Sistemas solares térmicos - bibing.us.esbibing.us.es/proyectos/abreproy/5198/fichero/1.+Sistemas+solares... · Comparación de herramientas de cálculo para instalaciones de agua

1.

Sistemas solares térmicos

Comparación de herramientas de cálculo para instalaciones de agua caliente sanitaria mediante energía solar Proyecto Fin de Carrera Francisco Castellano Ruz

13

1. SISTEMAS SOLARES TÉRMICOS

Los sistemas solares de agua caliente sanitaria (ACS), son instalaciones cuyo fin es aprovechar la energía solar para producir agua caliente. Es decir, se busca que la energía térmica que hay que aportar al sistema se realice mediante un recurso infinito, gratuito y limpio sustituyendo recursos agotables y contaminantes como son los recursos fósiles (gas natural, GLP, carbón, etc). El esquema básico de una instalación solar térmica de estas características es:

Figura 1.1. Instalación de circulación forzada

Figura 1.2. Instalación de circulación por termosifón

La figura 1 corresponde a un sistema de circulación forzada y la figura 2 a un sistema de circulación por termosifón. Estos son los sistemas más típicos para la producción de ACS para una vivienda.


14

En el presente capítulo se describen los principales componentes que forman el sistema (captadores, acumuladores, intercambiadores, etc.) así como las distintas configuraciones que estos sistemas pueden adoptar. 1.1. Captadores solares

Un captador solar térmico es un dispositivo que transforma la radiación solar en

energía interna en un fluido, normalmente agua. Las principales características que debe tener un captador son: - Resistente a las condiciones exteriores. - Resistentes a temperaturas altas y bajas. - Estable y duradero (varias décadas). - Fácil de montar. - Conversión de energía eficiente. Estas características son las que se exigen en las normativas vigentes (UNE-EN

12975) y correspondientes certificaciones. 1.1.1. Elementos de un captador solar plano

En la siguiente figura se muestran los principales componentes de un captador solar

plano:

Figura 1.3. Componentes de un captador solar plano

- Caja: Contiene a todos los elementos del captador y sirve sobre todo para

protegerlos del exterior.

- Junta de estanqueidad: Es un material elástico cuya función principal es mantener la estanqueidad del captador impidiendo la entrada de agua cuando hay lluvia. Las juntas deben ser resistentes a temperaturas muy elevadas en caso de estancamiento, así como a cargas mecánica (movimientos de los tubos debido a la dilatación térmica).


15

- Cubierta transparente: Protege al absorbedor y el aislamiento térmico dentro de la carcasa contra los efectos nocivos del medio ambiente. Trabaja como aislamiento térmico reduciendo las pérdidas por radiación dejando pasar la radiación solar de onda corta y no permitiendo salir al radiación de onda larga (efecto invernadero). Actualmente se emplean cubiertas de vidrio con bajo contenido en hierro. Tienen un espesor en torno a 3-5 mm.

- Aislamiento térmico: Disminuye las pérdidas térmicas por la cara posterior y los laterales del captador. Además de lana de vidrio y lana mineral, se suelen emplear resina de melanina y espumas de poliuretano (PUR). Deben resistir las altas temperaturas de estancamiento de los captadores. Actualmente en la pared posterior el espesor del aislamiento oscila entre 40 y 70 mm. En las superficies laterales, en torno a 10 mm.

- Placa absorbedora: Es la parte del dispositivo donde se produce la conversión

de la radiación en energía interna del fluido que circula por los tubos, que forman parte del absorbedor. Los tubos no deben estar muy separados para que la transferencia de calor se lleve a cabo de forma óptima. Se suele poner una distancia entre tubos de 100 a 120 mm. El absorbedor debe estar hecho de un material con buena conductividad térmica, que no conviene que sea demasiado fino. Se suelen utilizar láminas de cobre o aluminio de unos 0.2 mm de espesor. La placa debe llevar un recubrimiento de alta absortancia para las longitudes de onda corta de la radiación solar. Anteriormente se utilizaban pinturas negras sin propiedades selectivas. Actualmente los recubrimientos tienen una emisividad muy reducida en onda larga. Se llaman recubrimientos selectivos y conducen a una reducción de las pérdidas térmicas.

1.1.2. Principio básico de funcionamiento

El funcionamiento de un captador solar térmico se basa en dos propiedades de algunos materiales:

- Selectividad transmisiva: Consiste en materiales con alta transmitancia en

longitudes de onda corta (0.2-3 µm) y al mismo tiempo baja transmitancia en longitudes de onda larga (10-14 µm) que son en las que emiten los cuerpos a las tempertauras de la placa absorbedora. Este es el efecto invernadero, el cual se observa mejor en esta imagen:


16

Figura 1.4. Efecto invernadero

- Selectividad absorción – emision: Consiste en un valor alto de la absortancia

en las longitudes de onda corta de la radiación solar que incide sobre el captador y un bajo valor de la emisividad en las longitudes de onda larga en las que emite el absorbedor.

Figura 1.5. Material selectivo

Un buen captador, por lo tanto, debe aceptar el máximo posible de radiación solar

(transmitancia elevada), absorber la mayor parte (absortancia elevada), emitir la menor posible (emisividad baja) y dejar salir la menor posible (transmitancia baja en onda larga). En la siguiente figura se representan los flujos de energía que se tienen en un captador:


17

Figura 1.6. Flujos de energía en un captador

- Pérdidas ópticas: Son pérdidas por reflectividad, del 4-6% de la irradiancia

incidente, dependiendo del tipo de vidrio. - Pérdidas térmicas: Las mayores pérdidas térmicas en un captador solar se

producen por la cara anterior (cubierta transparente) en aproximadamente un 80% del total de las pérdidas. El resto se pierde por la cara posterior y los laterales dependiendo del aislamiento térmico que se incorpore y de las condiciones de temperatura y velocidad del viento exterior.

1.1.3. Rendimiento de un captador

El rendimiento de un captador se define como:

� = ��í�� í�� =

�� = �� − �� = �� !"�� − � #$�� − �%��

� = � �!"� − � #$ �� − �%� �&

Donde, ��≡ Energía útil � ≡ Irradiancia incidente. � ≡ Área de captación


18

�� ≡ Caudal del circuito primario �� ≡ Calor específico del fluido caloportador. �� ≡ Temperatura del fluido a la salida �� ≡ Temperatura del fluido a la entrada �% ≡ Temperatura ambiente � �!"� ≡ Factor óptico o de ganancias � #$ ≡ Factor de pérdidas

Hay que tener en cuenta que #$ varía con la temperatura. Una expresión más

apropiada del rendimiento que es la que se utiliza habitualmente y que aparece en la norma UNE-EN 12975 para describir un captador es:

� = �0 − 1 �� − �%�� − 2 *�� − �%�� +,

Viendo la ecuación del rendimiento se observa que a mayor temperatura de entrada del fluido, menor será el rendimiento. Lo contrario ocurre cuando aumenta la irradiancia y la temperatura de entrada del fluido disminuye. Esto se observa en la siguiente figura:

Figura 1.7. Variación del rendimiento con la irradiancia y la temperatura


19

1.1.4. Otros valores característicos del captador Capacidad térmica La capacidad térmica del captador se determina en los ensayos de acuerdo a UNE-EN 12975, y es una medida de inercia térmica y, por consiguiente de la rapidez de respuesta del captador durante el calentamiento y el enfriamiento. Pérdida de carga del captador La pérdida de carga de una captador se determina para diferentes caudales en el marco de los ensayos según UNE-EN 12975. Esta prueba se lleva a cabo generalmente usando agua, por lo que los valores obtenidos han de adaptarse a las mezclas anticongelantes que se suelen emplear en el circuito primario. Temperatura de estancamiento Si el captador se expone a una irradiancia constante de 1000 W/m2 y a una temperatura ambiente de 30ºC sin que circule fluido por el circuito primario (fluido estancado), hasta que se alcance el equilibrio entre la energía incidente y las pérdidas térmicas, la temperatura máxima que se obtiene en este caso se denomina, según UNE-EN 12975, temperatura de estancamiento. En el caso de temperaturas ambientes superiores a 30ºC, la temperatura de estancamiento también será superior. En la figura 1.7, la temperatura del estancamiento, para la curva de 1000 W/m2, se puede hallar en el corte de la misma con el eje de abscisas sumándole al valor la temperatura ambiente. Definiciones de las áreas de un captador

En la siguiente figura se observan las distintas áreas que caracterizan un captador:

Figura 1.8. Áreas de un captador


20

Las definiciones exactas de estas áreas se encuentran en el apéndice de UNE-EN 19575-2 /19/.

- Área total: Área entre los límites exteriores del captador, generalmente los bordes externos de la carcasa.

- Área de apertura: Es la de la superficie visible o abierta del captador para la radiación solar. Por lo general, coincide con el área de la cubierta transparente visible (sin contar la junta)

- Área del absorbedor: En los captadores planos, así como en los tubulares, es la suma de las áreas de las aletas y de las tuberías internas de distribución expuestas a la radiación.

1.1.5. Tipos de captadores planos Captadores planos estándar

En los captadores planos, el absorbedor está protegido contra las pérdidas térmicas por medio de un material de aislamiento, generalmente lana mineral y una cubierta transparente de vidrio. Actualmente se emplea el llamado vidrio solar, de bajo contenido en hierro, endurecido, de alta transmitancia y de reflectancia baja. Para el marco se suele usar aluminio, y para la parte posterior se usan materiales de aislamiento de acero inoxidable o de acero galvanizado.

Con respecto al diseño, se distingue entre captadores de pequeño tamaño

completamente prefabricados (aproximadamente 2 m2) y captadores grandes (de 5 m2 a 12 m2). El procentaje en el mercado español de captadores planos destinados al sector de ACS es superior al 95%.

Figura1.9. Captador plano estandar


21

Las ventajas de este tipo de captadores son:

- Estructura robusta y sencilla. - Suficientemente contrastado desde un punto de vista técnico. - Relación favorable entre el precio y el rendimiento. - Atractivo desde un punto de vista estético por las superficies planas.

Los captadores se diferencian entre sí por sus características: - Según el número de cubiertas:

• Sin cubierta • Una cubierta • Varias cubiertas

- Según el material de la cubierta:

• Vidrio • Plastico

- Según el tipo de superficie absorbente:

• Con superficie selectiva • Con superficie negra

- Según el material de la superficie:

• Cobre • Acero • Aluminio • Caucho

- Según la disposición de los tubos:

• Serpentín • Parrilla • Placa

- Según el fluido de trabajo

• Captadores de agua • Captadores de aire


22

Captadores de tubos de vacío

En este tipo de captadores se hace el vacío entre el absorbedor y un tubo de vidrio para disminuir las pérdidas térmicas por conducción y convección entre el absorbedor y la cubierta de vidrio. Son captadores capaces de alcanzar temperaturas considerablemente superiores a las de los captadores planos. El aislamiento en este caso debe sorportar temperaturas por encima de 150 ºC.

Las principales ventajas de los tubos de vacío son: - Pueden alcanzar temperaturas de trabajo superiores a las de los captadores

planos. De este modo pueden suministrar calor para procesos industriales y para climatización solar con mayores rendimientos.

- Pérdidas térmicas reducidas en comparación con los captadores planos, debido a un mejor aislamiento térmico.

Los inconvenientes son: - Temperaturas de estancamiento elevadas y altas cargas térmicas de todos los

materiales cercanos al campo de captadores, así como del fluido de trabajo. - Costes superiores de la energía solar útil obtenida a un nivel de temperaturas de

trabajo medio, debido a que el mayor rendimiento se presenta únicamente a temperaturas de trabajo superiores.

Captadores de aislamiento térmico transparente (TIM) Este tipo de captador presenta una cubierta transparente con propiedades aislantes. El aislamiento transparente (Transparent Insulation Material, TIM) es un material en forma de panal de abeja, diseñado con el fin de permitir la transmisión de la radiación solar y disminuir al mismo tiempo las pérdidas térmicas a través de su cara anterior. Tienen rendimientos muy elevados y altas temperaturas de estancamiento. Debido a esto, las rigurosas exigencias con respecto a las características térmicas del aislamiento transparente son difíciles de cumplir. Son más caros y pesados que los convencionales. 1.2. El circuito primario

Los principales componentes del circuito primario son los siguientes: - Captadores. - Tuberías de conexión entre los captadores y tuberías entre el campo de

captadores y el acumulador. - Aislamiento térmico de las tuberías. - Purgadores de aire. - Equipo de seguridad (válvulas de seguridad, vaso de expansión). Los sistemas indirectos están provistos de:


23

- Intercambiador de calor. - Fluido de trabajo en los captadores y las tuberías. Finalmente los circuitos de circulación forzada constan además de: - Bomba de circulación y válvulas.

1.2.1. Fluido de trabajo

Los fluidos de trabajo en el circuito primario deben cumplir los siguientes requisitos:

- Deben ser resistentes a la temperatura de trabajo, incluso hasta el nivel máximo

correspondiente al estado de estancamiento del captador - Deben ofrecer protección contra las heladas en caso de que las instalaciones

operen durante todo el año y hayan períodos muy fríos. - Deben garantizar protección anticorrosiva en el caso de que en el circuito

primario se utilicen materiales mixtos o propensos a la corrosión. - No deben exigir requisitos especiales en cuanto a los materiales del circuito

primario, de manera que se puedan obtener componentes normales y de bajo coste.

- Deben poseer un calor específico elevado, así como una buena conductividad térmica, por medio de la cual se permita realizar de manera eficaz la transferencia de calor realizada en el captador.

- No deben ser tóxicos ni contaminar el medio ambiente. - Deben tener una baja viscosidad, con el fin de mantener en un valor reducido las

pérdidas de carga y, por tanto, la potencia de la bomba de circulación. - Deben tener bajos costes y una buena disponibilidad. El fluido que cumple con todas estas características excepto con la protección frente

a heladas es el agua. La solución es, a costa de bajar un poco el calor específico, una mezcla de agua con glicol. Una mezcla con un 40% de glicol garantiza una protección de hasta 24 ºC bajo cero. 1.2.2. Tuberías del circuito primario

La elección de los materiales para tuberías y de las técnicas de unión respectivas depende de las temperaturas y presiones de trabajo, así como del modo de flujo y del tipo de fluido de trabajo. Los requisitos principales que han de cumplir las tuberías son:

- Resistencia a temperaturas de hasta 150 ºC en cualquier parte del circuito, y

hasta un valor máximo igual a la temperatura de estancamiento cerca de los captadores.

- Compatibilidad con el fluido de trabajo.


24

- Material con un coeficiente de dilatación pequeño y técnicas de montaje fáciles, a fin de compensar las dilataciones térmicas dentro del rango de temperaturas (-20ºC – 150ºC).

- Estabilidad de las uniones de tubos bajo condiciones térmicas y cargas mecánicas debido a la dilatación térmica.

Las tuberías deben ser de cobre, acero inoxidable o acero negro.

1.2.3. Aislamiento térmico de las tuberías del circuito

A fin de transportar el calor generado en los captadores con el mayor rendimiento posible hacia los acumuladores, es indispensable que se lleve a cabo un aislamiento térmico ininterrumpido en todo el circuito primario.

Existen diferencias en cuanto a la elección de los materiales de aislamiento, tanto

para las tuberías en el interior, como para las del exterior. Para ambos casos: - El aislamiento debe ser capaz de resistir las temperaturas más elevadas. - Los materiales de aislamiento térmico deben poseer una baja conductividad

térmica. - Los materiales de poro abierto están permitidos siempre y cuando no se den

casos de humectación. Si la tubería se coloca en el exterior, hay que añadir otros requisitos: - El aislamiento debe tolerar los efectos medio ambientales, así como proteger

contra daños producidos por animales (aves, ratones, etc.). De lo contrario, es necesaria la aplicación de recubrimientos protectores.

- Para evitar la humectación, se recomienda el empleo de materiales de aislamiento de poro cerrado. Hay que tener en cuenta que un aislamiento que haya absorbido previamente cierta humedad pierde la mayor parte de su efectividad.

Figura1.10. Aislamiento térmico


25

1.2.4. Vasos de expansión

La función de un vaso de expansión es compensar los cambios del volumen del fluido de trabajo ocasionados por la dilatación térmica. Sin un vaso de expansión sería imposible evitar el escape del fluido de trabajo en un circuito cerrado a través de la válvula de seguridad cuando el fluido se calienta. Al calentarse, una parte del fluido entra en el vaso de expansión. Cuando el sistema se enfría, regresa al circuito. Así, el vaso de expansión sirve también para mantener la presión en el circuito dentro del rango de presiones admisibles y siempre por encima de la atmosférica, impidiendo la introducción de aire en el circuito cuando el sistema vuelve a enfriarse.

La presencia de aire en el circuito primario puede conducir a un mal

funcionamiento, que muchas veces puede pasar inadvertido en caso de que el sistema convencional asuma automáticamente el suministro de agua caliente.

El dimensionado del vaso de expansión debe efectuarse conforme al rango de

temperaturas y presiones de trabajo previstas en el circuito primario. Si se utilizan mezclas anticongelantes, los materiales deben ser adecuados para la exposición continua al fluido. Debe ajustarse también la presión inicial en el lado del gas del vaso de expansión de acuerdo con la presión estática por diferencia de cotas entre el punto superior de la instalación y la posición del vaso. Para evitar que entre aire en el circuito, se suele ajustar la presión mínima en el mismo de tal manera que bajo condiciones frías quede un margen por encima de la presión atmosférica de unos 0.5 a 1 bar. 1.2.5. Bombas de circulación

La función de la bomba es la de producir la circulación del fluido de trabajo en el circuito primario. Puede evitarse su uso en los casos en los que el movimiento se pueda producir por diferencias de densidad debidas a cambios de temperatura. Las bombas pueden ser del tipo en línea, de rotor seco o húmedo o de bancada. Los requisitos más importantes que han de cumplir son:

- Deben resistir las temperaturas de trabajo que pueden producirse en el circuito primario. Debido a las menores cargas térmicas, la bomba suele instalarse en la tubería de retorno.

- Deben soportar los efectos a una exposición continua al fluido de trabajo. - Debe funcionar con un rendimiento alto en el punto de operación - Debe poseer una larga vida útil, incluso con conexiones y desconexiones

relativamente frecuentes. - Debe ser económica.


26

Figura1.11. Bombas de circulación

1.2.6. Accesorios

El circuito primario está provisto de accesorios como termómetros, manómetros, filtros y diversos tipos de válvulas (válvulas de corte, de retención o de regulación), así como dispositivos de monitorización y equipos de seguridad. Estos, deben de cumplir:

- Que estén certificados para trabajar hasta temperaturas máximas de unos 130ºC.

En la tubería de impulsión del captador hasta 150ºC. - Que sean compatibles con los materiales de otros componentes y con el fluido

de trabajo. - Que estén certificados para un nivel de presiones de trabajo del campo de

captadores. - Que sean económicos. Las principales válvulas con las que cuenta la instalación son: - Válvulas de corte: permiten o impiden el paso del fluido de trabajo. Este tipo de

válvulas son muy frecuentes y se utilizan en todas las instalaciones. - Válvulas de seguridad: permite limitar la presión máxima del circuito.

Normalmente se taran por debajo de la presión máxima de trabajo de los componentes del circuito.

- Válvula antirretorno : Impide el paso de fluido en un sentido y lo permite en el otro.

- Válvula de regulación: permite equilibrar hidráulicamente el circuito. Puede ser manual o automática.

- Válvula de llenado automático: sirve para introducir el fluido de trabajo en el circuito y mantener la presión de funcionamiento.

- Válvula termostática: permite limitar la temperatura del fluido por lo que sirve como elemento de control y seguridad frente a posibles quemaduras.


27

Figura1.12. Válvula antirretorno

1.2.7. Purgador de aire

Cuando un circuito se llena de fluido, se desplaza la mayor parte del aire que al principio se hallaba en el sistema. No obstante, se observa la persistencia de pequeñas burbujas de aire desplazadas con el fluido que después se van purgando poco a poco. Otra pequeña parte del aire se disuelve en el líquido hasta que logre ser liberada gradualmente a temperaturas superiores. El dispositivo que permite la salida del aire es el purgador de aire. Este puede ser manual o automático. Debe resistir la temperatura máxima del fluido, por lo que el flotador no debe ser de plástico sino de acero inoxidable. Los purgadores también deben ser resistentes a la intemperie.

Figura1.14. Purgador de aire

Figura 1.13. Válvula de seguridad


28

1.3. Acumulador 1.3.1. Función y requisitos

Los acumuladores cumplen la función de una “batería” que permite independizar el

suministro de calor solar (oferta) del consumo (demanda), puesto que el perfil temporal de la entrada de energía no suele corresponderse con el del consumo energético. El periodo de tiempo de acumulación varía entre unas pocas horas, días o en caso de acumulador estacional, hasta meses, y depende en gran parte de la aplicación (calentamiento de piscinas, ACS o calefacción) y además de la fracción solar deseada.

El objetivo es acumular la energía solar disponible durante periodos de baja

demanda para poder suministrarla de forma eficiente cuando se necesite. Los requisitos que ha de cumplir un acumulador son:

- Alto calor específico del medio de acumulación. - Pérdidas térmicas bajas (pequeña superficie del acumulador y buen aislamiento). - Buena estratificación de temperaturas en el acumulador. - Vida útil de aproximadamente 25 años. - Bajos costes y fácil disponibilidad del medio de acumulación. - El medio de acumulación y el tanque deben poseer buenas propiedades

medioambientales y de higiene ya que deben estar en contacto con agua sanitaria.

- Debe ser capaz de soportar las presiones y temperaturas de trabajo previstas. Debido al alto calor específico, a que no es contaminante y a su disponibilidad se

elige como medio de acumulación agua normal. Para sistemas de ACS es posible usar agua potable.

Los problemas asociados a la acumulación son: - Diseño adecuado de forma que se llegue a una solución óptima en función del

tamaño y el coste. - Estratificación: Un buen diseño debe permitir que la temperatura del agua se

distribuya verticalmente mejorando así el funcionamiento de la instalación. El rendimiento de la instalación mejora con la estratificación ya que a mayor estratificación, mayor la temperatura en la parte alta del acumulador que es la que va al servicio y menor la temperatura en la parte baja. El que la temperatura en la parte baja sea menor implica que la temperatura de entrada al campo de captadores también lo será por lo que el rendimiento de estos mejora.


29

Figura1.15. Estratificación de la temperatura

- Pérdidas térmicas: En una instalación solar térmica, las pérdidas se producen

sobre todo por la noche, a través del acumulador. Por eso es tan importante un buen aislamiento térmico de este. A fin de mantener dichas pérdidas dentro de un margen razonable se deben de tener en cuenta ciertos requisitos:

• Pequeña relación entre superficie y volumen. • Aislamiento estrechamente unido a la superficie exterior del acumulador. • Aislamiento completo del acumulador, inclusive en su superficie

superior e inferior. • Buen aislamiento de todas las conexiones de tubería, vainas, etc. • La tubería debe llevarse al interior del acumulador desde la parte inferior

o desde un lateral. • Evitar pérdidas térmicas a causa de circulación por convección natural

dentro de las tuberías de conexión.

- Corrosión debido a altas temperaturas y a la calidad del agua. Es muy importante que el acumulador tenga el correspondiente “ánodo de sacrificio” que puede ser de magnesio. Como medidas para la corrosión por altas temperaturas, mayor capa de galvanizado, control de temperatura máxima o tratamiento interior con pintura epoxi.

- Agrietamiento y roturas debido a mal funcionamiento de los dispositivos de expansión.


30

1.3.2. Tipos de acumuladores

Según la aplicación se pueden clasificar en: Acumuladores de agua caliente sanitaria Los acumuladores de ACS deben de cumplir las normas de higiene exigidas. Además, debe ser resistente a la corrosión, dada la presencia de oxígeno en el agua potable. Según el tipo de material se puede clasificar en:

- Acumuladores de acero vitrificado: Se emplea con frecuencia para proteger los acumuladores contra la corrosión interior. El esmalte se funde sobre el acero. Como es inevitable la aparición de pequeños defectos en el material, el esmalte contiene pequeñas partículas de magnesio u otros materiales anódicos a manera de protección catódica contra la corrosión. Son de fácil fabricación y económicos, sin embargo, debe protegerse contra impactos durante su transporte a fin de que la capa protectora no sufra daños.

- Acero galvanizado: Son los más utilizados y debido a que su fabricación está normalizada, se reduce el coste. La temperatura no puede ser superior a 60ºC lo que supone una limitación para este tipo de acumuladores.

- Acumuladores de acero revestidos de plástico: Abarca revestimientos de duroplásticos, termoplásticos, así como caucho, siendo estos más económicos que el acero vitrificado. Están certificados para una temperatura de 85ºC y no deben ser expuestos a un gradiente térmico superior a los 10ºC. Esto lo hace inadecuado para acumuladores con intercambiadores internos.

- Acumuladores de acero inoxidable: Buen comportamiento frente a la corrosión. Soportan temperaturas elevadas pero su coste es elevado.

Acumuladores de inercia Se utilizan en grandes sistemas solares destinados al calentamiento de ACS o al apoyo de la calefacción. Como estos sistemas requieren relativamente grandes volúmenes de acumulación, se suele separar el medio de acumulación del agua sanitaria, por motivos de higiene.

En el caso de que el conjunto de los acumuladores y la tubería de conexión formen un circuito cerrado se podrán rebajar los requisitos de la protección anticorrosiva ya que no entra oxígeno adicional al circuito. Además, la presión de diseño es menor que en el caso de uno de ACS. Debido a esto, los costes de un acumulador de inercia son reducidos.


31

Según la posición del intercambiador, los acumuladores podrán ser: De doble envolvente

Figura1.16. Acumulador de doble envolvente

Con serpentín interior.

Figura1.17. Acumulador con serpentín interior


32

Según la ubicación del depósito: Acumulación centralizada

Figura1.18. Acumulación centralizada

Acumulación distribuida

Figura1.19. Acumulación distribuida


33

Según las conexiones del depósito: En paralelo

Figura1.20. Conexión entre depósitos en paralelo

Ventajas:

- La velocidad del fluido es baja lo que es bueno para la formación y la estabilidad de la estratificación.

- Apropiados para la aplicación de tubos estratificadores debido al bajo caudal en cada acumulador Inconvenientes:

- La circulación uniforme del líquido a través de los acumuladores es difícil de lograr por las pérdidas de carga.

- Esto provoca que sea crítica la colocación de los sensores de temperatura para el control de la carga y la descarga, así como del sensor para la limitación de temperaturas.


34

En serie

Figura1.21. Conexión entre depósitos en serie

Ventajas:

- El caudal total de carga y descarga pasa por cada acumulador. Los caudales de carga y descarga son iguales por lo que el equilibrio hidráulico no es crítico.

- El acumulador frío y caliente están claramente definidos por lo que la colocación de los sensores es sencilla Inconvenientes:

- La circulación a través de todos los acumuladores puede ser demasiado alta para la aplicación de tubos estratificadores.

- Si la diferencia de temperaturas entre el punto más frio del acumulador frío y el punto más caliente del acumulador caliente se hace muy grande, puede desembocar en un desplazamiento de los niveles de temperatura entre acumuladores durante la carga.


35

1.4. Intercambiadores de calor

Los intercambiadores de calor sirven para transferir la energía térmica entre diferentes fluidos. Se utilizan en instalaciones solares para transferir el calor de la mezcla de agua y anticongelante del circuito primario al agua caliente sanitaria o al agua proveniente del acumulador de inercia. Deben de cumplir los siguientes requisitos:

- Resistentes a los fluidos de trabajo utilizados. - Compatibles con otros materiales presentes en el circuito. - Resistentes a las temperaturas mínimas y máximas que se pueden generar en el

sistema. - Buenas propiedades de conductividad térmica y de transferencia de calor. - Pequeña diferencia de temperaturas a través de las paredes intercambiadoras. - Poca pérdida de carga.

Se suelen utilizar el acero inoxidable o el cobre como materiales en los sistemas solares térmicos. 1.4.1. Tipos de intercambiador Intercambiadores de calor internos En la mayoría de las instalaciones solares térmicas domésticas se utilizan acumuladores con intercambiadores de calor incorporados. Los de tipo serpentín están hechos de cobre (tubo liso o tubo aleteado), tubo de acero inoxidable liso, o tubo de acero con revestimiento anticorrosivo. El fluido caliente se impulsa por la tubería, mientras que el fluido exterior circula por convección natural. Los de doble envolvente están rodeados, a modo de camisa, por una capa cilíndrica concéntrica, usándose habitualmente en los sistemas termosifónicos. El fluido de trabajo proveniente del circuito primario entra en el espacio entre el envolvente exterior y el acumulador interior. Tanto el acumulador como el envolvente suelen ser de acero al carbono, mientras que el interior del tanque, si se halla en contacto con ACS debe estar bien protegido contra los efectos de la corrosión. Intercambiadores de calor externos Cuando se emplean intercambiadores externos, ambos fluidos de trabajo circulan forzados a contracorriente entre las superficies metálicas que los separan. Existen de dos tipos:

- De carcasa y tubo: Tienen poca pérdida de carga y son menos propensos a sufrir los efectos de la corrosión. Una aplicación usual es para el calentamiento de las piscinas donde no deben emplearse intercambiadores de placas ya que estarían en contacto con el agua de la piscina tratada con cloro.


36

- De placas: La mayoría de las veces se emplean intercambiadores de placas donde

los fluidos circulan a contracorriente.

Figura1.22. Intercambiadores internos

Figura1.23. Intercambiadores externos


37

1.5. Control de la instalación

El sistema de control en los sistemas solares térmicos asume la función de regular los flujos de energía entre el campo de captadores, el acumulador y el consumo. Los principales componentes son:

- El control del proceso de carga, que tiene la misión de regular la conversión de la

radiación solar en calor y transferirla al acumulador de manera eficaz. - El control del proceso de descarga cuya tarea es garantizar la mejor transferencia

posible del acumulador hacia el consumo. Los requisitos más importantes que debe de cumplir el sistema de control de una

instalación solar son:

- Las temperaturas del circuito primario se deben mantener en un valor lo más bajo posible, a fin de lograr un alto rendimiento de los captadores.

- El control de la instalación solar no debe repercutir de manera negativa en la operación del sistema de calentamiento convencional y viceversa.

- El control debe ser capaz de tener en cuenta rasgos característicos del sistema, por ejemplo, la inclusión de fases de precalentamiento.

- Para las configuraciones sencillas se ha de evitar el uso innecesario de controles complejos.

- Los costes de inversión, mantenimiento, así como el consumo de energía eléctrica auxiliar del control, de las bombas y de las válvulas reguladas, han de mantenerse dentro de unos límites razonables.

- El manual de instrucciones debe incluir detalles claros y concisos de todos los componentes, así como de su funcionamiento, al igual que una descripción y un diagrama del circuito del sistema.

- Los valores umbral de conexión y desconexión, o uno de ellos, además de las histéresis respectiva y os tiempos de retardo, deben ser adaptables a los rasgos característicos y peculiaridades del sistema.

- Los sensores se han de integrar en el sistema de tal manera que puedan ofrecer valores exactos de medida.

- - La precisión de los componentes del control debe ser lo suficientemente alta a fin de evitar errores de conexión y desconexión, particularmente en el caso de que los valores de umbral ajustados tengan reducido margen.

- El control debe incluir un sistema de revisión del funcionamiento de la instalación, siempre y cuando esta monitorización no se realice por separado.


38

1.6. Instalaciones solares de ACS

Los sistemas de energía solar para producción de ACS se pueden clasificar según los siguientes criterios:

- Por el sistema de circulación:

• Instalaciones por termosifón • Instalaciones por circulación forzada.

- Por el sistema de intercambio:

• Instalaciones de transferencia indirecta. Con intercambiador de calor en

depósito o independiente. • Instalaciones de transferencia directa.

- Por el sistema de expansión:

• Instalaciones abiertas. • Instalaciones cerradas.

- Por la forma de acoplamiento:

• Sistema compacto • Sistema partido • Sistema integrado

- Por la disposición de los componentes:

• Captadores horizontales o verticales • Depósito horizontal o vertical.

- Por el sistema de energía auxiliar:

• Instantáneo: - Individual - Distribuido - Centralizado

• En acumulador secundario: - Individual - Distribuido - Centralizado

• En acumulador solar


39

1.6.1. Sistemas por termosifón

En los sistemas por termosifón la circulación en el circuito primario solar se efectúa por convección natural, debido a las diferencias de densidad entre el fluido de trabajo caliente y el frío. En la siguiente figura, que muestra un sistema por termosifón directo, se explica el funcionamiento:

Figura1.24. Sistema por termosifón directo

Los sistemas por termosifón son los más apropiados para utilizar en países situados en zonas climáticas cálidas. Dado que no existen riesgos de heladas, el acumulador podrá situarse en el exterior, sobre la cubierta. Por lo regular, se tratan de sistemas prefabricados que suelen suministrarse en una unidad completa que consta de uno o dos captadores, un acumulador y los accesorios correspondientes. Los sistemas por termosifón se utilizan sobre todo en instalaciones solares pequeñas. Las principales ventajas de este tipo de instalaciones son:

- Son sencillas y fiables - Se autorregulan - Son más baratas que los sistemas por circulación forzada - No necesitan bomba de circulación y por tanto no consume energía eléctrica para

mover el fluido

Los inconvenientes son:


40

- Necesita un diseño y montaje cuidadoso que minimice las pérdidas de carga. - No permite controlar la temperatura máxima en captadores y por tanto hay riesgo de

sobrecalentamiento. - Hay posibilidad de flujo invertido. - Escasa estética del sistema y difícil integración arquitectónica.

1.6.2. Sistemas de circulación forzada

En los sistemas de acumulación forzada la circulación se lleva a cabo por bombas. Este tipo de instalación es muy abundante en instalaciones pequeñas y medianas. En la figura se representa un sistema de circulación forzada indirecto con intercambiador interno:

Figura 1.25. Sistema de circulación forzada indirecto con intercambiador interno

Las ventajas de este tipo de instalaciones son:

- Se tiene un control más preciso del sistema. - Permite controlar la temperatura máxima en los captadores. - No se produce flujo invertido. - Mejor estética del sistema e integración arquitectónica.

Los inconvenientes principales son:

- Mayor coste que los sistemas por termosifón - Necesita bomba para hacer circular el fluido y por tanto consume energía eléctrica.


41

En instalaciones más grandes es más habitual que el intercambiador sea externo. Las prestaciones energéticas mejoran ya que permite un buen control del comportamiento del sistema.

Figura 1.26. Sistema de circulación forzada con intercambiador externo

1.6.3. Sistema auxiliar en serie

En los sistemas solares térmicos se necesita el sistema auxiliar para garantizar el abastecimiento de agua caliente que tiene el usuario. Es importante separar la parte solar de la parte auxiliar para aprovechar al máximo la conversión solar.

La situación más favorable y frecuente es una caldera en serie con el acumulador. El

sistema debe ser apto para un rango de temperatura grande en la entrada y debe poder adaptar su potencia.

Figura 1.27. Sistema auxiliar en serie


42

1.6.4. Sistema auxiliar con acumulador en serie

Figura 1.28. Sistema auxiliar con acumulador en serie

1.6.5. Sistema auxiliar con resistencia eléctrica

Figura 1.29. Sistema auxiliar con resistencia eléctrica

No se recomienda el uso de esta tipo de energía auxiliar ya que un posible mal funcionamiento del control dará lugar a pérdidas energéticas importantes. Si el consumo mayoritario de agua caliente se realiza al atardecer o por la noche, el sistema de control detecta una disminución de temperatura en el acumulador con lo cual pone en funcionamiento el sistema auxiliar y a la mañana siguiente el acumulador ya está caliente con lo cual la instalación solar apenas aporta energía y en todo caso con rendimiento muy bajo.


43

1.6.6. Configuración con acumulación centralizada

Se muestran ahora las distintas configuraciones para viviendas multifamiliares. En esta en particular, el agua sanitaria se calienta en uno o varios acumuladores centrales. Desde el acumulador, el agua se llega a cada vivienda mediante una red de distribución, circulando permanentemente en un circuito de recirculación, a fin de lograr que la temperatura disponible a la entrada de cada vivienda sea la máxima posible. En la Figura 1. 18 se observa un esquema de esta configuración 1.6.7. Configuración con acumulador solar centralizado e intercambiadores en cada

vivienda

En este caso el agua que circula por el circuito de distribución no es agua sanitaria sino agua de calefacción en un circuito cerrado, que almacena y distribuye la energía que previamente transferida al acumulador solar por el circuito primario.

El calentamiento del agua sanitaria se efectúa mediante un intercambiador de placas

de forma individual en cada vivienda. Se facilita así el mantenimiento de la instalación solar y de las calderas, pues en caso de que la instalación solar necesite mantenimiento, no se precisa cortar o desviar el suministro de ACS en todas las viviendas.

Figura 1.30. Acumulación centralizada con acumuladores en cada vivienda


44

1.6.8. Configuración con acumulación distribuida

Esta variante consiste en tener un acumulador individual en cada vivienda. El calor generado por el campo de captadores se transfiere mediante un intercambiador de placas al circuito de distribución, por el cual llega a los acumuladores distribuidos. Esta configuración es algo más cara que las anteriores. Esto se debe a que las pérdidas térmicas son más elevadas debido a los acumuladores individuales, algo que hay que tomar en consideración en el diseño. En la figura 19 se puede ver un esquema de esta configuración.

1.7. Situación actual

Se analiza a continuación el mercado de las instalaciones de ACS en España. Los datos que se presentan a continuación pertenecen a la presentación que ASIT (Asociación Solar de la Industria Térmica) hizo en diciembre de 2012 en las II Jornadas: El calor solar: más allá de la preparación del agua caliente sanitaria. Este es un sector claramente relacionado con la construcción, por eso, debido a la crisis que sufre el país desde 2008, el sector se ha visto debilitado. En 2011 se instalaron en España 275590 m2 mientras que en 2010 se instalaron 348000 m2. Esto implica una reducción del 21% en 2011 con respecto al año anterior. En la siguiente gráfica se observa cómo ha evolucionado este dato desde 2005 hasta 2011:

Figura 1.31. Evolución del área instalada


45

Esta gráfica muestra claramente como la crisis ha golpeado a sector. Hasta 2008 el crecimiento medio anual era del 63% y partir de ese año el sector empieza a decrecer.

En la siguiente gráfica se observa la evolución en otros países:

Figura 1.32. Evolución de la capacidad y el área instalada en otros países

Aquí se ve como España no es el único país afectado. De los países que aparecen en la gráfica, sólo en Polonia, que es un país en crecimiento, el área instalada año a año sigue creciendo.

Figura 1.33. Evolución de la capacidad y el área instalada en Europa

En Europa en 2011 la capacidad instalada se ha mantenido casi constante con respecto a 2010 con unos 3600000 m2 instalados.


46

El hecho de que las instalaciones solares térmicas estén centradas casi exclusivamente en edificios que se rigen por el CTE (según el CTE, en los edificios de nueva construcción las instalaciones solares de ACS son obligatorias) y lo poco que se usan en aplicaciones industriales constituye otro problema para el sector. En la siguiente gráfica se observa cómo se distribuye el mercado:

Figura 1.34. Distribución según los segmentos de mercado en 2011

Aquí queda expuesto lo dicho anteriormente. Sólo un 2% de las instalaciones solares térmicas se usan para aplicaciones industriales. El gran perjudicado de la crisis ha sido el sector de la construcción y eso está lastrando mucho al sector. Aquí se ve cómo ha evolucionado la iniciación y finalización de obras de viviendas:

Figura 1.35. Evolución de viviendas iniciadas y finalizadas en España


47

Para superar el momento crítico del sector, ASIT propone lo siguiente:

- Consolidar el CTE, más allá de la obligatoriedad, abriendo su aplicación a la climatización y apostando por la rehabilitación.

- Exigir que si las CCAA siguen teniendo programas de ayudas, que sea realmente eficaces.

- Abrir nuevos mercados donde la energía solar térmica pueda contribuir aportando energía.

Los sectores con mayor potencial son:

- Edificios públicos: Polideportivos, hospitales, residencias, cuarteles, edificios de la

administración, escuelas, oficinas, etc. - Hostelería: Hoteles, hostales, pensiones, campings, restaurantes, etc. - Sectores industriales: Agroalimentario, textil, automóvil, lavanderías, químico,

reciclaje de vidrio, curtido, papel, desaladoras, desinfección, etc.

La calefacción de distritos con instalaciones solares también es un mercado donde el sector puede crecer. En Europa más de 100 plantas con más de 500 m2 de captadores se han puesto en funcionamiento desde mediados de los años 90. De estas, aproximadamente 40 plantas tienen una energía térmica nominal de 1 MW y una parte principal de las plantas están conectadas a esquemas de calefacción urbana. En la siguiente imagen se observa una de estas instalaciones en Marstal, Dinamarca:

Figura 1.36. Instalación solar térmica para calefacción de distritos en Marstal (Dinamarca)

Es una instalación de 18300 m2, un almacenamiento de 10000 m3 que aporta 8500 MWh al año con una fracción solar del 30%.


48

Está claro que si esta tecnología quiere seguir adelante, necesita abrirse nuevos caminos ya que la crisis de la construcción en España no parece que vaya a solucionarse a corto plazo. Además las instalaciones solares térmicas tienen hándicaps que le perjudican:

- El promotor no se beneficia de una buena instalación solar. - Desinterés por el mantenimiento, tanto en la demanda como en la oferta. - Si la instalación no funciona el usuario no lo nota, ya que se activa el sistema

auxiliar. - No hay inspecciones que comprueben el correcto funcionamiento del sistema. - No hay riesgos por una mala instalación y la administración no impone sanciones

por malas prácticas. Las instalaciones solares son competitivas pero además se requiere:

- Implementación de incentivos a la producción. - Reducción de costes. - Apostar por las instalaciones más eficientes y no conformarse a que sólo cumplan el

CTE. - Establecer sistemas de inspección y control del cumplimiento del CTE y RITE. - Control del cumplimiento del CTE en cuanto a dimensionado. - Incorporar sistemas de contabilización de la energía y de control en lugares visibles

para que los usuarios puedan comprobar el correcto funcionamiento de la instalación.

- Hacer un lobby para conseguir viviendas 100% solares. - Promocionar los sistemas solares como de alta tecnología.

Documents

Sistemas solares térmicos - bibing.us.esbibing.us.es/proyectos/abreproy/5198/fichero/1.+Sistemas+solares... · Comparación de herramientas de cálculo para instalaciones de agua