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- Tutorial Nº 188 -

Instalaciones Termosolares para la Producción de Agua Caliente Sanitaria (A.C.S.)

Índice de contenidos:

1- Introducción

1.1- Generalidades

1.2- Tipos de sistemas

2- Componentes de la instalación

2.1- Generalidades

2.2- Captador solar térmico

2.3- Intercambiador de calor

2.4- Depósito acumulador de agua caliente

2.5- Bombas / electrocirculadores

2.6- Tuberías

2.7- Válvulas y otros componentes

2.8- Líquido anticongelante

2.9- Aislamiento

2.10- El sistema de control

3- Dimensionado de una instalación solar térmica

3.1- Generalidades

3.2- Inclinación y orientación de los captadores

3.3- Conexionado

3.4- Demanda de consumo

3.5- Método de cálculo F-Chart

4- Radiación solar

4.1- Generalidades

4.2- Datos de la radiación disponible

ENLACES DE INTERÉS

››  Guía de la Energía Solar Térmica  (Asociación Solar de la Industria Térmica)

››  Pliego de Condiciones Técnicas en Instalaciones de Baja Temperatura

››  CHEQ4 - Programa informático para asegurar la aplicación, cumplimiento y evaluación de la sección HE4 incluida en la exigencia básica HE Ahorro de energía del Código Técnico de la Edificación (CTE)

 


DESARROLLO DEL CONTENIDO


1- Introducción

1.1- Generalidades

Una de las formas de aprovechamiento directo de la energía solar es la que se consigue empleando una instalación termosolar, donde la energía radiante del sol se transforma en energía térmica, es decir, calor para generar agua caliente sanitaria (ACS) destinada al consumo humano (agua que es potable).

A esta tecnología se le conoce también como conversión térmica a baja temperatura, dada que el rango de temperaturas máximas que alcanza el fluido que forma parte del sistema se sitúa en torno a los 100 ºC (T<100 ºC).

Al principio, durante años se permitieron las instalaciones directas de circuito abierto, es decir, aquellas donde el agua de red era también el fluido primario que pasa por los captadores solares para ser calentada, y luego ser consumida por el usuario como agua caliente. Sin embargo, su uso ha venido presentando ciertas limitaciones e inconvenientes en su funcionamiento, higiene y durabilidad, hasta que en la actualidad casi ninguna legislación nacional lo permite.

Lo más común es emplear sistemas termosolares de circuitos cerrados e independientes (al menos dos, un circuito primario y otro secundario), donde el agua de consumo no pasa directamente por los colectores solares, sino que es un fluido caloportador el que circula por el circuito primario pasando por los captadores solares para ganar energía térmica, y posteriormente, a través de un intercambiador de calor, ceder el calor al agua de consumo que forma parte de un circuito secundario e independiente. Por tanto, ambos fluidos, fluido caloportador de trabajo y el agua de red, NUNCA se mezclan.

De esta manera, todo sistema termosolar estará constituido, al menos en la versión más simplificada, por dos circuitos independientes: un circuito primario por donde va el fluido de trabajo caloportador (realmente es un líquido anticongelante para resistir las heladas del exterior) que al pasar por una batería de tubos situados dentro de los captadores solares, se calienta y aumenta su temperatura por la radiación solar recibida.

Posteriormente el circuito primario llega hasta un intercambiador, que en los sistemas más sencillos se encuentra en el interior de un depósito acumulador (en otros casos el intercambiador es de tipo externo al depósito acumulador).

En el caso de un intercambiador interno, éste se trata de un serpentín de tubos de cobre, que actúa como un intercambiador de calor, por donde circula el fluido caloportador y cede parte de ese calor ganado al agua contenida en el depósito acumulador, que proviene de la red de abastecimiento de agua, la cual se irá calentando.

Por tanto, es en el interior del acumulador, mediante el empleo de un intercambiador de calor, donde se produce la transferencia de calor entre el líquido anticongelante calentado en las placas solares y el agua de consumo, que una vez caliente, se usará en nuestra vivienda. Este agua caliente del acumulador pasará al circuito secundario, que mediante la instalación interior de la vivienda se distribuirá a cada punto de consumo.

Esquema de una instalación solar térmica de baja temperatura para la producción de agua caliente sanitaria

En caso que el agua contenida en el acumulador no alcance la temperatura de uso deseada (por falta de radiación suficiente, por ejemplo), entrará en funcionamiento automáticamente un sistema auxiliar de apoyo (caldera de gas o termo eléctrico) que se encarga de generar el calor complementario. Todo el proceso es automático y vigilado por un sistema de control que será necesario instalar.

NOTA IMPORTANTE: Nunca deben mezclarse los fluidos del circuito primario (fluido de trabajo caloportador) con el secundario (agua de consumo), dado que el fluido del circuito primario suele contener productos químicos, entre ellos, anticongelante y otros aditivos para proteger de la oxidación y proporcionar durabilidad a los captadores solares que se colocan en el exterior de la vivienda.

El agua caliente que se obtiene en una instalación termosolar se emplea en los edificios para usos sanitarios (baños, duchas, etc.) y para otros usos de limpieza (fregado de platos, lavadora, lavavajillas, fregado de suelos, etc.), de ahí que las instalaciones termosolares sean de gran aplicación en viviendas y en otras edificaciones tales como hoteles, hospitales, comedores y restaurantes, vestuarios y en general en edificios donde el uso del agua caliente sea necesario.

No obstante, además de para producir agua caliente sanitaria (ACS) para el consumo, la tecnología termosolar tiene otras posibles aplicaciones tales como calentamiento de piscinas, usos industriales, o empleada en los sistemas de refrigeración y calefacción de edificios.

 

1.2- Tipos de sistemas

En función del mecanismo de circulación del fluido térmico, la mayoría de los equipos que utilizan la tecnología termosolar se puede clasificar en dos grandes grupos:

- Sistemas por termosifón

- Sistemas por circulación forzada

a)  Sistemas por termosifón:

Los sistemas por termosifón son los sistemas termosolares más conocidos (típicamente se ven sobre las viviendas unifamiliares que disponen el depósito de acumulación sobre los colectores solares), ya que es el más económico y de fácil montaje. En contraprestación es menos eficiente que el de circulación forzada.

sistema termosolar por termosifón

En este tipo, el movimiento del fluido de trabajo por el circuito primario se produce por el principio de convección natural, donde el fluido al calentarse a su paso por la placa captadora solar se dilata aumentando su volumen, y por tanto disminuye su densidad.

Al pesar menos, dicho fluido asciende hacia la parte alta del circuito donde está el acumulador, mientras que el fluido más frío contenido en el acumulador, con mayor densidad, se desplaza hacia la parte baja de la instalación por la tubería de entrada a los captadores.

Así se genera una circulación natural del fluido, que se mantiene siempre que exista un gradiente de temperaturas entre el fluido de los captadores y el que se encuentra en la parte alta de la instalación dentro del acumulador.

Y es ahí, dentro del acumulador, donde se produce la transferencia de calor desde el fluido de trabajo del circuito primario al agua de la red contenida en el depósito acumulador. Para ello se emplea un intercambiador (serpentín de tubos de cobre) que se encuentra dentro del depósito acumulador.

Este agua del acumulador una vez calentada, pasa al circuito interno, en este caso circuito secundario, para ser consumida en los puntos de consumo de la vivienda (duchas, lavabos, lavadoras, lavavajillas, etc.).

Esquema de instalación de un sistema termosolar por termosifón para agua caliente sanitaria

Este sistema, de flujo natural, hace que los termosifones sean fáciles de instalar (sólo tenemos que conectarlos a una toma de agua de la red y al circuito de ACS de la vivienda), además de ser muy económicos, por lo que son los más implantados en nuestras ciudades.

No obstante, en los sistemas por termosifón la fuerza impulsora del movimiento es pequeña y, por lo tanto, se debe prestar especial atención al diseño y montaje de la instalación para favorecer siempre el movimiento natural del fluido.

Para ello, el depósito de acumulación debe colocarse siempre en un nivel superior al de los colectores solares para permitir la convección natural por diferencia de temperatura.

De hecho, para facilitar en todo lo posible el movimiento del fluido caloportador debe haber una diferencia suficiente de temperatura entre el fluido que está dentro de los colectores solares y el del acumulador, además de la mencionada diferencia de altura entre el acumulador y los colectores, que se recomienda sea mayor de 30 centímetros.

En estos sistemas es difícil controlar la temperatura que pueda alcanzarse en el interior del acumulador, sobre todo en periodos de máxima radiación solar (en verano durante las horas centrales del día). Para evitar el riesgo de alcanzar temperaturas elevadas en el depósito acumulador, éste se dimensiona con ratios de volúmenes mayores de 70 l/m2 de panel colector.

Los sistemas termosifón no consumen energía eléctrica, ya que no necesitan bomba para la circulación del fluido, lo que los hace muy atractivos por su autonomía. Como contrapartida, al ser necesario la instalación del equipo en una unidad compacta (captadores solares y depósito deben ir juntos) es necesario comprobar la resistencia del tejado del edificio donde se vaya a instalar el equipo.

 

b)  Sistemas por circulación forzada:

El sistema por circulación forzada es más eficiente que el de termosifón, pero también más caro. El movimiento del fluido caloportador se realiza a través de una bomba circuladora que es capaz de establecer un caudal determinado según las necesidades térmicas de cada momento y de vencer las pérdidas de carga del circuito.

Instalación de un sistema termosolar por circulación forzada para generar agua caliente sanitaria

Al emplear una bomba para la circulación del fluido de trabajo, ya no es necesario que el intercambiador de calor se sitúe en la parte alta de los captadores, por lo que el depósito de acumulación, que contiene en su interior el intercambiador, no tiene por qué estar junto a los captadores solares a la intemperie sobre el tejado de la casa.

De este modo, el depósito acumulador se puede situar en un lugar protegido del interior del edificio sobre el suelo, lo que permite emplear depósitos acumuladores de mayor capacidad y por tanto más pesados (que pueden ser de hasta 500-750 kg).

Los sistemas por circulación forzada, además de la energía eléctrica para activar la bomba de circulación, necesita de una centralita para la regulación y control del sistema, que active la bomba de circulación cuando exista un diferencial de temperaturas entre el fluido que sale de los captadores y el que se encuentra en el acumulador, que permita que exista la posibilidad de una ganancia de energía térmica en el intercambiador.

Por tanto, la unidad de control constará de un termostato diferencial que tendrá la misión de arrancar la bomba cuando la temperatura en los paneles solares sea de un determinado margen mayor que la registrada en el depósito de acumulación. Por otro lado, la unidad de control deberá parar la bomba cuando la temperatura en los paneles y en el acumulador sea aproximadamente la misma.

Para conseguir esto, el termostato diferencial tendrá, al menos, 2 sensores térmicos. Uno de los sensores estará instalado en la parte superior del último panel solar, es decir, a la salida de los captadores (punto de mayor temperatura del sistema) y el otro sensor estará instalado en la parte inferior del depósito acumulador, cerca del serpentín (punto de referencia de la temperatura del acumulador solar).

El control diferencial de temperatura deberá funcionar automáticamente, y podrá ser programable por el usuario, controlando también el funcionamiento de la caldera de apoyo (eléctrica, de gasóleo o de gas), pero siempre de manera que sea la energía solar la predominante.

Normalmente, la centralita de control estará situada en el interior de la vivienda en lugar fácilmente accesible para el usuario, y constará de un display donde el usuario podrá consultar información relevante en el suministro de agua caliente del sistema.

Asimismo, este control inteligente deberá disponer de protección contra sobrecalentamientos, control automático del caudal en los paneles solares e indicación extensiva de alarmas.

En estos sistemas, como el depósito acumulador e intercambiador suelen estar a una altura inferior que los paneles de captación solar que están en la cubierta del edificio, habrá que incluir también en el circuito primario una válvula antirretorno para evitar el posible efecto termosifónico nocturno del fluido caloportador.

2- Componentes de la instalación

2.1- Generalidades

En toda instalación solar térmica de baja temperatura se pueden distinguir los siguientes componentes principales:

Componentes de un sistema termosolar por circulación forzada para generar agua caliente sanitaria

- Sistema de captación: formado por uno o varios colectores o captadores solares que se sitúan en la parte exterior y más alta del edificio, convenientemente orientados a los rayos solares. Es la parte de la instalación que transforma la radiación solar incidente en energía térmica del fluido que circula por su interior.

- Sistema de acumulación o acumulador: encargado de almacenar el agua caliente obtenida para su posterior uso.

- Sistema de intercambio o intercambiador: realiza la transferencia de calor entre los fluidos que circulan por circuitos diferentes. Puede ir instalado dentro o fuera del acumulador. En la instalación mostrada en la figura el intercambiador de calor es externo al depósito acumulador.

- Sistema de transporte o de circulación: formado por las tuberías dotadas de aislamiento térmico y de los elementos de impulsión (bomba de agua) y otros accesorios, como vaso de expansión, purgadores de aire, válvulas, etc.

- Sistema auxiliar de apoyo: para complementar el aporte de calor en aquellos periodos de escasa radiación solar, o bien, cuando la demanda de agua caliente sea superior a la que el sistema solar pueda proporcionar por su diseño.

- Sistema de control y regulación: asegura el correcto funcionamiento del conjunto de componentes que conforman el sistema termosolar.

 

2.2- Captador solar térmico

Es el componente de la instalación encargado de recibir la radiación solar y de transferir esta energía a un fluido térmico que circula por su interior. Para los captadores solares de baja temperatura se pueden distinguir dos grandes grupos: captadores solares vidriados y no vidriados.

tipos de captador solar térmico

Los captadores solares no vidriados no disponen de una cubierta que aísle al captador del exterior, por lo que las pérdidas de calor en este tipo de captador suelen ser muy elevadas.

Suelen fabricarse de material plástico, conformado por una multitud de microtubos por donde circula el agua que se calienta al recibir la radiación solar.

Debido a su limitada eficiencia, necesitan una superficie más grande para conseguir las prestaciones deseadas, pero lo compensan con su bajo coste.

Tienen aplicación en aquellos casos donde no se requiera alcanzar una temperatura excesivamente alta, como pueda ser el calentamiento del agua de piscinas al aire libre.

En el otro grupo se encuentran los captadores vidriados. Estos disponen de una cubierta de cristal por su parte frontal que lo aísla del ambiente exterior, reduciéndose así las pérdidas de calor. Además, la cubierta de cristal va a favorecer que se produzca en el interior del colector el llamado efecto invernadero, lo que hace aumentar la temperatura que se alcance en su interior.

Dentro de este grupo se encuentran los captadores solares planos, los cilindro-parabólicos (CPC) y los de tubo de vacío.

Los más empleados en el ámbito doméstico para la producción de agua caliente son los captadores solares planos.

captador solar térmico plano

En un panel solar plano, tras la cubierta de cristal, se encuentra lo que se llama la placa absorbedora. Se trata de una placa metálica en color oscuro con objeto de mejorar su capacidad absorbedora de la radicación solar.

La radiación solar que incide sobre el colector solar, atraviesa la cubierta de cristal, debido a que son radiaciones electromagnéticas de onda corta, e incide sobre la superficie de la placa absorbedora, la cual parte la absorbe aumentando su temperatura y parte de la radiación la vuelve a reflejar.

Pero esta vez, la radiación que es reflejada por la placa absorbedora se emite como radiación de onda larga, que se corresponde con las emisiones de calor o infrarroja, la cual no puede atravesar la cubierta de cristal y queda atrapada en el interior del colector, aumentando la temperatura de la placa absorbedora (es el conocido efecto invernadero).

Dentro de la placa absorbedora circula el fluido térmico de trabajo, constituido por un líquido anticongelante especial para resistir las temperaturas extremas durante el invierno sin congelarse.

Este fluido nunca debe entrar en contacto con el agua de consumo, dado que además del anticongelante, contiene otros aditivos con objeto de proteger la instalación interior contra la corrosión.

Este fluido de trabajo circula a través de un serpentín o circuito de tubos que se encuentra soldado a la placa absorbedora de manera que el calor de la placa es transferida a su vez al fluido a través de las paredes de estos tubos.

componentes del captador solar térmico plano

Este fluido caliente posteriormente, a través de un circuito hidráulico primario, es conducido desde los paneles colectores solares hasta un intercambiador de calor, que puede estar dentro del depósito acumulador a modo de serpentín de tubos, o bien como un equipo aparte fuera del acumulador.

En el intercambiador se realizará la transferencia de calor del fluido caloportador hacia el fluido del circuito secundario (caso de un intercambiador externo) o al agua contenida en el depósito acumulador (caso de un intercambiador interno).

Todo el conjunto que conforma el panel de un captador solar plano se monta en el interior de una carcasa que le sirve de soporte. En el interior de dicha carcasa, normalmente metálica, se dispone de una capa de aislamiento que cubra el fondo y los costados de ésta. Sobre este aislamiento se montará la placa metálica absorbedora que contendrá soldados a ella los tubos por el que circula el fluido de trabajo caloportador, como se ha dicho.

Los tubos que entran y salen del costado de la placa permiten que se pueda conectar con el resto del sistema de la instalación. La carcasa, por su parte frontal, quedará cubierta por la capa de vidrio transparente, de manera que el conjunto quede totalmente estanco para evitar pérdidas de calor. La tapa frontal de vidrio, será de un vidrio templado que sea resistente a impactos y a las oscilaciones térmicas.

A continuación, y a modo de resumen explicativo, se indicarán por separados los componentes principales que conforman el conjunto del panel de un captador solar plano:

Componentes del captador solar térmico plano

- Cubierta exterior: es el elemento transparente que cubre la placa absorbedora, generalmente de vidrio templado de bajo contenido en hierro para dotarle de resistencia y a la vez buena capacidad de aislamiento.

El cristal de la cubierta debe comportarse como un elemento transparente a la radiación solar incidente (radiación de longitud de onda corta), y a la vez mostrarse opaca a la radiación de calor emitida por la placa absorbedora (radiación de onda larga), de manera que se favorezca la generación del efecto invernadero.

- Placa absorbedora: es el elemento que absorbe la radiación solar, para luego transmitir esta energía al fluido térmico que circula por su interior. Constituida por una lámina metálica, normalmente de cobre o aluminio, bajo la que se dispone de un circuito de tuberías de cobre por donde circula el fluido térmico de trabajo.

A esta lámina metálica se le suele someter a un tratamiento con pinturas negras especiales, con objeto de mejorar su capacidad de absorción de radiaciones en longitud de onda corta (radiaciones solares) y disminuir la capacidad de emisión en longitudes de onda larga (para que no desprenda tanto calor), de manera que retenga el mayor calor posible.

Este calor absorbido por la placa absorbedora es transferida a un circuito de tubos de cobre adheridos por donde circula el fluido térmico caloportador. Este circuito de tuberías se suelen disponer en dos configuraciones posibles: en parrilla de tubos (como se muestra en la figura adjunta), o mediante serpentín.

- Aislamiento: para reducir las pérdidas de calor hacia el exterior, se coloca un material aislante en el fondo de la carcasa y por los laterales que son las partes opacas del captador por donde no se necesita que entre radiación solar. Los materiales más empleados como aislantes son las espumas de poliuretano y las resinas de melamina.

Además de ofrecer un alto coeficiente de aislamiento, debe mantener inalterables sus propiedades y no degradarse por el calor. Recordar que el aislamiento situado en el fondo de un captador, bajo la placa absorbedora, puede alcanzar temperaturas similares a esta (del orden de los 150 ºC), por lo que debe poder resistir sin descomponerse ni emitir gases que puedan ensuciar la parte interior de la cubierta de cristal.

- Carcasa o caja envolvente: es el elemento contenedor de los demás componentes que constituyen el captador. Esta carcasa suele ser de aluminio anodizado, más ligera y resistente a los agentes atmosféricos, o de acero galvanizado. Normalmente incluye un marco que le confiere mayor rigidez y posibilita su anclaje a la estructura portante para darle la inclinación y orientación debida al colector.

sistema termosolar compacto para vivienda

Una aplicación de esta tecnología al ámbito doméstico son los sistemas compactos para generación de agua caliente en viviendas. Estos ya se venden montados en una sola unidad para ser instalado en la cubierta de la vivienda.

Típicamente estos sistemas compactos para uso doméstico están compuestos por un depósito de unos 150 litros de capacidad y normalmente de dos colectores de aproximadamente 1 m2 de superficie de captación cada uno.

Los colectores solares más empleados a nivel doméstico son los colectores planos, seguidos cada vez más por otro tipo de colectores: los colectores solares de vacío.

Los colectores solares de tubos de vacío están formado por hileras paralelas de tubos de vidrio transparente. Cada tubo contiene a su vez otro tubo interior de absorción recubierto con pintura selectiva para mejorar la absorción de calor, por donde circula el líquido caloportador.

Este tipo de captador incluyen una innovación respecto a los paneles solares planos convencionales, que consiste en hacer el vacío en el espacio que queda entre el cristal protector del tubo exterior y la superficie absorbente del tubo interior.

Con este cambio se consigue eliminar las pérdidas por convección interna, dado que se elimina el aire que pueda transferirlas, por lo que se puede aumentar así la temperatura de trabajo y el rendimiento de la instalación.

colector solar de tubos de vacío

Como ya se ha comentado, los tubos de vacío están compuestos por un doble tubo de vidrio, entre cuyas paredes se hace un vacío muy elevado (en torno a 0,005 Pa) con objeto de minimizar las pérdidas de calor por conducción y convención. La superficie de vidrio del tubo interior suele llevar un recubrimiento selectivo a base de metal pulverizado para aumentar la absorción de la radiación. Las dimensiones de los tubos son similares a las de un tubo fluorescente, en torno a los 60 mm de diámetro y 180 cm de largo.

En un captador de vacío, la radiación solar atraviesa el tubo exterior de vidrio, incide en el tubo de absorción interior y se transforma en calor. El calor se transfiere al líquido que fluye dentro del tubo interior a través de sus paredes.

Estos, captadores permiten calentar agua hasta temperaturas de 110 ºC, hecho que posibilita la utilización de sistemas de distribución de calor convencionales en aplicaciones de calefacción con agua.

Además, por la propia configuración de los tubos de vacío que componen el colector solar, éstos son capaces de capturar la radiación difusa, incluso de días nublados, llegando a calentar el agua a niveles aceptables.

Este tipo de colector trabaja mediante el sistema antilegionela, dado que el agua que recorre los tubos y se almacena en la parte alta del colector nunca se mezcla con el agua caliente sanitaria (ACS) de consumo, sino que el agua de consumo circula por el interior del depósito superior del colector gracias a un serpentín de cobre que actúa como intercambiador de calor.

Otra característica de los colectores solares de vacío es que permiten adaptarse mejor a aquellos casos donde no es posible una instalación con la inclinación u orientación óptima, mejorando el rendimiento respecto a los colectores solares planos. Esta propiedad hace que los captadores de tubos de vacío puedan integrarse aún mejor en la arquitectura de los edificios que en cada caso será diferente.

 

2.3- Intercambiador de calor

El intercambiador de calor es el dispositivo donde se realiza la transferencia de calor desde el fluido caloportador del circuito primario al fluido del circuito secundario que conforma la instalación, manteniendo separadas las corrientes de ambos fluidos sin que lleguen a mezclarse.

Según su emplazamiento, se pueden distinguir dos grandes grupos de intercambiadores, a saber:

1.- Intercambiadores de calor externos:

Intercambiador de calor externo

En este caso, el intercambiador se sitúa fuera del depósito de acumulación, instalándose de forma independiente ambos elementos.

Este tipo de configuración se suele emplear en sistemas termosolares donde se emplean volúmenes de acumulación superiores a los 1000 litros de agua caliente.

El empleo de intercambiadores externos permite poder alcanzar potencias térmicas más elevadas con sólo cambiar el intercambiador que se disponga por otro de mayor capacidad de transmisión, sin necesidad de hacer más cambios en el resto de la instalación, o bien, ampliando el intercambiador existente añadiendo más superficie de intercambio (más placas).

Otra ventaja de usar intercambiadores externos es que permite abastecer a más de un depósito acumulador con un único intercambiador, debido a que ambos elementos son independientes.

Intercambiador de calor externo de placas

Por ello, el empleo de configuraciones con intercambiadores externos es típico para aquellas instalaciones térmicas medianas y grandes.

Los intercambiadores de tipo externos se suelen construir de placas en acero inoxidable soldadas entre sí (semejante a un radiador), de forma que se generan dos sistemas de canales completamente separados, uno para cada fluido, manteniendo un flujo en contra-corriente entre ellos para hacer más eficiente la transmisión de calor.

Al situarse el intercambiador fuera del acumulador, hace necesaria la instalación de dos bombas circulatorias, una en cada circuito (primario y secundario).

Evidentemente es una solución más cara, pero resulta más eficiente cuando el tipo de instalación requiere de grandes necesidades térmicas y de mayores volúmenes de agua caliente.

2.- Intercambiadores de calor internos:

En este caso, el intercambiador se sitúa dentro del depósito de acumulación realizándose dentro de él la transferencia de calor.

Intercambiador de calor interno en el acumulador de tipo serpentín

Las dos soluciones comerciales más empleadas son el sistema de intercambio interno mediante serpentín y los de doble pared.

Los de serpentín, como el que se muestra en la figura, consiste en sumergir una tubería (de cobre o acero inoxidable) arrollada en forma de espiral dentro del tanque de acumulación.

El serpentín se debe situar en la parte baja del acumulador, dado que es la parte fría, de manera que el gradiente de temperatura entre el fluido primario caloportador (el que circula dentro del serpentín) y el fluido del circuito secundario del acumulador sea el mayor posible. De esta manera, la potencia térmica de intercambio será máxima.

La entrada en el acumulador del fluido caliente del serpentín deberá realizarse a una altura comprendida entre el 50 y el 75% de la altura total del acumulador, mientras que la salida del serpentín se deberá realizar por la parte inferior del depósito acumulador.

Como ya se ha indicado, existe otra forma de realizar el intercambio de calor entre ambos circuitos, y es empleando depósitos acumuladores de doble pared.

Intercambiador de calor interno en depósito acumulador de doble pared

En este caso, el depósito acumulador dispone de doble envolvente, es decir, que realmente está compuesto por dos depósitos, uno construido dentro del otro.

De esta manera, el fluido caloportador del circuito primario entra y rellena el espacio comprendido entre el depósito exterior y el interior.

Así, el fluido caloportador queda rodeando el volumen de almacenamiento del depósito más interior, donde se contiene el fluido a calentar del circuito secundario.

Con esta configuración la pared intermedia que separa el depósito interior del exterior funciona como elemento de intercambio, dando como resultado un rendimiento muy aceptable.

En la figura adjunta se aprecia el detalle constructivo de un depósito acumulador e intercambiador de doble pared.

 

2.4- Depósito acumulador de agua caliente

Además de poder servir como elemento de intercambiador de calor, según se ha visto en el apartado anterior, la función principal de un depósito acumulador es la de almacenar y conservar caliente el agua para consumo el máximo tiempo posible, normalmente entre 1 y 4 días para el caso de sistemas pequeños de viviendas unifamiliares.

Depósito acumulador solar térmico

Un buen depósito cumulador debe contar con una envolvente aislante que minimice las fugas de calor al exterior, un volumen de capacidad adecuado al consumo de agua caliente previsto, ser seguro y ofrecer una larga vida útil en la instalación.

Suelen tener forma cilíndrica lo cual facilita el fenómeno de estratificación, es decir, la capacidad de distribución vertical del agua por su temperatura, donde al agua fría se situará en la parte baja mientras el agua más caliente ocupará la parte alta del depósito.

En este sentido, es recomendable utilizar depósitos cilíndricos verticales, donde la relación entre la base y la altura sea lo menor posible.

Una característica importante en todo depósito acumulador es la de disponer de una buena capacidad de estratificación dentro del depósito, lo cual va a favorecer el rendimiento térmico del sistema.

En efecto, como ya se indicó en el apartador anterior, en caso de emplear un serpentín como elemento intercambiador, éste se situará en la parte baja del acumulador, por lo que interesa que el agua más fría en el acumulador se sitúe también en su parte baja.

De esta manera se asegura un mayor gradiente térmico entre el fluido caloportador del serpentín caliente y el fluido exterior contenido en el acumulador, que mejorará la eficiencia en la transferencia de calor.

En este sentido, asimismo se intentará evitar que la entrada o salida de agua del acumulador se realice a alta velocidad. En efecto, una elevada velocidad en el flujo de agua de entrada o salida al depósito favorecerá que se produzcan mezclas y corrientes de circulación dentro del acumulador. Este efecto no es deseable que se produzca dado que perjudica la estratificación del agua dentro del depósito.

Del mismo modo, se prestará atención a que las conexiones por donde se realice la entrada o salida del agua no forme caminos preferentes de circulación dentro del acumulador.

Tipos de depósitos acumuladores solar térmico

El emplazamiento de las distintas conexiones en el depósito acumulador se situarán de la siguiente manera, según la configuración del sistema:

- La conexión de salida del agua fría desde el acumulador hacia el intercambiador, para la configuración con intercambiador externo, o hacia los captadores se realizará por la parte inferior del acumulador.

- Para la conexión de entrada de agua caliente procedente del intercambiador, para la configuración con intercambiador externo, o de los captadores hacia el acumulador se realizará a una altura comprendida entre el 50 y el 75% de la altura total del depósito.

- Para configuraciones de una sola aplicación, la conexión del retorno de agua ACS de consumo hacia el acumulador se realizará por la parte inferior, mientras que la extracción de agua caliente del depósito se realizará por su parte superior.

Para su fabricación se debe emplear sólo materiales que ofrezcan durabilidad y seguridad en la construcción, como el acero al carbono, acero inoxidable, aluminio o fibra de vidrio reforzado.

En los acumuladores fabricados en acero tratado al carbono se les suele someter adicionalmente a un esmaltado o tratamiento vitrificado en el interior del tanque, con objeto de mejorar su resistencia a la corrosión.

Así, para aplicaciones de sistemas pequeños (caso de viviendas unifamiliares con capacidades de almacenamiento de hasta 500 o incluso 750 litros) se suelen utilizar este tipo de depósitos acumuladores vitrificados que presentan una durabilidad frente a la corrosión excelente.

En equipos de mayores volúmenes de almacenamiento se emplearán acumuladores en acero inoxidable, preferentemente. No obstante, este criterio será revisado si el agua de la zona donde se realice la instalación es especialmente agresiva, en concreto en relación a su nivel de pH o contenido de cloruros. En estos casos no se recomienda emplear equipos en acero inoxidable.

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En efecto, si el agua presenta un pH ácido, o si la concentración de cloruros es elevada (>100 mg/l), el acero inoxidable es más vulnerable, que puede traer consigo la aparición de puntos de corrosión por picadura, debiéndose emplear es estos casos acumuladores vitrificados, de aluminio o de fibra de vidrio.

En otro orden de cosas, el ratio a seguir para determinar el volumen del depósito acumulador deberá ser de 30 a 60 litros por m2 de panel solar instalado, en sistemas pequeños para viviendas unifamiliares, donde la producción de agua caliente es consumida normalmente a diario.

En el caso que se desee instalar un depósito mixto, que se use tanto para la producción de ACS (agua caliente sanitaria) como para calefacción, entonces el ratio a seguir para calcular el depósito acumulador es de 50 a 75 litros por m2 de panel solar instalado.

Como recordatorio, para sistemas unifamiliares es posible utilizar la siguiente regla que suele ser válida para la mayoría de las veces: 50 litros de depósito por persona + 50 litros. Es decir que, en la gran mayoría de los casos, para una vivienda unifamiliar donde convivan de 4 a 5 personas, el depósito acumulador de agua caliente que se necesitaría tendría una capacidad de entre 200-300 litros.

Usualmente, para aplicaciones de producción de ACS (agua caliente sanitaria) el volumen de acumulación (V, en litros) y el área de los captadores (A, en m2) guardarán la siguiente relación:

50 < V/A < 180

Si se pretende de forma más precisa, para aquellas instalaciones donde se presuma un consumo uniforme durante todo el año, el volumen (V) del depósito a elegir cumplirá con las siguientes condiciones:

0,8·M < V < M

1,25 < (100·A)/M < 2

donde,

A   es el área de los captadores solares instalados, en metros cuadrados;

M   es el consumo de la instalación, en litros/día;

V   es el volumen del depósito de acumulación, en litros.

 

2.5- Bombas / electrocirculadores

En los sistemas termosolares de circulación forzada, es necesario la instalación de bombas circuladoras, normalmente de tipo centrífuga, también llamados electrocirculadores que son accionados por un motor eléctrico.

Toda bomba circuladora, para unas determinadas condiciones de trabajo y tipo de fluido a bombear, se caracteriza por el caudal de fluido bombeado y la altura manométrica de impulsión.

Las bombas circuladoras, o circulatorias, de los sistemas termosolares de circulación forzada, son necesarias para generar el movimiento del fluido de trabajo desde la salida del depósito acumulador, una vez pasado por el intercambiador, hasta los colectores solares.

Al instalarse las bombas circuladoras para bombear el fluido caloportador del circuito primario, ya el depósito acumulador no es necesario colocarlo junto a los captadores solares en una posición elevada en el exterior del edificio, sino que pueden situarse en otra posición que más convenga, en el interior del edificio por ejemplo, resguardado, y en un lugar situado en posición más baja que los colectores solares.

En general, se pueden distinguir dos tipos de electrocirculadores:

- Electrocirculadores de rotor sumergido: son silenciosos, requieren un bajo mantenimiento y se montan en línea con la tubería y el eje horizontal.

- Monobloc: pueden ser montados con el eje en cualquier posición.

Con el paso del tiempo y el uso, en las tuberías de agua caliente se producen precipitaciones y corrosión, lo que hace disminuir el paso libre que queda dentro de la tubería para el agua, produciendo un aumento de la pérdida de carga. En este aspecto, se deberá cuidar la elección de los materiales de fabricación de las bombas para aplicaciones termosolares, que deberán ser muy resistentes a la corrosión.

Además, aunque los cálculos hidráulicos para este tipo de instalación se suelen realizar considerando agua como fluido de trabajo, en realidad el fluido de trabajo en el circuito primario de este tipo de instalaciones es una mezcla de agua con anticongelante. Este hecho unido al progresivo aumento de la pérdida de carga en las tuberías por incrustaciones, aconseja un cierto margen de seguridad en la selección de las prestaciones de la bomba, con objeto de poder hacer frente a estos imprevistos.

Las bombas circulatorias empleadas en los circuitos termosolares suelen tener varias velocidades y el fabricante lo indicará en sus gráficas de funcionamiento. Lo aconsejable es que se trabaje en una velocidad intermedia, con objeto de tener margen de actuación en el caso de ser necesaria variar la presión de suministro de la bomba ante cambios en las condiciones de la instalación.

Asimismo, previo a la aspiración de la bomba, se suele instalar un filtro con objeto de evitar que entren al interior de la bomba impurezas procedentes de los cordones de soldadura y otros desprendimientos del interior de la instalación.

 

2.6- Tuberías

Cuando se lleve a cabo el montaje de la instalación, tanto de las tuberías que conforman el circuito primario como las del secundario, se llevará a cabo bajo las más estrictas condiciones de limpieza, con objeto de evitar la formación de la legionela.

Ésta es una bacteria que se desarrolla en los circuitos de ACS, preferentemente a temperaturas en torno a los 37 ºC, por lo que es imprescindible someter a toda instalación termosolar a labores de mantenimiento de prevención de la legionelosis de acuerdo a la legislación vigente.

Para el circuito primario por donde circula el fluido de trabajo caloportador desde los captadores solares hasta el intercambiador y su posterior retorno, se suelen utilizar tuberías de cobre o de acero inoxidable. En la actualidad se están desarrollando nuevos materiales plásticos termorresistentes, certificados y homologados para esta aplicación.

Para el circuito secundario o el de circulación del agua caliente sanitaria para consumo (ACS) se podrán utilizar tuberías de cobre, de acero inoxidable o de acero galvanizado, pero NUNCA se utilizarán tuberías de acero negro para circuitos de agua caliente destino al consumo.

A continuación se realizarán algunas indicaciones para ciertos tipos de tuberías que pueden ser empeladas en las instalaciones termosolares:

- Tuberías de cobre: de todos es el tipo de tubería más recomendado, por su excelente relación calidad/precio. Ofrece gran resistencia a la corrosión, es maleable y dúctil que facilita las operaciones de montaje, y es inocua por lo que ofrece buenas condiciones de salubridad.

- Acero galvanizado: aunque es muy empleado en instalaciones de fontanería/plomería en agua fría, no se puede emplear como material en el circuito primario, dado que la protección del galvanizado se deteriora cuando se alcanzan temperaturas superiores a los 65 ºC.

- Acero negro: No se puede emplear en instalaciones de agua caliente sanitaria (ACS), por producirse oxidaciones que afectan negativamente a la potabilidad del agua. Sólo es posible su uso como material de las conducciones del circuito primario.

- Tuberías de plástico termorresistentes: Actualmente se están desarrollando nuevos materiales plásticos, que resultan muy competitivos de precio, y que pueden resistir sin problema temperaturas de trabajo superiores a los 100 ºC. No obstante, por lo general este tipo de materiales se deterioran por la exposición directa a los rayos solares, por lo que su uso está restringido a espacios interiores o bajo estructuras de protección que los aísle de la acción directa de los rayos solares.

 

2.7- Válvulas y otros componentes

De entre los accesorios que son necesarios para un funcionamiento correcto y seguro de todo sistema hidráulico termosolar caben destacar las válvulas (en sus distintas versiones según su funcionalidad), el vaso de expansión y el purgador de aire, entre otros. A continuación se estudiarán brevemente cada uno de ellos:

a) Válvulas:

La elección del tipo de válvula más idónea se debe realizar atendiendo a la función que realiza dentro del circuito. Además, el tipo de válvula instalada deberá ser capaz de soportar con garantías los valores extremos de presión y temperatura que se alcancen en el sistema.

válvulas y vaso de expansión instalados en un circuito hidráulico termosolar

En general, la elección del tipo de válvula se realizará atendiendo el siguiente criterio:

Para funciones de aislamiento: se suelen emplear válvulas de tipo esféricas;

Para el equilibrado de circuitos: válvulas de asiento;

Para vaciado de tuberías: válvulas de esfera o macho;

Para llenado de tuberías: válvulas de esfera;

Para purga de aire: válvulas de esfera o macho;

Para seguridad: válvulas de resorte;

Para retención: válvulas de disco de doble compuerta.

En aquellos sistemas sencillos, suele ser suficiente con colocar válvulas de seguridad en cada batería de captadores solares y en la entrada del sistema de acumulación.

Por otro lado, y para evitar que el líquido anticongelante del circuito primario circule en la dirección opuesta cuando el sistema está apagado, se suele monta una válvula de paso de sentido único, o bien una electro-válvula que se abra en paralelo con el arranque de la bomba. Esta válvula antirretorno se utiliza para evitar retrocesos del fluido caloportador desde los colectores solares hacia la bomba causados por la convección natural.

b) Vaso de expansión:

Las variaciones extremas de temperatura que experimenta el fluido de trabajo en el circuito primario, hacen variar su densidad, y por tanto el volumen que ocupa dentro de la instalación.

En efecto, al aumentar la temperatura del fluido caloportador (por ejemplo, a su paso por los captadores solares), ocasiona el aumento de su volumen dentro de las tuberías y por tanto, también un aumento de la presión interior del fluido, que si no se dispone de algún elemento que alivie este incremento de presiones, podría dar lugar a fugas y roturas de la instalación.

Por tanto, con objeto de absorber las dilataciones del fluido caloportador se coloca un dispositivo, denominado vaso de expansión, tal que el fluido sobrante que no cabe en la instalación entre en el vaso de expansión, consiguiéndose así que la presión no suba.

vaso de expansión solar

Entre los más utilizados, son los vasos de expansión de tipo cerrado, los cuales consisten en un depósito cerrado herméticamente, cuyo interior se encuentra dividido en dos partes separadas por una membrana impermeable y extensible.

La parte del depósito rodeado por la membrana está ocupado por un gas (suele ser nitrógeno, que no se oxida ni estropea la membrana, aunque también se puede emplear aire), mientras que la otra parte útil del depósito está conectada al circuito hidráulico y es por donde entra y sale el fluido caloportador de la instalación.

Pues bien, como se ha dicho, al expandirse el fluido por aumento de su temperatura, parte del fluido que no cabe en la instalación entra en el vaso de expansión empujando a la membrana.

El gas que ocupa la parte del vaso de expansión se comprime y absorbe la entrada del fluido sobrante, evitando así variaciones de presión en el circuito.

La parte del vaso de expansión ocupada por el gas suele disponer de una válvula de seguridad para limitar la presión al valor especificado por el fabricante de la instalación.

c) Purgador de aire:

Las instalaciones termosolares también disponen de un purgador, cuya función es la de extrae las burbujas de aire que se puedan formar dentro de las conducciones.

Es importante seguir las siguientes recomendaciones en el diseño de cualquier instalación termosolar con objeto de evitar la acumulación de bolsas de aire dentro de las conducciones, que dificultaría enormemente la circulación del fluido caloportador:

- Los purgadores de aire se colocarán en los lugares altos del circuito, que es donde tenderá a acumularse las bolsas de aire, y será más fácil su eliminación;

- Las bombas circulatorias se montarán en tramos verticales, de forma que se impida la formación de bolsas de aire en el interior de las mismas;

- Se recomienda que la velocidad del fluido por las tuberías nunca sea inferior a 0,6 m/s;

- En los circuitos cerrados se montará el vaso de expansión en la zona de aspiración de la bomba;

- A todo tramo horizontal de tubería se le dotará de una ligera pendiente mínima del 1% en el sentido de circulación para impedir la formación de bolsas de aire y que éstas queden estancadas en la tubería;

- Al menos, en el punto más alto de la instalación se mantendrá una presión mínima de 1,5 kg/cm2.

Además de los anteriores elementos, se pueden montar otros accesorios y dispositivos con funciones diferentes, como la instalación de un grifo mezclador a la salida del depósito acumulador con objeto de permitir la mezcla de agua fría con la procedente del colector, para así evitar el riesgo de quemaduras en momentos donde el colector alcance temperaturas muy elevadas.

Otro dispositivo necesario es el de llenado/vaciado del circuito. En caso de disponer de un vaso de expansión de tipo abierto a la atmósfera, éste puede ser empleado como sistema de llenado.

En caso de disponerse de un vaso de expansión de tipo cerrado, entonces es necesario instalar un dispositivo adicional para efectuar las operaciones de llenado y vaciado del fluido caloportador y mantenerlo presurizado. En este caso, el dispositivo de llenado deberá disponerse en la parte baja del circuito de manera que se evite la formación de bolsas de aire durante las operaciones de llenado.

 

2.8- Líquido anticongelante

El fluido caloportador a emplear en el circuito primario (el que va y retorna desde los captadores solares hasta el intercambiador/acumulador) deberá poseer propiedades anticongelante con objeto de mantenerse fluido en los periodos de bajas temperaturas (épocas invernales), al circular en instalación exterior la mayor parte de su recorrido.

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Por otro lado, deberá ofrecer una alta capacidad calorífica que permita absorber y transportar gran cantidad de calor, y poseer un gran coeficiente de transmisión de calor que proporcione un gran rendimiento en el intercambiador.

Asimismo, el fluido de trabajo que se emplee en una instalación solar térmica no deberá hervir para el rango de temperatura y presión de trabajo de la instalación, no ser agresivo químicamente con los componentes de la instalación, y ser además atóxico para que en caso de fuga no ponga en peligro la salud de las personas.

Además de todo lo anterior, deberá ser un fluido que sea económicamente accesible para que este tipo de instalaciones sea rentable.

Un fluido así, "ideal", no existe, siendo lo más cerca que se ha llegado al obtenido a partir de una mezcla de agua y glicol, en un porcentaje del 60% de agua y un 40% de glicol (Etilenglicol o Propilenglicol).

Para que el período de garantía de una instalación termosolar no se vea afectado, deberá emplearse siempre como fluido de trabajo del circuito primario el líquido recomendado por el fabricante, en caso de ser necesario su reposición, pues de lo contrario se corre el riesgo de perder la garantía de la instalación por parte del fabricante.

 

2.9- Aislamiento

Con objeto de minimizar las pérdidas de calor, es necesario dotar de aislamiento las paredes de las conducciones y accesorios del sistema hidráulico que conforma toda instalación termosolar.

Por otro lado, las conducciones del circuito primario que conducen el fluido caloportador suelen alcanzar temperaturas elevadas, especialmente si el sistema está parado, por lo que el material que se emplee como aislante de dichas tuberías deberá ser tal que no se degrade con el tiempo y pueda soportar sin problemas temperaturas de hasta 150º C.

A continuación se indican los espesores equivalentes del aislamiento térmico (expresado en mm), necesarios para tuberías y accesorios fabricados con material de conductividad térmica igual a  0,04 W/(m ºC), a 20 ºC:

Diámetro exterior (mm)

Temperatura del fluido (ºC)

40  a  65 ºC

65  a  100 ºC

100  a  150 ºC

150  a  200 ºC

D ≤ 35

20

20

30

40

35 < D ≤ 60

20

30

40

40

60 < D ≤ 90

30

30

40

50

90 < D ≤ 140

30

40

50

50

140 < D

30

40

50

60


 

2.10- El sistema de control

En los sistemas termosolares de circulación forzada, es necesario la instalación de un sistema de control y regulación que active y controle, entre otras variables, la velocidad de bombeo de la bomba circulatoria del circuito primario en función de las necesidades del sistema.

La variable principal que marca el funcionamiento de la bomba es el gradiente de temperatura en el fluido caloportador del circuito primario que exista entre la salida de los captadores solares y la temperatura del fluido a la salida del acumulador (o del intercambiador térmico).

ejemplo de instalación solar térmica

Para ello será necesario disponer, al menos, de sendas sondas de temperatura en las zonas anteriormente indicadas, que enviará los datos marcados a la unidad de control.

El sistema de control recibirá ambas señales y comparará las temperaturas registradas por los distintos sensores.

Si la diferencia de temperatura registrada en el fluido del circuito primario entre la salida de los captadores solares y la salida del acumulador es superior a un valor programado previamente por el instalador, de entre 4 y 6 ºC (el nuevo Código Técnico de la Edificación establece este límite en 7 ºC), el sistema activará el funcionamiento de la bomba.

Por el contrario, cuando esta diferencia de temperatura se sitúa entre 2 y 4 ºC (el Código Técnico de la Edificación lo marca a una diferencia menor a 2 ºC) el sistema detendrá el funcionamiento de la bomba.

Asimismo, otras de las funciones del sistema de control es la de activar la unidad auxiliar de apoyo para aportar calor adicional al agua de consumo en caso que la instalación solar, por sí sola, no pueda aportar toda la energía térmica demandada en ese momento. Para ello se dispondrá también de una sonda de temperatura que registrará la temperatura del agua sanitaria a la salida del acumulador que se destina a su consumo.

Toda unidad de control se compondrá, al menos, de los siguientes módulos funcionales:

- Un teclado, para la introducción de parámetros de funcionamiento, por ejemplo, el rango de temperaturas diferenciales que marque el arranque y parada de la bomba;

- Pantalla LED, que sirva para visualizar el estado de funcionamiento del sistema y de sus parámetros de diseño;

- Un módulo de conexión analógica para entrada de datos, que sirva para el conexionado de las sondas de temperaturas distribuidas por el sistema, etc;

- Un módulo de conexión para la salida de órdenes, que conecte con la bomba para activar su arranque/parada, o con la unidad auxiliar de apoyo para su control, etc.

3- Dimensionado de una instalación solar térmica

3.1- Generalidades

El dimensionado de una instalación solar térmica dependerá de la demanda energética que se necesite, de las condiciones climáticas del lugar (en especial de la irradiación solar a temperatura ambiente disponible), de la fracción solar, y de la orientación e inclinación que puedan darse a los captadores solares.

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En este sentido, la demanda energética que se requiere para el dimensionado de una instalación solar térmica viene determinada además por la temperatura de consigna que se desea que permanezca constante en el acumulador de ACS (normalmente alrededor de 60 ºC), del caudal de agua caliente requerido para el consumo y de la temperatura de entrada del agua fría que se ha de calentar.

Evidentemente, a mayor temperatura de consigna para el agua almacenada en el acumulador con respecto a la temperatura final del agua en el punto de consumo (normalmente a 40 ºC), dará como resultado que el caudal que circulará por el acumulador será menor.

A la hora de elegir la zona donde instalar el sistema de captación solar, ésta deberá ser la que reciba mayor insolación y con la menor presencia posible de obstáculos alrededor que puedan proyectar sombras sobre los colectores. Por ello, suelen ser las partes altas de las construcciones (tejados y cubiertas) las más idóneas, aunque para ello haya que realizar una comprobación previa resistente de la estructura de la cubierta para poder recibir con todas las garantías de seguridad el nuevo peso propio del equipo.

Otro aspecto importante a cuidar es minimizar la distancia entre el captador solar y el depósito acumulador. En los equipos compactos que funcionan por termosifón esto no es un problema dado que el acumulador es obligatorio colocarlo sobre el panel captador, pero en aquellos sistemas con circulación forzada donde el sistema es partido, habrá que cuidar no separar mucho el acumulador de los captadores para no incurrir en pérdidas innecesarias de calor durante el trayecto.

 

3.2- Inclinación y orientación de los captadores

La disposición de los captadores solares, definido por su orientación e inclinación, repercute de manera decisiva en su rendimiento. Lo ideal es conseguir en todo momento que los rayos solares incidan perpendicularmente sobre la superficie del panel solar.

Si la vivienda dispone de una cubierta plana accesible, se podrá dotar a los módulos captadores de la orientación e inclinación que más convenga, con sólo emplear estructuras auxiliares portantes para el equipo.

En otros casos, cuando el tejado de la vivienda es inclinado no permite obtener la orientación e inclinación ideal para los captadores. En estos casos, las pérdidas pueden ser compensadas aumentando la superficie de colectores. Sin embargo, en la actualidad se fabrican equipos termosolares en los que desviaciones de orientación e inclinación no suponen grandes pérdidas de rendimiento, y menos aún en el caso de utilizarse los colectores de vacío, que ya incluso se colocan en posición vertical.

A) Orientación de los captadores solares:

La orientación (α) de los captadores solares será tal que éstos se dispongan siempre "mirando" hacia el ecuador terrestre. Esto supone orientación sur geográfico para aquellas instalaciones situadas en el hemisferio norte terrestre, y orientadas hacia el norte geográfico para las instalaciones situadas en el hemisferio sur. No obstante, son admisibles unas desviaciones de hasta ±20º respecto al sur o norte geográfico sin que se produzcan grandes pérdidas de rendimiento.

orientación e inclinación de los captadores solares

B) Inclinación de los captadores solares:

Por otro lado, el ángulo de inclinación (β) es aquel que forma la superficie del módulo con el plano horizontal, tal como se ve en la figura adjunta. Su valor es para módulos horizontales y 90º si son verticales.

El valor de la inclinación de los paneles solares dependerá del uso del equipo solar. Así cuando se pretende que la instalación se use todo el año con un rendimiento aceptable, coincide aproximadamente con la latitud geográfica del lugar donde se instale.

Si la instalación se usa principalmente en invierno, entonces la inclinación óptima de los módulos sería la obtenida de sumarle a la latitud 10º.

Y por el contrario, si la instalación va a usarse básicamente en verano, la inclinación que habría que proporcionarle a los módulos solares sería el resultado de restar a la latitud del lugar 20º.

 

3.3- Conexionado

El sistema de captación de energía solar térmica debe poder integrarse con el resto de la instalación convencional de agua caliente de la edificación, y debe contar además con un sistema auxiliar de apoyo (calentador, caldera de ACS o termo eléctrico) que aporte la energía necesaria para garantizar el suministro de agua caliente en los periodos de poca o nula radiación solar o cuando la demanda de agua caliente sobrepase las posibilidades del sistema.

En general, un sistema termosolar estará compuesto por un conjunto de paneles o captadores solares (dos o más) que deberán conectarse entre sí y con el resto de la instalación.

La entrada del fluido caloportador al panel captador se realizará siempre por la toma inferior del panel, y la salida por la parte superior opuesta a la entrada.

De entre las configuraciones básicas a la hora de interconectar los captadores solares entre sí, caben destacarse las siguientes:

a) Conexionado de colectores en serie:

Es una configuración que se utiliza cuando se requiere alcanzar elevadas temperaturas en el fluido del sistema.

conexionado en serie de captadores solares

Este tipo de conexión en serie entre los captadores que conforman la batería de paneles permite que el fluido, al pasar de un captador al siguiente, vaya aumentando gradualmente su temperatura.

No obstante, es una configuración que no se recomienda emplear dado que los captadores finales trabajan a muy bajo rendimiento.

Ello es así porque conforme la temperatura del fluido a la entrada del colector sea cada vez mayor, el gradiente térmico que se puede alcanzar es cada vez menor a la salida del colector, por lo que su rendimiento decrece.

Por lo tanto, si se necesita obtener temperaturas más elevadas lo razonable es acudir a otra tecnología específica para este fin (captadores solares térmicos de media y elevada temperatura), obteniéndose de este modo mejores resultados.

En todo caso, si se ha de utilizar este conexionado, se recomienda emplear hasta un máximo de tres colectores conectados en serie para que la eficiencia del último colector de la serie no decaiga mucho.

b) Conexionado en paralelo con retorno invertido:

Lo más común a la hora de conectar los paneles que conforman una batería de colectores solares es hacerlo en paralelo.

conexionado en paralelo de captadores solares con retorno invertido

Mediante la conexión en paralelo con retorno invertido se evita la instalación de válvulas de equilibrado de caudal.

El número máximo de captadores solares que se pueda conectar según esta configuración quedará limitado por lo recomendado por el fabricante de los paneles.

Cuando sea necesario, se pueden disponer en varias filas los captadores, estando cada fila conectada también en paralelo.

En este caso, es recomendable instalar válvulas de cierre a la entrada y salida de cada batería de captadores, de modo que puedan aislarse para realizar labores de mantenimiento, sustitución, etc.

c) Conexionado en paralelo con tubería exterior y equilibrado con válvula:

conexionado en paralelo de captadores solares con tubería exterior

Este sistema de conexionado se suele emplear cuando el anterior sistema con retorno invertido no puede llevarse a cabo.

En este caso, se puede realizar el conexionado de los colectores en paralelo según esta configuración.

Para ello será necesario emplear una tubería externa que deberá ser equilibrada mediante el empleo de caudalímetros y válvulas.

Cuando se emplee esta configuración, se recomienda no conectar en la misma serie más de 10 colectores en paralelo, debido a que los colectores del centro van a recibir menos caudal que los situados en los extremos.

 

3.4- Demanda de consumo

En el dimensionado de una instalación solar térmica se debe procurar no sobredimensionar la instalación de manera que no se produzcan periodos con excesos de energía generada.

En este sentido, es conveniente ajustar el diseño a aquellos periodos donde la demanda de energía sea más baja, que suele coincidir con los meses de verano donde al hecho de ser el periodo con menor consumo de agua caliente, coincide además con el de máxima irradiación solar.

Por tanto, elegir como dato de consumo de agua caliente el valor promedio del consumo diario durante el verano, como criterio de diseño para el dimensionado de las instalaciones solares térmicas, evitará que se produzcan situaciones de sobrecalentamiento del sistema.

Por otro lado, y según estimaciones deducidas de la experiencia, al final, durante los meses de invierno, el aumento de consumo de agua caliente sanitaria (ACS) que circula a través del acumulador suele representar entre un 15 y un 20% más respecto al consumo medio durante los meses de verano, a fin de tener este dato en cuenta en el dimensionamiento de la instalación.

La siguiente tabla muestra la demanda de agua caliente sanitaria (ACS), según criterio del Documento Básico del Código Técnico de la Edificación "DB-HE Ahorro de Energía":

Criterio de Demanda

Litros de agua caliente sanitaria (ACS)
/ día (a 60 ºC)

Viviendas Unifamiliares

30

por persona

Viviendas Multifamiliares

22

por persona

Hospitales y Clínicas

55

por cama

Hoteles

70

por cama

Hostales

40

por cama

Camping

40

por emplazamiento

Hostal/Pensión

35

por cama

Residencias (ancianos, estudiantes, etc.)

55

por cama

Vestuarios/Duchas colectivas

15

por servicio

Escuelas

3

por alumno

Cuarteles

20

por persona

Fábricas y Talleres

15

por persona

Oficinas

3

por persona

Gimnasios

20 a 25

por usuario

Lavanderías

3 a 5

por kilo de ropa

Restaurantes

5 a 10

por comida servida

Cafeterías

1

por almuerzo servido


 

Para el caos de viviendas unifamiliares, con objeto de calcular la ocupación de personas que corresponde por vivienda, se suelen aplicar los siguientes ratios:

Viviendas de un dormitorio: 1,5 personas;

Viviendas de dos dormitorios: 3 personas;

Viviendas de tres dormitorios: 4 personas;

Viviendas de cuatro dormitorios: 6 personas;

Viviendas de cinco dormitorios: 7 personas;

Viviendas de seis dormitorios: 8 personas;

Viviendas de siete dormitorios: 9 personas.

 

3.5- Método de cálculo F-Chart

De entre los procedimientos existentes para realizar un dimensionado rápido de una instalación termosolar se encuentra el denominado "Método de las Curvas F-Chart".

Se adjunta en el lateral de un enlace con la opción de descargar el documento impreso explicativo del procedimiento de cálculo empleado en el Método de las Curvas F-Chart.

Se trata de un método de naturaleza empírica que permite obtener la cobertura de un sistema solar, es decir, de su contribución a la aportación de calor total necesario para cubrir las cargas térmicas, y de su rendimiento medio en un largo período de tiempo.

Ampliamente aceptado como un proceso de cálculo suficientemente exacto para largas estimaciones, no ha de aplicarse para estimaciones de tipo semanal o diario.

Para desarrollarlo se utilizan datos mensuales medios meteorológicos, y es perfectamente válido para determinar el rendimiento o factor de cobertura solar en instalaciones de calentamiento, en todo tipo de edificios, mediante captadores solares planos.

En el siguiente enlace, se ofrece la posibilidad de acceder a una aplicación informática del método desarrollado por la web Censolar:

>>   Aplicación  "Método de las Curvas F-Chart "  por Censolar

Por último, se ha creído conveniente incluir en el siguiente enlace un ejemplo de proyecto de dimensionado de instalaciones de energía solar térmica para producción de agua caliente sanitaria (ACS), haciendo uso del método F-Chart, desarrollado por miembros de la Escuela Técnica Superior de Ingenieros Industriales de Valladolid (España).

Proyecto de Optimización del dimensionado de instalaciones de energía solar térmica para la producción de agua caliente sanitaria

4- Radiación solar

4.1- Generalidades

Como una forma habitual de medir la energía, o bien la potencia, que recibimos del sol generalmente se emplea el término de radiación solar.

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La radiación del sol, que se define como la energía procedente del sol en forma de ondas electromagnéticas, se compone principalmente de dos tipos: radiación directa y radiación difusa.

La primera es la que llega a la superficie terrestre directamente desde el sol, mientras que la difusa es la parte de la radiación que resulta después de la interacción con los componentes atmosféricos. Así, en un día despejado casi toda la radiación recibida es del tipo directa, mientras que en un día nublado será radiación difusa.

De esta forma, se tiene la "irradiancia" (E) que define la potencia incidente de la radiación solar sobre la unidad de superficie, expresándose en el Sistema Internacional de Unidades (S.I.) en watios por metro cuadrado (W/m2).

En instalaciones solares fotovoltaicas se suele emplear el concepto "horas de sol pico" como una forma de medir el aprovechamiento de la energía solar por efecto fotoeléctrico y que representa las horas de sol disponibles a una hipotética irradiancia solar constante de 1000 W/m2.

Pero si se quiere definir la radiación solar en términos de energía, entonces se emplea el concepto de "irradiación", que se define como la energía solar incidente sobre una superficie por unidad de superficie y a lo largo de un cierto período de tiempo. La irradiación en el Sistema Internacional de Unidades se mide en kWh/m2.

 

4.2- Datos de la radiación disponible

El conocimiento de la radiación solar que se produce en el lugar donde se vaya a realizar una instalación termosolar es determinante, tanto para conocer la energía disponible, como para analizar el comportamiento de los componentes del sistema.

Este es un dato que va a ser muy variable, porque además de depender de las coordenadas geográficas del lugar (latitud y longitud), dependerá de la estación del año, de las condiciones climatologías de cada momento del lugar y además, de la orientación e inclinación que tengan los paneles de captación, amén de las condiciones arquitectónicas que rodeen la instalación, debido a la posibilidad que se generen sombras sobre los captadores o que se tenga a los captadores más o menos resguardados de la acción del viento, etc.

No obstante, el punto de partida suele ser el conocimiento de la radiación solar disponible en el lugar donde se vaya a emplazar la instalación termosolar.

En este sentido existe una multitud de bases de datos de donde se puede obtener información sobre la radiación solar disponible en cualquier lugar del planeta.

Se adjuntan algunos enlaces que proporcionan valores de la radiación solar:

>>   PVGIS, Photovoltaic Geographical Information System

 

 

 

>> FIN DEL TUTORIAL

 

 

 

 

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