Instalación solar
térmica de baja
temperatura
I. INTRODUCCIÓN
II. OBJETIVOS DEL TEMA III. MECANISMOS DE
TRANSMISIÓN DE CALOR IV. FUNDAMENTOS DE LAS
INSTALACIONES SOLARES TÉRMICAS PARA APLICACIONES EN BAJA TEMPERATURA V. TIPOLOGÍA Y CLASIFICACIÓN DE LAS INSTALACIONES
VI. CAPTADOR SOLAR TÉRMICO VII. SISTEMAS DE
ACUMULACIÓN
VIII. INTERCAMBIADORES DE CALOR
IX. CIRCUITOS HIDRÁULICOS X. SISTEMAS DE CONTROL Y
REGULACIÓN DE LA INSTALACIÓN
XI. RESUMEN DEL TEMA
AUTOEVALUACIÓN
AUTOEVALUACIÓN– Solución
Ediciones Roble, S.L.
Energía solar
térmica y pasiva
I. INTRODUCCIÓN
En este tema se describen las instalaciones solares térmicas para aplicaciones en baja temperatura. Son los sistemas de mayor implantación dentro de las aplicaciones solares térmicas. Se emplean para el suministro de agua caliente sanitaria en la edificación, para apoyo a la calefacción, para climatización de piscinas o para precalentamiento en usos industriales.
En primer lugar se explican brevemente los mecanismos de transmisión de calor en los que se basa la operación de este tipo de instalaciones: conducción, convección y radiación.
A continuación, se exponen las características generales de los sistemas y las principales configuraciones existentes sobre el terreno.
Se incluye una descripción detallada de los componentes de los sistemas solares térmicos
El elemento básico es el captador solar, en el que se realiza la transferencia energética desde la radiación solar incidente hasta un fluido portador, que se calienta. Se presentarán los principales parámetros operativos así como las diversas tecnologías existentes en la actualidad en el mercado.
Como los momentos de incidencia solar serán en general diferentes a los de uso del calor transferido, se necesita un sistema de acumulación, que aúne una elevada eficiencia, una capacidad de reserva suficiente y un coste razonable.
Tanto por motivos operativos como sanitarios, el fluido que circula por los captadores no es el agua de consumo, sino que se disponen unos intercambiadores de calor que transfieren el calor de un circuito primario o “solar”, al circuito secundario o de consumo.
Finalmente, se necesitan una serie de elementos de control y protección para que la instalación opere de la forma más eficiente y segura posible.
II. OBJETIVOS DEL TEMA
Los objetivos básicos del tema son: Conocer las características fundamentales de las instalaciones solares térmicas para aplicaciones en baja temperatura.
Identificar las diferentes configuraciones existentes en la actualidad.
Conocer las características básicas de los diferentes elementos que conforman la instalación, sus condiciones operativas y las tecnologías existentes.
III. MECANISMOS DE TRANSMISIÓN DE CALOR
Antes de avanzar en la descripción de los sistemas solares térmicos y de sus componentes, resulta conveniente describir de forma breve los tres mecanismos de transmisión de calor existentes: conducción, convección y radiación.
La conducción es la transmisión de calor propia de los elementos sólidos, en su interior, o entre sólidos en contacto. Se produce por el contacto directo entre las moléculas del material o por el movimiento de los electrones en los metales. El flujo calorífico se dirige desde las zonas de mayor temperatura (más energéticas) a las de menor temperatura.
La velocidad de transmisión de calor, q, por conducción, depende de la diferencia de temperaturas caliente (T2) y fría (T1), de las
medidas del sólido (superficie S y grosor x) y de su material de
composición, especificado este por el coeficiente de conductividad térmica, :
S
x
T
T
q
2 1Una mayor o menor conductividad térmica permite clasificar a los materiales desde aislantes hasta conductores térmicos, con aplicaciones bien diferentes. En un captador solar térmico se utilizan ambos tipos de materiales para cumplir diferentes funciones.
Como simples ejemplos ilustrativos, cabe mencionar los valores del coeficiente de conductividad de diversos materiales de uso común:
Material Conductividad térmica, (W·m-1·K-1)
Fibra de vidrio 0,03-0,07
Ladrillo 0,8
Vidrio 0,6-1,0
Metales 50(Acero)-420(Plata)
Tabla 3.1: Coeficientes de conductividad térmica medios de materiales de diferentes propiedades térmicas, a temperatura ambiente. Fuente: AJ Chapman
La convección es la transmisión de calor que se produce por movimiento de un fluido debido a las diferencias de densidad causadas por la temperatura (convección libre o natural). Es propia de líquidos y gases. Su caracterización matemática es muy compleja, debiendo aunarse con relaciones de carácter empírico y experimental.
S
T
T
h
q
(
2
1).
En esta expresión, q es la velocidad de transmisión de calor por convección, S la superficie del sólido desde la que se transmite el calor al fluido circundante, T2 la temperatura de la superficie del
sólido, más caliente y T1 la temperatura uniforme del fluido (a una
cierta distancia del sólido).
En esta ecuación, de apariencia sencilla, la dificultad se centra en la estimación del coeficiente de transmisión de calor por conducción,
h. Este coeficiente depende de la composición del fluido, de la
geometría de la superficie del sólido y del tipo de movimiento del fluido.
El tercero de los mecanismos de transmisión de calor es la
radiación. La radiación es la emisión de energía en forma de ondas
electromagnéticas, sin que se requiera un medio de transporte como sí ocurre en la conducción y convección. En realidad, cualquier cuerpo caliente emite radiación, en todas direcciones, pudiendo ser de diferentes longitudes de onda. Cuando alcanza otro cuerpo puede ser reflejada, absorbida o transmitida. El Sol es un claro ejemplo de cuerpo emisor de radiación.
La velocidad de emisión de energía por radiación q de un sólido de superficie S que se encuentra a una temperatura T es:
S
T
q
.
.
4.
Donde es una constante universal (constante de Boltzmann) y es una propiedad del objeto emisor, denominada emisividad.
El flujo neto de calor transmitido entre dos cuerpos por radiación es proporcional a la diferencia de temperaturas elevadas a la cuarta potencia.
Estos tres mecanismos de transmisión intervienen en el funcionamiento de la instalación solar térmica en todas sus etapas y componentes. Como adelanto, cabe resaltar que en el propio captador solar tienen una gran influencia los tres mecanismos, en su operación, en el diseño y en la elección de los materiales que lo forman. Resulta más conocido el caso del acumulador, del intercambiador, o de los circuitos hidráulicos.
En realidad, desde un punto de vista global, el sistema solar térmico es un sistema de transmisión e intercambio de calor desde el propio Sol hasta el agua de consumo.
IV. FUNDAMENTOS DE LAS INSTALACIONES SOLARES
TÉRMICAS PARA APLICACIONES EN BAJA
TEMPERATURA
Las instalaciones solares térmicas para aplicaciones de baja temperatura aprovechan la energía de la radiación solar para complementar determinadas necesidades térmicas.
Las principales aplicaciones de la energía solar térmica en baja temperatura están relacionadas con los usos residenciales y de servicios. Son los siguientes:
Instalaciones solares para Agua Caliente Sanitaria.
Instalaciones solares para Agua Caliente sanitaria y apoyo a la Calefacción.
Climatización de piscinas.
Refrigeración solar.
Precalentamiento en usos industriales.
Por ser el tipo de aplicación más extendido, el desarrollo del tema se va a centrar en las aplicaciones solares térmicas para suministro de Agua Caliente Sanitaria. Es, asimismo, la aplicación recogida como obligatoria en el Código Técnico de la Edificación aprobado en marzo de 2006.
Desde un punto de vista funcional, una instalación solar térmica consta de los siguientes sistemas fundamentales:
Sistema de Captación. Sistema de Acumulación. Circuito hidráulico.
Intercambiador.
Sistemas de regulación y control. Generador auxiliar.
El Sistema de Captación está formado por los propios captadores solares térmicos, conectados entre sí en serie y/o paralelo, más la estructura soporte que permita su adaptación a la cubierta del edificio.
Como se estudia en detalle en la sección correspondiente, existen sistemas simples donde es la propia agua de consumo la que se calienta al paso por el captador. Sin embargo, tanto por cuestiones sanitarias como por cuestiones operativas, se emplea un fluido de trabajo, portador del calor, que circula en un circuito primario cerrado y que recibe un incremento térmico al paso por el captador.
El calor absorbido por este fluido es transferido al agua de consumo en un intercambiador. En ocasiones este intercambiador está integrado dentro del propio acumulador de agua en forma de serpentín.
Debido a la diferencia temporal entre los momentos de generación térmica por incidencia solar y los momentos de consumo, es necesario incluir un sistema de acumulación. Estos depósitos deben estar bien aislados y cumplir las condiciones sanitarias exigidas. Existen diversas configuraciones posibles.
Los elementos principales de la instalación están conectados mediante los circuitos hidráulicos, primario o solar, y secundario o de consumo. Además del conjunto de tuberías deben disponerse otra serie de elementos como las bombas para forzar la circulación tanto del fluido primario como del agua de consumo, válvulas con diferentes funciones, sistemas de purga, vaso de expansión, caudalímetros, etc. BOMBA BATERIA DE 1 COLECTOR 1 6 /1 8 1 6 /1 8 1 6 /1 8 1 6 /1 8 1 6 /1 8 MT MT DEPOSITO ACUMULADOR SCHÜCO 200 l T m a x . 9 0 º C STT Ø 1 " 1 6 /1 8 4 5 º CALDERA GASOIL 1 6 /1 8 1 6 /1 8 4 5 º TO D O - N A D A M EZ C L A D O RA F GRUPO Gru p o B o m b e o
Figura 3.1: Esquema de principio de instalación solar térmica para producción de ACS en vivienda unifamiliar, con apoyo de caldera. Fuente: Expert Sistemas Solares
La instalación solar térmica es un sistema en el que el factor de entrada principal, esto es, la radiación solar, es variable y aleatoria. El consumo de agua es también variable en la mayor parte de las aplicaciones. Asimismo, las necesidades de temperatura dependen del tipo de aplicación.
Toda instalación, salvo las más sencillas y baratas, disponen de un sistema de regulación y control que permite mantener unas condiciones operativas adecuadas y evita situaciones de riesgo, como un excesivo calentamiento del agua.
En todo caso, debido a las propias características del recurso solar, unido a la variabilidad del consumo, se hace necesario incluir un sistema generador auxiliar que permita garantizar un suministro de agua suficiente y a la temperatura requerida.
Para ello se utilizan los sistemas tradicionales de gas natural, gasóleo o eléctricos. La elección de uno u otro sistema auxiliar influye en la propia configuración de sistema solar, como queda reflejado en el Código Técnico de la Edificación.
V. TIPOLOGÍA Y CLASIFICACIÓN DE LAS
INSTALACIONES
Existe una amplia variedad de configuraciones en las instalaciones solares térmicas para suministro de Agua Caliente Sanitaria. Se pueden establecer diferentes criterios de clasificación, atendiendo a las características e integración de los equipos constituyentes. Se resumen en la siguiente tabla, previa a una explicación en mayor profundidad.
Principio de circulación
Circulación natural o termosifón Circulación forzada mediante bombeo
Sistema de intercambio
Sistemas directos
Sistemas indirectos en doble circuito
Integración de los componentes
Integrado, con captador y depósito en el mismo componente
Compacto, con captador y depósito montados en una unidad
Partido, con captador y depósito separados
Sistema de energía auxiliar
Instantáneo o en línea
En depósito de acumulación secundario En depósito de acumulación solar Grado de distribución en
edificios multifamiliares (captación centralizada)
Acumulación centralizada, sistema auxiliar centralizado
Acumulación centralizada, sistema auxiliar distribuido
Acumulación distribuida, sistema auxiliar distribuido
Existen otras diferencias específicas, como el uso de sistemas de expansión abiertos a la atmósfera o en circuitos cerrados, o la disposición horizontal o vertical de los acumuladores que se tratan en las secciones dedicadas al circuito hidráulico y al sistema de acumulación, respectivamente.
5.1. Clasificación según el principio de circulación
Los sistemas solares térmicos se pueden clasificar según la forma en la que se produce el movimiento del fluido que circula por los captadores solares. Así, se tienen los sistemas con circulación natural y los sistemas con circulación forzada.
5.1.1. Sistemas con circulación por convección natural o termosifón En estas instalaciones, el fluido de trabajo circula por convección natural, debido a la diferencia de densidad entre el fluido caliente y frío.
Cuando el fluido entra en el captador, se va calentando debido a la transferencia del calor desde la denominada placa absorbedora. Al aumentar su temperatura, su densidad disminuye y se produce un efecto ascendente.
A la salida del captador solar el fluido caliente alcanza el acumulador, donde entrega calor y retorna, a menor temperatura, hasta la entrada del captador. Se produce una circulación del fluido que depende del gradiente de temperaturas entre el foco frío y el caliente.
Cuando la diferencia de temperaturas se reduce, el fluido se ralentiza, hasta pararse cuando se igualan.
Si en ese momento se produce un consumo de agua caliente, el depósito se rellena con agua fría de la red. Al disminuir la temperatura respecto a la de los captadores se reinicia el movimiento.
Estas instalaciones con movimiento de fluido natural no requieren del uso de bombas. Tampoco suelen llevar sistemas de control, por lo que pueden instalarse en lugares sin acceso al suministro eléctrico.
Las instalaciones por termosifón son autorregulables, con un caudal circulante proporcional a la diferencia de temperaturas entre el punto más alto del captador solar (punto más caliente del circuito) y el punto inferior de depósito (con el fluido más frío).
Al aumentar la radiación solar incidente, el calor absorbido provoca una subida de la temperatura del fluido a su paso por el captador que, a su vez, produce un incremento del caudal circulante. Al haber más caudal, el calor se “reparte” entre más cantidad de agua y la temperatura desciende, con lo cual se produce una disminución de caudal.
Este ajuste del caudal permite mantener un gradiente de temperaturas entre los extremos del captador de unos 10ºC.
Figura 3.2: Instalación solar térmica con convección natural (termosifón).
Fuente: Isofotón
Es un sistema muy simple, de precio reducido, con un montaje y mantenimiento sencillo, que tiene una muy amplia presencia en el mundo. Sin embargo, presenta algunos inconvenientes.
Por una parte, no es posible limitar la temperatura máxima del fluido en el acumulador en épocas de irradiación elevada y escaso consumo. Por otra, el diseño de la instalación debe ser especialmente cuidadoso para evitar el rozamiento del fluido en las conducciones, ya que la fuerza ascensional producida es reducida. Se requieren, por tanto, tubos de ancho suficiente y un mínimo de codos o elementos que dificulten la circulación.
Asimismo, para garantizar el movimiento, el depósito debe situarse por encima de los captadores. Además, es necesario evitar que el fluido circule en sentido contrario por la noche, desde un acumulador
más caliente hasta los captadores más fríos, lo que provocaría una pérdida del calor almacenado. Para ello, se dispone el acumulador a un altura suficiente (de 30cm o más) respecto a los captadores, o se incluye una válvula antirretorno en el circuito.
Los sistemas más habituales disponen el acumulador también en el exterior, junto a los captadores y algo por encima de ellos. Esto requiere unas condiciones climáticas benévolas, sin riesgo excesivo de heladas.
Los sistemas por termosifón se utilizan principalmente en instalaciones pequeñas, con uno o dos captadores y climas cálidos. Si las necesidades de consumo se incrementan, se requiere la conexión de un mayor número de equipos. Con ello, las pérdidas de carga en las conducciones se incrementan y la convección natural no es capaz de asegurar la circulación del fluido.
En estos casos debe instalarse un sistema con circulación forzada.
Figura 3.3: Sistema solar térmico termosifón.
5.1.2. Sistemas con circulación forzada
En los sistemas con circulación forzada, el movimiento del fluido se activa mediante la puesta en marcha de una bomba de circulación. Esto permite disponer de un caudal superior al de los sistemas de termosifón.
La regulación del sistema, esto es, el control del encendido y apagado de la bomba, se efectúa a partir de la diferencia de temperaturas entre los puntos de mayor y menor temperatura del circuito.
Como se muestra en la figura 3.4, se instalan sondas de temperatura a la salida de los captadores y en la parte baja del depósito. En función de los valores diferenciales de ambas sondas se actúa sobre la bomba.
El encendido de la bomba se suele realizar cuando la diferencia de temperatura entre la salida del captador y el fondo del depósito supera un valor programable, que puede fijarse en unos 7ºC. La bomba se desconecta cuando dicha diferencia de temperaturas se sitúa sobre los 2-3ºC.
El sistema de control diseñado para la regulación de la circulación permite, al mismo tiempo, controlar otras variables del sistema, como la temperatura máxima (en la zona alta del depósito), para evitar sobrecalentamientos peligrosos.
La inclusión de bombas de circulación tiene como principal inconveniente el incremento del coste del sistema respecto a los de tipo termosifón. También resulta más compleja y costosa su instalación y las tareas de mantenimiento. Asimismo, requieren de instalación eléctrica para la operación de los sistemas de bombeo y control.
En el caso de situar este sistema de suministro de agua caliente en una vivienda sin acceso a la red eléctrica se puede utilizar un panel fotovoltaico para la generación eléctrica. El uso del recurso energético común, la radiación solar, garantiza la simultaneidad operativa de ambas tecnologías.
Además de garantizar el movimiento del fluido aún con caudales elevados, los sistemas con circulación forzada tienen otras ventajas. Permiten una mayor flexibilidad en la ubicación del depósito, que ya no tendrá que situarse por encima de los captadores y, normalmente al exterior, como en los sencillos sistemas de termosifón.
Así, el depósito puede colocarse en el interior del recinto, en un lugar acondicionado al efecto, lo cual también beneficia la eficiencia del sistema en caso de temperaturas nocturnas frías.
Según el Código Técnico de la Edificación, resulta obligado disponer de un sistema con circulación forzada para una superficie de captación por encima de los 10m2.
En sistemas más pequeños se autorizan los sistemas de termosifón y los de circulación mediante bombeo.
5.2. Clasificación según el sistema de intercambio
Los sistemas solares térmicos para el suministro de agua caliente sanitaria pueden clasificarse según la forma de transferencia energética entre el circuito primario o de captadores y el circuito secundario o de consumo.
Si existe conexión física entre ambos circuitos, esto es, si la propia agua de consumo es la que circula por los captadores solares, se denomina sistema directo.
Por el contrario, en los sistemas indirectos los circuitos primario y secundario son independientes. En ellos la transferencia energética se produce en el llamado intercambiador, y no por mezcla de fluidos. 5.2.1 Sistemas directos
En los sistemas directos al agua de consumo circula por los captadores solares, donde incrementa su temperatura. De estos fluye hasta el depósito de acumulación. De la zona alta del depósito se extrae el agua más caliente hacia el circuito de consumo o bien se recircula, desde la zona baja, de nuevo a los captadores (ver figura 3.5).
Los sistemas solares directos son más sencillos, si bien presentan bastantes inconvenientes.
En primer lugar, deben garantizarse las condiciones sanitarias del agua de consumo. Asimismo, las características del agua de red, con elevado contenido en oxígeno provoca la corrosión en el circuito primario si no se emplean materiales adecuados.
Además, el agua de red puede contener sustancias disueltas y una elevada concentración de cal, que pueden acumularse en forma de depósitos calcáreos en el circuito de captadores, reduciendo la transferencia energética y aumentando la pérdida de carga.
Otro problema adicional es la congelación del agua en las tuberías situadas a la intemperie durante el invierno. Como en los sistemas directos no es posible añadir productos anticongelantes al agua de consumo, debe recurrirse al vaciado del circuito hidráulico de los captadores o a la recirculación de agua caliente, etc.
Por todos estos motivos, resulta conveniente el uso de sistemas con doble circuito independiente, los sistemas indirectos.
5.2.2 Sistemas indirectos
En España, el Código Técnico de la Edificación sólo permite la instalación de sistemas solares indirectos. Son instalaciones con separación física entre el circuito primario o de captadores, que es un circuito cerrado y el circuito de consumo.
El fluido que circula por los captadores es una mezcla de agua y glicol, para reducir el punto de congelación por debajo de la temperatura ambiente mínima del lugar.
Este fluido de trabajo se calienta en los captadores y de ahí fluye hasta el intercambiador, donde se produce la transferencia de calor al agua de consumo, sin mezcla física entre ambos. A la salida del intercambiador, ya a temperatura inferior, el fluido retorna al captador.
El intercambiador puede estar situado dentro del acumulador, lo que es habitual en sistemas de tamaño pequeño o medio (ver figura 3.6), o constituir un equipo independiente.
El circuito secundario o de consumo toma el calor en el intercambiador y lo almacena en el depósito que tiene que cumplir las exigencias sanitarias correspondientes.
En los sistemas indirectos por circulación natural o termosifón, debe cuidarse que el fluido de trabajo no tenga una viscosidad excesiva, ya que ello aumentaría las pérdidas de carga y dificultaría la circulación.
Figura 3.6: Instalación solar térmica en sistema indirecto, con intercambiador integrado en el depósito. Fuente: IDAE
5.3. Clasificación según la distribución de los componentes Los sistemas integrados tienen un captador que al tiempo hace función de acumulador. Son equipos con escasa presencia en el mercado, si bien el crecimiento del sector puede conducir a nuevos desarrollos tecnológicos futuros.
En sistemas pequeños, incluidos los de circulación por termosifón, la configuración más extendida es la compacta. En los sistemas compactos el captador y el depósito están montados en una misma unidad, aunque existe separación física entre ambos. Si el sistema es indirecto, el intercambiador suele estar integrado dentro del depósito, habitualmente de doble envolvente.
Mientras, en instalaciones de mayor tamaño, los sistemas partidos son los más comunes. En ellos, los captadores se encuentran ubicados en la cubierta del edificio, mientras que el depósito y el intercambiador se encuentran alejados, normalmente en el interior. Los circuitos hidráulicos, tanto primario como secundario son más largos, por lo que es casi obligado el uso de circulación forzada.
Otra de las ventajas de de los sistemas partidos, con el depósito en el interior del edificio, es la mejora de la integración arquitectónica, con equipos bien adaptados a la cubierta, tanto desde un punto de vista estético como funcional.
5.4. Clasificación según la ubicación del sistema de generación auxiliar
El aporte de energía auxiliar que debe complementar el déficit térmico del sistema solar puede realizarse de diferentes formas, destacando tres de ellas: en línea, en acumulador secundario o en acumulador solar.
5.4.1. Sistema auxiliar en línea o instantáneo (modulante)
En este tipo de sistemas, el generador auxiliar únicamente calienta el agua demandada, desde la temperatura de salida del acumulador hasta la temperatura de consumo requerida.
Se necesitan calentadores de elevada potencia y rápidos, ya que tienen que calentar el total de la demanda, siendo los de gas los más utilizados.
El funcionamiento óptimo se obtiene con las calderas llamadas modulantes, que regulan el consumo de gas en función de la temperatura alcanzada en el acumulador solar y de la temperatura de utilización.
En este caso, la operación de la instalación se puede seguir en la figura 3.7. Habitualmente la válvula V1 de entrada de agua de red al acumulador solar está abierta y la V2 cerrada. Únicamente por mantenimiento del sistema solar se recurriría al uso directo de la caldera convencional (cierre de V1 y apertura de V2).
En el acumulador el agua se calienta gracias al calor proveniente de los captadores a través del circuito primario.
Cuando se requiere agua caliente, si la temperatura a la salida del acumulador es suficiente, el calentador auxiliar no actúa, manteniéndose abierta la válvula V4 y cerradas las V3 y V5.
Por el contrario, si es necesario proporcionar un último salto térmico al agua antes de su uso, se cierra la válvula V4 y se abren V3 y V5, circulando el agua a través del calentador, regulado en función de las necesidades.
Figura 3.7: Sistema de energía auxiliar en línea. Fuente: Isofotón
Si la caldera auxiliar no es modulante, esto es, si no permite la regulación por temperatura, sino por caudal, entonces el aprovechamiento del calentamiento solar es menor y la regulación de la temperatura final menos eficiente.
Afortunadamente, el crecimiento reciente del mercado solar térmico ha supuesto el desarrollo de nuevos equipos con características de regulación por temperatura de salida, óptimas para el uso en estos sistemas.
5.4.2. Sistema auxiliar en acumulador secundario
Otra configuración posible, para sistemas de tamaño medio, consiste en la inclusión de dos acumuladores. El primero de ellos es el acumulador solar (con intercambiador interno o externo en función de su tamaño). En serie con el acumulador solar se dispone otro acumulador, conectado a un sistema de generación auxiliar convencional.
Este sistema permite un buen ajuste de la temperatura del agua de consumo, así como disponer de todo el volumen de agua almacenada. V2 ACUMULADOR SOLAR AGUA FRÍA V1 V5 V3 V4
Por el contrario, se incrementa el coste del sistema y la ocupación de espacio. Asimismo, el calor del acumulador solar sólo se transfiere cuando hay consumo de agua caliente, por lo que no permite cubrir con el calor solar las pérdidas térmicas en el acumulador convencional y en las tuberías, aún en condiciones de elevada insolación.
La operación del sistema solar no es óptima por esta reducción del rendimiento.
5.4.3. Sistema auxiliar en acumulador solar
Una configuración relativamente común hasta ahora en instalaciones pequeñas, de hasta 10m2, para el suministro de agua caliente a una o dos viviendas es el uso de un único acumulador solar denominado bivalente. En la parte baja del acumulador se realiza el intercambio entre el circuito primario y secundario. Al tiempo, en la parte alta se almacena el agua puesta a disposición para el consumo, con una temperatura ajustable a los requisitos de utilización, mediante una caldera convencional acoplada a él.
El aporte de energía desde la caldera convencional se realiza en la parte alta del acumulador y con una limitación de temperatura (45-50ºC) para evitar calentar en exceso el agua de la zona inferior, que es la que circula por los captadores. Un calentamiento del agua de esta zona baja supone desaprovechar el potencial del sistema solar frente a un mayor gasto en combustible.
Asimismo es posible controlar el horario de encendido y apagado del generador auxiliar, de forma que quede apagado después del pico de consumo que se produce a primera hora de la mañana, de forma que el aprovechamiento de la instalación solar sea mayor.
Sin embargo, a pesar de su importante presencia en el mercado, el nuevo Código Técnico de la Edificación prohíbe la conexión del sistema de generación auxiliar a un acumulador solar, para evitar la reducción del aprovechamiento solar. Sí es una opción muy extendida
Figura 3.8: Esquema de
sistema auxiliar integrado en acumulador solar, con intercambiados primario interno (acumulador bivalente). Fuente: Elaboración propia y Lumelco
en países como Alemania, sin embargo justificada por las peores condiciones climáticas allí presentes.
5.5. Clasificación según el grado de descentralización en edificios residenciales multifamiliares
Al igual que ocurre con los sistemas de calefacción convencionales, las instalaciones solares térmicas en edificios multivivienda presentan diferentes configuraciones posibles atendiendo al grado de descentralización.
El sistema de captación suele estar centralizado, común para todas las viviendas. De esta forma se reduce el número de conducciones necesarias, se aprovecha mejor el espacio en cubierta que normalmente no es excesivo y se optimiza la operación del propio sistema de captación. Desde un punto de vista económico también resulta más beneficioso disponer un sistema de captación común para todo el edificio.
Sin embargo, tanto en los sistemas de acumulación e intercambio como en el de generación auxiliar se encuentran diferentes opciones, que a continuación se resumen. No dependen exclusivamente de criterios propios de la instalación solar, sino que deben tener en cuenta los sistemas de apoyo existentes ya en el edificio, o los más habituales en el mercado en el caso de obra nueva.
Asimismo, en el diseño de toda instalación de este tipo debe contarse siempre con las dimensiones y la distribución del edificio. 5.5.1. Acumulación centralizada y sistema auxiliar centralizado
En esta configuración, el agua destinada al consumo se calienta en uno o varios acumuladores centrales. La transferencia de calor desde el circuito de captadores se realiza mediante intercambiadores internos o externos a los depósitos.
El generador de apoyo también está centralizado, con varias configuraciones posibles: generador auxiliar actuando sobre el mismo acumulador solar (no permitido por el CTE); generador auxiliar actuando sobre un acumulador central secundario o generador auxiliar en línea (figura 3.9) o en paralelo. En la práctica se recomienda el uso de sistemas de generación auxiliar centralizada cuando en el edificio ya existe o está proyectada una caldera central convencional y el espacio suficiente para su ubicación.
La principal ventaja de estos sistemas reside en una mayor eficiencia de acumulación. Un sistema de acumulación centralizado presenta menores pérdidas que muchos pequeños depósitos. Al tiempo, los costes de inversión son inferiores y no se necesita disponer de un espacio en cada vivienda para situar el depósito, lo cual es importante conociendo el tamaño medio de la vivienda en España.
.
Figura 3.9: Esquema acumulación centralizada, aporte auxiliar centralizado.
Fuente: IDAE
En cuanto al aporte auxiliar centralizado, tal y como se explicó para sistemas individuales, este no debe afectar al rendimiento del sistema solar. Resulta aconsejable disponer de un acumulador secundario, independiente del acumulador solar, para evitar que la aportación con combustible convencional afecte a la temperatura de la zona baja del depósito, lo que reduciría la eficiencia del sistema de captadores.
Por este motivo, además de no estar permitido por CTE, no resulta recomendable la instalación de un acumulador bivalente (acumulación solar más aportación auxiliar en un mismo depósito) en este tipo de configuraciones porque falsearía a la baja el rendimiento de la captación solar.
El principal inconveniente de un sistema auxiliar centralizado actuando sobre el acumulador es que no responde directamente a la demanda. Esto es, su encendido y apagado está regulado por temperatura, pero opera sobre un volumen elevado que puede ser demandado en un instante u otro. Si la demanda se retarda, se
incrementan las pérdidas de calor y parte del gasto de combustible hubiera sido en vano.
Esto se soluciona con un generador auxiliar central en línea, que caliente el agua demandada en cualquier punto de la instalación.
En todos los casos, cabe destacar que el sistema de distribución debe transportar el agua a su temperatura final de uso. Se requiere, entonces, un muy buen aislamiento, ya que el consumo de combustible ya se ha realizado.
Si no es así, debe aportarse un sobrecalentamiento al acumulador, lo cual como es lógico resulta negativo desde el punto de vista de la eficiencia energética.
5.5.2. Acumulación centralizada y sistema auxiliar distribuido
Este tipo de configuración es la más habitual en las instalaciones solares térmicas en edificios multivivienda.
El sistema de captación común transfiere su calor al acumulador solar central a través del intercambiador interno, en sistemas de tamaño pequeño o medio, o externo en los de tamaño superior.
Figura 3.10: Esquema acumulación centralizada, aporte auxiliar distribuido.
Fuente: Termicol
Al acumulador solar se conecta un circuito de distribución principal con recirculación, para mantener una temperatura adecuada. Desde
este circuito de consumo principal, común para todo el edificio o parte de él, se derivan las conducciones a cada vivienda individual. Si el volumen de acumulación es muy elevado, se instalarán dos depósitos en serie con recirculación entre ellos para mejorar el rendimiento de intercambio térmico a la vez que se favorece la estratificación. En cada conducción individual, y ya dentro de la vivienda particular, se dispone en serie un caldera auxiliar, normalmente de gas o eléctrica.
Las calderas individuales se disponen en línea, de forma que únicamente deben calentar, de forma instantánea, el consumo demandado desde la temperatura de salida del acumulador hasta la temperatura final de consumo. En el sistema de distribución se podrán producir algunas pérdidas en función del tipo de aislamiento y de la distancia de la vivienda al acumulador.
Las principales ventajas de esta configuración residen, por una parte, en la liberación de espacio en la vivienda para a la acumulación, además de una mayor eficiencia.
Asimismo, el disponer de calderas auxiliares individuales implica una mejor adaptación del consumo de combustible convencional a la demanda. Al mismo tiempo, las pérdidas energéticas globales se reducen, ya que en este caso el agua circula por los circuitos de distribución antes de ser calentada por última vez, en caso de ser necesario.
Las calderas auxiliares, sin embargo, deben ser modulantes, esto es con regulación automática en función de la temperatura, para lograr el máximo aprovechamiento de la generación solar.
Un sistema de acumulación solar común implica que este calor gratuito se “comparte” ente todos los vecinos, y los excesos de consumo de unos revierten en el gasto de combustible de otros, ya que la temperatura del agua en el acumulador se reduce con la demanda en cualquier punto del edificio.
Para controlar cuánto calor solar utiliza cada vivienda y poder compensar esas divergencias, deben incluirse contadores individuales de agua caliente solar en cada vivienda, además del contador habitual de gas en el caso de calderas que utilicen este combustible. 5.5.3. Acumulación distribuida y sistema auxiliar distribuido
A partir de un sistema de captación común, también se pueden disponer acumuladores y generadores auxiliares distribuidos, uno por vivienda.
Esta solución se materializa cuando no existe espacio disponible para un acumulador central o cuando por su ubicación, no se dan las condiciones constructivas para soportar el peso de aquel.
Como elemento a favor también está la valoración que los propios usuarios puedan hacer de disponer del acumulador y caldera en su propia vivienda, en la que ya no será necesario incluir un contador individual de caudal de agua caliente solar.
Sin embargo, este tipo de configuraciones presentan varios inconvenientes. Por una parte las enormes pérdidas de carga que se producirían y por otra parte el diseño del sistema de distribución presenta una mayor complejidad.
En una primera opción (figura 3.11), el circuito de captadores se prolonga y distribuye a los diferentes acumuladores individuales, que disponen de un intercambiador en su interior. A cada uno de estos depósitos se transfiere diferente cantidad de calor en función de la temperatura del agua sanitaria, es decir, de la demanda de agua.
Así, pues, el control de la instalación se presenta bastante más complejo en este caso que en sistemas con acumulación centralizada. Al ser el circuito solar primario común, con derivaciones, el control de temperaturas a realizar para controlar la circulación del fluido por los captadores es complejo. Se puede comprender la dificultad de operar
Figura 3.11: Esquema acumulación distribuida, aporte auxiliar distribuido.
una instalación donde las temperaturas de salida de los acumuladores (foco frío) difiere en cada vivienda.
Junto a esto, cabe destacar que la eficiencia de los pequeños acumuladores solares individuales será inferior al de uno central.
Otra opción, también con acumulación distribuida, es disponer un intercambiador central (figura 3.12), de forma que el circuito primario sea más reducido. Existe un circuito secundario intermedio, ya con agua, aunque no de consumo, entre este intercambiador y los acumuladores de cada vivienda, donde se cede al calor a las líneas de consumo.
Figura 3.12: Esquema intercambiador central, con acumulación distribuida y aporte auxiliar distribuido. Fuente: Termicol
El problema de estos sistemas es que si no hay demanda en el circuito de consumo y todos los depósitos han alcanzado la temperatura de consigna, no se produce intercambio lo que puede llevar a graves problemas de sobrecalentamiento y que los colectores alcancen la temperatura de estancamiento, situación fatal para éstos. La solución sería instalar un disipador de calor en el circuito primario acarreando un gasto energético importante que únicamente es justificable por la imposibilidad de disponer de un depósito de acumulación de inercia por problemas de espacio. Se podría recurrir a otras soluciones como infradimensionar la superficie de captación pero iría en contra del espíritu de la energía solar térmica.
5.5.4. Acumulación solar mixta (central + distribuida) con sistema auxiliar descentralizado
Una solución intermedia entre las dos anteriores se configura con un acumulador solar central, del que parte una línea de distribución a las viviendas. En cada una de ellas se dispone un acumulador secundario para suministrar el agua demandada con un determinado nivel de reserva. De este acumulador parte la línea de consumo sobre la que actúa el aporte auxiliar, en caso de ser necesario, hasta alcanzar la temperatura de utilización.
Figura 3.13: Esquema acumulación solar mixta. Fuente: Termicol
Se puede observar que el circuito secundario es cerrado por lo que el depósito no necesitará tratamiento antilegionella al no existir la posibilidad de presencia de oxígeno.
VI. CAPTADOR SOLAR TÉRMICO
El captador solar es el componente fundamental de toda instalación. Es el elemento donde se produce la aportación de energía externa que permite la operación del sistema.
Al incidir la radiación solar sobre la superficie del captador, este se calienta. El calor absorbido se trasfiere a un fluido portador que circula por su interior. Este fluido sale del captador en el llamado circuito primario, para ceder posteriormente el calor al agua de consumo o calefacción, en función de la demanda requerida.
Como se explica a continuación, un buen captador debe optimizar la obtención de calor por incidencia de radiación solar. Al mismo tiempo, debe ser lo más eficaz posible en la transferencia de calor al fluido.
Además de la optimización energética, el captador debe garantizar una operación prolongada, sin degradación excesiva. Debe tenerse en cuenta que trabaja a la intemperie, en condiciones de temperatura muy variable, entre el exterior y su interior, y todos los días del año.
Asimismo, debe cuidarse la integración de los captadores solares en los edificios, tanto desde un punto de vista constructivo como estético. Si bien en los inicios no existía prácticamente integración entre equipos y cubierta del edificio, cada vez es mayor el número de desarrollos que incorporan la instalación térmica en el proyecto arquitectónico. Los propios diseños de captadores también se están adaptando a las nuevas necesidades.
Es de esperar que la implantación del Código Técnico de la Edificación incida positivamente en la mejora del nivel de integración arquitectónica de la tecnología solar térmica en la edificación.
Existen varias tecnologías de captadores solares en el mercado. La más extendida en España es, sin duda, la de captadores solares planos, que se adapta mejor a las condiciones climáticas de nuestro país y a las aplicaciones más habituales de suministro de ACS, a precios razonables.
El denominado captador de tubos de vacío se vende a un coste superior, con equipos de menor tamaño que si bien permiten obtener temperaturas superiores, no son por el momento los más adecuados para el mercado español.
El tercer tipo son los captadores abiertos plásticos, normalmente polipropileno, sin cubierta transparente. Sus condiciones operativas son peores que los anteriores, especialmente por sus elevadas pérdidas de calor, sin embargo, su bajo coste hace que tengan un mercado en la climatización de piscinas al aire libre, donde no está permitido el uso de fuentes no renovables y donde tampoco se justifica un gasto excesivo en la instalación.
Figura 3.12: Captador solar plano (izq.), captador de tubos de vacío (centro) y de polipropileno (dcha.). Fuente: Junkers, Viessmann y Saclima
En la actualidad la presencia de captadores solares planos es mayoritaria, sobre un 90% del mercado, en m2 instalados. Por este
motivo, se realiza primero una descripción de la constitución interna del captador solar plano para después destacar las diferencias existentes en el captador de tubos de vacío y en el captador plástico. 6.1. Constitución y funcionamiento del captador solar plano
Un captador solar plano estándar dispone de los siguientes componentes básicos:
Cubierta transparente. Absorbedor.
Aislamiento térmico y juntas.
Bastidor, caja contenedora o carcasa.
Figura 3.13: Esquema de constitución básica de captador solar plano.
Fuente: elaboración propia.
Cubierta transparente Absorbedor
Aislamiento Bastidor
Antes de entrar en la descripción detallada de las características y operación de cada uno de los elementos que componen un captador solar, se describe de forma breve sus mecanismos de funcionamiento básicos.
Como se ha mencionado, en un captador solar térmico se producen los tres tipos de transmisión de calor descritos en el apartado 3: convección, conducción y radiación.
La radiación emitida por el Sol alcanza el captador. En el llamado absorbedor, se convierte en calor y se transmite por conducción hasta los tubos por los que circula el fluido de trabajo. Desde la superficie interna de los tubos se transfiere por convección al fluido, que finalmente extrae el calor por convección (natural o forzada). Asimismo, el propio absorbedor, caliente, emite por radiación una cierta cantidad de energía de pérdidas, que se suman al desplazamiento por convección del aire circundante.
Estas pérdidas se reducen en parte por la presencia de la cubierta transparente, que impide la salida de gran parte de esta radiación.
Puede decirse que el diseño de los captadores se ha desarrollado con los años tratando siempre de optimizar estos procesos dentro de un nivel de costes asumible.
6.1.1. Absorbedor
El absorbedor es el elemento donde se produce la conversión de la energía de la radiación solar en calor. Este calor se transfiere al fluido portador, que circula por los conductos que forman parte del propio absorbedor.
Un absorbedor está formado por láminas o chapas sobre las que incide la radiación y que transmiten el calor a los tubos. Los tubos que reciben el calor y lo transmiten al fluido son finos, con diámetros inferiores al centímetro. En función de la configuración, estos tubos vierten a los tubos de distribución de mayor grosor, sobre los 20mm, y número reducido, que comunican con la salida del captador.
Si bien en modelos antiguos se ha utilizado el acero como material de fabricación, se han detectado importantes problemas de corrosión. Asimismo, su conductividad térmica no es muy elevada, por lo que su presencia actual es escasa.
El uso de acero inoxidable sí ha tenido una mayor aplicación, principalmente en la formación de los tubos conductores. Si el fluido
portador es agresivo, como puede ser el agua de las piscinas, este tipo de material es recomendable.
Sin embargo, no es habitual utilizar acero inoxidable para conformar las láminas de absorbedor. Para reducir el peso del equipo y para mejorar la transmisión de calor, en la actualidad es más común la fabricación de las láminas en aluminio o cobre, con tubos también en cobre.
Los valores de conductividad térmica de estos tres materiales se reflejan en la tabla 3.3:
Material Conductividad térmica (W·m-1·K-1)
Cobre 372-385
Aluminio 210
Acero 47-58
Tabla 3.3: Coeficientes de conductividad térmica de los materiales más utilizados en el absorbedor de los captadores planos. Fuente: AJ Chapman.
Además del material, el propio diseño del absorbedor define su eficiencia en la transferencia energética al fluido. En la actualidad las configuraciones más habituales son las siguientes:
Dos chapas conformadas para permitir el paso del fluido y soldadas entre sí (figura 3.13).
Parrilla de tubos unidos a una chapa continua o a un conjunto de aletas.
Chapa unida a un serpentín.
Las láminas son de poco grosor (0,3-0,5mm, aprox., según Preuser), para reducir la inercia térmica, esto es, los tiempos de calentamiento y cesión de calor.
El calor del absorbedor debe transferirse de la forma más eficiente (y rápida) posible al fluido portador. Para ello, la distancia entre tubos no debe ser excesivamente grande. Una separación grande ralentiza la respuesta del equipo bajo insolación e incrementa las pérdidas. Valores típicos se encuentran entre 80-120mm (Fuente: catálogos comerciales).
Los tubos deben estar repartidos de forma uniforme por toda la superficie del captador, para evitar zonas sin aprovechamiento.
Deben ser tubos finos, de poco caudal, lo que permite un calentamiento mucho más rápido que si el volumen a calentar fuera mayor.
Al mismo tiempo deben estar diseñados para introducir la menor pérdida de carga posible en el circuito primario, ya que pérdidas elevadas implican un mayor coste del sistema de bombeo.
Pero el absorbedor no sólo está formado por las láminas y los tubos conductores. El material metálico de las láminas del absorbedor, por sí solo, reflejaría una cantidad importante de radiación, con la consiguiente reducción de eficiencia.
Para aumentar el aprovechamiento energético, todos los equipos llevan en su cara expuesta al Sol un recubrimiento que incremente la absorción de energía.
Una posible opción consiste en pintar de negro toda la superficie del absorbedor. Son pinturas especiales que resisten bien las condiciones externas a las que se ven sometidos los captadores.
Las pinturas, además de su bajo coste, ofrecen un índice de absorción o absortancia elevada ( ≈ 0,9), sin embargo, también tienen un índice de emisión, emisividad, o emitancia elevada (≈ 0,9).
Una alternativa más costosa es la aplicación de los llamados tratamientos superficiales selectivos, que si bien reducen un poco la absorción de energía (sobre 0,9 de absortancia) reducen de forma significativa la emisión infrarroja (0,05-0,15 de emitancia).
Figura 3.14: Esquema de absorción-emisión de absorbedores con recubrimiento.
Fuente: elaboración propia.
En la actualidad se encuentran en el mercado equipos con tratamiento superficiales tanto selectivos como con pintura negra.
Ante niveles de radiación medios y bajos es cuando más beneficio se obtiene de los captadores selectivos frente a los comunes.
Pintura negra Absorbedor Absorción 0,9 Emisión 0,85-0,95 Capa selectiva Absorbedor Absorción 0,95 Emisión 0,05-0,15
Muchos fabricantes desarrollan tratamientos selectivos para sus equipos, incluidos como un valor añadido en las hojas técnicas del mercado.z
En la siguiente tabla se presentan los principales valores de algunos de estos tratamientos, incluida la pintura negra.
Producto Absortancia Emitancia Recubrimiento Absorbedor Sunstrip 0,95±0,02 0,15±0,02 Niquel sobre Aluminio oxidado Aluminio
Sunstrip new 0,95 0,1 Níquel Aluminio
Cromo negro 0,95±0,02 0,12±0,02 Cromo negro sobre níquel Cobre
Tinox 0,95 0,05 TiNOX Cobre
Absorbedor
Solar 0,94±0,02 0,18±0,04 Cromo negro sobre níquel Acero inoxidable
Sun Select 0,94 0,05 Mezcla de materiales Cobre
Black Cristal ≥0,95 ≤0,1 Níquel Cobre
Maxorb 0,97±0,02 0,11±0,01 Níquel negro Aluminio
Diversos 0,9±0,02 0,9±0,05 Pintura negra especial Aluminio/Cobre Tabla 3.4: Valores característicos de recubrimientos de absorbedores del mercado
actual. Fuente: FA Peuser y catálogos comerciales
6.1.2. Cubierta transparente
La cubierta transparente de un captador solar cumple varias funciones importantes:
Proteger al absorbedor y al aislante térmico de los agentes externos.
Contribuir al aislamiento térmico del equipo.
Permitir el paso de la radiación solar incidente, de onda corta, y, a su vez, impedir la salida de la radiación de longitudes de onda largas emitidas por el absorbedor.
Para poder cumplir con estas funciones en el tiempo, la cubierta debe tener una vida útil prolongada, sin pérdida de sus condiciones
ópticas y con una buena resistencia ante los agentes externos (lluvia, granizo, viento, radiación ultravioleta, etc.)
Para comprender la función esencial de la cubierta transparente en un captador solar térmico resulta necesario describir la distribución espectral de la radiación solar y el comportamiento del absorbedor ante su incremento de temperatura.
Se observa en la figura 3.15 que la radiación solar incidente presenta un espectro de longitudes de onda amplio, desde el ultravioleta, el visible, hasta el infrarrojo cercano (0,5-3m), donde se concentra la mayor cantidad de energía recibida. En el infrarrojo lejano (por encima de los 3m) es casi nula la aportación energética de la radiación incidente.
Por el contrario, la radiación emitida por el absorbedor negro una vez calentado entre 40-100ºC, es básicamente radiación infrarroja entre los 4-70m. Esta diferencia resulta aprovechable con un diseño adecuado de la cubierta transparente, que sea muy transparente a longitudes de onda bajas y casi opaca a longitudes de onda elevadas.
La capacidad de transmisión de la radiación de un material se denomina transmitancia, , siendo 1 para un objeto completamente transparente y 0 para uno opaco.
Figura 3.15: Espectro de radiación solar incidente sobre la tierra, porcentaje de irradiancia por debajo de cada longitud de onda y transmitancia de la cubierta
transparente. Fuente: Instituto de Energía Solar Espectro
solar
Transmitancia cubierta % energía
En la figura 3.15 también se muestra la curva de transmitancia de una cubierta para cumplir las condiciones expuestas, de transparencia alta ante la radiación entrante (0,5-2,5m) y opacidad ante la radiación infrarroja de onda larga emitida.
Así pues, la superficie interna de la cubierta refleja la mayor cantidad de radiación posible que llega desde el absorbedor, produciéndose un efecto rebote. Este fenómeno que se produce dentro del captador solar no es más que el efecto invernadero, que en este caso produce un aumento de la eficiencia del equipo.
Figura 3.16: Efecto invernadero en un captador solar con cubierta transparente.
Fuente: elaboración propia.
En los primeros captadores térmicos con cubierta se utilizaban plásticos, vidrios de ventana, en ocasiones en doble capa y metacrilato. La doble cubierta pretendía reducir las pérdidas térmicas del equipo si bien también disminuía la transmitancia, es decir, la entrada de radiación solar.
En la actualidad se emplean vidrios templados o recocidos, con un espesor entre 3-6mm y tratamiento superficiales que permitan cumplir la doble función, reducir la reflexión en la cara exterior ante radiación solar y aumentarla en el interior ante la radiación infrarroja de onda larga.
6.1.3. Aislante térmico y juntas
Para reducir las pérdidas térmicas por conducción en el captador solar se dispone un aislante térmico en la parte posterior y laterales del equipo. Lógicamente, se emplean materiales de baja conductividad térmica que, además, deben tener un buen comportamiento ante temperaturas elevadas (hasta 100ºC). También
Radiación solar incidente
Cubierta transparente
Absorbedor
deben tener un peso específico reducido ya que los captadores irán normalmente situados sobre cubierta en las edificaciones. Asimismo, deben ser resistentes a la humedad y al fuego, sin emisión de gases tóxicos.
Los materiales más utilizados son lana de vidrio, fibra de vidrio y lana mineral, además de resinas de melanina para el aislante lateral. También se utilizan espumas de poliuretano, si bien por su baja resistencia térmica, se recomienda disponer una capa de otro aislante entre la espuma y el absorbedor, para evitar su deterioro.
Tan importantes como el aislamiento son las juntas que se sitúan en las uniones del bastidor, en la cubierta transparente y en las conexiones de las tuberías. Además de evitar la fuga de calor, deben impedir la entrada de agua durante la vida útil del equipo.
Estas juntas están sometidas a temperaturas elevadas, sobre todo las situadas en las tuberías de salida del captador. En estancamiento se pueden alcanzar hasta 180ºC. Asimismo, debido a la dilatación térmica, las juntas soportan cargas mecánicas importantes.
Entre los materiales empleados en su fabricación destaca el etilen-propilen-dien-monómero (EPDM), que se encuentra en un gran número de equipos del mercado actual.
6.1.4. Bastidor
En los captadores planos, el absorbedor y el aislante están envueltos por una caja contenedora, carcasa o bastidor. Proporciona protección frente a la humedad y los daños mecánicos.
El material más utilizado en la actualidad para la fabricación de los bastidores es el aluminio o aleaciones de Aluminio, por sus buenas condiciones ante la corrosión y por su ligereza. También se usa fibra de vidrio con chapa de acero inoxidable.
En aplicaciones de integración completa en cubiertas de edificios el bastidor puede formarse con otros materiales y formas siempre que cumpla su función.
6.2. Constitución básica del captador de tubos de vacío
Junto a los captadores planos, la otra gran tecnología presente en el mercado solar térmico actual la constituyen los captadores de tubos de vacío, si bien con una cuota de mercado bastante inferior, como se indicó anteriormente.
El objetivo de diseño de estos equipos, de introducción en el mercado mucho más reciente, es la reducción de las pérdidas térmicas por conducción y convección entre el absorbedor y la cubierta de vidrio.
Para ello, se realiza el vacío en el espacio entre ambos tubos, siendo las pérdidas térmicas dependientes del grado de vacío aplicado.
Existen diseños que introducen gas de xenón para obtener pérdidas reducidas con un grado de vacío inferior. De esta forma se reducen los costes de fabricación, que es por el momento la principal desventaja de esta tecnología frente al captador plano.
Figura 3.17: Tubo de vacío de captador solar, con doble tubo de vidrio (tipo Sydney). Fuente: Schott
Los captadores de tubos de vacío alcanzan temperaturas bastante superiores a los captadores planos; tienen un mejor rendimiento, siempre que ese mayor gradiente térmico sea aprovechable. En estos casos se reduce de forma apreciable la superficie/número de captadores para la misma demanda energética.
Así, encajan bien en aplicaciones que requieren condiciones térmicas elevadas, como determinados usos industriales, climatización solar, etc. Son preferibles también para las aplicaciones más comunes de suministro de ACS en lugares con temperatura ambiente fría. Se puede deducir, por tanto, que también lo son para aplicaciones de apoyo a la calefacción, necesaria cuando la temperatura ambiente es baja.
Sin embargo, las elevadas temperaturas condicionan el propio diseño de los equipos, con materiales adecuados para soportarlas sin degradación. También los aislantes y juntas del circuito hidráulico
primario a la salida del captador deben ser aptas para resistir temperaturas de hasta 160ºC.
El propio fluido de trabajo debe estar aprobado explícitamente para poder ser utilizado en este tipo de captadores.
Existen diversos tipos de captadores solares de tubo de vacío. Se resumen a continuación destacando únicamente los elementos que los diferencian.
6.2.1. Tubos de vacío de flujo directo
En estos captadores, el absorbedor se dispone en forma de aletas planas dentro del propio tubo de vacío, con el tubo de circulación del fluido asociado a él.
Para optimizar la recepción de radiación solar el absorbente se puede girar un cierto ángulo (±25º, por ejemplo), siguiendo al Sol. Son captadores que se pueden colocar en horizontal, lo que los hace aprovechables para su integración arquitectónica en cubiertas horizontales.
6.2.2. Tipo heatpipe (tubo de calor)
En estos captadores, el absorbedor está unido a un tubo de calor que contiene una pequeña cantidad de agua u otro fluido. Este fluido se evapora en un vacío parcial al recibir el calor captado por el absorbedor. El vapor asciende hasta un condensador situado en el extremo del equipo, donde cede su calor al fluido del circuito primario. A continuación, el fluido del captador retorna al interior del tubo, de nuevo en forma líquida.
La ascensión del vapor hasta el condensador requiere una inclinación mínima, entre 20-30º.
6.2.3. Captadores tipo Sydney
El diseño de captadores de tipo Sydney presenta un doble tubo de vidrio. Entre ambos cilindros de vidrio se realiza el vacío (ver figura 3.18), para reducir las pérdidas, como en diseños anteriores.
En este caso, el absorbedor es también cilíndrico, encontrándose pegado a la cara interna del tubo interior del captador. Aún más al interior circula el fluido de trabajo en un doble circuito de ida y vuelta.
Para que la superficie trasera (inferior) del absorbedor cilíndrico reciba radiación, deben disponerse unos reflectores en la parte trasera del absorbedor que permita aprovechar toda su superficie.
Cabe destacar dos tipos de reflectores que conducen a dos modelos de captadores de tubos de vacío diferentes.
Por una parte, los captadores CPC disponen de unos reflectores cilíndrico-parabólicos compuestos acoplados a los tubos de vacío, por el exterior. El principal problema puede venir de la acumulación de suciedad, de la oxidación y pérdida de cualidades reflectoras.
Por otra parte, existe un diseño comercial, que incluye un reflector semicircular en el interior del tubo de vacío, lo que conlleva un equipo más compacto y asegura una menor degradación y suciedad del reflector.
Figura 3.18: Esquema de sección de un tubo de vacío Sydney con reflectores semicirculares. Fuente: Schott y elaboración propia.
Como se muestra en la figura 3.18, tanto la doble cubierta transparente como el absorbedor son cilíndricos. Carecen del aislante descrito en los captadores planos. Por dentro del absorbedor cilíndrico se disponen las conducciones del fluido de trabajo, en doble recorrido de ida, por el interior, y vuelta, por el exterior, para obtener un rendimiento óptimo.
La radiación que no ha incidido directamente se refleja en el reflector y alcanza la parte posterior del absorbedor.
Vidrio exterior Absorbedor Fluido menor temperatura (ida) Fluido mayor temperatura (retorno) Reflectores Vidrio interior
6.3. Parámetros característicos y especificaciones técnicas del captador
El objetivo de todo captador solar es convertir la radiación solar incidente en calor y transferir este calor al fluido, todo ello con el mayor rendimiento posible en condiciones seguras.
Una vez estudiada la constitución interna de los captadores se exponen a continuación los principales parámetros característicos, en relación con la información técnica que suministran los fabricantes.
Esta información permite comparar la calidad de diferentes equipos, sus condiciones para una determinada aplicación y los valores que serán de utilidad en el diseño de un sistema.
Como paso previo, se analiza el balance de energía en un captador solar.
6.3.1. Balance de energía en el captador solar térmico
Al incidir la radiación solar sobre un objeto, se produce un incremento de la temperatura de este, hasta que se alcanza un equilibrio entre la energía incidente y las pérdidas por conducción, convección y radiación, asociadas a dicha temperatura.
Si se aprovecha parte de esta energía para el calentamiento del fluido de trabajo, es decir, se extrae parte del calor, se alcanza un nuevo punto de equilibrio, un régimen estacionario en el que se cumple la siguiente relación:
Eútil = Eincidente - Epérdidas
Por la complejidad de los procesos de transmisión de calor mencionados al inicio del tema, resulta conveniente definir una serie de parámetros de comportamiento global que agrupen los tres mecanismos de pérdidas.
Se define el coeficiente global de pérdidas del captador, UL,
expresado en W/m2 oC, a partir del cual se obtiene la potencia
calorífica perdida, qperdidas, o energía por unidad de tiempo, como:
qperdidas = A.UL.(Tm-Tamb)
Donde A es la superficie del captador (área de apertura), Tm es la
temperatura ambiente. El significado de área total, área de apertura y área de absorbedor se indican más adelante.
Se observa en la expresión anterior la disminución de las pérdidas de calor en el captador con el aumento de la temperatura ambiente.
La potencia incidente sobre la cubierta exterior del captador es la propia irradiancia solar, G, ya tratada en el tema relativo a la radiación solar. La irradiancia solar G se expresa en W/m2.
Debe aclararse que en el coeficiente UL no están incluidas las
pérdidas por reflexión en la cubierta transparente ni en el propio absorbedor, sino sólo las pérdidas dependientes de la temperatura. La diferencia entre la radiación que alcanza la cubierta y la que finalmente es absorbida se aborda con sus propios parámetros.
Así, la transmitancia de la cubierta indica la proporción de energía que la atraviesa, esto es, que no se ha reflejado en ella. Mientras, la absortancia del absorbedor, como ya se definió en su momento, indica la proporción de energía absorbida, no reflejada en él.
Así pues, la energía que realmente es absorbida por el captador de superficie de apertura A, por unidad de tiempo, o potencia calorífica absorbida, qabsorbida, es:
qabsorbida = A.G..
La potencia calorífica útil de un captador solar se obtiene por diferencia entre la absorbida y las pérdidas medias:
qútil = qabsorbida - qperdidas
qútil = A.[G.. - UL.(Tm-Tamb)]
La temperatura media del captador, Tm, se estima habitualmente
como la media entre las temperaturas de entrada, Te, y de salida, Ts,
del fluido de trabajo.
Una alternativa al uso de la temperatura media como referencia es considerar que todo el captador se encuentra a la temperatura de entrada Te, valor fácilmente medible situando un termómetro a la
entrada del captador.
Para corregir los efectos de esta simplificación se define el llamado
factor de evacuación de calor, FR, que es el cociente entre el calor
todo el captador a la temperatura de entrada, más baja y, por tanto, el máximo posible.
En este caso, la potencia calorífica útil que llega al fluido se puede expresar como:
qútil = A.FR.[G.. - UL.(Te-Tamb)]
6.3.2. Rendimiento del captador solar térmico
El comportamiento de un captador solar térmico se evalúa normalmente mediante sus curvas de rendimiento.
El rendimiento de un captador solar térmico, , es la relación entre la potencia útil transferida al fluido de trabajo por unidad de superficie de captador y la irradiancia solar incidente.
Del análisis del balance energético del apartado anterior, se obtienen dos expresiones, en función de la temperatura de referencia considerada. La primera de ellas utiliza la temperatura media del fluido, Tm: G T T U G A q m amb L útil . . . .
Mientras que en la segunda ecuación se considera la temperatura de entrada al captador, Te: . ) ( . . . . . G T T U F F G A q e amb L R R útil
Existe bastante confusión sobre las diferentes formas de expresar el rendimiento en la actualidad. Tiene su importancia, ya que no es posible la comparación directa entre captadores cuyo rendimiento se haya obtenido y se exprese bajo diferentes condiciones.
Así, con diversos precedentes normativos desde los años 70 y 80, en 1994 se estableció la norma ISO 9806-1. A partir de 2002 entró en vigor la norma EN-12975, actualmente vigente. En España, además, la homologación de paneles se ha realizado hasta ahora según otra norma diferente, la norma del INTA 610001.
Según la norma EN-12975, para la evaluación del rendimiento de un captador solar térmico se aconseja utilizar la temperatura media del fluido del captador, esto es, con una diferencia de temperatura
T=Tm-Tamb, si bien también se acepta el uso de la temperatura de
entrada y así se referencia en el Código Técnico de la Edificación. En el cálculo del rendimiento de un captador también influye el área considerada, ya sea el área total, el área de apertura o el área de absorbedor. En la norma EN-12975 se indica la utilización del área de apertura o del área del absorbedor para este ensayo, no el área total, que incluye el bastidor.
En todo caso, debe indicarse siempre qué área y que temperaturas se han utilizado para la realización de los ensayos.
Junto a las propias condiciones de los ensayos, las curvas resultantes pueden ajustarse de forma matemática por aproximaciones lineales o cuadráticas al modelo físico real, como establece la norma EN-12975.
Así pues, en su aproximación cuadrática la curva característica del rendimiento de un captador se describe como:
G T T a G T T a m amb m amb 2 2 1 0 . .
Donde 0 es el denominado rendimiento óptico del captador, o
rendimiento cuando la diferencia de temperatura media del fluido y el ambiente es nula.
El coeficiente a1 es el coeficiente lineal de pérdidas térmicas,
expresado en W/m2 .oC y a
2 el coeficiente cuadrático de pérdidas
térmicas, en W/m2.oC2.
A modo de ejemplo, se ofrecen los valores de los parámetros para un captador solar del mercado.
Parámetro Curva de rendimiento EN 12975
0 0,773
a1 3,243W/m2 ºC
a2 0,014 W/m2 ºC2
Tabla 3.5: Valores de ajuste del rendimiento en captador solar plano Isotherm Plus. Fuente: Isofotón
