09-05-00-00

MDULO SIETE INSTALACIONES DEPRODUCCIN DE CALOR

U.D. 5 INSTALACIN DE UN SISTEMA DECAPTACIN SOLAR TRMICA PARA SUMINISTRODE AGUA CALIENTE SANITARIA

M 7 / UD 5

MDULO SIETE INSTALACIONES DE PRODUCCIN DE CALOR

U.D. 5 INSTALACIN DE UN SISTEMA DE CAPTACIN SOLAR TRMICA PARA SUMINISTRO DE AGUA CALIENTE SANITARIA

215

NDICE

Introduccin.................................................................................. 217

Objetivos ........................................................................................ 219

1. Nociones bsicas sobre equipos solares compactos .............. 221

1.1. Descripcin....................................................................... 221

1.2. Componentes ................................................................... 222

1.3. Montaje ............................................................................. 222

2. Dimensionado de instalaciones para produccin de ACS.... 225

2.1. Generalidades................................................................... 225

2.2. Determinacin de la demanda de ACS .......................... 225

2.3. Energa solar disponible .................................................. 226

2.4. Energa solar aprovechable ............................................. 228

2.5. Superficie de los captadores............................................ 229

2.6. Depsito acumulador....................................................... 230

3. Ejemplo de clculo de un sistema compacto de captacin

de energa solar trmica ......................................................... 231

4. Puesta en marcha y mantenimiento de la instalacin........... 235

Resumen ........................................................................................ 237

Bibliografa .................................................................................... 239



217

INTRODUCCIN

Los sistemas de colectores solares permiten aprovechar una alta proporcinde la energa emitida por el sol para generar calor. Esto produce unmenor consumo de combustibles fsiles y, por lo tanto, una menoremisin de contaminantes tan perjudiciales para nuestro entorno.

La produccin de agua caliente sanitaria es una de las ms comunesaplicaciones de los sistemas de colectores solares.

Como puede observarse en el grfico adjunto, la demanda de aguacaliente es aproximadamente constante a lo largo de todo el ao.

Por el contrario, la energa que solar disponible vara en funcin de laestacin del ao en la que nos encontremos, siendo mucho mayor enlos meses de verano que en el invierno.

En verano el sistema solar es capaz de cubrir completamente toda lademanda de energa para la produccin de agua caliente sanitaria,aunque es necesario utilizar un sistema convencional de calentamientode apoyo que cubra las necesidades no aportadas con la energa solar,ya que puede haber largos perodos de bajos niveles de radiacin solaren los que debe asegurarse la produccin de agua caliente sanitaria.

A lo largo de todo el ao, los sistemas de colectores solares puedenproporcionar alrededor de un 60% del agua caliente sanitaria que seconsume en una vivienda.

219

OBJETIVOS

En esta unidad se pretende introducir al alumno en la utilizacin de loscaptadores solares para la produccin de agua caliente sanitaria, yproporcionarle la informacin necesaria para poder seleccionar el equipoms adecuado para cada instalacin.

El desarrollo terico y la resolucin del ejemplo propuesto se centranen los captadores solares compactos, por ser stos los ms extendidos.

Para seleccionar el equipo ms adecuado pueden utilizarse catlogos defabricantes, en los que solamente necesitamos saber el nmero deconsumidores para obtener directamente el equipo que necesitamosinstalar.

A lo largo de esta unidad se desarrolla el proceso de clculo ms complejo,que tiene en cuenta todos los factores que influyen en el funcionamientode los captadores solares y que por tanto son fcilmente extrapolablesa otros tipo de instalaciones con aprovechamiento de energa solar.



221

1. NOCIONES BSICAS SOBRE EQUIPOS SOLARESCOMPACTOS

1.1. Descripcin

Los captadores solares compactos son unos equipos que agrupan todoslos elementos necesarios para la produccin de agua caliente sanitariaa partir de la energa que proporciona el sol.

Estos equipos funcionan calentando en un captador solar el agua quecircula por dentro de un circuito cerrado (circuito primario), que actacomo fluido trmico, y a la que se le aade generalmente algn tipo deanticongelante. Dentro de un tanque acumulador, y con ayuda de unintercambiador de calor, se calienta el agua potable que ser utilizadaposteriormente por el consumidor.

La circulacin del agua en el circuito primario se produce por el efectotermosifn, debido a que el agua fra posee una densidad mayor que elagua caliente, por lo que sta se ve desplazada hacia la parte superiordel sistema. Esto obliga a situar el depsito acumulador sobre el captadory lo ms cerca posible del mismo.

Para favorecer el efecto termosifn deben cumplirse una serie decondiciones:

Diferencia de altura entre el captador y el acumulador grande.

Elevada diferencia de temperatura entre la ida y el retorno del fluido.

Evitar las prdidas de carga en las tuberas de circulacin (no colocaraccesorios innecesarios, como vlvulas, reducciones,).

Utilizar dimetros de tubera mayores de 1/2".

Colocar un purgador para eliminar bolsas de aire que dificultan lacirculacin.



222

Estos equipos tienen el inconveniente de nopoder regular la temperatura de calentamientodel depsito, lo que puede provocar la corrosindel mismo o la acumulacin de cal. Este fen-meno se puede evitar si se utilizan acumuladoressuficientemente grandes, cuya capacidad seamayor de 80 l/m2 de captador.

Como complemento, al conjunto se le aadenaccesorios que mejoran su funcionamiento yaumentan su rendimiento, como unas resistenciaselctricas situadas dentro del depsito acumulador y que actan comosistema calefactor de apoyo o una bomba de circulacin para impulsarel agua del circuito primario.

1.2. Componentes

En la figura siguiente se ilustran los distintos elementos de que se componeun captador solar compacto:

1.3. Montaje

1.3.1. Tipos de instalacin

Los colectores compactos solares pueden montarse indistintamente sobresuperficies planas o superficies inclinadas.

Montaje sobre superficies planas:

Cada colector necesita una estructura auxiliar sobre la que se montar.Estas estructuras permiten variar la inclinacin de montaje del colectory ubicarlo sobre el suelo o sobre la cubierta plana de un edificio.



223

Montaje sobre tejado:

Los colectores solares pueden montarse tambin sobre un tejado inclinado.En este caso se puede optar por dos soluciones distintas: el montajeintegrado de los colectores sobre el tejado, sustituyendo stos a la propiacubierta, o el montaje sobre la cubierta, con ayuda de un sistema deanclaje especial, de forma que los colectores quedan sobre el tejado,conservndose la cubierta original y siguiendo stos la inclinacin de lamisma.

1.3.2. Requisitos de espacio para instalacin decaptadores solares

Antes de proceder a la instalacin de los captadores solares debemostener en cuenta el espacio del que se dispone. El espacio necesario parael montaje de cada instalacin concreta quedar definido por lasnecesidades de cada equipo, que indicar el fabricante en lascorrespondientes instrucciones de instalacin y montaje y la normativavigente a tal efecto: Reglamento de Instalaciones Trmicas en los Edificios,normativas regionales y ordenanzas municipales.

Para captadores montados sobre el tejado hay que dejar un espaciomnimo entre captadores para el paso de tuberas, y en los bordes deltejado, como se muestra en el croquis siguiente:



224

Para el montaje de colectores sobre una superficie plana, el espacio queocupa cada uno de ellos es igual al necesario para ubicar la estructurade soporte que necesitan. En caso de que se monten varias filas decolectores, ser necesario dejar un espacio entre filas que evite elsombreamiento de los colectores. La distancia mnima entre colectores(x), est establecida en el RITE, y se calcula en funcin de la altura delcaptador (h) y un coeficiente K que depende de la inclinacin de montajedel mismo.

Tambin ser necesario prestar atencin a la presencia de obstculossobre la cubierta plana que puedan proyectar sombras sobre los captadores;para ello ser necesario situar los captadores a una distancia suficientedel obstculo, como se muestra en la figura:



Inclinacin 20 25 30 35 40 45 50 55

K 1.53 1.63 1.73 1.81 1.87 1.93 1.97 1.99

x = Kh

225

2. DIMENSIONADO DE INSTALACIONES PARAPRODUCCIN DE ACS

2.1. Generalidades

El dimensionado o seleccin del equipo para la produccin de ACS,consistir bsicamente en determinar la superficie de los captadoresnecesarios para satisfacer las necesidades energticas del usuario, ascomo el volumen del acumulador.

La demanda de agua caliente sanitaria determinar el aporte energticorequerido para su produccin. Depende bsicamente de dos factores:

Zona climtica donde se realiza la instalacin, que condiciona latemperatura del agua de que disponemos en la red de tuberas, y latemperatura ambiente, que condicionan el rendimiento del captador.

Ocupacin y tipologa del edificio: el nmero de ocupantes y el usoa que se destina el edificio determina la demanda de agua caliente.

El rendimiento del captador, es decir, el aprovechamiento que se puedehacer de la energa solar depende de las condiciones exteriores a queestn sometidos los captadores, y de la posicin de montaje de los mismos:

Radiacin media diaria o cantidad de energa por unidad de superficiey de tiempo, que podremos conocer a partir de tablas informativascon los datos correspondientes a cada provincia.

Inclinacin del captador: lo ms conveniente, y por ello habitual, esmontar el captador con una inclinacin igual a la latitud en que estinstalado el captador, de forma que los rayos del sol incidan sobre lasuperficie del mismo lo ms perpendicularmente posible, con lo queel aprovechamiento de la energa ser mximo. Para conseguir unmejor rendimiento a lo largo del ao de los captadores solares, enalgunas latitudes puede ser necesario variar la inclinacin de montajedel captador en funcin de la estacin del ao en que nos encontremos.

Orientacin del captador: con el fin de aprovechar al mximo laradiacin solar, los captadores deben montarse orientados hacia elsur geogrfico, siempre que la instalacin se encuentre en el hemisferionorte, admitindose pequeas desviaciones.

2.2. Determinacin de la demanda de ACS

Existen diversos mtodos para poder estimar cul ser el consumo deagua caliente sanitaria en litros/da. Esta estimacin puede realizarse apartir de las normativas municipales o comunitarias o a partir de tablas



226

informativas en las que se puede determinar cul ser la demanda deACS en funcin del nmero de ocupantes, temperatura de consumo delagua caliente y uso a que se destina el edificio.

Tambin resulta interesante conocer la variacin de esta demanda a lolargo del ao para poder determinar el aporte solar porcentual querecibe la instalacin. Para el caso de viviendas, la demanda de aguacaliente sanitaria se mantiene prcticamente constante a lo largo de todoel ao.

La demanda energtica para la produccin de agua caliente sanitariavendr dada por la frmula:

Donde:

E es la energa necesaria.

D es el volumen de agua demandado.

Tconsumo es la temperatura de consumo del ACS.

Tentrada la temperatura del agua en la red.

Ce es el calor especfico del agua.

Esta estimacin de la demanda energtica es un factor clave para ladeterminacin de la superficie de los captadores y la distribucin de lasnecesidades energticas a lo largo de todo el ao.

2.3. Energa solar disponible

Una vez conocida la demanda de energa necesaria para conseguir unadecuado suministro de agua caliente sanitaria, ser necesario determinarla cantidad de energa que aporta el sol, as como la proporcin de lamisma que podemos aprovechar. De este modo podemos saber los datoscorrespondientes a la cobertura solar en cada poca del ao.

2.3.1. Radiacin solar

La radiacin solar media (H) es la cantidad de energa por unidad desuperficie que recibira un captador solar si estuviera situado en el suelo.Estos datos se pueden obtener a partir de tablas informativas en las quese ofrecen los valores correspondientes a cada provincia.

A modo de ilustracin, en el mapa siguiente se representan por coloreslas zonas con mayor o menor radiacin solar media.



227

Dato obtenido de las tablas mencionadas anteriormente; hay que aplicaruna serie de factores de correccin en funcin de las condicionesambientales y la posicin de montaje:

Calidad del aire: si el aire de la zona donde se prev instalar el equipode captacin est limpio, el valor de la radiacin solar debemultiplicarse por 1,05. En caso contrario -de aire con polucin- elfactor a utilizar ser 0,95.

Hcorregido = H 1,05 (para aire limpio)

Hcorregido = H 0,95 (para aire sucio)

Energa til que llega al captador: dependiendo de la inclinacin demontaje del captador vara la cantidad de energa solar que se puedeaprovechar. La inclinacin de montaje del captador que permite unmejor aprovechamiento es aquella que coincide con su latitud 10.En algunos casos, como por ejemplo el de captadoresmontados directamente sobre el tejado del edificio sin utilizarestructura de soporte, no se puede regular la inclinacinde los paneles solares, por lo que ser necesario introducirun factor de correccin, que depende de la latitud de laubicacin y del ngulo de montaje de los captadores.



228

La orientacin de los colectores tambin condiciona la cantidad deenerga trmica que pueden proporcionar. La orientacin ptima parael colector solar es la Sur, admitindose desviaciones al Este o al Oestede 10. En el caso de colectores montados sobre el tejado inclinado, suorientacin ser la misma que la del tejado, por lo que el ngulo deincidencia de los rayos del sol sobre el captador no ser el ms apropiado,con la consiguiente prdida de rendimiento.

El valor de la energa til se obtiene a partir de la expresin:

Eutil = 0,94 K f Hcorregido

Donde el factor K de inclinacin se obtiene a partir de tablas informativas,y el factor F de orientacin se puede obtener a partir del diagramasiguiente:

2.4. Energa solar aprovechable

De toda la energa solar que llega al captador, solamente podremosaprovechar una parte, perdindose al menos un 10% en todos loselementos de la instalacin. Adems deberemos tener en cuenta elrendimiento del captador, que cuantifica las prdidas producidas porradiacin, absorcin, conveccin y conduccin. Se puede avaluar a partirde la expresin:

Los trminos A (eficiencia ptica) y U (prdidas de calor en la superficiedel captador) dependen de los materiales empleados en la construccindel captador, y son datos que ofrece el fabricante del mismo.

El salto trmico es la diferencia de temperaturas entre el fluidocaloportador (Tm) y la temperatura ambiente (Ta).



229

Tambin interviene en la expresin del rendimiento, la intensidadradiante (I) o cantidad de energa til captada por unidad de tiempo ysuperficie.

As pues, la energa que podemos aprovechar ser:

Dado que el valor del rendimiento es propio del captador y es un datoque debe ofrecer el fabricante del mismo, para realizar clculos estimativos,y teniendo en cuenta la latitud donde va a realizarse la instalacin, puedeconsiderarse a modo de aproximacin que el valor del rendimiento oscilaentre 0,5 y 0,7.

2.5. Superficie de los captadores

Para poder calcular la superficie total de los captadores que necesitamosinstalar, es necesario conocer la energa demandada y la energa tildisponible por unidad de superficie. De la relacin entre estos datos, yteniendo en cuenta la cobertura mnima que deseamos obtener, se puedecalcular la superficie de captadores necesaria:

El porcentaje de cobertura solar que se utiliza habitualmente en el diseode instalaciones de produccin de agua caliente sanitaria, oscila entreel 40% y el 70%.

Para asegurarnos de que el diseo es correcto, comprobaremos que secumplen las siguientes premisas:



utilp E9,0E udu=

RITE

(para instalaciones

individuales)

1,25 < 100A/M < 2

A es la superficie total de captadores

en m2

M es el consumo medio diario en los

meses de verano

IDEA

(para produccin de

ACS)

50 < V/A

230

2.6. Depsito acumulador

Como la energa que se puede obtener del sol no siempre coincide conla demanda por parte del usuario, es necesario disponer de un sistemade acumulacin que acte a modo de almacn de energa y nos permitadisponer de agua caliente en aquellos momentos de poca o nula radiacinsolar, haciendo de sta cuando hay poco consumo.

Lo ideal, de acuerdo con las recomendaciones del RITE, es hacer coincidirel volumen del depsito acumulador con el consumo medio diario.



231

3. EJEMPLO DE CLCULO DE UN SISTEMACOMPACTO DE CAPTACIN DE

ENERGA SOLAR TRMICA

Para ilustrar el proceso de clculo y seleccin de equipos solares compactos,se propone a continuacin un supuesto prctico, que se resolveraprovechando las herramientas informticas que acompaan este libro,que siguen el mismo proceso que se ha descrito, pero facilitan el trabajodel diseador.

Supuesto prctico:

Se desea instalar un sistema de captacin solar compacto que se ubicarsobre la cubierta plana (terraza) de una vivienda unifamiliar situada enla provincia de Valencia.

El edificio estar habitado por 5 personas, que tendrn un consumoelevado de agua caliente sanitaria a 45 C.

Se desea obtener una cobertura solar del 70%.

Comenzaremos por arrancar el programa para el clculo de colectoressolares, y aparece la ventana siguiente:

A continuacin deberemos introducir los datos solicitados. En el problemapropuesto, se nos indica que se trata de una instalacin de ACS situadaen la provincia de Valencia, con cobertura solar del 70%.



232



Los datos de inclinacin del captador y azimut del mismo los podemoselegir al tratarse de un equipo que se sita sobre una cubierta plana conla correspondiente estructura de soporte que nos permite inclinarlo yorientarlo en la posicin ms adecuada. La inclinacin ptima debecoincidir con la latitud de la localizacin del captador (en este caso, 40)y la orientacin ms favorable ser la orientacin sur (azimut 0).

El esquema que se nos presenta se puede obviar ya que no coincide connuestro caso, pero no influye en el resultado de los clculos. Si pulsamosen la casilla de localizacin podemos introducir datos especficos deubicaciones concretas, en caso de disponer de ellos.

La ventana se presentar ahora como sigue:

Procederemos ahora a introducir los datos del consumo, haciendo dobleclic sobre el botn correspondiente situado en el esquema de la instalacin.

Introducimos los datos del consumo anual que podemos obtener de lastablas informativas contenidas en el anexo correspondiente (300 l/da)y la temperatura de consumo (45 C).

Ahora podemos continuar y proceder a realizar los clculos y obtenerlos resultados que necesitamos.

233



Podemos saber cul debe ser el volumen mnimo del acumulador quedebemos utilizar haciendo doble clic sobre el botn correspondiente.El resultado obtenido es de 240 l.

Con el botn calcular se nos permite acceder a la ventana siguiente quenos ofrece los resultados obtenidos, as como resmenes de los datosutilizados.

234



Podemos ver la superficie del campo de colectores necesarios (4,48 m2)as como la evolucin del comportamiento de la instalacin a lo largodel ao.

Con estos datos y con el catlogo del fabricante podemos seleccionar elequipo ms adecuado para nuestros propsitos.

Utilizando este extracto del catlogo de equipos solares compactos deSalvador Escoda, S.A., podemos determinar que el que ms se ajusta anuestras necesidades es el ECOSOL-300 de dos colectores, acumuladorde 300 litros y superficie de captador solar de 5,2 m2.

235



4. PUESTA EN MARCHA Y MANTENIMIENTO DELA INSTALACIN

Para que la instalacin funcione correctamente y para alargar la vida detodos los elementos que la componen es conveniente seguir las pautasde puesta en marcha y mantenimiento de los equipos, establecidas porel fabricante de los mismos.

Para efectuar la puesta en marcha de captadores solares, se seguirncomo norma general las siguientes indicaciones:

Abrir la vlvula de llenado de la instalacin, para llenarla desde lazona ms baja a la zona ms alta con agua de la red de agua potable,para limpiar el sistema de posibles impurezas y proceder a comprobarlas posibles fugas que pudiera presentar.

Una vez realizadas las comprobaciones pertinentes, se proceder allenar el circuito primario con el fluido caloportador definitivo(generalmente ser agua con anticongelante). Esta operacin serealizar en horas de baja radiacin solar o con los paneles solarestapados.

Seguidamente se proceder a purgar el circuito primario con el vasode expansin cerrado. Algunos equipos disponen de purgadoresautomticos, que facilitan esta operacin.

Con el circuito purgado se proceder a ajustar la presin del vaso deexpansin, que en vaco debe ser de 1,2 bar. La presin del sistemadebe quedar entre 1,5 y 2,2 bar en fro.

Las operaciones de mantenimiento preventivo tienen como objetivocomprobar que los componentes de la instalacin se mantienen en buenestado y continan funcionando correctamente. Las comprobacionesque debemos realizar de forma semestral o anual, dependiendo deltamao de la instalacin, son las siguientes:

Controlar el estado del anticongelante.

Purgar el circuito.

Comprobar la presin de la instalacin y reponer si es necesario.

Comprobar el estado de las sondas.

Comprobar el estado y funcionamiento de las vlvulas.

Verificar que no hay fugas o defectos de aislamiento.

Limpiar los captadores.

237



RESUMEN

La energa solar es una energa limpia y barata que puede aportar unahorro econmico al usuario de la instalacin.

Para un correcto aprovechamiento de este tipo de instalaciones esimportante recordar las condiciones para un correcto funcionamiento.

Si se calcula adecuadamente la superficie de paneles necesarios, y stosse montan con una orientacin y una inclinacin adecuadas, podemosconseguir que nos suministren hasta un 70% de la energa necesariapara la produccin de agua caliente sanitaria.

239



BIBLIOGRAFA

Balboa Batlle, Joan: Mantenimiento de calefaccin, CEYSA.

Calvo Villamara, T.; F. Galdn Trillo F.: Curso de Instalador de Calefaccin,Climatizacin y Agua Caliente Sanitaria, CONAIF.

Carnicer Royo, Enrique; Mainar Hasta, Concepcin: Instalacioneshidrosanitarias, Paraninfo.

Compaa Roca Radiadores, S.A.: Monografas Tcnicas.

De Andrs, J. A.; Pomatta, R.; Aroca, S.; Garca, M.: Instalaciones decombustibles gaseosos, A. Madrid Vicente, Ediciones.

Grim, Nils R.; Rosales, Robert C.: Manual de diseo de calefaccin, ventilaciny aire acondicionado, McGraw-Hill.

Industrial Blansol, S.A.: Manual Tcnico de Suelo Radiante.

Llorens, Martn: Calefaccin, Ceac.

Martn Snchez, Franco: Manual de Instalaciones de Fontanera y Saneamientos.A. Madrid Vicente, Ediciones

Mrquez Martnez, Manuel: Combustin y quemadores, Marcombo.

Miln Daz, Csar: Fontanera, Paraninfo.

Porges, Fred: Prontuario de Calefaccin, Ventilacin y aire Acondicionado,Marcombo.

Material grfico facilitado por:

SEDICAL, S.A.

VALDECO, S.L. (Valenciana de combustin)

SALVADOR ESCODA, S.A.

CALDERAS BUDERUS

INDUSTRIAL BLANSOL, S.A.

VAILLANT

TEYVI, S.L. grupo ATTSU (calderas industriales).

09-05-00-00

Documents