CEFIRE SAGUNT ENERGIAS RENOVABLES INDICE: 2. … · El aprovechamiento de la radiación solar para aplicaciones termicas, da ... Las instalaciones solares de baja temperatura son

CEFIRE SAGUNT ENERGIAS RENOVABLES

PROFESORES:Eva Mª Vaquer Puigcerver.José Elías Bosque Burgos.

1

INDICE:

2. ENERGIA SOLAR TÉRMICA.

2.1. Tipos de sistemas de energía solar térmica.

2.2. Energía solar térmica de baja temperatura.2.2.1. Clasificación de los sistemas de baja temperatura.

2.2.1.1. Circulación natural.2.2.1.2. Circulación forzada.

2.3. Componentes de las instalaciones solares térmicas.2.3.1. Colector solar térmico.

2.3.1.1. Paneles de concentración.2.3.1.2. Paneles planos.

2.3.1.2.1. Cubierta del panel.2.3.1.2.2. Placa absorbedora/tubos.2.3.1.2.3. Aislante.2.3.1.2.4. Carcasa.

2.3.1.3. Parámetros característicos del colector térmico.2.3.2. Intercambiador de calor.

2.3.2.1. Características de los intercambiadores.2.3.2.2. Clasificación de los intercambiadores.

2.3.2.2.1. Intercambiadores internos o integrados.2.3.3. Acumulador.

2.3.3.1. Elementos de los acumuladores.2.3.3.2. Especificaciones técnicas.2.3.3.3. Tipos de acumuladores.

2.3.3.3.1. Acumuladores de circuito abierto.2.3.3.3.2. Acumuladores con intercambiador.

2.3.4. Circuito hidráulico.2.3.4.1. Bomba de circulación.2.3.4.2. Tuberías.2.3.4.3. Vaso de expansión.

2.3.5. Elementos de control hidráulico.2.3.5.1. Válvulas.2.3.5.2. Sistemas de control de la temperatura.2.3.5.3. Instrumentos de medida.

2.3.6. Soportes para colectores.

2.4. Aspectos fundamentales de seguridad e higiene.2.4.1. Recomendaciones de seguridad.2.4.2. Prevención de la legionelosis.

2.5. Dimensionado de las instalaciones.2.5.1. Consideraciones previas.2.5.2. Cálculo de la demanda de energía. Q(kWh).2.5.3. Cálculo de la superficie de captación y del volumen del acumulador.2.5.4. Cálculo de otros componentes.2.5.5. Software de simulación para el dimensionado de instalaciones solares térmicas.



2

2. ENERGÍA SOLAR TÉRMICA.

2.1. Tipos de sistemas de energía solar térmica.

El aprovechamiento de la radiación solar para aplicaciones termicas, dalugar a dos procedimientos, clasificados como pasivo y activo, indepen-dientemente de los modos arquitectónicos y de funcionamiento en los que sederivan cada uno.

El procedimiento pasivo, corresponde a la denominada arquitecturasolar encaminada a la climatización de espacios habilitados, pero sin queintervengan instalaciones solares específicas.Esta arquitectura se aplica a los edificios que se proyectan con vistas aconseguir el máximo aprovechamiento energético, por ejemplo mediante ladisposición de las ventanas con orientación al sur para calentar en invierno y lainstalación de persianas con las que generar espacios de refrigeración enverano. Contribuye a tal finalidad la incorporación en los edificios de materialescerámicos para acumular calor en invierno y expulsarlo en verano. Las técnicasmodernas de edificación ofrecen una amplia variedad de procedimientos deoptimización energética con recursos naturales.

La energía solar térmica activa corresponde a la instalación deelementos materiales para la captación y acumulación de la radiación solar,con aplicaciones tan diversas como la obtención de agua caliente sanitaria ybienestar climático en el hogar o similares, y la producción para usosindustriales, entre los que se encuentra la generación de energía eléctrica.

El aprovechamiento de la energía solar para obtener agua calientesanitaria y servicios de climatización, implica la acción de tres procesos, queson los siguientes:

o Captación de la radiación solar mediante un colector para elevarla temperatura del fluido que circula por su interior.

o Acumulación del fluido calentado para su utilización en lostiempos requeridos. Por ejemplo para obtener agua caliente ycalefacción en las horas nocturnas.

o Incorporación de un medio de apoyo, generalmente alimentadocon energía eléctrica o gas, para mantener la temperaturarequerida del fluido acumulado ante una demanda superior a laproporcionada por el sistema solar.

Las instalaciones solares térmicas están basadas en la captación de laenergía solar para calentar el fluido que circula por su interior, tal como se haindicado anteriormente, clasificándose según la temperatura a la que serequiere elevar el fluido para su utilización:

o Energía solar térmica de baja temperatura.Son las instalaciones cuyo fluido no alcanza una temperatura superior a

90 ºC. Estas instalaciones se aplican para obtener agua caliente sanitaria,calefacción total o parcial, y la climatización de piscinas en los polideportivos ysimilares.



3

o Energía solar térmica de media temperaturaEstas instalaciones proporcionan fluidos térmicos con temperaturas

comprendidas entre 80ºC y 250 ºC. Se emplean en procesos industriales porejemplo, para la desalinización del agua del mar y para refrigeración.

o Energía solar térmica de alta temperatura.Son las instalaciones cuyo fluido alcanza una temperatura superior a

250 ºC. Corresponden estas instalaciones a las aplicaciones industriales degeneración de vapor para producción de electricidad o similares.

2.2. Energía solar térmica de baja temperatura.

Las instalaciones solares de baja temperatura son las que emplean laradiación del sol para obtener agua caliente con fines sanitarios y climatización.Estas instalaciones disponen de un colector solar como elemento activo deelevación de la temperatura del líquido que circula por él, siendo almacenadoen un acumulador térmico para utilizarlo en períodos diferentes a los de laconversión térmica, por ejemplo en las horas nocturnas. Además, puedenincorporar accesorios complementarios para llevar a cabo acciones de controlde la temperatura y de apoyo para cuando se necesite más energía térmica dela que puede suministrar el sistema por razones de tamaño o atmosféricas.

2.2.1. Clasificación de los sistemas de baja temperatura.

En función de su forma constructiva tenemos dos tipos de sistemas:o Circulación natural.o Circulación forzada.

2.2.1.1. Circulación natural

Corresponden estas instalaciones a las que el movimiento del líquidocaliente desde el colector solar hasta el sistema de almacenamiento de ACS,se produce por circulación natural o termosifón.

Tal efecto se origina como consecuencia de la diferencia de temperaturaentre el agua fría que entra al colector y el agua caliente de salida del colectorpor la acción de la radiación solar.

El agua calentada en el colector disminuye su densidad con latemperatura y, por tanto, también su peso, lo que hace que el agua fría demayor peso del sistema de acumulación, el cual se ubica a una altura superiora la del colector, baje, debido a la diferencia de altura existente, por elconducto de retorno que une la parte inferior del acumulador con la inferior delcolector. El agua fría que entra al colector desplaza el agua caliente delmismo, obligándola a ascender por el conducto superior. La figura siguientemuestra un detalle del proceso de circulación natural descrito.



4

Principio de la circulación natural

Se crea así un movimiento de agua desde el colector al acumulador quese mantiene mientras que exista diferencia de temperatura. Cuando se igualanlas temperaturas del agua del colector y acumulador cesa la circulación.Cuando se extrae agua para el consumo sanitario, la temperatura del agua deldepósito baja y con ello se reinicia la circulación.

En resumen, los factores que determinan la circulación del líquido por elproceso de termosifón son:

o La diferencia media de temperaturas entre la de salida del colector solary la de la parte inferior del acumulador.

o La diferencia de altura entre el acumulador y el colector solar. Laexperiencia demuestra que el acumulador debe de estar instalado comomínimo a 30 cm por encima del colector.

Éste es un sistema sencillo y por tanto económico, pero con limitacionesen sus prestaciones y con el inconveniente de tener que situar el acumuladoren el exterior, sobre el colector, tal como muestra la figura



5

2.2.1.2. Circulación forzada.

En las instalaciones denominadas de circulación forzada, el liquido transitapor los componentes descritos mediante la acción de una bomba eléctrica. Semejora así el desplazamiento del líquido y, sobre todo, permite este sistema ladisposición del acumulador de ACS en cualquier lugar que convenga y nonecesariamente sobre el colector solar. La figura muestra un detalle de laintroducción de la bomba de circulación en el circuito primario, esto es, en elcircuito correspondiente al colector y acumulador.

Los factores que determinan el dimensionado de la bomba de circulaciónson:

o Caudal del liquido en circulación.o Diferencia de altura entre el colector y el acumulador.o Separación entre colector y acumulador.

2.3. Componentes de las instalaciones solares térmicas.

Las instalaciones térmicas están diseñadas por cuatro grupos decomponentes:

o Sistema de captación de la energía solar y transferencia a un fluido quecircula por su interior (colector solar).

o Sistema de almacenamiento de ACS.o Sistema de transferencia térmica entre el fluido calentado (circuito

primario) y el ACS de servicio (circuito secundario).o Conjunto de complementos de circulación del fluido, control de

temperaturas, protección, sistema de apoyo para cuando el caudal deACS suministrado por el sistema es inferior a la demanda, etc.



6

A continuación describiremos las características de los elementos queconstituyen estas instalaciones.

2.3.1. Colector solar térmico.

El colector solar es el componente encargado de captar la energía solar yelevar con ello la temperatura de un fluido en circulación por su interior, el cualda lugar, después de un proceso externo, a la obtención de ACS o serviciossimilares.

Existen diversas formas de construcción de colectores solares, pero sepueden integrar en dos grupos, denominados:

o Paneles de concentración.o Paneles planos.

Los paneles de concentración, se emplean principalmente eninstalaciones de medias y altas temperaturas, los planos, exclusivamente parabajas temperaturas, y por tanto, con aplicación en ACS.

2.3.1.1 Paneles de concentración.

Los captadores de concentración están basados en un reflector de formacilíndrico-parabólica, por cuyo punto focal circula el fluido a calentar a través deun conducto metálico, generalmente de cobre.

Este sistema concentrador permite obtener una elevada temperatura delfluido, porque proyecta la energía sobre su punto focal, y por tanto sobre elfluido. El inconveniente es que sólo se aprovecha la radiación directa, no ladispersada por las nubes. En la figura se observa un detalle de tal colectorsolar, el cual puede adoptar otras configuraciones para el mismo propósito.



7

Colector solar de concentración cilíndrico-parabólica

La versión de este tipo de concentrador para aplicación en bajatemperatura, es el denominado Concentrador Parabólico Compuesto (CIPC),cuya disposición muestra la figura inferior.

Detalle de un concentrador CIPC



8

Su aspecto es similar al colector plano, que está compuesto por unacubierta de vidrio para obtener el efecto invernadero y protección. Sinembargo, su superficie de captación está formada por un conjunto depequeñas cavidades cilíndrico-parabólicas paralelas, por cuyos centros circulael fluido a través de conductos de cobre o vidrio al vacío. Con estos colectoresplanos concentradores se obtiene un elevado rendimiento.

2.3.1.2 Paneles planos.

A diferencia del colector de concentración, el de configuración plana estádestinado a bajas temperaturas, generalmente no superiores a 90 ºC. Este tipode colector aprovecha las radiaciones directas y las difusas. Es, en síntesis,una superficie negra expuesta a la radiación solar con un cierto ángulorespecto del movimiento del sol, con una cubierta transparente, en cuyo interiorestán dispuestos los elementos de absorción y los conductores por los quecircula el fluido a calentar. Son los más empleados en la obtención de ACS,por lo que haremos un estudio mas detallado del mismo.

Fotografía de un modelo de colector solar plano (CONERGY F 215H).



9

Los elementos que componen los paneles planos son:

o Cubierta.o Placa absorbedora / tubos.o Aislante.o Carcasa.

A continuación describiremos dichos elementos.

2.3.1.2.1. Cubierta del panel.

La cubierta es la superficie frontal o de incidencia de la luz solar delcolector. Su composición es vidrio templado o similar, con las condiciones detransparencia a la radiación externa y opacidad a las ondas largas que emite laplaca absorbedora interna. Obteniéndose así el efecto invernadero deseado.

Un efecto complementario de la cubierta es la protección de la placaabsorbedora de las inclemencias atmosféricas.

2.3.1.2.2. Placa absorbedora / tubos.

La placa absorbedora es el componente de captación o absorción de laenergía solar incidente sobre su superficie para elevar la temperatura del fluidoque circula por los conductos dispuestos en su cara interior. La placaabsorbedora esta compuesta por los siguientes elementos:

o Chapa metálica, que puede estar formada por cobre,cobre-aluminio o acero.

Puede incorporar así mismo una capa de cromo negro sobre níquel o similarconseguida mediante un tratamiento electroquímico para aumentar laabsorción que puede alcanzar un valor superior al 95%, lo que constituye unacaracterística diferenciadora. Los colectores planos con tal tratamiento recibenla denominación comercial de selectivos.



10

o Conductos o tubos de circulación, son los que reciben la energíatérmica, transmitida por la chapa frontal expuesta a la radiación.Estos adoptan dos configuraciones muy diferentes, que son lassiguientes:

o Red vertical de tubos. Corresponde a un sistema detubos dispuestos en vertical entre otros dos de mayordiámetro situados en horizontal denominadosdistribuidores, y que constituyen los terminales externos deentrada de agua fría por la parte inferior del colector y desalida de agua caliente por la superior. Tal configuraciónforma una parrilla, tal como muestra la figura .



11

o Serpentín. Otro modo de recoger la energía térmica de lachapa absorbedora es la disposición de un serpentín entreel terminal de entrada y el de salida del colector, tal comomuestra la figura.

Este tipo de conductos no suele ser empleado en los colectores solaresactuales.

Los diferentes conductos por los que circula el fluido del denominadocircuito primario están, de algún modo, fuertemente adheridos a la parteposterior de la placa absorbedora para limitar con ello las pérdidas térmicas, loque afecta de modo muy directo al rendimiento o eficacia del colector solar.

El indicado fluido es, en este tipo de instalaciones, agua de la red conaditivos en función de la climatología del lugar, aunque los más empleados sonlos anticongelantes y los anticorrosivos.

El pH del fluido a 20 ºC debe estar situado entre los valores 5 a 9 y elcontenido de sales se ajustará a la normativa vigente o a las especificacionesde los fabricantes de los paneles.



12

2.3.1.2.3. Aislante

La finalidad del aislante es reducir las pérdidas de calor a través de loslaterales y el fondo de la carcasa del colector. Es, por tanto, un componenteimportante de estos colectores.

Los materiales empleados para esta finalidad son:o Poliuretano.o Resina de melamina.

Estos materiales se colocan en la parte inferior y laterales de la placaabsorbedora, dejando una cámara de separación entre la placa y el aislantepara reducir las pérdidas térmicas.

Se suele adherir al sistema de aislamiento una lámina de aluminio paraque refleje la radiación emitida por la placa absorbedora y con ello reducir aúnmás las pérdidas de calor por la parte posterior del colector solar.

2.3.1.2.4. Carcasa.

La carcasa es la estructura que soporta todos los componentes del paneltérmico.

Está moldeada en aluminio o acero galvanizado, esta estructura llevaraincorporados los correspondientes orificios para su posterior fijación a lascubiertas, suelo o similar.

La carcasa está completamente sellada para asegurar la estanqueidad, loque es una condición imprescindible en un componente que se sitúa a laintemperie.

2.3.1.3. Parámetros característicos del colector térmico.

Los colectores térmicos se especifican mediante los siguientes parámetros:

o Parámetros referidos a la radiación solar incidente.

o Apertura, que corresponde a la superficie a través de la que laenergía solar es admitida.

o Área de apertura, que es la máxima proyección plana de lasuperficie del colector expuesta a la radiación.

o Fluido de transferencia, o de trabajo, que corresponde al líquidoencargado de recoger y transmitir en forma de incremento de latemperatura la energía captada. En algunos manuales técnicos, aeste fluido se le da la denominación calor-portante.



13

o Parámetros referidos a su rendimiento.

La capacidad de los colectores planos se determina por su curva deeficiencia o rendimiento (η), con la que se indica la proporción de luz incidenteque es transformada en calor en el conjunto placa absorbedora/tubos con elfluido de transferencia.

Tal curva representativa del rendimiento está definida a su vez por tresparámetros térmicos, que son los siguientes:

o Diferencia de temperaturas (ΔT). Define este parámetro ladiferencia de temperaturas entre la media de la del fluido quecircula por el interior del colector y la del ambiente.

Cuando la temperatura media del fluido es igual a la del exterior,el colector no presenta pérdidas de calor y, por tanto, alcanza elrendimiento máximo, que se indica como(η0).

o Coeficiente de pérdidas lineales (a0). Este parámetrorepresenta las pérdidas térmicas lineales del colector referidas ala superficie y a la diferencia de temperaturas. Se indican enW/m2 K.

o Coeficiente de pérdidas cuadráticas (a1). Las pérdidastérmicas de componente cuadrático, que se suman a lasanteriores, expresan en la curva el rendimiento definitivo, sinconsiderar las pérdidas lineales debidas a la radiación. Cuantomayor es la diferencia de temperaturas, mayor es la pérdida.

A continuación, vamos a obtener una expresión para el rendimiento delcolector.

Por una parte, la energía útil que se obtiene puede determinarsecalculando el calor que extrae el fluido con el calor específico en función delcaudal y de la diferencia de temperaturas de entrada y salida.

Así:

Qútil = 1,16 * m * Cp (Ts - Te)

donde:

Qútil = Energía en Wm = Caudal en m3

Cp = Calor específico en J/Kg ºC (energía para aumentar un grado latemperatura de un gramo del líquido).Ts = Temperatura de salida.Te = Temperatura de entrada.



14

Ante tales condiciones, el rendimiento del colector solar depende de laenergía útil y de la radiación solar.

Así:

η= Qútil / I * A

donde:

I = Intensidad de la radiación en W/m2.A = Área de captación en m2.

Tal energía útil puede calcularse igualmente como la diferencia entre laenergía que se capta y la que se pierde por los motivos ya indicados. Así, laenergía absorbida puede expresarse como:

Qabs = a * I * A

donde: a = Coeficiente de pérdidas.

Las pérdidas térmicas son proporcionales a la superficie del captador y a ladiferencia de temperatura del absorbedor (Te) con la del ambiente (Ta), por loque:

Qper = b (Te - Ta) * A

donde:

b = Coeficiente de pérdidas.

Y, finalmente, el rendimiento es:

Qútil Qabs - Qper (Te - Ta )η= ------------ = --------------------- = a – b ------------------

I * A I * A I



15

2.3.2. Intercambiadores de calor

Las instalaciones de ACS, pueden realizarse de dos formas diferentes:o Sistemas directos, cuando el fluido en circulación por el colector es

el fluido de utilización (ACS).o Sistemas indirectos, se dispone de dos circuitos diferenciados. Un

circuito primario, por el que circula el fluido del colector y un circuitosecundario por el que circula el fluido para el consumo (ACS).

Los sistemas directos, tienen escasa utilización porque supone que ellíquido en circulación es el agua de la red, la cual puede provocar en los con-ductos del colector incrustaciones calcáreas, deposición de suciedad y, sobretodo, porque impide la incorporación de sustancias anticongelantes yantioxidantes, lo que afecta seriamente al sistema durante las heladas en losinviernos.

Para solucionar estos problemas se utiliza el intercambiador de calorpara realizar la separación entre el fluido del colector y el agua para elconsumo humano. De este modo, el líquido del colector puede incorporarcuantos agentes protectores sean necesarios.

El dispositivo intercambiador es un sistema de transferencia térmicaentre los dos circuitos, el primario y el secundario, en el que se produce latransferencia sólo cuando existe un determinado gradiente de temperatura. Elliquido caliente procedente del colector solar es transferido térmicamente alcircuito de agua fría, produciéndose así el intercambio térmico, sin mezclaalguna de los líquidos de sus dos circuitos.

De forma esquematizada y simple, se puede considerar el intercambia-dor como la mostrada en la figura.



16

Se puede observar que este componente está compuesto por dos tubosconcéntricos, con sus correspondientes terminales de entrada y salida. Elsuperior es el destinado al circuito primario y por tanto el que recibe el fluidocaliente del colector solar, y el interior el del circuito secundario, por el quecircula el ACS de consumo.

Los materiales normalmente empleados son:o Cobre.o Acero inoxidable.

Un sistema más sofisticado es el intercambiador de placas, cuyofuncionamiento consiste en intercalar las placas primarias con las secundariaspara producir el intercambio de calor entre ellas.

Intercambiador térmico de Placas.

2.3.2.1. Características de los intercambiadores.

Su característica principal es la potencia térmica.

La potencia térmica está definida por:



17

Q = m * Cp ( Te – Ts)

Donde:

m = Caudal del fluido.Cp = Calor específico.Te = Temperatura del fluido de entrada.Ts = Temperatura del fluido de salida.

2.3.2.2. Clasificación de los intercambiadores.

La siguiente clasificación, esta realizada por la ubicación delintercambiador referida al acumulador.

o Intercambiadores externos.o Intercambiadores internos.

2.3.2.1. Intercambiadores externos.

El intercambiador se sitúa conforme muestra la figura, formando así los doscircuitos.

CircuitoPrimario

CircuitoSecundario



18

2.3.2.1. Intercambiadores internos, o integrados en el acumulador.

Una versión ampliamente extendida en las instalaciones indirectasdestinadas a obtener ACS, es con el acumulador que dispone deintercambiador térmico interno o incorporado. Un doble envolvente en eldepósito, o bien una horquilla en el interior, provocan el efecto de íntercambioentre el fluido caliente del circuito primario y el secundario destinado alconsumo.

Detalle de acumuladores con intercambiador térmico. Con doble depósito(izquierda), con serpentín (derecha)



19

Ejemplo de instalación indirecta con intercambiador térmico incorporado en elacumulador.



20

2.3.3. Acumuladores.

El acumulador de la energía térmica es un componente fundamental de lasinstalaciones porque es el que permite obtener servicio de ACS durante lashoras en las que el captador solar tiene poco o nulo rendimiento, por ejemplodurante las horas nocturnas.

Acumular agua caliente para su empleo en los momentos de demanda,constituye la base de este importante equipo, del que se pueden considerardos grupos:

Acumuladores de circuito abierto, los cuales son la expresión básicadel término, esto es, un depósito con capacidad para retener el aguacaliente mediante un grueso envolvente de acero, aislado del exteriorcon materiales aislantes específicos.Reciben el fluido desde el colector solar si el sistema de la instalación esdirecto, o desde el intercambiador de calor externo, si es del modoindirecto.Estos sencillos acumuladores pueden incorporar un calefactor eléctricodenominado de apoyo para calentar el agua interna cuando la demandaenergética es superior a la que proporciona la instalación solar. Untermostato permite efectuar medidas de la temperatura del agua yconectar el calefactor de apoyo sólo durante el tiempo necesario.

Interacumuladores. La unión en el mismo equipo físico de unintercambiador de calor y un acumulador da lugar al términointeracumulador, equipo éste que es el comúnmente utilizado en lasinstalaciones del tipo indirecto.Como el acumulador básico, el interacumulador puede incorporar uncalefactor o un segundo intercambiador de calor como medio de apoyoante la situación indicada en el punto anterior.

2.3.3.1. Elementos de los acumuladores.

o Depósito, destinado al almacenamiento del agua caliente. Suforma es cilíndrica, construido en acero inoxidable de algunosmilímetros de espesor, cuyo interior se puede vitrificar, o biendepositar una capa de esmalte con espesor de 100 a 200micras.

Éste puede a su vez contener un ánodo de magnesio paraproteger el acero de la acción oxidante surgida comoconsecuencia de los microporos en el revestimiento queprovoca el paso del tiempo.

o Resistencia de apoyo, es la encargada de mantener latemperatura del agua en aquellas condiciones que por debidoa la climatología no es posible calentar el fluido con energíasolar.

o Aislamiento. Capa de espuma rígida de poliuretano o similaren los depósitos de tamaño pequeño y medio, y poliuretano



21

flexible en los de gran volumen, la cual es empleada comoaislante recubriendo el equipo. Su espesor suele estarcomprendido entre 30 y 40 mm para los primeros y 60 a 70para los segundos.

o Carcasa o recubrimiento. Corresponde a la estructura delequipo, en la que están dispuestos los componentes desujeción. Tal carcasa es de acero galvanizado revestidoelectroquímicamente y cocido al horno, o soluciones similares.

o Protección, consiste fundamentalmente en la incorporaciónde una válvula de seguridad para limitar la presión del interiordel depósito al valor máximo especificado por el fabricante,evacuando el agua del interior cuando la presión alcanzavalores superiores a su tarado y restaurando así la presión enel conjunto de la instalación.

2.3.3.2. Especificaciones técnicas.

En cuanto a las especificaciones principales de conjunto, éstas son:

o Capacidad de ACS en litros.

o Temperatura máxima del depósito en grados.

o Presión máxima del depósito en bar.

o Peso en vacío.

o Potencia eléctrica de la resistencia calefactora.



22

Modelo comercial de acumulador (Chromagen).

1. Superficie externa

2. Aislamiento

3. Salida agua fría al colector

4. Superficie interna

5. Entrada de agua fría de la red

6. Elemento eléctrico de

7. Cátodo anti-óxido

8. Termostato

9. Entrada de agua caliente del colector

10. Salida de agua caliente para consumo

Características:

• Conexiones : en rosca de 3/4".• Temperatura máxima de uso : 60'C• Temperatura límite funcional: 120'C• Presión de prueba: 14 bar• Presión de trabajo: 6 bar



23

2.3.3.3. Tipos de acumuladores.

2.3.3.3.1. Acumuladores de circuito abierto

Éste es un dispositivo para almacenar energía térmica que no dispone deintercambiador de calor por no requerirlo la instalación, o bien porque estádispuesto en el exterior. La figura siguiente muestra algunos detallesconstructivos de un modelo comercial, en el que se pueden observar lasconexiones de entrada y salida.

Este equipo puede incorporar el indicado calefactor eléctrico compuestopor una resistencia como medio de apoyo cuando la demanda de ACS esinferior a la producción. La figura muestra un detalle de este acumulador.

Acumulador abierto (VITREX)



24

2.3.3.3.2. Acumuladores con intercambiador.

En este equipo, cuya denominación generalizada es interacumulador porla incorporación de, al menos, un intercambiador de calor, se puedenconsiderar dos versiones, que son:

a) Intercambiador simple. Corresponde este procedimiento a una versióncomercial de acumulador en el que se le ha introducido un medio deintercambio térmico entre el fluido en circulación procedente del colector solar yel ACS de consumo. Tal intercambio se puede llevar a cabo de dos modosdiferentes, que son:

Intercambiador de serpentín para el circuito primario. Intercambiador mediante doble pared o equivalente.

b) Intercambio doble. El acumulador puede contener dos intercambiadores decalor de la versión con serpentín para utilizar uno como intercambiador básicoentre el fluido del colector solar y el ACS y el otro para el sistema de apoyo,cuya energía térmica puede proceder de un calentador auxiliar. La figurasiguiente muestra un detalle de este acumulador.

Detalle de un interacumulador de doble serpentín.



25

Como en la versión anterior, este acumulador puede incorporar laresistencia eléctrica de tipo horquilla como otro medio de calentamientoauxiliar.

En cuanto a sus especificaciones, se añaden a las de la versiónde circuito abierto las relativas a los intercambiadores de serpentín, queson las siguientes:

Volumen de intercambio del serpentín superior, en m3. Volumen de intercambio del serpentín inferior, en m3.

2.3.4. Circuito hidráulico.

En los sistemas con circulación forzada es preciso intercalar entre elcaptador solar y el sistema acumulador un medio de bombeo controlado delfluido del circuito primario, denominado sistema hidráulico. Este sistema estácompuesto por los siguientes elementos:

Bomba de circulación. Tuberías. Vaso de expansión. Válvulas y accesorios de protección y control.

Las ventajas de los equipos de circulación forzada con respecto a los determosifón, que permiten situar el acumulador por debajo del captador solar,implica la introducción en el circuito primario de una bomba que hace circular elfluido caliente entre los sistemas de captación y acumulación.

Las variaciones de temperatura del fluido dan lugar a variaciones devolumen y con ello de presión, lo cual puede afectar al buen funcionamiento dela instalación. Tal situación se compensa introduciendo en el circuito hidráulicoel denominado vaso de expansión, en el cual una membrana o similarmantiene la presión dentro de los valores previstos.

El circuito hidráulico de la instalación solar se completa con un conjuntode válvulas de vaciado, llenado, antirretorno, etc., y por sensores detemperatura con los que dar información a un regulador de temperatura osimilar para controlar el arranque y la parada de la bomba de circulación enfunción de las temperaturas existentes entre el colector solar y en elacumulador.

En la figura siguiente se muestra un circuito hidráulico y su disposiciónen una instalación.



26



27

2.3.4.1. Bomba de circulación.

Corresponde este componente a una bomba electromecánica de línea,de rotor o de bancada, cuya función es la que hacer circular el fluido térmicodesde el colector al acumulador manteniendo un determinado caudal, a unadeterminada altura de impulsión.

Se alimenta con energía eléctrica y puede estar controlado por unequipo electrónico de control y medida de las temperaturas del colector solar ydel acumulador. En las figuras siguientes podemos ver un detalle de estecomponente de forma aislada y su esquema de conexionado.

Los parámetros característicos son:

Potencia consumida, en W. Tensión de alimentación, en V. Altura de elevación mínima, en hPa. Caudal, en m3/h. Conectores para los tubos, en mm o pulgadas.



28

Esquema de conexionado:

Para aplicaciones en ACS, la bomba utilizada deberá ser resistente a lacorrosión, sus materiales constructivos compatibles con el fluido en circulación(que puede contener productos anticongelantes y similares) y resistentes a lasagresiones calizas.

En su elección para una determinada instalación intervienen factorestales como la presión del fluido en circulación, el caudal necesario y laspérdidas de carga, que deben tender al mínimo valor. Deberá permitirasimismo de modo fácil la operación de purga.



29

2.3.4.2.Tuberías

Las tuberías de las instalaciones térmicas deben ser elegidas teniendoen cuenta factores físicos tales como el caudal y la presión máxima admisibles,de tipo aislamiento para obtener las mínimas pérdidas térmicas, de protecciónante los agentes contenidos en el agua en circulación, e higiénicos si lainstalación es de tipo directo, en el que el fluido del colector solar es el utilizadocomo ACS.

Para instalaciones de ACS se emplean tuberías de cobre, acero o dematerial plástico capaz de soportar la temperatura máxima del fluido, con unrecubrimiento aislante para limitar las pérdidas térmicas. Sus uniones estaránroscadas, soldadas o embridadas y su superficie externa tendrá una capa depintura para protección anticorrosiva.

Los conductores de metal serán de acero inoxidable o cobre en todo eltrayecto para las instalaciones del tipo directo, en las que el fluido encirculación es el ACS de consumo y podrán ser de acero negro o galvanizado,cuyo coste es inferior, sólo en el trayecto del circuito primario de lasinstalaciones indirectas, en las que el intercambiador de calor,independientemente de su ubicación, separa el fluido del colector solar delagua caliente sanitaria.

Si bien los tubos metálicos son los más empleados, podrá recurrirsetambién a los de PVC si están certificados para tal aplicación.

Es aconsejable dimensionar el sistema de tuberías para que la pérdidade carga unitaria no supere el valor de 40 mm de columna de agua por metrolineal.

2.3.4.3. Vaso de expansión.

Las variaciones de temperatura del fluido del circuito primario dan lugaral cambio de su volumen y, por tanto, al de la presión, lo que puede dificultar lacirculación.

Para mantener constante la presión se procede a instalar en el circuitoprimario el componente denominado vaso de expansión, cuya finalidad esabsorber la indicada dilatación. Tal vaso puede tener dos formas constructivas,que son:

Vaso de expansión abierto. Este sistema consiste en un recipiente ovaso abierto instalado en una posición más elevada que la del fluido encirculación para absorber la expansión por la presión que ejerce sobreése. El volumen útil del vaso se fija para que sea capaz de absorber laexpansión entre las temperaturas externas. La figura siguiente muestrasu disposición e instalación básica.



30

Vaso de expansión abierto. Instalación.

Los cambios de densidad como consecuencia de la temperatura danlugar a la variación de la masa del líquido del vaso, lo que permiteabsorberlos. Complementariamente, este sistema se puede emplearpara alimentación del circuito y para purga.

Para el rellenado, dispondrá este dispositivo de una línea de alimen-tación automática mediante un sistema de flotador o sistema similar ydispondrá así mismo de una salida de rebosamiento, cuyo diámetrodebe ser igual o mayor que el de la de entrada de rellenado.

Vaso de expansión cerrado. Este sistema absorbedor de los cambiosde presión como consecuencia de los de la temperatura está basado enuna almohadilla o membrana de presión dispuesta en un depósitocerrado, tal como muestra la figura siguiente.



31

Vaso de expansión cerrado. Instalación.

El espacio inferior es el ocupado por el fluido, cuya densidad puedecambiar como consecuencia de los incrementos de temperatura, talcomo se ha indicado, situación que es absorbida por la membrana, y elespacio de expansión está ocupado por aire o nitrógeno y tiene dis-puesta una válvula de seguridad para limitar la presión al valorespecificado por el fabricante.

Las especificaciones básicas de este componente son las presiones deprecarga y servicio y las dimensionales.

2.3.5. Elementos de control hidráulico.

2.3.5.1. Válvulas.

El sistema hidráulico, en toda su extensión, requiere un conjunto deválvulas de control para finalidades tan diversas como el purgado para eliminarel aire prisionero, el llenado y vaciado del fluido, el antirretorno en el circuitoprimario, etc.

El Organismo IDAE (España), en su Pliego de Condiciones Técnicas deInstalaciones de Baja Temperatura de 2002, recomienda el empleo de lossiguientes tipos de válvulas en razón a su aplicación:

APLICACIÓN TIPOS DE VÁLVULAAislamiento, vaciado, llenado y purga Válvula de esfera

Equilibrado de circuitos Válvula de asientoSeguridad Válvula de resorteRetención Válvula de disco de doble compuerta



32

Así mismo, recomienda observar las siguientes condiciones de lasválvulas y su relación con el circuito hidráulico:

1. El acabado de las superficies de asiento y obturador deben asegurar laestanqueidad al cierre de las válvulas para sus condiciones de empleo. Asímismo, tales superficies deben ser recambiables.

2. El volante y la palanca deben tener unas dimensiones que permitan el cierrey la apertura con comodidad, sin medios auxiliares.

3. El cuerpo de las válvulas tendrá indicación de su presión nominal en bar okp/cm2 , así como su diámetro en mm o pulgadas, al menos cuando sea de 25mm.

4. La presión nominal mínima de todos los tipos de válvulas y accesorios debeser igual o mayor de 4 Kg/ cm2.

5. Las válvulas de seguridad deben ser capaces de derivar la potencia máximadel captador solar, incluso en forma de vapor para que, en ningún caso, sesobrepase su valor nominal de trabajo.

6. Las válvulas de retención se situarán en las tuberías de impulsión de labomba.

7. Los purgadores automáticos tendrán la siguiente construcción: cuerpo y tapade fundición de hierro o latón, mecanismo, flotador y asiento de aceroinoxidable y obturador de goma sintética.



33

Las válvulas normalmente empleadas son:

Válvula de purga. Válvula empleada para extraer el aire prisionero de laconducción del fluido. Se sitúa en lugares altos de la instalación, porejemplo en la salida del agua caliente del colector solar. Este dispositivopuede ser de acción manual o automática, como el mostrado en lafigura.

Detalle de un purgador automático

Válvulas de vaciado y llenado. Válvulas empleadas para llenar y vaciarel fluido del circuito.

Válvulas de cierre. Válvula tipo esfera o similar empleada para cortar elfluido en la entrada y salida de subsistemas, aislándolo así durante lasoperaciones de mantenimiento y reparación.

Válvulas antirretorno o retención. Válvula de disco o similar empleadapara evitar el retorno del fluido cuando la temperatura del agua delacumulador es superior a la del colector, por ejemplo en las horasnocturnas de bajas temperaturas.



34

La figura muestra las arquitectura básicas de las válvulas antirretorno dedisco y bola.

Configuración básica de las válvulas antirretorno.De disco (izquierda) y de bola (derecha)



35

2.3.5.2. Sistemas de control de temperatura

Las instalaciones con procedimiento de circulación forzada, puedenincorporar un sistema de control denominado comúnmente central deregulación, para gobernar el arranque/parada y la velocidad de la bombaintercalada en el circuito primario en función de la diferencia de temperaturasentre la salida del colector solar y la del acumulador. Dos sensores detemperatura dispuestos en los conductos de los componentes indicados, dan lanecesaria información a la unidad de control para tal finalidad. La figura.muestra un detalle de la incorporación de la central de regulación en unainstalación del tipo indicado.

Instalación controlada por una central de regulación



37

Las funciones asignadas a este importante componente de lasinstalaciones de circulación forzada son:

Controlar los estados de arranque/parada y la velocidad de labomba de circulación del circuito primario en función de undiferencial de temperatura de valor preestablecido entre la desalida del colector solar y la del acumulador. Consecuentemente,también se puede limitar la temperatura máxima a alcanzar por ellíquido del depósito de ACS.

Activar el sistema auxiliar de apoyo cuando la instalación solar nopueda aportar la energía térmica demandada.

Los sensores de temperatura empleados son generalmente termopares detipo PT1000 o similar, con recubrimiento de platino para inmersión en el líquidoa través de una vaina, que proporcionan una tensión de nivel dependiente dela temperatura. Se conectan a la central de regulación a través de cablesseparados de los de la red, idealmente apantallados, dado el reducido nivel detensión que proporcionan los sensores, cuyo valor está situado en el rango delos milivoltios.

Los termopares están basados en el efecto que descubrió Seebeck en1821, el cual consiste en la circulación de una corriente eléctrica en el circuitoformado por dos metales diferentes, cuyas uniones se mantienen a diferentestemperaturas.

Tal circulación de corriente en las condiciones indicadas es como conse-cuencia a su vez de la combinación de dos efectos termoeléctricos, el Pertier,que provoca la liberación o absorción de calor en la unión de los dos metales alcircular corriente eléctrica, y el de Thorrison, que libera o absorbe cuandocircula corriente a través de un metal homogéneo en el que existe un gradientede temperatura. La denominación PT-XXX de estos sensores de ampliautilización está justificada por las iniciales de los dos físicos.

El sensor del principio indicado está por tanto formado por un termopar decobre-constatan, cromo-constatan, hierro-constatan u otros compuestosinmerso en una cápsula protectora con elementos de fijación, en la que estándispuestas las dos conexiones eléctricas de salida.

2.3.5.3. Instrumentos de medida.

Independientemente de la incorporación de la central de regulación, lainstalación puede disponer de termómetros en los puntos del recorrido en losque se considere necesario ver el valor de la temperatura existente a efectosde control manual.



38

El mercado dispone de una amplia variedad de instrumentos de medida dela temperatura para inmersión con vaina, que es el tipo más empleado, decapilar, para tuberías y otros, y manómetros de los mismos tipos para lamedida de la presión del fluido. La figura siguiente muestra algunos modeloscomerciales de esfera.

Instrumentos de esfera

Con respecto a los rangos aconsejables de tales instrumentos, éstos son:

Termómetro 0 a 120 ºC máximo (existen escalas 0-60, 0-80 y 0-120) paramedir la temperatura del colector y del acumulador.

Manómetro 0-6 Kg/cm2 máximo para medir la presión del circuito cerrado ycomprobar con ello el llenado y el funcionamiento del sistema de expansión.



39

2.4. Aspectos fundamentales de seguridad e higiene en lasinstalaciones.

En el diseño e instalación de sistemas solares para la obtención de ACS osimilar, es de tener en cuenta dos aspectos de suma importancia como son laseguridad de las personas y de los materiales y la higiene, especialmente en lorelativo a la prevención de la legionelosis.

La temperatura alcanzada por los materiales por los que transitan líquidospuede provocar quemaduras en la piel humana, por lo que es preciso introduciren las instalaciones solares elementos de control y señalización en prevenciónde accidentes. Así mismo, la presión del líquido en condiciones de altatemperatura durante la etapa estival y ante poco o nulo consumo de ACS,puede alcanzar valores que pongan en peligro los materiales, salvo que estéprevista esa circunstancia. El diseño de las instalaciones, en resumen, debegarantizar que no se exceda la temperatura máxima de ninguno de loscomponentes empleados y que estén previstas medidas adecuadas paraprevenir la legionelosis.

Recomendaciones de seguridad.

La seguridad debe estar implícita en el diseño e instalación de todos lossistemas térmicos. Sin embargo, su obligatoriedad y alcance deben extraersede las Normas que dictan los Organismos competentes de cada zona y país.Por ejemplo, en España, el Organismo IDAE tiene recogidas suficientementelas recomendaciones a tener en cuenta en las instalaciones en su documentoPliego de Condiciones Técnicas de Instalaciones de Baja Temperatura.

Algunas recomendaciones generales son:

Se instalarán válvulas de corte en la entrada y en la salida de lossubsistemas para aislarlos durante las tareas de mantenimiento.

Se introducirán medios de prevención de heladas, por ejemplomediante productos anticongelantes en el líquido del colectorsolar.

Se instalarán medios de protección contra sobrecalentamientospor altas temperaturas del ambiente y por reducido o nuloconsumo de agua. Se podrán disponer sistemas de drenajesuficientemente aislados o señalizados para que el agua calienteo calor que se desprenda por tal circunstancia no alcance a laspersonas.

Si la temperatura del agua en los puntos de consumo se prevéque pueda alcanzar temperaturas de 600 o valor superior, seinstalarán válvulas mezcladoras con agua fría, para evitar asíquemaduras.



40

2.4.2. Prevención de la legionelosis.

La legionelosis es una enfermedad bacteriana de origen ambiental quepresenta diferentes formas clínicas, tales como la infección pulmonar y elsíndrome febril agudo. Su infección puede ser adquirida en el ámbitocomunitario, entre otros. La legionela es una bacteria ambiental capaz desobrevivir en un rango de temperaturas de 20-45 ºC, y de mantenerse latente atemperaturas inferiores. A la temperatura de 35-37 ºC se produce su máximamultiplicación y por tanto el máximo riesgo, y a 70 ºC muere.

Se encuentra en aguas superficiales formando parte de su flora bac-teriana, desde las que puede alcanzar y colonizar los sistemas de abas-tecimiento de agua y, a través de la red de distribución, incorporarse a lossistemas de agua sanitaria fría o caliente.

Si en las instalaciones de ACS, por defectos o inadecuada conservación,se produce estancamiento de agua y la acumulación de productos nutrientespara la bacteria, tales como Iodos, materia orgánica, materia de corrosión, etc.,a una temperatura adecuada, se produce su multiplicación, con los indicadosefectos para la salud humana.

Para la prevención de la legionelosis se han publicado múltiples docu-mentos recomendando o exigiendo, dependiendo de los casos, la limpiezaperiódica de las zonas sucias en las instalaciones y evitar con ello cualquiercondición que favorezca la supervivencia y multiplicación de la bacteria,recurriendo para ello al control de la temperatura del agua y a su desinfeccióncontinua.

La Organización Mundial de la Salud (OMS) de forma general y losOrganismos nacionales en particular, han dictado normas de obligadocumplimiento para aplicar a las instalaciones de ACS. Por ejemplo, en España,el Real Decreto 901/2001 de 27 de julio y su ampliación, el Real Decreto865/2003 de 4 de julio, establecen los criterios higiénico-sanitarios para laprevención y el control de la legionelosis en las instalaciones de suministro deagua sanitaria caliente o fría.



41

2.5. Dimensionado de las instalaciones.

Las instalaciones solares térmicas pueden adoptar una gran diversidadde configuraciones para adaptarse a las distintas aplicaciones. Así, podemosproyectar desde una instalación simple basada en un procedimiento determosifón con la que proporcionar el servicio de ACS a una vivienda rural ourbana de reducido tamaño, hasta una instalación de tamaño grande, como larequerida por complejos hoteleros, edificios industriales o comerciales, etc.

El mercado para las instalaciones de reducido tamaño destinadas a lasviviendas unifamiliares está muy desarrollado, y la ayuda que aportan a losinstaladores las empresas fabricantes y suministradoras, así como losorganismos de fomento de las energías renovables, es muy considerable.

Podemos encontrar un gran número de ejemplos en los que talesempresas y organismos muestran instalaciones de este tipo con datosestadísticos del rendimiento a obtener o, con dimensionado básico en funcióndel lugar (latitud), del número de habitantes de la vivienda y de sus hábitos deconsumo.

También podemos encontrar una gran diversidad de sencillosprogramas informáticos gratuitos o de muy bajo coste para facilitar eldimensionado del panel solar (m2) y del volumen del acumulador (m3) enfunción de las variables citadas.

Sin embargo, las instalaciones de tamaño medio y grande requieren unestudio complejo para conseguir un buen rendimiento energético y,generalmente, un programa informático para dimensionar los citadoscomponentes y simular con anterioridad el rendimiento energético del conjunto.

En los siguientes apartados se describen consideraciones yprocedimientos de tal dimensionado, los cuales han sido tomados de unconjunto de recomendaciones técnicas de fabricantes de componentes y deorganismos de regulación y promoción de las energías renovables.

2.5.1. Consideraciones previas.

El proyecto de instalación de un sistema de energía térmica paraobtener ACS, climatización o similar, implica atender un conjunto deconsideraciones previas de índole práctico para cumplir con dos objetivosprimordiales:

Conseguir la máxima integración de sus componentes externosen el entorno arquitectónico y,

Conseguir el máximo rendimiento energético.

Como la complejidad del dimensionado es variable, en función deltamaño de cada instalación, deberemos tener en cuenta las consideracionesque se citan a continuación según el tipo de proyecto.



42

Idealmente, los paneles se orientarán al Sur en el hemisferio Norte oboreal y al Norte en el hemisferio Sur o austral.

No obstante, es poco probable que se pueda conseguirsiempre tal objetivo, ya que es preciso tener en cuentarazones de integración arquitectónica, que pueden darlugar a una cierta desviación y con ello a pérdidas deenergía, cuyo valor es preciso calcular. Para ello, pudenutilizarse diversos programas informáticos.

Algunos organismos cifran la subvención económica queofrecen por tales instalaciones al grado de cumplimientode las exigencias de integración en el entorno.

Si se prevé incorporar filas de paneles térmicos, se tendráen cuenta que éstos entre sí no se proyecten sombra.

Determinar el tipo de paneles solares a emplear y su emplazamientomás adecuado con criterios de integración y de rendimiento.

Los paneles, con sus múltiples accesorios de fijacióndisponibles, pueden situarse sobre cubiertas, en terrazas,en fachadas, etc., lo que da una gran facilidad al instaladorpara cumplir con los objetivos citados anteriormente.

Sin embargo, hay que adoptar una solución decompromiso con la distancia que separa el panel solar delacumulador, ya que las pérdidas energéticas sonproporcionales a la longitud de las tuberías que las unen.

Determinar si la instalación es del tipo centralizado, individual y el mediode apoyo a emplear, si ése es necesario.

Determinar si la instalación es de tipo estacional o permanente, lo queafecta, obviamente, al dimensionado.

Si es estacional, por ejemplo para los meses estivales, consistema de apoyo durante el resto del año, sudimensionado es considerablemente más reducido que sies permanente. En este último caso se requieresobredimensionar y por tanto tener energía excedente enel verano.

o Prever accesos fáciles a todos los componentes del sistema parafacilitar las tareas de mantenimiento y, especialmente, para lasrevisiones tendentes a evitar la legionelosis.

o Disponer medios de seguridad y señalización en las tuberías por lasque transite el fluido caliente y similares.

o Observar el cumplimiento de la normativa vigente.



43

o Obtener datos de la climatología del lugar (de la latitud correspondienteal emplazamiento de la instalación) a lo largo del año.

Si el empleo previsto para la instalación es solo estacional,se tomarán los correspondientes a la media de los mesesde ese período, y si es permanente los del mes másdesfavorable.

No obstante, se pueden presentar soluciones intermediaspara no sobredimensionar la instalación durante los mesesde máxima irradiación, como son la incorporación desistemas de apoyo durante los meses de invierno. Talessistemas de apoyo pueden estar basados, tal como se haindicado anteriormente, en la incorporación de uncalefactor eléctrico en el acumulador o en la utilización deuna caldera auxiliar con gas o similar.

o Obtener datos sobre los hábitos de consumo de ACS de los usuarios yde su número.

Con los datos y criterios indicados, se procederá al cálculo deldimensionado necesario de la superficie de captación solar (m2) y de la delvolumen de acumulación de agua (m3) para el período previsto, que puede serde un día o más.

2.5.2. Cálculo de la demanda de energía Q (kWh).

Satisfacer la demanda de energía en forma de ACS o similar implicaobtener los siguientes datos:

Previsión del consumo total de ACS en el período especificado,generalmente un día.

Temperatura deseada del ACS, generalmente 45 ºC.

Temperatura media en el período especificado (estacional opermanente) del agua fría que entra al sistema, valor éste quedebe ser consultado.

Luego, la demanda externa de energía Q en kWh, en las condiciones detemperatura del ACS de 45 ºC y período de un día es:

Q = M • ρ •Cp (Tcal - Tfría)donde:

M = Consumo total de ACS en l/día.ρ = Densidad del líquido en Kg/l, que corresponde a: Agua = aprox. 1 Kg/l. Agua con anticongelante = aprox. 1,06 Kg/l.



44

Cp = Calor especifico del agua en kWh/Kg ºC (1,16 x 10-3 kWh/Kg ºC)Tcal = Temperatura del agua caliente de servicio (ACS), en ºC.Tfría = Temperatura del agua fría de suministro, en ºC.

De tal cálculo se obtiene la energía necesaria, en kWh, que debe sertransferida al sistema.

Sin embargo, no toda la energía se aprovecha. Desde el captador solarhasta los terminales del suministro de ACS se producen pérdidas cuyo valorpuede ser del 50% o más. En general se toma el rendimiento η del sistema como 0,5.

2.5.3. Cálculo de la superficie de captación y del volumen del acumulador.

Un aspecto de consideración en el dimensionado de las instalacionessolares es asignarles la Fracción Solar (FS) deseada.

Tal índice, que también es denominado cobertura solar, corresponde alcociente entre la energía obtenida y la demandada. Así:

EútilFS = ———— •100

L

donde:

Eútil = Energía solar transferida al sistema.L = Consumo.

Por razones obvias, la energía captada depende del mes considerado,lo que implica que el valor de FS está situado entre límites, salvo una soluciónde sobredimensionado.

En las realizaciones prácticas, por razones de economía, se asigna unvalor menor que la unidad para FS y se recurre a un sistema de apoyo durantelos meses más desfavorables, con lo que:

EútilFS = ————— = 1

L + Eaux

donde:

Eaux = Energía de apoyo, que valeEaux = L - Eútil



45

Y que corresponde a la energía complementaria a aplicar durante losmeses fijados.

La superficie de captación necesaria para cubrir las necesidadesenergéticas de ACS se calculará de acuerdo con la expresión:

FS • QS = ——————

η • Qútil

siendo,

FS = Fracción Solar prevista.Q= Demanda de energía externa necesaria, en kWh.Qútil= Radiación media diaria, en kWh/m2.η = Rendimiento de la instalación.

Veamos a continuación un ejemplo de cálculo de la superficie de captaciónS:

Consideremos una instalación para la producción de a.c.s. con lassiguientes condiciones:

Radiación media diaria en invierno 2,70 KWh/m2.Radiación media diaria en verano 6,50 KWh/m2.Temperatura del agua de suministro en invierno 6,5 ºC.Temperatura del agua de suministro en verano 13,2 ºCTemperatura prevista del ACS 45 ºCConsumo total diario de ACS 200 lOrientación SurInclinación 30 ºFracción solar en invierno 0,35Fracción solar en verano 0,85

En tales condiciones, la demanda de energía durante el invierno es de:

Q = 200 x 1 (1,116 x 10-3) x (45 - 6,5) = 8,93 KWh

Y durante el verano:

Q = 200 x 1 (1,116 x 10-3) x (45 - 13,2) = 7,37 KWh



46

Luego, con los valores de FS previstos, y considerando que lainstalación en su conjunto tiene un rendimiento de 0,5, la superficie de cap-tación S necesaria en cada período es:

En invierno:

FSmin • QS = ——————

η• Qútil

0,35 • 8,93S = —————— = 2,315 m2

0,5 • 2,7

En verano:

FSmax • QS = ——————

η• Qútil

0,85 • 7,37S = —————— = 1,927 m2

0,5 • 6,5

Se formará el valor superior más próximo de los colectores solarescomerciales disponibles.

En cuanto al volumen del acumulador V, se recomienda quecorresponda a valores comprendidos entre el 60% y el 100% de la carga diaria.

Así:0,6 = V / M = 1

donde:

V = Volumen del acumulador, en m3.M = Carga diaria, o consumo ACS, en l/día.

Naturalmente, tal condición podrá cambiar por razones del servicio deACS, cuyo consumo puede ser puntual (por ejemplo las duchas de un centrodeportivo), o bien requerir más autonomía.



47

2.5.4. Cálculo de otros componentes.

Otros componentes que requieren cálculo son los siguientes:

Intercambiador externo. Su característica principal dedimensionado es su potencia térmica, expresada en vatios.

Se recomienda que cumpla la siguiente condición:

P (W) = 600 x A

donde:

A = Área de captación en m2

Tuberías. Su diámetro depende del caudal en circulación, el cualse obtiene de la siguiente expresión:

D = N • C0,35

donde

N = Constante que depende del material de la tubería(para el cobre N = 2,2)

C = Caudal en m3/h.

El valor del caudal está reflejado generalmente en las especificacionestécnicas de los colectores solares, siendo el más típico de 2,2 litros/minuto.

Si la instalación incorpora diversos paneles conectados en paralelo, talvalor debe ser multiplicado por el número de paneles que intervengan.

En resumen, el diámetro requerido debe hacer que se cumplan lassiguientes condiciones técnicas:

La pérdida de carga por metro lineal no debe ser superior a 40mmca (milímetros de columna de agua).

La velocidad del líquido no debe ser superior a 1,5 m/s.



48

Bomba de circulación. Su elección está determinada por elcaudal que debe desplazar.

Vaso de expansión. Este componente tiene como funciónmantener la presión en el circuito primario.

El volumen requerido para un vaso de expansión cerrado es:

V = VT (0,2 + 0,01 H)

donde:

V = Capacidad del vaso.VT = Capacidad total del circuito primario.

H = Diferencia de altura entre el punto más alto del panel solar y el vaso.

Para realizar dicho cálculo es necesario conocer el volumen del líquidodel circuito primario VT, el cual corresponde a la suma del contenido en lossiguientes componentes:

Volumen contenido en el panel solar.

Volumen contenido en la totalidad de las tuberías del circuitoprimario.

Volumen contenido en el intercambiador (interno o externo).



49

2.5.5. Software de simulación para el dimensionado de instalacionessolares térmicas.

Las instalaciones solares de tipo medio y grande requieren undimensionado más preciso que el presentado en el apartado anterior, en el queno se ha calculado el rendimiento energético del conjunto. La asignación del50% es un valor estimado que se da por aceptable en ese tipo deinstalaciones, las cuales, por otra parte, son mayoría.

El cálculo del rendimiento, para el que se precisan datos decomportamiento de todos los componentes, es complejo. La pérdida de carga,las condiciones de aislamiento de las tuberías, las pérdidas de orientación noóptima y por desviación norte-sur, etc., requieren la utilización de un softwareespecífico, al que se le introducen las variables correspondientes y efectúanlos cálculos necesarios mediante su base de datos climatológicos de todos losmeses.

Así, a modo de ejemplo, considérense los datos a introducir en el cuadrocorrespondiente de un software para tal fin:

Latitud.

Inclinación,

Orientación.

Desviación Norte-Sur.

Número de usuarios.

Demanda de ACS en l/día.

Temperatura del agua fría.

Temperatura del agua caliente.

FS previsto.

Como respuesta, el sistema informático da la demanda energética anual oestacional necesaria, el tamaño del acumulador, la superficie colectora que espreciso instalar, etc.

También es posible emplear el software para simular el comportamientoenergético de unos componentes, partiendo de sus especificaciones técnicas.



50

En una buena parte de los Pliegos de Condiciones Técnicas de losOrganismos oficiales, se hace referencia al método de cálculo f-Chart, quecorresponde a un procedimiento de cálculo ideado por William A. Beckman,Sanford A. Klein y John A. Duffie basado en correlaciones obtenidas porexperimentación. Es fácil de utilizar y facilita datos anuales fiables. El resultadobásico del sistema es la obtención de la fracción solar FS, con la que calcularel resto.

Pantalla del software de simulación F-CHART.



51

Otros programas informáticos como los denominados CENSOL yTRANSOL son de fácil manejo y con abundancia de datos acumulados parafacilitar los cálculos a partir de la introducción de las variables.

Pantalla del software de cálculo CENSOL.



52

Pantalla del software de cálculo TRANSOL.

Documents

CEFIRE SAGUNT ENERGIAS RENOVABLES INDICE: 2. … · El aprovechamiento de la radiación solar para aplicaciones termicas, da ... Las instalaciones solares de baja temperatura son