Las instalaciones solares térmicas que se utilizan para producir agua caliente (ACS: Agua Caliente Sanitaria) utilizan captadores planos, con los que se calienta el agua a una temperatura por debajo de los 100 ºC, por lo que se trata de instalaciones de baja temperatura.
En estas instalaciones, el colector transfiere la energía solar captada a un fluido que circula por su interior para, por medio de un intercambiador, calentar agua y producir ACS.
Dado que estos sistemas calientan el agua por medio de la irradiación procedente del Sol, sólo funcionan con un rendimiento aceptable en las horas en las que los rayos solares los alcanzan de forma directa. Y no como en el caso de los paneles fotovoltaicos, que también aprovechan la radiación difusa, por muy baja que sea.
5.2 Descripción de la instalación solar
Una instalación solar de ACS está compuesta por cuatro elementos principales: los captadores solares, el circuito hidráulico, la acumulación y el aporte exterior.
5.2.1 Captadores
Los captadores solares son los encargados de calentar un fluido por medio de la radiación solar capturada.
Los más empleados para la producción de agua caliente sanitaria (ACS) son los planos, cuyo funcionamiento se basa en el “efecto invernadero”.
Colectores planos
Los captadores planos se encuentran constituidos por un absorbedor que se encuentra encerrado herméticamente en una caja, típicamente de acero o aluminio, y en cuyo frontal se sitúa una cubierta
Ilustración 5: Esquema de una instalación solar típica Vaso de expansión Circuito primario Circuito primario Radiación solar Captadores solares Acumulación solar Circuito secundario Circuito secundario Purgador RED (agua fría) Agua caliente Aporte exterior Llenado/vaciado ST ST TD
Instalación solar térmica
transparente de vidrio.
El absorbedor está formado por una parrilla de tubos de cobre que se sitúan sobre una superficie negra que actúa como placa absorbedora. De este modo, la placa absorbe la radiación aprovechando las propiedades del cuerpo negro, y transfiere el calor producido por el aumento de temperatura de la placa al fluido circulante por los tubos.
La cubierta acristalada es la encargada de dejar pasar la radiación en un único sentido, ya que el vidrio es opaco a esta cuando es reflejada, tras haber aumentado su longitud de onda debido al aumento de temperatura que se produce en la placa absorbedora.
Para aumentar la eficiencia del sistema, la carcasa se encuentra recubierta por una capa de material aislante en su interior, lo que evita las pérdidas de calor hacia el exterior.
Colectores planos para piscinas
Estos colectores, de bajo coste, se encuentran formados por un absorbedor de material plástico, sin cubierta ni caja. De modo que, sus elevadas pérdidas sólo los habilita para subir la temperatura del agua de piscinas entre 2 y 5 ºC en épocas veraniegas.
Colectores de vacío
Los colectores de vacío están compuestos por tubos cerrados por una envolvente hermética de vidrio, en la cual se ha hecho vacío, para de esta forma reducir las pérdidas por convección y aumentar el rendimiento. El problema reside en su elevado precio y en la pérdida de vacío con el tiempo.
5.2.2 Acumulación
Debido a que el calentamiento de agua mediante captadores solares no se produce de forma instantánea (bajo demanda), se hace necesario disponer de un sistema de acumulación (depósito) del agua caliente que permita que esté disponible cuando se necesite.
Los depósitos o acumuladores para ACS presentan forma cilíndrica tanto para ahorrar espacio como para, lo más importante, buscar que se produzca la estratificación. El fenómeno de estratificación es aquel en que el agua se encuentra en capas de igual temperatura, y se produce por la disminución de la densidad del agua al calentarse, lo que provoca que esta ascienda mientras la más fría desciende y se sitúa en el fondo del depósito.
Según las condiciones específicas de radiación del territorio español, se da que el depósito más apropiado para ACS en las regiones con menos horas de sol se estima en unos 60 litros por cada metro cuadrado de superficie de captación, y en 100 l/m2 en las de mayor irradiación.
5.2.3 Sistema de apoyo
En una instalación solar, debido a que existen períodos en los que el aporte energético por radiación no será suficiente, no se puede satisfacer el 100% de la demanda, se requiere la instalación de un
sistema de aporte de energía auxiliar de tipo convencional.
Estos sistemas de apoyo pueden ser eléctricos, como en el caso de equipos pequeños, donde la aportación se hace directamente en el acumulador por medio de una resistencia eléctrica, aunque normalmente lo serán de gas o gasóleo, tanto si se trata de instalaciones preexistentes que han de ser convenientemente modificadas, o como si se trata de parte del diseño de la instalación.
Independientemente de lo anterior, dependiendo de las demandas a satisfacer, los sistemas serán de calentamiento instantáneo o provistos de acumuladores independientes.
5.2.4 Circuito hidráulico
La instalación de ACS solar está formada por un doble circuito cerrado, para separar el agua de consumo del fluido de transferencia térmica, evitando problemas de operación, y aumentar la eficiencia. El circuito primario (del sistema captador) mueve el fluido haciéndolo pasar por los captadores solares y por el intercambiador. El circuito secundario (del sistema de almacenamiento) lleva el agua desde el acumulador hasta el punto de consumo.
En el circuito primario se introduce un líquido especial, normalmente una mezcla de agua destilada y anticongelante para evitar la congelación en zonas frías5, y que circula gracias a la acción de una bomba eléctrica. Con esto se consigue controlar la transferencia de energía entre el captador y el fluido, de tal modo que se impide que se pueda perder parte del calor ganado, cuando el agua acumulada está más caliente que el fluido, o alcanzar la temperatura de evaporación del fluido. De este modo, se tiene que el sistema de circulación forzada añade un gasto energético externo pero aumenta la eficiencia térmica de la instalación solar.
Componentes
El vaso de expansión se emplea para absorber el aumento de volumen provocado por el calentamiento del fluido circulante, evitando el incremento de presión que se produciría en un circuito cerrado.
La válvula de seguridad limita la presión máxima del circuito, evitando que se eleve por encima de ciertos límites.
El purgador de aire permite la salida del aire acumulado en el circuito y que de otro modo entorpecería la circulación del fluido, ya sea manual o automático.
Las válvulas de globo se emplean tanto para aislar partes del circuito, en caso de que fuese necesario por reparación o sustitución, como para regular el caudal.
5 Zonas donde la temperatura mínima histórica desciende por debajo de los cero grados centígrados. CALDERA
Instalación solar térmica
La válvula de vaciado se emplea para las tareas de limpieza y reparación, tanto del depósito como del circuito.
El controlador diferencial de temperatura regula el funcionamiento de la bomba según la diferencia de temperatura medida entre la sonda situada a la salida de los colectores y la que se encuentra en el acumulador. De este modo, cuando se detecta entre ellas una diferencia de temperatura prefijada se arranca la bomba, de manera que se envía el calor de los colectores a la instalación. Así, se obtiene el máximo rendimiento posible, ya que trabajan continuamente al nivel térmico más adecuado. Además, se supervisa que la temperatura del fluido de trabajo no rebase un cierto umbral.
5.3 Conexión de captadores
Para adecuar la captación a las necesidades del edificio se forma un campo de captación solar, donde los colectores se conectan en paralelo para conseguir el caudal de ACS requerido y en serie para aumentar la temperatura de salida del agua. Aunque esto último, a costa de penalizar el rendimiento global de la instalación, debido a que el gradiente térmico en el captador disminuye al conectarlos en serie, con lo que su rendimiento cae. Por ello, nunca se conectan más de tres colectores en serie.
Los captadores disponen de dos conexiones en su parte inferior, por donde se realizará la entrada del fluido, y otras dos en la parte superior, por donde se dará salida, lo que permite realizar cualquier tipología de conexión, sin mas que cerrar aquellas conexiones que no se utilicen.
Las uniones de los grupos de captadores a las tuberías del circuito primario se realizan mediante tubos flexibles, que impiden que se produzcan esfuerzos en los puntos de unión debidos a las dilataciones de los materiales.
Además, cada grupo o batería de captadores se dota de válvulas de aislamiento a la entrada y a la salida, con lo que se permite independizar un grupo del resto de la instalación ante eventuales
TD
ST ST
Batería 1 Batería 2
reparaciones. Y en la salida del grupo, en la parte superior del último captador, se instala el purgador de aire para facilitar las operaciones de puesta en marcha de la instalación y las tareas de mantenimiento posteriores.
5.4 Dimensionado de la instalación
Antes de nada, hay que tener claro que en el diseño de una instalación solar térmica habrá de garantizarse la utilización prioritaria de la energía solar frente a la de apoyo.
5.4.1 Determinación de la carga calorífica
Para determinar la carga calorífica se hace en base a las necesidades de ACS diaria a 60 ºC en cada uno de los meses del año. Para esto, si no se conocen los datos reales de consumo, se recurre a la tabla facilitada por el código técnico de la edificación (CTE), que proporciona valores medios estimados para los consumos diarios en diferentes situaciones.
Criterio de consumo litros/día
Viviendas unifamiliares 40 por persona
Viviendas multifamiliares 30 por persona
Hospitales 80 por cama
Hotel **** 100 por cama
Hotel *** 80 por cama
Hotel/Hostal ** 60 por cama
Hostal/Pensión * 50 por cama
Residencia (ancianos, estudiantes, etc.) 80 por cama
Vestuarios / Duchas colectivas 20 por servicio
Fábricas y talleres 20 por persona
Oficinas 5 por persona
Gimnasios 30 a 40 por usuario
Lavanderías 5 a 7 por kilo de ropa
Restaurantes 8 a 15 por comida
Cafeterías 2 por almuerzo
Una vez conocidos los consumos, la demanda térmica vendrá dada por el gradiente de temperaturas entre la temperatura de acumulación (típicamente 60 ºC) y la del agua fría (temperatura del agua de red), a través de su calor específico. Así,
Q
n=⋅V⋅c
p⋅T
será la carga calorífica mensual de ACS en J/mes necesaria para elevar la temperatura del agua hasta la de acumulación.Instalación solar térmica
5.4.2 Determinación de la superficie de captación
Los datos necesarios (valores medios mensuales) y el método de cálculo de este tipo de instalaciones (F-Chart) se detalla en el pliego de condiciones técnicas de instalaciones solares térmicas de baja temperatura del IDAE.
5.5 Referencias
[1] Pliego de condiciones técnicas de instalaciones solares térmicas de baja temperatura
[2] Manual técnico de LUMELCO
SALAM ANCA
Temperatura mínima histórica -16,0 º
Latitud 41,0 º
Orientación (α) 10,0 º
Inclinación (β) 45,0 º
Pérdidas por orientación e inclinación 2,70% CUMPLE
Pérdidas por sombreado 2,00% CUMPLE
Pérdidas por ensuciamiento 5,00%
Pérdidas 9,70% CUMPLE
Captador
Captador Ficticio Superficie del colector [m²] 2,00
Factor de eficiencia óptica (b) 0,83
Coeficiente global de pérdidas (m) 4,20
Número de colectores 2,000
Superficie de captación [m²] 4
Acum ulación Demanda anual [M J] 25248
Temperatura de acumulación [ºC] 60 ºC Cobertura solar 84,71%
Volumen de acumulación [m³] 0,750 CUMPLE Déficit energético [M J] 3861
Volumen de acumulación mínimo 0,150 Ahorro anual estimado [€] 339 €
Volumen de acumulación máximo 1,200
ENE FEB MAR ABR MAY JUN JUL AGO SEP OCT NOV DIC AÑO
Nº de días 31 28 31 30 31 30 31 31 30 31 30 31 365
Temperatura ambiente (Ta) [ºC] 6,0 7,0 10,0 13,0 16,0 20,0 24,0 23,0 20,0 14,0 9,0 6,0 14,0
5,0 6,0 8,0 10,0 11,0 12,0 13,0 12,0 11,0 10,0 8,0 5,0 9,3 Consum o ACS Consumo [m³/día] 0,280 0,280 0,280 0,280 0,280 0,280 0,400 0,400 0,280 0,280 0,280 0,280 0,300 55 54 52 50 49 48 47 48 49 50 52 55 50,8 64,48 64,48 64,48 64,48 64,48 64,48 92,11 92,11 64,48 64,48 64,48 64,48 69,1 Irradiación 6,1 9,5 13,5 17,1 19,7 22,8 24,6 22,6 17,5 11,3 7,4 5,2 14,8 factor k 1,42 1,30 1,16 1,03 0,93 0,89 0,93 1,04 1,21 1,41 1,55 1,52 1,20
Irradiación sobre la superficie de captación [MJ/m²·día] 8,66 12,35 15,66 17,61 18,32 20,29 22,88 23,50 21,18 15,93 11,47 7,90 16,31
Radiación efectiva diaria (R) [MJ/m²·día] 7,82 11,15 14,14 15,9 16,54 18,32 20,66 21,22 19,12 14,39 10,36 7,14 14,7
Método F-Chart
Carga calorífica mensual (Q) [MJ] 1998,9 1805,4 1998,9 1934,4 1998,9 1934,4 2855,5 2855,5 1934,4 1998,9 1934,4 1998,9 25248,4
Factor de cobertura solar (f) 52,46% 72,50% 91,86% 104,05% 108,38% 120,49% 90,29% 92,60% 125,54% 93,82% 68,37% 48,58% 84,71%
Temperatura del agua de red (Tr) [ºC]
Salto térmico [ºC] Carga calorífica diaria (Q) [MJ/día]
Irradiación sobre superficie horizontal [MJ/m²·día]
ENE FEB MAR ABR MAY JUN JUL AGO SEP OCT NOV DIC 0% 10% 20% 30% 40% 50% 60% 70% 80% 90% 100% 52% 73% 92% 100% 100% 100% 90% 93% 100% 94% 68% 49% Aportación solar S α E O Captador β Plano horizontal
Radiación solar