra en la figura, una vez hacemos pasar
el fluido por uno de los colectores lo introducimos en el siguiente, por tanto, en el
segundo colector entra el fluido a más temperatura que en el primero. El caudal es
igual al de un captador , pero la perdida de presión total es la suma de las perdidas
de cada captador “sistemas low‐flow”.
 La principal ventaja es que los caudales totales serán menores, así como los
recorridos y el tamaño de las bombas; el gran inconveniente es la caída de
rendimiento de los paneles enseriados y, en consecuencia, de la instalación debido a
la mayor temperatura del fluido cuando entra en los paneles enseriados.
71
5. SUBSISTEMA HIDRÁULICO
5.2. CONEXIONADO DE CAPTADORES
5.2.1. TIPOS DE CONEXIONADOS
SERIE ‐ PARALELO:
 Se basa en la combinación de los métodos anteriores y tienen sentido en
grandes instalaciones en donde requerimos una temperatura de salida
muy elevada.
72
5. SUBSISTEMA HIDRÁULICO
5.3. FLUIDOS DE TRABAJO
Los fluidos de trabajo en el circuito primario deben cumplir los siguientes requisitos:
• Deben ser resistentes a la temperatura de trabajo, incluso hasta el nivel máximo
correspondiente al estado de estancamiento del captador.
• Deben ofrecer protección contra las heladas en caso de que las instalaciones operen durante
todo el año y se pronostiquen períodos muy fríos en el clima local.
• Deben garantizar protección anticorrosiva en caso de que en el circuito primario se utilicen
materiales mixtos o propensos a la corrosión.
• No deben exigir requisitos especiales en cuanto a los materiales del circuito primario, de
manera que se puedan obtener componentes normales y de bajo coste.
• Deben poseer un calor específico elevado, así como una buena conductividad térmica, por
medio de la cual se permita realizar de manera eficaz el transporte y la transferencia del
calor generado en el captador.
• No deben ser tóxicos ni contaminar el medio ambiente.
• Deben tener una baja viscosidad, con el fin de mantener en un valor reducido las pérdidas de
carga y, por tanto, la potencia de la bomba de circulación.
• Deben tener bajos costes y una buena disponibilidad.
El fluido que cumple casi todos estos requisitos de manera excelente es el agua. El
único inconveniente es su vulnerabilidad frente a las heladas
73
5. SUBSISTEMA HIDRÁULICO
5.3. FLUIDOS DE TRABAJO
Mientras que antes se usaba casi sin excepción el etilen‐glicol, hoy en día se
prefiere emplear cada vez más el propilen‐glicol en los sistemas de A.C.S.,
debido a que no representa un riesgo para la salud humana.
Cuando se empleen las mezclas de agua‐glicol como fluido de trabajo, es
importante que se tengan en cuenta las siguientes consideraciones:
• Con respecto a la protección contra heladas, bastará utilizar en casi todas las zonas
climáticas un contenido de glícol del 40 % o inferior a éste. Una mezcla con un 40 % de
glicol garantiza una protección anticongelante de hasta 24 °C bajo cero. Se debe evitar
un contenido de glicol que sobrepase el 50 %, puesto que esto conlleva un aumento de
la viscosidad y una disminución del calor específico del fluido.
• Por otra parte, el glicol presenta la propiedad de penetrar mejor en ranuras finas o
capilares en comparación con el agua. Debido a ello, en el montaje es más difícil
asegurar la estanquidad del circuito que en el caso del agua. Por eso es imprescindible
que se eviten incluso las fugas más pequeñas en el circuito primario.
• El glicol no es compatible con el zinc y, además, puede afectar a otros materiales, por
ejemplo, en las juntas. Por consiguiente, los materiales deben de estar estén
certificados para ser utilizados con mezclas de agua‐glicol.
74
5. SUBSISTEMA HIDRÁULICO
5.4. TUBERÍAS
5.4.1. REQUISITOS
Para el circuito primario se recomiendan tubos de cobre, de acero negro y de
acero inoxidable, así como tubos flexibles ondulados de acero inoxidable. No
obstante, hay que insistir en lo importante que es evitar cualquier tipo de
corrosión por contacto.
No se aconseja el empleo de materiales sintéticos, a menos que éstos estén
explícitamente diseñados para la tubería de instalaciones solares.
Tampoco se deben usar tubos de acero galvanizado debido a la resistencia
insuficiente a elevadas temperaturas, así como a interacciones químicas entre
el zinc y el glicol.
Para llevar a cabo la unión de los tubos de cobre, se recomienda tanto el uso de
accesorios de soldadura por capilaridad como de accesorios de compresión, o
de unión a presión con juntas especiales, aptas para soportar las temperaturas
elevadas que pueden aparecer en la instalación
75
5. SUBSISTEMA HIDRÁULICO
5.4. TUBERÍAS
5.4.1. REQUISITOS
En caso de que se empleen tubos de cobre para las tuberías del circuito
primario, en caso de soldadura, las uniones se realizarán con soldadura fuerte.
Las uniones roscadas pueden sellarse con cáñamo. Ya que el glicol posee la
propiedad de penetrar en intersticios muy estrechos, no se recomienda el uso
de cinta de teflón en circuitos primarios con mezclas de agua y glicol.
Para reducir la transmisión de vibraciones y ruido se recomiendan abrazaderas
y soportes isofónicos, aptos para soportar las temperaturas elevadas en el
circuito primario.
76
5. SUBSISTEMA HIDRÁULICO
5.4. TUBERÍAS
5.4.2. AISLAMIENTO DE TUBERÍAS
En España, el espesor del aislamiento se elige de acuerdo al Reglamento de
Instalaciones Térmicas en la Edificación (RITE). El espesor mínimo depende del
diámetro de la tubería, de la localización de la misma (en el interior o en el
exterior) y del rango de temperaturas de trabajo del fluido.
77
5. SUBSISTEMA HIDRÁULICO
5.4. TUBERÍAS
5.4.2. AISLAMIENTO DE TUBERÍAS
Existen diferencias en cuanto a la elección de los materiales de aislamiento,
tanto para las tuberías en el interior, como para las del exterior. En ambos
casos se pueden aplicar los siguientes requisitos:
• El aislamiento debe ser capaz de resistir las temperaturas más elevadas, por ejemplo, las
que se producen en las cercanías del captador (unos 170 °C),y las que se presentan a
cierta distancia del mismo (como mínimo 120 °C).
• Los materiales de aislamiento térmico deben poseer una baja conductividad térmica.
• Los materiales de poro abierto están permitidos siempre y cuando no se den casos de
humectación.
Si la tubería se coloca en el exterior, hay que añadir otros requisitos:
• El aislamiento debe tolerar los efectos del medio ambiente, como contaminantes en el
aire o la radiación ultravioleta, así como ofrecer protección contra daños producidos por
animales, por ejemplo, el picoteo de aves, ratones, etc. De lo contrario, es necesaria la
aplicación de recubrimientos protectores.
• Para evitar la humectación, se recomienda el empleo de materiales de aislamiento de
poro cerrado. Un recubrimiento exterior no basta para evitar que la humedad sea
absorbida. Hay que tener en cuenta que un aislamiento que haya absorbido
previamente cierta humedad pierde la mayor parte de su efectividad.
78
5. SUBSISTEMA HIDRÁULICO
5.4. TUBERÍAS
5.4.2. AISLAMIENTO DE TUBERÍAS
79
5. SUBSISTEMA HIDRÁULICO
5.4.3. DIMENSIONADO TUBERÍAS
• El dimensionado de una red
hidráulica es función de la
perdida de presión por fricción y
se se calcula a partir de la
ecuación de Darcy. Donde el
factor de fricción de Darcy
puede obtenerse bién
gráficamente a partir del
diagrama de Moody, o mediante
la ecuación de Colebrock.
• El cálculo de las pérdidas de
carga puede realizarse
alternativamente mediante
ábacos. Cada ábaco sirve para
un material determinado y para
una temperatura del agua dada.
80
5. SUBSISTEMA HIDRÁULICO
5.4.3 DIMENSIONADO TUBERÍAS
Sección
Perdida de carga
por metro lineal
Velocidad
Caudal
81
5. SUBSISTEMA HIDRÁULICO
5.5. VASOS DE EXPANSIÓN
5.5.1. FUNCIONAMIENTO Y REQUISITOS
La función de un vaso de expansión es compensar los cambios del volumen del
fluido de trabajo ocasionados por la dilatación térmica.
Sin un vaso de expansión sería imposible evitar el escape del fluido de trabajo
en un circuito cerrado a través de la válvula de seguridad cuando el fluido se
calienta
82
5. SUBSISTEMA HIDRÁULICO
5.5. VASOS DE EXPANSIÓN
5.5.2. DIMENSIONADO
El dimensionado del volumen del vaso de expansión se efectúa de la
siguiente manera:
• 1º Se calculará el volumen total del fluido de trabajo en el circuito primario de la
instalación Vt
• 2º Calcular el volumen de dilatación.
Al calentarse el circuito primario el fluido de trabajo se expande. La diferencia
entre el volumen líquido en el estado caliente y frío del fluido de trabajo se
denomina volumen de dilatación. (Con mezclas anticongelantes, el fabricante
suministra tablas y detalles sobre el coeficiente de dilatación). El volumen de
dilatación Vd se calcula como a partir del coeficiente de dilatación volumétrico n:
Coeficiente de expansión volumétrico del agua: 0,00021 l/ ⁰K
Coeficiente de expansión volumétrico del propilenglicol: 0,00062 l/⁰K
83
5. SUBSISTEMA HIDRÁULICO
5.5. VASOS DE EXPANSIÓN
5.5.2. DIMENSIONADO
• 3º Calcular el volumen de reserva Vr.
El vaso de expansión se llena con el denominado volumen de reserva para
compensar de esta manera ciertas pérdidas de fluido (por ejemplo, debido
a la purga de aire), así como la contracción del fluido a temperaturas muy
bajas. Su cálculo es idéntico al caso del volumen de dilatación
• 4º Determinar el volumen de vapor Vvap.
El volumen de vapor que puede producirse en la instalación equivale a la
suma del contenido líquido de los captadores y de una determinada parte
del volumen en las tuberías del circuito primario.
• 5º Obtener el volumen útil del vaso de expansión Vu.
84
5. SUBSISTEMA HIDRÁULICO
5.5. VASOS DE EXPANSIÓN
5.5.2. DIMENSIONADO
• 6º Calcular el volumen nominal del vaso Vn.
El volumen nominal del vaso de expansión debe ser considerablemente
mayor al volumen útil, debido a que la presión en el lado del gas aumenta
al entrar el líquido proveniente del circuito primario y, por lo tanto, el
vaso de expansión no puede llenarse por completo. La relación entre el
volumen nominal y el volumen útil del vaso de expansión está
determinada por el denominado factor de presión Fp:
85
4. SUBSISTEMA DE INTERCAMBIO
4.2. CRITERIOS DE DISEÑO
Ejemplo 4:
Calcular el vaso de expansión necesario para el circuito primario de una instalación de 100m2
de superficie de captación teniendo en cuenta:
•
•
•
•
•
•
•
•
Contenido líquido de captadores: 0,6 l/m2
Volumen de tuberías e intercambiador: 150 l
Cexpansión: 0.065
Volumen de reserva: 2%
Vapor estimado tuberías: 2,7%
Diferencia de cotas entre el vaso de expansión y punto más alto: 20m
Presión mínima : 0.5 bar
Presión de seguridad: 6 bar
86
5. SUBSISTEMA HIDRÁULICO
5.6. BOMBA CIRCULADORA
Las bombas de circulación son aparatos accionados por un motor eléctrico
capaces de suministrar al fluido una cantidad de energía con el fin de
transportarlo por un circuito abierto o cerrado, a una determinada presión.
En los sistemas solares las bombas se cumplirán los siguientes requisitos de
diseño:
• Se instalarán en las zonas más frías del circuito.
• Se instalarán en tramos verticales, evitando las zonas más bajas del circuito.
• Para campos solares mayores de 50m2, se montarán dos bombas idénticas en
paralelo, una en reserva, tanto en el primario como en el secundario.
• Para su selección, la bomba deberá vencer las perdidas de presión originadas
por los metros lineales de tuberías, captadores, accesorios e intercambiador.
• La potencia eléctrica de la bomba no deberá exceder los siguientes valores:
• Instalaciones pequeñas: 50W o el 2% de la mayor potencia calorífica que pueda
suministrar el campo de captadores.
• Instalaciones grandes: 1% de la mayor potencia calorífica que pueda suministrar el
campo de captadores.
87
5. SUBSISTEMA HIDRÁULICO
5.7. OTROS ELEMENTOS
A continuación se relacionan un conjunto de elementos que se utilizan en los
circuitos hidráulicos de las instalaciones de energía solar térmica:
• MANÓMERTO:
• Medida de la presión en el interior de una tubería o de un deposito.
• VÁLVULA DE SEGURIDAD:
• Elemento limitador de la presión en un circuito hidráulico. Al superar la presión de
seguridad (tarado o descarga) la válvula abre el circuito descargando el exceso de
presión al exterior. La descarga estará conducida a un deposito visible.
88
5. SUBSISTEMA HIDRÁULICO
5.7. OTROS ELEMENTOS
• PÚRGADORES:
• Dispositivo encargado de evacuar el aire
contenido en el circuito tanto en el proceso de
llenado como en el de funcionamiento. Pueden
ser manuales o automáticos . Por normativa
deben de soportar temperaturas de hasta 150ºC
(purgadores manuales) para zonas IV y V.
• DESAIREADOR:
• Elemento que separa el aire disuelto en el líquido.
Se instala junto al desaireador.
89
5. SUBSISTEMA HIDRÁULICO
5.7. OTROS ELEMENTOS
• VÁLVULA ANTIRRETORNO (RETENCIÓN):
• Válvula que solo permite el paso del fluido en
una única dirección. En instalaciones solares la
ubicaremos en la impulsión aguas debajo de la
bomba.
• VÁLVULA DE CORTE:
• Dispositivo que permite interrumpir total o
parcialmente el paso de un fluido.
• Existen muchos tipos: esfera, mariposa, de
compuerta, …
• Se deben de emplear para sectorizar la
instalación y para poder reparar o mantener la
instalación.
• VÁLVULA DE REGULACIÓN:
• Permite regular el caudal del fluido que circula
de forma manual o automática. Se utiliza para
fijar el caudal y equilibrar el circuito.
90
5. SUBSISTEMA HIDRÁULICO
5.7. OTROS ELEMENTOS
• VÁLVULA DE LLENADO:
• Permite llenar la instalación con el fluido
seleccionado. Las hay de dos tipos, manuales o
automáticas.
• VÁLVILA DE VACIADO:
• Permite vaciar la instalación. Se coloca en el
punto más bajo para que el vaciado se produzca
por gravedad.
• BOMBA DE LLENADO:
• Se coloca junto a la válvula de llenado. Sirve
para introducir el fluido en el circuito.
• TERMOSTATO:
• Dispositivo electrónico capaz de transformar
una lectura de temperatura en una señal
eléctrica. Se utiliza en el control de la
instalación. NT, PT100/1000, Termopar I/J/K
91
5. SUBSISTEMA HIDRÁULICO
5.7. OTROS ELEMENTOS
• VÁLVULA DE TRES VIAS:
• Dispositivo que permite la circulación del fluido
por vías alternativas. Normalmente
automáticas.
• VÁLVULA MEZCLADORA TERMOSTÁTICA:
• Permite controlar la temperatura de salida de
un fluido a partir de la mezcla de dos flujos de
agua fría y caliente.
• VÁLVULA DE EQUILIBRADO:
• Válvula que permite limitar el caudal y
mantenerlo aunque haya variaciones en la
presión.
• CONTADOR DE ENERGÍA TÉRMICA:
• Elemento que mide la energía consumida en
una instalación. Consta de un caudalímetro y
dos sondas de temperatura.
92
6. EL SISTEMA AUXILIAR
6.1. INTRODUCCIÓN
93
6. EL SISTEMA AUXILIAR
6.1. INTRODUCCIÓN
En una instalación de energía solar térmica es imprescindible
disponer de un sistema de energía auxiliar, ya que el Sol no puede
satisfacer por completo la demanda energética lo largo del año. El
sistema auxiliar entrará en funcionamiento únicamente cuando sea
estrictamente necesario, siendo siempre prioritaria la aportación
solar.
El sistema de aporte de energía auxiliar deberá dimensionarse para
abastecer el 100% de la demanda. Además, en el caso de
acumulación en línea, deberá de incorporar un termostato de
control sobre la temperatura de preparación ara que en condiciones
normales permita cumplir con la legislación vigente referente a la
prevención y control de la legionelosis.
94
6. EL SISTEMA AUXILIAR
6.2. TIPOS DE GENERADORES AUXILIARES
Una caldera transforma la energía de un combustible o vector
energético (GLP, Gasoleo, GN, biomasa, electricidad, …) en calor ,
calentando el agua que circula a través de ella.
Dentro de los sistemas para ACS, encontramos cuatro tipos de
calderas:
•
•
•
•
Convencional o estándar
De baja temperatura
Condensación
Termo acumuladores eléctricos
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6. EL SISTEMA AUXILIAR
6.3. CONEXIÓN DEL SISTEMA AUXILIAR CON LA INSTALACIÓN SOLAR
6.3.1. SISTEMA AUXILIAR EN SERIE CON LA ACUMULACIÓN SOLAR
En este caso el sistema auxiliar no dispone de acumulación, es decir, es un
equipo instantáneo.
Este sistema es el más habitual cuando la demanda de ACS es baja,
empleándose calderas modulantes de gas. Es importante que el sistema sea
modulante y que disponga de un sistema automático de mezcla que limite la
temperatura de suministro a 60ºC
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6. EL SISTEMA AUXILIAR
6.3. CONEXIÓN DEL SISTEMA AUXILIAR CON LA INSTALACIÓN SOLAR
6.3.2. SISTEMA AUXILIAR‐ACUMULADOR EN SERIE CON EL ACUMULADOR SOLAR
El CTE no permite la conexión del sistema auxiliar en el acumulador solar. Por lo
tanto, en los casos en los que no sea posible el uso de un generador
instantáneo, será necesario la instalación de un segundo acumulador
conectado en serie con el acumulador solar. Sera en este segundo acumulador,
el más cercano al servicio, en el que conectaremos el generador auxiliar.
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6. EL SISTEMA AUXILIAR
6.4. DIMENSIONADO DEL SISTEMA AUXILIAR
El dimensionado del sistema auxiliar/caldera dependerá del tamaño de la
acumulación del sistema de ACS y de los periodos de funcionamiento de la
instalación a abastecer.
Para ello debemos de considerar:
• La producción de energía en periodos valle o de preparación. En los que no se prevee
consumo.
• El consumo en los periodos punta. En los que hay consumo o demanda de energía.
Finalmente deberemos de aumentar la potencia útil de la caldera entre un 20‐30% en función
de las pérdidas térmicas previstas en la caldera, acumulador, distribución …
98
7. SISTEMA DE REGULACIÓN Y CONTROL
7.1. INTRODUCCIÓN
T
T
T
S.C
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7. SISTEMA DE REGULACIÓN Y CONTROL
7.1. INTRODUCCIÓN
El objetivo del sistema de control es optimizar el funcionamiento de
la instalación solar para lo cual es el encargado de regular el flujo de
energía entre las distintas partes de la instalación.
El elemento principal es la centralita diferencial. En el mercado
existen muchos tipos de centralitas solares con más o menos
entradas y salidas.
100
7. SISTEMA DE REGULACIÓN Y CONTROL
7.2. FUNCIONAMIENTO BÁSICO
Para realizar el control diferencial de temperaturas se utilizan dos
sensores de temperatura, uno de ellos en la parte superior de los
captadores (punto más caliente) y otro en la parte baja del deposito
acumulador (parte más fría del circuito).
Los valores medidos de los sensores son comparados por la centralita
que, de acuerdo a la diferencia de temperaturas existente entre ambos
sensores, activa o desactiva la bomba de circulación.
El valor de la diferencia de temperaturas para la puesta en marcha de la
bomba estará comprendido entre los 5‐8⁰C.
El valor de la diferencia de temperaturas para la parada de la bomba
estará comprendido entre los 2‐3⁰C.
Según el CTE‐HE4, la diferencia de temperaturas de funcionamiento debe
de ser ≥7 ⁰C y la de parada ≥2 ⁰C. Además el sistema de control velará
por que no descienda la temperatura del fluido por debajo de 3⁰C
superior a la de congelación del fluido.
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7. SISTEMA DE REGULACIÓN Y CONTROL
7.2. FUNCIONAMIENTO BÁSICO
S.C
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7. SISTEMA DE REGULACIÓN Y CONTROL
7.2. FUNCIONAMIENTO BÁSICO
Aparte de las centralitas solares, existen otros dispositivos que se
utilizan normalmente:
•
•
•
•
•
•
•
Termostatos
Reguladores proporcionales
Sensores: PT, NT, Termopar, Piranónetro….
Actuadores
PLC´S
Sistemas de adquisición de datos
PC´S
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7. SISTEMA DE REGULACIÓN Y CONTROL
7.3. TIPOS DE REGULACIÓN
7.3.1. REGULACIÓN POR TERMOSTATO
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7. SISTEMA DE REGULACIÓN Y CONTROL
7.3. TIPOS DE REGULACIÓN
7.3.2. REGULACIÓN POR TEMPERATURA DIFERENCIAL ACTUANDO SOBRE LA BOMBA
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7. SISTEMA DE REGULACIÓN Y CONTROL
7.3. TIPOS DE REGULACIÓN
7.3.3. REGULACIÓN POR TEMPERATURA DIFERENCIAL Y VÁLVULA DE CONMUTACIÓN
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7. SISTEMA DE REGULACIÓN Y CONTROL
7.3. TIPOS DE REGULACIÓN
7.3.4. REGULACIÓN POR CARGA ESTRATIFICADA
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7. SISTEMA DE REGULACIÓN Y CONTROL
7.3. TIPOS DE REGULACIÓN
7.3.5. REGULACIÓN PARA LA CARGA DE VARIOS ACUMULADORES
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7. SISTEMA DE REGULACIÓN Y CONTROL
7.3. TIPOS DE REGULACIÓN
7.3.6. REGULACIÓN POR EMPERATURA DIFERENCIAL Y RADIACIÓN
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