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AGUA CALIENTE SANITARIA Y CLIMATIZACIÓN, CON ENERGÍA SOLAR TÉRMICA
JULIO 2009
JULIO 2009
AGUA CALIENTE SANITARIA Y CLIMATIZACIÓN,CON ENERGÍA SOLAR TÉRMICA
1. INTRODUCCIÓN A LA ENERGÍA SOLAR ............................................................5
Radiación solar .............................................................................................5
Principales aplicaciones ...............................................................................7
2. DESCRIPCIÓN DE COMPONENTES Y EQUIPOS ..............................................11
Colector solar .............................................................................................12
Interacumulador .........................................................................................17
Centralita de control solar .........................................................................18
Grupo de circulación ...................................................................................19
Accesorios; vaso de expansión, valvulería, etc .................................................20
Ejemplos ...............................................................................................................22
3. TIPOS DE INSTALACIONES DE ENERGÍA SOLAR TÉRMICA ..........................28
Sistemas solares para ACS .........................................................................28
Sistemas solares para climatización ..........................................................32
Sistemas para piscinas ...............................................................................32
4. IMPLICACIÓN DE LA INSTALACIÓN EN EL EDIFICIO .....................................33
Situación colectores: Orientación, inclinación y sombras ........................33
Conexionado colectores .............................................................................34
5. DIMENSIONADO DE INSTALACIONES SOLARES ...........................................35
Dimensionamiento tuberías .......................................................................35
Cálculo pérdidas de carga y elección del grupo de circulación ................36
Dimensionado del vaso de expansión ........................................................37
AGUA CALIENTE SANITARIAY CLIMATIZACIÓN,CON ENERGÍA SOLAR TÉRMICA
Departamento SYF (Soporte y Formación) de ARISTON THERMO ESPAÑA, S.L.
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ENERGÍA SOLAR TÉRMICA
1.1.2 Interacción de la radiación solar con la atmósferaAl atravesar la atmósfera, la radiación solar sufre variacio-nes de intensidad y de dirección, debido a la composición de la misma. Pero la interacción con la atmósfera es “se-lectiva”, es decir, hay longitudes de onda que sufren más alteraciones que otras.
Las interacciones principales son de absorción y de difu-sión dependiendo de las dimensiones de los objetos con los que se tope. Normalmente esta energía se transforma en radiación difusa de diferente intensidad y dirección que la original.
1.1.3 Radiación global y sus componentesLa radiación solar que incide sobre la corteza terrestre está compuesta de:– Radiación directa, la que proviene del sol sin variaciones
de dirección.– Radiación difusa, la que proviene de la propia atmósfera.– Radiación reflejada, la procedente de la corteza terrestre.
2000
O³
O²
H²O CO² H²O
Longitud de onda (micron)Plano horizontal
W/m
² mic
ron
Extraterrestre
5777 K
1500
1000
500
0 0,3 1,3 2,3 3,3
In
Idh
IT
ultravioleta visible bajo infrarrojo alto infrarrojo
0,3 0,4 0,75 3 [λμm]
1.1 Radiación solar1.1.1 La luz como radiación electromagnéticaUna onda electromagnética se propaga de modo rectilíneo viajando a la velocidad de 300.000Km/s. A diferencia de las ondas mecánicas como las vibraciones, no necesita de un medio material para propagarse (líquido, gas o sólido), de hecho puede propagarse en el vacío.
Haciendo una fotografía a una onda electromagnética vere-mos sinusoides de diferente amplitud y “longitud de onda: λ”
Las longitudes de onda se clasifican en diferentes grupos que componen el “espectro electromagnético”, estos van de longitud de onda corta (Gama) a longitud de onda larga (Radio). En medio , entre 0,3 y 10 nanómetros, tenemos el grupo llamado LUZ.
La radiación solar (coloquialmente llamada luz) está com-puesta de un haz de ondas electromagnéticas de diferente amplitud y longitud de onda que transporta una cantidad de energía E.En la luz del sol que viaja por el espacio van todas las fre-cuencias del espectro electromagnético en cantidad e inten-sidad [W/m2] diferente.
1. INTRODUCCIÓN A LA ENERGÍA SOLAR
Am
plitu
d
Longitud de onda
λ1 λ2
Am
plitu
d
Longitudde onda
λ1 λ2
2000
O³
O²
H²OCO²H²O
Longitud de onda (micron)Plano horizontal
W/m
² mic
ron
Extraterrestre
5777 K
1500
1000
500
00,3 1,3 2,3 3,3
In
Idh
IT
Reflexiónen las nubes
Absorcióna través de
la atmósferaReflexión
Radiación solar
Radiación directaRadiación
difusa
Irradiación global en suelo 1.000 W/m²
Atmósfera
Dispersión debidaa la atmósfera
Constante solar1.367 W/m²
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ENERGÍA SOLAR TÉRMICA
1.1.4 Cantidad de energía disponible
El sol es una gran fuente de energía que tenemos a 150 millones de Km. de distancia. Éste emite gran cantidad de radiación electromagnética que llega sobre la atmósfera con una potencia de 1.367 W/m2.
Las variaciones de radiación recibidas sobre un m2 horizon-tal en la superficie de la tierra, se deben principalmente a:
– La latitud, ya que la radiación incide de diferente manera sobre la tierra debido a la curvatura de la misma
– La hora del día, ya que el sol se desplaza de este a oeste durante un mismo día
– La época del año, ya que la parábola que describe el sol tiene diferente altura dependiendo de la época en la que nos encontremos.
– Y la meteorología, ya que en un día nublado la radiación solar experimentará mayores fenómenos de absorción y difusión reduciendo la intensidad de la radiación directa y aumentando la difusa.
Irradiación W/m²
Principalmenteradiación difuso
Principalmenteradiación directa
200 0 600 800 1000 400
Cie
lo n
uvos
o
Ciel
o de
spej
ado
Sol
N
Zenit
S
N O
E
21junio
21septiembre
21marzo
21diciembre
08:33 a.m. 06:20 a.m.
04:00 a.m.
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ENERGÍA SOLAR TÉRMICA
1.2 Principales aplicaciones Principio de funcionamiento
Una instalación solar térmica capta la energía irradiada por el sol y la transfiere a un acumulador de agua, que en con-secuencia se calienta. Este agua, como si de una “batería térmica” se tratara, hace más estable y constante la dispo-nibilidad de energía térmica solar, de por sí fuertemente va-riable.
Aplicaciones principales
La principal aplicación es para la obtención de agua caliente sanitaria, aunque existen otras aplicaciones; para calentar el ambiente, las piscinas u otras aplicaciones industriales.
Una instalación básica de energía solar térmica está com-puesta por los siguientes elementos:– Un colector solar que recoge la energía irradiada por el
sol.– Un depósito de agua que acumula y conserva el calor
recibido del colector– Elementos hidráulicos y de control que hacen posible la
transferencia de energía del colector al acumulador.
21 °C40 °C 80 °C
20 °C
ENERGIA ENERGIA ENERGIA
40 °C
21 °C
80 °C
Como cualquier instalación térmica, el calor se transfiere por medio de un fluido (llamado “calo-portador”) que circula a través del colector y del acumulador.
El fluido puede circular de modo “espontáneo” o forzado por una bomba. En función de estos dos principios podemos diferenciar dos tipos de instalaciones: instalaciones de ter-mosifón o de circulación natural e instalaciones de circula-ción forzada.
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ENERGÍA SOLAR TÉRMICA
Instalación de Circulación NaturalLa instalación de circulación natural representa el máximo de la sencillez y del ahorro energético. Su funcionamiento se basa en un elemental principio físico: un líquido, si se calienta, es más ligero y tiende a subir hacia lo alto. En una instalación de circulación natural el fluido contenido en los tubos del colector sube hacia el intercambiador del acumu-lador cediéndole calor, mientras que el frío vuelve a bajar al colector solar.Cuando falta irradiación solar el fluido recargado en el co-lector bloquea la circulación evitando la dispersión de calor recogido en el acumulador. La única condición indispensa-ble es la posición del interacumulador, más alto con respec-to a los colectores.
Ventajas:– Sistema de fácil instalación y económico.– Sencillez de instalación: es suficiente llegar al sistema con
los tubos para el agua fría en entrada y para el agua ca-liente en salida.
– No es necesaria ninguna conexión eléctrica.– El mantenimiento se reduce a términos mínimos.
Desventajas:– Impacto visual elevado– Aplicación limitada a consumos de ACS moderados– Mayor dispersión térmica ya que el acumulador está en
el exterior
Existen dos tipos de termosifones:
1. Sistema de termosifón con intercambio directo, en el que hay un único circuito abierto que es el de agua caliente sanitaria; el agua circula directamente del colector al acu-mulador.Este sistema se utiliza en países de alta insolación y sin riesgos de congelación.En España este sistema está prohibido.
2. Sistema de termosifón con intercambio indirecto. Hay un doble circuito; uno abierto para el agua sanitaria y otro primario cerrado.El circuito cerrado circula desde el colector al acumulador. En el acumulador hay un intercambiador de doble camisa en el que el fluido primario cede el calor al circuito del agua sanitaria por “baño maría”.
Circuito directo (abierto) Circuito indirecto (cerrado)
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ENERGÍA SOLAR TÉRMICA
Instalación de Circulación ForzadaEn este sistema el acumulador se coloca dentro del edificio, con lo que hace falta una bomba que “fuerce” la circulación del fluido calo-portador desde el colector al acumulador ya que ésta no se produce de una manera “natural”. Para el funcionamiento de esta bomba es necesaria una centralita electrónica, que a través de dos sondas, chequea continua-mentela temperatura de los paneles y la del acumulador, dando la señal eléctrica a la bomba solo cuando el líquido en los paneles está más caliente que en el intercambiador.
Ventajas:– Flexibilidad: el interacumulador puede estar instalado en
cualquier ambiente de la casa, y los paneles posicionados en los lugares más favorables a una mayor insolación.
– Mayor rendimiento térmico– Control mayor de las temperaturas en la instalación.– Control de la presión gracias al vaso de expansión.– Posibilidad de gestionar otros puntos de consumo, otros
acumuladores, disipación a piscina, etc– Menor impacto visual– Recomendado para instalaciones con elevado consumo
de ACS– Recomendado para zonas con baja temperatura
ambiente
Existen dos tipos de instalación forzada:
1. Sistema circulación forzada “convencional”.Este sistema funciona con el llenado completo del circuito primario desde la primera fase de funcionamiento.En la estación fría los colectores, siempre completamente llenos de líquido, han de estar protegidos contra las hela-das. Por este motivo el líquido calo-portador ha de llevar una proporción de anticongelante, tipo propileno glicol, no tóxico.
SONDA
SONDA
SONDA
SONDA
Ventajas:– Funciona con una bomba a baja prevalencia y a punto fijo– Sistema silencioso y eficiente a nivel eléctrico– Sistema simple y económico– No hay limitaciones de longitud de la instalación
Desventajas– Es necesario utilizar vaso de expansión, grupo de seguri-dad y líquido antihielo.
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ENERGÍA SOLAR TÉRMICA
1. La climatización de piscinas 2. El apoyo a suelo radiante
SONDA
SONDA
SONDA
SONDA
2. Sistema circulación forzada “con vaciado automático”.Este sistema funciona con el circuito primario parcialmente lleno.Con la bomba parada los colectores están vacíos y el líqui-do calo-portador en el serpentín del acumulador (o en un recipiente especialmente dedicado).Cuando la bomba se pone en funcionamiento la columna de fluido se ve empujada a lo alto de los colectores, que necesariamente han de estar en un plano mas elevado. En alguna zona del circuito habrá falta de líquido, por ejemplo en el interior del serpentín. Para funcionar correctamente se han de seguir las dimensiones especificadas para cada equipo (altura, longitud, diámetro e inclinación de los tubos, etc.)
Ventajas– No es necesario utilizar vaso de expansión, grupo de se-guridad y líquido antihielo.– Aprovechamiento del poder calorífico del agua sin glicol.
Desventajas– Puede ser ruidoso y el coste es superior– Necesita doble bomba o una bomba modulante de mayor potencia para impulsar el líquido cada vez que se pone en funcionamiento.– Altura de la instalación limitada (máx. 10-12m)– El sistema puede estar vacío con frecuencia durante los periodos de mayor insolación, con lo que los componentes se deteriorarán con mayor facilidad.
El sistema de circulación forzada se puede utilizar para otras aplicaciones como son:
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ENERGÍA SOLAR TÉRMICA
Los componentes de un equipo solar térmico son los siguientes:Circulación natural
Circulación forzada
Agua fría
Antirretorno
Colector
Agua calientesanitaria (ACS)
Válvula de seguridad
Acumulación
PurgadorIndispensable
Recomendado
Recipiente
Manómetro
Colector
Vasode expansión
Termómetro
Caudalímetro
Bomba
Válvulas de carga/descarga
Antirretorno
2. DESCRIPCIÓN DE COMPONENTES Y EQUIPOS.
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ENERGÍA SOLAR TÉRMICA
Colector sin cristal
Colector compuesto de elementos tubulares de plástico sin cristal. Este colector no tiene ningún elemento que lo pro-teja contra la dispersión térmica provocada por el aire; por este motivo cuando las condiciones atmosféricas no son fa-vorables (aire frío, fluido muy caliente o poca irradiación so-lar) este colector tiene rendimiento nulo y no produce agua caliente.
Se utiliza, debido a sus características, en el periodo estivo y en zonas de alta irradiación, para la climatización de piscinas.
Colector plano con cristal
Colector compuesto por una plancha captante metálica llamada absorbedor, que normalmente lleva un tratamien-to superficial para captar mejor la radiación solar. Ésta va unida a los tubos por los que circula el fluido calo-portador. El absorbedor viene montado en un “sándwich” compuesto por un cristal de protección en el fronta, de protección y de una carcasa de acero o aluminio adecuadamente aislada por detrás. Los tubos calientes, protegidos del aire exterior garantizan una buena producción de agua caliente a pesar de la temperatura externa, temperatura medio-alta del flui-do calo-portador o irradiación media-baja.
Éste es el tipo de colector más utilizado en todo el mundo.
COLECTOR SOLAREl colector es el elemento de la instalación solar térmica que capta la energía solar; una parte la transmite al fluido calo-portador que circula por la instalación y la otra parte la cede al ambiente por dispersión óptica, conductiva y convectiva.
Hay diferentes tipos de colectores:
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ENERGÍA SOLAR TÉRMICA
Funcionamiento de un colector plano
En el colector plano distinguimos; el área bruta o total, el área captante que es el área del absorbedor y por último el área útil que sería el área de apertura.
El flujo de energía que llega al fluido sufre numerosas pér-didas; para explicar el funcionamiento consideremos un “rayo” solar simple (procedente de radiación directa o di-fusa) que incide sobre la superficie del colector. El cristal refleja parte de este rayo y otra parte viene absorbida por el mismo cristal. El resto de la radiación incide sobre el ab-sorbedor.
En este punto la radiación también es ve reflejada por el mismo absorbedor que incidirá nuevamente sobre el cristal. Cuando la plancha absorbedora se calienta tiende a disipar calor solar por tres vías:– Calienta el aislamiento posterior por conducción– Calienta por convección el aire interior del colector, éste calienta el cristal y éste a su vez el aire exterior.– Cede calor por irradiación como hace cualquier cuerpo que se calienta y emite ondas infrarrojas.
Superficie bruta
Superfície de apertura
Superfície de absorción
Pérdidas por conducción
Irradiación
Absorción
Pérdidas porradiación
Pérdidas porconvección
Convección
Reflexión enel cristal
Reflexión enel absorbedor
Irradiaciónsolar
Transmisión por el cristal
Diferentes tipos de colectores planos
Estos colectores han de tener las siguientes características:– Cristal antireflejos y de alta transparencia.– Absorbedor con tratamiento antireflejos, de alta absorción y baja emisión– Aislamiento térmico resistente a las altas temperatura, baja conductividad térmica L(W/mK) y elevado espesor.– El absorbedor ha de ser buen conductor y con el número adecuado de tubos (con el número adecuado de puntos en contacto con el calor solar)
El absorbedor se puede fabricar de diferentes maneras:Habitualmente se utiliza una lámina metálica soldada a los tubos, que va tratada con un material de gran absorción y baja emisión.La tecnología usada para soldar los tubos al absorbedor, ha de garantizar un buen contacto térmico, la duración en el tiempo y la óptima industrialización del proceso productivo. Los tipos de soldadura más utilizados son por ultrasonidos o láser entre otros.
Estructura en arpa (tubos paralelos)– Mayor caudal– Bajas pérdidas de carga– Bajo �T entre entrada y salida– Mejor funcionamiento en condiciones de alta insolación
Estructura en serpentín– Adecuado para bajos caudales– Mayor pérdida de carga– Mayor �T entre entrada y salida– Mayor estabilidad de funcionamiento en condiciones de baja insolación (disminuye el apagado-encendido de la bomba)
La disposición de los tubos puede ser en forma de arpa o en forma de serpentín, tal como indican las siguientes figuras:
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ENERGÍA SOLAR TÉRMICA
Colector de tubos de vacío
Colector compuesto por elementos tubulares de cristal montados en baterías.
Cada tubo de cristal contiene en su interior un elemento absorbedor unido a un tubo habitualmente de cobre. El ab-sorbedor capta la radiación solar y la transfiere al fluido que circula por el tubo.
En el interior del tubo de cristal se hace el vacío eliminando al máximo la dispersión térmica debida a la convección.El elemento absorbedor es normalmente metálico de alta absorción y baja emisión.
Este tipo de colector se utiliza en zonas con poca irradia-ción.
En España se utiliza en instalaciones con problemas de in-tegración arquitectónica por la facilidad de orientación en cada tubo.
Funcionamiento de un colector de tubos de vacío
En el colector podemos distinguir los siguientes componentes:
Pérdidas porconvección
NO SE PRODUCE
ConvecciónReflexión
Irradiaciónsolar
Transmisióna través
del cristal
Reflexión enel cristal
Absorción
Pérdidas porirradiación
Pérdidas porirradiación
Cubierta hermética en acero inoxidable.
Fondo de cristal
Absorbedor selectivo
Tubos de entrada - salida del liquido caloportador
Distanciadores
Tubo de cristal de alta transparencia
El funcionamiento es similar al del colector plano, la diferencia es que el vacío existente entre la plancha de cobre y el tubo de cristal es el mejor aislante térmico, con lo que se reducen al mínimo las pérdidas por convección.
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ENERGÍA SOLAR TÉRMICA
– Por tipo de absorbedor:Absorbedor soldado al tubo
– Por tipo de intercambio térmico:Sistema a intercambio directoEl mismo fluido caloportador es el que circula por el tubo y absorbe el calor.
– Por tipo de tubo:Todo el tubo en vacío
Absorbedor no soldado al tubo
Sistema con tubo de calor (Heat pipe)En el tubo de cobre hay un líquido altamente sensible al ca-lor. El líquido se evapora con la temperatura en la parte su-perior del tubo cediendo la energía al líquido calo-portador. Al enfriarse desciende hasta la parte inferior donde vuelve a calentarse e inicia de nuevo el ciclo. Forzosamente el co-lector ha de tener un mínimo de inclinación de 20º ó 30º.
Con cámara al vacío
Vacío Vacío
Junta
Heat Pipe
Superfície captadoraen aluminio
Tubo de vacío
El vapor caliente subehasta el extremosuperior del tubo
El vapor frío se condensa y vuelveal extremo inferior del tubo
Diferentes tipos de tubos de vacío
Podemos dividir los colectores de tubo de vacío en las siguientes categorías:
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ENERGÍA SOLAR TÉRMICA
Conceptos fundamentales del colector solar
Capacidad selectiva del cristal
El cristal ha de ser altamente transparente para que tran-smita al máximo la radiación solar (sin absorberla ni reflejar-la) que en su mayor medida es de onda corta (entre 0,2 - 3 �m). Al mismo tiempo, cuando el absorbedor se calienta por el sol, empieza a emitir radiación de onda larga (infrarroja). El cristal ha de impedir que esta radiación se pierda y la refleja de vuelta al absorbedor.
Éste es el fenómeno conocido como “efecto invernadero”
Capacidad de absorción y emisión del absorbedor
La capacidad selectiva del absorbedor consiste en la com-binación de un alto grado de absorción de la onda corta y un bajo grado de emisión de onda larga (infrarroja).
Buenos valores de absorción y emisión son:– Absorción 95%– Emisión 5%No es difícil obtener un alto grado de absorción, ya que las pinturas negras tradicionales pueden alcanzar 93% fácil-mente.Pero únicamente los tratamientos selectivos pueden garan-tizar un buen grado de emisión. Los más utilizados son: Ti-nox, azul selectivo o negro selectivo.
1,0
Ren
dim
ient
o
0 0,4 0,8 1,2 1,6 T*0,0
Rendimiento:η = η0-k¹ T - k²T²
T= irradiaciónTm-Ta
I
Tm=Tmedia
Ta=Tambiente
I= Wm²
Rendimiento de un colector solar térmico
El rendimiento de un colector solar viene representado normalmente con una expresión cuadrática (aunque también puede ser lineal) que tiene el formato siguiente:
Esta curva se obtiene de forma experimental a partir de una nube de puntos, según la norma EN 12975.
Los diferentes parámetros son:– η= rendimiento óptico; Este factor ha de ser el mayor posible. Representa el rendi-miento máximo del colector ante una hipotética dispersión térmica, en la que la temperatura del absorbedor es igual a la del aire. – k1= factor de pérdidas;Es el factor de la dispersión de calor en el aire, éste repre-senta la disminución del rendimiento del colector en condi-ciones de mayor intercambio térmico. – k2= factor cuadrático;Es otro factor de la dispersión de calor en el aire.
Cubiertatransparente
Bajo gra
do
de emisi
ón
Alto gradode absorción
Cubiertatransparente
Onda corta
Onda lar
ga
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ENERGÍA SOLAR TÉRMICA
El acumulador es el componente de la instalación donde se almacena la energía solar térmica y en algunos casos don-de se realiza el intercambio de calor entre el líquido calo-portador y el agua caliente sanitaria.
Características de los acumuladores
Los acumuladores han de cumplir una serie de característi-cas como son 1. Resistencia mecánica, porque puede sufrir presiones elevadas2. Resistencia térmica, porque ha de soportar picos de tem-peratura que pueden alcanzar 120ºC3. Ha de permitir la estratificación de temperaturas en su interior, por lo que se recomienda utilizar acumuladores ver-ticales.
La estratificación en el acumulador lleva el volumen de agua caliente a la parte superior del acumulador y en cambio el frío a la parte baja. Esto favorece la disponibilidad de agua caliente sanitaria y a la vez un buen intercambio térmico de la instalación solar.
INTERACUMULADOR
Tipos de interacumulador
Podemos encontrar diferentes tipos de acumulador según la aplicación, posición (vertical u horizontal), intercambio de calor (interior o exterior), material del depósito (acero inoxi-dable, vitrificado, cobre u otros, etc.)Para aplicaciones estándares de producción de agua ca-liente sanitaria, podemos encontrar los siguientes modelos:
SIMPLE VERTICAL
CON 1 SERPENTÍN(serpentín horiz. o vertical)
DOBLE CAMISA(horizontal o vertical)
Agua calientesanitaria (ACS)
60 °C
30 °C
15 °C
Agua calientesanitaria (ACS)
35 °C
Sólo en el caso del acumulador simple se ha de utilizar un intercambiador adicional para hacer el intercambio de calor entre el circuito primario del solar y el agua caliente sani-taria.
Para aplicaciones concretas de producción contemporá-nea de ACS y calefacción por suelo radiante, se utiliza un acumulador especial comúnmente llamado KOMBI, con un serpentín y dos compartimentos estancos, uno para ACS y otro para la inercia de la calefacción.
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ENERGÍA SOLAR TÉRMICA
La centralita solar es el elemento que activa o desactiva la bomba del circuito primario de una instalación solar térmica de circulación forzada.
SONDA TEMPERATURADEL COLECTOR
SONDA TEMPERATURA DEL ACUMULADOR
CENTRALITA DE CONTROL SOLAR
Funcionamiento de una centralita solar
Con el circuito primario parado el colector solar sube de temperatura gracias a la radiación solar. En cuanto alcanza la temperatura del acumulador por encima de un cierto del-ta (por ejemplo 6ºC más que el acumulador) la bomba se activa y el calor va hacia el acumulador.La temperatura del acumulador sube hasta la temperatura de apagado de la bomba (por ejemplo 4ºC) en la que la centralita apaga la bomba.
Otras funciones de la centralita son:
– Seguridad: la centralita evita que se alcancen sobretem-peraturas en el acumulador (T<90°C), bloqueando la circu-lación de la bomba o desviando la circulación hacia otros puntos de disipación (otro acumulador, una piscina o un disipador, etc)– Sistema antihielo: la centralita evita también que el agua se quede estancada en el colector cuando hay riesgo de congelación, dando pequeños golpes de funcionamiento a la bomba.– Recooling del colector: cuando el acumulador ha alcan-zado temperaturas mayores de las de funcionamiento y el colector se ha enfriado, acciona la bomba para disipar el calor por el colector.– Colector kick: en algunos colectores la información de que el agua está caliente no llega a la sonda con la rapidez correcta. El colector kick sirve para dar un golpe de bomba de pocos segundos para que la sonda lea una temperatura real y correcta.
19
ENERGÍA SOLAR TÉRMICA
El grupo de circulación además de impulsar el líquido calo-portador del circuito primario solar, tiene otras funciones para la puesta en funcionamiento y el correcto control del sistema. En la típica instalación doméstica, la absorción eléctrica de la bomba va de 40 a 100W. Los materiales de la bomba del circuito primario han de ser compatibles con el fluido calo-portador utilizado.
GRUPO DE CIRCULACIÓN
Entre las funciones más importantes encontramos;– Posibilidad de leer y regular el valor del caudal (de 15
l/h por m2 en régimen de bajo caudal a 50 l/h por m2 en régimen normal)
– Posibilidad de conectar un vaso de expansión y el grupo de seguridad
– Posibilidad de leer la temperatura de ida y de retorno al campo de los colectores.
Del colector Hacia el colector
Retorno (frío) 1 válvula de cierre 2 válvula de llenado 3 bomba 4 válvula antirretorno 5 termómetro 6 manómetro 7 válvula de seguridad 8 caudalímetro 9 vaso de expansión
Ida (caliente) 10 válvula de cierre 11 termómetro
Hacia el acumuladoro intercambiador
Retorno al acumuladoro del intercambiador
S1
S3
AF
SUR
S2
COLECTOR
CIRCUITOPRIMARIO
GRUPOCIRCULACIÓN
ACUMULACIÓN
INTERCAMBIO
APOYO
CONSUMO
REGULACIÓN
VASO EXPANSIÓN
20
ENERGÍA SOLAR TÉRMICA
Vaso de expansión
Es uno de los componentes fundamentales de la insta-lación ya que compensa la expansión térmica del fluido calo-portador que en periodos de mucha insolación puede variar considerablemente. Es importante que el volumen del vaso de expansión se elija en base a cada instala-ción, que tenga una buena resistencia a la presión (hasta 6-8bar) y que la membrana de su interior pueda resistir las elevadas temperaturas y el ataque químico del glicol.
Líquido de antihielo
Mezclado con agua (entre 15% y 60%) impide la congelación en invierno y además aumenta el punto de ebullición en verano, favoreciendo al buen fun-cionamiento de la instalación durante todo el año. Es importante que tenga buena resistencia al estrés y que no sea tóxico.
ACCESORIOS: VASO DE EXPANSIÓN, VALVULERÍA,…
Glicol %
Mezcla
Tem
pera
tura
de
ebul
lició
n ºC
21
ENERGÍA SOLAR TÉRMICA
Purgador y separador de burbujas
En la instalación solar la formación de burbujas de aire o de vapor puede perjudicar el correcto funcionamiento cau-sando ruido, cabitación de la bomba y reducción del rendi-miento.
PurgadorEs el dispositivo que permite la evacuación del aire acumu-lado en los circuitos. Puede ser manual o automático. Ha de resistir la temperatura máxima del fluido y también los agentes atmosféricos.
El purgador se ha de colocar en serie con un separador de burbujas. Este componente reduce la velocidad del fluido favoreciendo que las burbujas de aire suban a la parte alta del separador donde se coloca el purgador (manual o au-tomático)
Intercambiador de placas
En instalaciones con más de 20m2 de superficie de cap-tación, normalmente se utilizan intercambiadores de calor externos ya que los serpentines de los acumuladores se quedan pequeños.El tipo de intercambiador más utilizado se llama intercam-biador de placas, aunque aumenta las pérdidas de carga en el circuito, sus ventajas son la elevada potencia específica de transmisión, reducidas dimensiones y peso muy bajo.
En instalaciones de ACS se utilizan intercambiadores de acero inoxidable, en instalaciones para piscinas se pueden utilizar otros materiales como cobre o titáneo.
Válvula mezcladora termostática
En algunos periodos del año la temperatura del agua sani-taria en el acumulador puede alcanzar temperaturas eleva-das, incluso 90ºC. Este componente, indispensable en una instalación solar, es el encargado de mantener una tempe-ratura de consigna en los puntos de consumo, nunca supe-rior a los 55ºC. máx. 60ºC.
Válvulaautomática
Válvulamanual
Separador de burbujas
22
3020008 COLECTOR SOLAR KAYROS CF 2.0
Colector de alto rendimiento para instalaciones solares pequeñas y medianas
Datos técnicosPeso en vacío 37,8 KgPresión máx de funcionamiento 6 barDiámetro tubos 18 mmCapacidad del líquido colector 1,02 lAbsorción 95 %Emisión 5 %Superfi cie de apertura
Superfi cie del absorbedor
1,821,74
m2 m2
Capacidad térmica específi ca 17,2 kJ/kgh
o
a1
0,744,00 W/m2K
a2
0,012 W/m2K2
Temperatura de estancamiento 169 ºC
Curva de rendimiento
Características � Absorbedor de aluminio con tratamiento altamente selectivo de óxido de titanio (absor-tividad 95%, emisividad 5%).
� Vidrio de seguridad templado y antirefl ejante de 4mm de espesor. � Circuito hidráulico con tubos de cobre en forma de arpa y soldadura continua por ultrasonidos.
� Diseñado y dimensionado para optimizar el funcionamiento en instalaciones de circu-lación forzada.
� Máximo 7 colectores en paralelo. � Test de rendimiento según EN 12975. � Certifi cado solar keymark. � Certifi cado de calidad p-icim otorgado por el ente de homologación icim. � 5 años de garantía.
Dimensiones
23
COLECTOR SOLAR KAYROS SYS 2.53020004
Colector de alto rendimiento para instalaciones solares de grandes dimensiones
Datos técnicosPeso en vacío 69,2 KgPresión máx de funcionamiento 6 barDiámetro tubos 18 mmCapacidad del líquido colector 1,28 lAbsorción 95 %Emisión 5 %Superfície de apertura
Superfície del absorbedor
2,392,30
m2 m2
Capacidad térmica específi ca 10,5 kJ/kgh
o
a1
0,7294,1 W/m2K
a2
0,009 W/m2K2
Temperatura de estancamiento 169 ºC
Curva de rendimiento
Características � Absorbedor de cobre con tratamiento altamente selectivo de óxido de titanio (absortivi-dad 95%, emisividad 5%).
� Vidrio de seguridad templado y antirefl ejante de 4mm de espesor. � Circuito hidráulico con tubos de cobre en forma de serpentín y soldadura continua por ultrasonidos.
� Diseñado y dimensionado para sistemas solares de grandes dimensiones. � 4 conexiones hidráulicas con posibilidad de conexión envío y retorno por el mismo lado. � Máximo 6 colectores en serie y 10 en paralelo. � Test de rendimiento según EN 12975. � Certifi cado solar keymark. � Certifi cado de calidad p-icim otorgado por el ente de homologación icim. � 5 años de garantía.
Dimensiones
24
Interacumulador de suelo monoserpentín
INTERACUMULADOR BS1S 150-200-300-400-500 LITROS
Datos técnicosBS1S 150 BS1S 200 BS1S 300 BS1S 400 BS1S 500
Código 3070051 3070052 3070053 3070054 3070055Capacidad Litros 150 200 300 400 500Capacidad serpentín Litros 6,2 9,6 12,5 15,1 19,2Superfi cie intercambio m2 1 1,5 2 2 2,5Producción agua (DT=35K)
Caudal circuito calefacción (1 m3/h) l/h 590 811 892 892 1078Caudal circuito calefacción (3 m3/h) l/h 739 1238 1273 1273 1526Caudal circuito calefacción (5 m3/h) l/h 811 1351 1442 1442 1727Potencia máx. absorbida (DT=35K) kW 30,1 50,4 51,8 51,8 62,1Pérdidas de carga intercambiador
Caudal circuito calefacción (1 m3/h) mbar 38 34 87 87 100Caudal circuito calefacción (3 m3/h) mbar 126 140 190 190 216Caudal circuito calefacción (5 m3/h) mbar 306 503 392 392 440Tiempo de calentamiento (DT=35K)
Caudal circuito calefacción (1 m3/h) min 15 15 20 24 27Caudal circuito calefacción (3 m3/h) min 12 10 14 18 18Caudal circuito calefacción (5 m3/h) min 11 9 12 16 16Dispersión térmica kWh/24h 1,6 2,1 2,5 2,7 2,7Presión máx. funcionamiento Bar 10 10 10 10 10Peso neto kg 87 101 141 125 160
Dimensiones (mm)BS1S BS1S BS1S BS1S BS1S150L 200L 300L 400L 500L
a 1021 1296 1806 1515 1831b 600 600 600 714 714c 500 500 500 630 630d 908 1084 1594 1298 1614e 559 996 1390 1022 1149f 380 580 920 507 644g 329 329 329 315 305h 244 244 244 215 205
Características � Calderín protegido con exclusivo tratamiento de recubrimiento de Titanio a 850ºC. � Monoserpentín inclinado hacia abajo para una homogénea calefacción del depósito. � Brida superior con ánodo y junta para sonda integrados. � Boca de inspección frontal de 110mm (excepto 150 litros) � Protección con ánodo de magnesio. � Pies regulables. � Disponible, bajo pedido, kit de integración eléctrica. � Preparado para instalación de termostato y recirculación. � 3 años de garantía.
25
Interacumulador multiposición de doble camisa
INTERACUMULADOR ARB 80-100-120-150-200 LITROS
Datos técnicosARB 80 ARB 100 ARB 120 ARB 150 ARB 200
Código 467300 467301 467302 467303 467304Capacidad Litros 80 100 120 150 200Capacidad doble envolvente Litros 10 12 14 17 22Producción agua (DT=35K) l/h 301 354 420 475 607Potencia máx. absorbida (DT=35K) kW 12,3 14,4 16,0 18,6 24,1Producción agua (DT=50K) l/h 133 179 215 241 276Potencia máx. absorbida (DT=50K) kW 7,7 10,4 12,0 14,0 16,1Extracción en 10’ (DT=35K) litros 118 142 163 218 269Dispersión térmica kWh/24h 0,90 1,08 1,17 1,87 2,25Presión máx. funcionamiento caldera Bar 8 8 8 8 8Peso kg 43 53 58 74 89
Dimensiones (mm)ARB 80 ARB
100ARB 120
ARB 150
ARB 200
a 870 1040 1200 1250 1540b 495 495 495 505 505c 415 585 745 790 1080d 240 240 240 240 240e 340 340 340 375 375f 285 285 285 355 380g 320 500 660 560 800
Instalación mural vertical Instalación mural horizontal
Características � Calderín protegido con exclusivo tratamiento de recubrimiento de Titanio a 850ºC. � Instalación vertical u horizontal mural o vertical sobre suelo. � Pletina de 75mm � Protección con ánodo de magnesio. � Disponible, bajo pedido, kit de integración eléctrica de 1,5KW y de 2,5KW. � 3 años de garantía.
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Interacumulador de suelo de gran capacidad
INTERACUMULADOR O’BIO 750-1000-1500-2000-2500-3000 LITROS
Datos técnicosO’BIO 750 O’BIO 1000 O’BIO 1500 O’BIO 2000 O’BIO 2500 O’BIO 3000
Código 3080248 3080249 3080250 3080251 3080252 3080253Capacidad Litros 750 1000 1500 2000 2500 3000Superfi cie serpentín m2 3 3 3 3 3 3Producción agua (DT=50 ºC) Litros/h 540 540 540 540 540 540Producción agua (DT=35 ºC) Litros/h 996 996 996 996 996 996Caudal circuito calefacción m3/h 2 2 2 2 2 2Potencia máx. absorbida (DT=50 ºC) kW 31 31 31 31 31 31Pérdidas de carga en el serpentín mbar 850 850 850 850 850 850Presión máx. del serpentín bar 10 10 10 10 10 10Peso neto kg 240 270 350 377 506 544
Dimensiones (mm)O’BIO 750
O’BIO 1000
O’BIO 1500
O’BIO 2000
O’BIO 2500
O’BIO 3000
a 1950 2303 2130 2318 2189 2318b 501 501 600 600 680 680c 550 726,5 550 644 500 565d 150 150 200 200 200 200e 790 790 1100 1100 1400 1400f 890 890 1200 1200 1500 1500g 197 197 220 220 215 215h 703 703 803 803 882 882i 1094 1094 1404 1404 1722 1722j 400 400 400 400 400 400k 560 560 560 560 560 560
Características � Pletina equipada con un intercambiador de serpentín. � Tecnología Protech con corriente modulante impuesta. � Cuba de acero esmaltado. � Boca de inspección de 400mm de diámetro. � 3 puntos de recirculación. � 3 años de garantía. � Tiempos de calentamiento para un DT= 50K:
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Interacumulador combinado para calefacción y ACS
INTERACUMULADOR KOMBI
Datos técnicosKOMBI 500/180 KOMBI 800/230 KOMBI 1000/250
Código 3507009 3507010 3507011Capacidad total acumulador calefacción Litros 500 800 1000Capacidad total acumulador ACS Litros 180 230 250Capacidad serpentín Litros 12,5 15 18Superfi cie intercambio m2 2,5 2,5 3Presión máx. de trabajo circuito sanitario bar 6 6 6Presión máx. de trabajo circuito calefacción bar 3 3 3Temperatura máx. de trabajo circuito sanitario ºC 70 70 70Temperatura máx. de trabajo circuito calefacción ºC 95 95 95Peso neto kg 210 235 275
Dimensiones (mm)KOMBI
500/180KOMBI
800/230KOMBI
1000/250a 850 990 990b 650 790 790c 1700 1780 2030d 1405 1460 1710e 1020 1075 1245f 640 695 780g 25 310 310h 255 310 310l 685 80 960m 830 870 1050
Características � Interacumulador para producción combinada de ACS y calefacción por suelo radiante con serpentín solar.
� Calderín de acero esmaltado para acumulación de ACS con ánodo integrado. � Acumulador de acero para calefacción. � Serpentín de integración solar sobre el acumulador de calefacción con amplia superfi -cie de intercambio.
� Tomas para la conexión directa con el circuito de calefacción de la caldera. � Recubrimiento blando de 100mm de espesor. � Pletina de la parte superior con conexiones de agua caliente, agua fría, recirculación, sonda de temperatura (accesorio)
� 3 años de garantía.
28
ENERGÍA SOLAR TÉRMICA
Sistemas solares para ACS
3. TIPOS DE INSTALACIONES DE ENERGÍA SOLAR TÉRMICA
S1
S3
AF
SUR
S2
COLECTOR
CIRCUITOPRIMARIO
GRUPOCIRCULACIÓN
ACUMULACIÓN
INTERCAMBIO
APOYO
CONSUMO
REGULACIÓN
VASO EXPANSIÓN
INSTALACIÓN INDIVIDUAL PARA ACS
S1
S3
AF
ELIOS 25Centralita
SUR
S2
INSTALACIÓN INDIVIDUAL PARA ACS
29
ENERGÍA SOLAR TÉRMICA
S1
S3
AF
SUR
S2
COLECTOR
CIRCUITOPRIMARIO
ACUMULACIÓN
INTERCAMBIO
APOYO
CONSUMO
REGULACIÓN
OUT 3
S4
OUT 2
VASO EXPANSIÓN
INSTALACIÓN INDIVIDUAL PARA ACSDISIPACIÓN A PISCINA
S1
S3
AF
ELIOS 25Centralita
SUR
S2
C
C
C
INSTALACIÓN COLECTIVA CENTRALIZADA PARA ACS
30
ENERGÍA SOLAR TÉRMICA
S1
AF
ELIOS 25Centralita
SUR
INSTALACIÓN COLECTIVA DESCENTRALIZADA PARA ACS
S1
AF
ELIOS 25Centralita
SUR
S3
S2
INSTALACIÓN COLECTIVA MIXTA PARA ACS
31
ENERGÍA SOLAR TÉRMICA
S1
AF
ELIOS 25Centralita
SUR
S3
S2
INSTALACIÓN COLECTIVA CENTR. CON INTERCAMBIADORES DE PLACAS PARA ACS
S1
S3
AC
AF
ELIOS 25Centralita
SUR
M
M
S2
INSTALACIÓN COLECTIVA CENTRALIZADA CON CALEFACCIÓN CENTRALIZADA PARA ACS
32
ENERGÍA SOLAR TÉRMICA
Sistemas solares para CLIMATIZACIÓN
Sistemas para PISCINAS
ELIOS 25
DESCARGA
CONSUMO
Centralita
M
S4
Delta 34 = 4ºC
SCH 10
OUT 2
DisipadorAconsejado
G1/2"
AGUA FRÍA
S3
S2
G6/4"
SUR
COLECTOR
CIRCUITOPRIMARIO
GRUPOCIRCULACIÓN
REGULACIÓN
VASO EXPANSIÓN
S1
INSTALACIÓN INDIVIDUAL PARA ACS+CALEFACCIÓN
SUR
Purgador
ELIOS 25Centralita
OUT 1
S1
S3
S2
OUT 1
A
33
ENERGÍA SOLAR TÉRMICA
SITUACIÓN COLECTORES: ORIENTACIÓN, INCLINACIÓN Y SOMBRASLa colocación de los colectores en la cubierta es parte esencial del proyecto, ya que depende de ello el obtener un rendi-miento correcto de la instalación. Los puntos clave son la orientación, la inclinación y la ausencia o no de sombras.
4. IMPLICACIÓN DE LA INSTALACIÓN EN EL EDIFICIO
NE E SE S
12:00
10:00 12:00
16:00 08:00
SO O NO
-135 -90 -45 0 45 90 135
Alt
ura
del s
ol (º
)
90
80
70
60
50
40
30
20
10
0
Acimut y (°)
21 de junio
21 de abril
21 de marzo/sep.
21 de febrero
21 de diciembre
L
A
β αmin ß
Alt
ura
del s
ol (º
)
21 de junio
21 de abril
21 de marzo/sep.
21 de febrero
21 de diciembre
Acimut e inclinación del colector solarLa captación anual de la energía solar depende de cómo el colector “ve pasar” el sol con su trayectoria diaria (durante los 365 días del año)
Esto depende de los dos ángulos de montaje del colector:– Orientación (llamado Acimut): es el ángulo de desviación respecto al sur.– Inclinación: definido por la pendiente del colector.
La cantidad de radiación incidente sobre una superficie pla-na, con una orientación y una inclinación dada, viene re-cogida en los atlas de radiación solar. Estas medidas se han tomado por una vía experimental y son datos públicos, necesarios para realizar los cálculos.De estos datos se desprende que la orientación óptima para alcanzar el máximo de radiación solar son los 0º de acimut y la inclinación óptima es la latitud L en la que se encuentre el colector.
Cálculo de sombrasPara realizar el calculo de sombras hay que conocer el án-gulo a mínimo sol, es decir, la altura mínima del sol en una latitud concreta, que corresponde al medio día del solsticio de invierno (21 diciembre)
α mín. = 66,5-Latitud
En ese punto es cuando una sombra es lo más larga posi-ble.
Una vez definida la orientación y la inclinación de los co-lectores hay que calcular la distancia entre las diferentes baterías,
34
ENERGÍA SOLAR TÉRMICA
CONEXIONADO COLECTORES
Los colectores solares habitualmente se conectarán en pa-ralelo; este tipo de conexión comporta:– Menor salto térmico del fluido calo-portador a la salida de
cada batería– Menor pérdida de carga– Menor caudal de agua– Temperatura constante en la batería, con lo que el rendi-miento es homogéneo
Caudal batería
(l/hora)= Caudal colector
x Número colectores
En cambio si conectamos en serie obtenemos:– Mayor salto térmico a la salida de cada batería– Mayor pérdida de carga– Mayor caudal de agua– Las temperaturas suben a lo largo de la batería, reducien-
do el rendimiento de los colectores.
Caudal batería
(l/hora)= Caudal colector
A
B
A B
35
ENERGÍA SOLAR TÉRMICA
DIMENSIONADO DE TUBERÍAS
Definido el caudal total del circuito primario, el dimensionamiento de los tubos se realiza como en cualquier instalación de calefacción. Buscaremos el diámetro que dé una velocidad del fluido de 1m/s y unas pérdidas de carga lineal no superior a 4 mbar/m:
5. DIMENSIONADO DE INSTALACIONES SOLARES
Caudal
36
ENERGÍA SOLAR TÉRMICA
CÁLCULO PÉRDIDAS DE CARGA Y ELECCIÓN DEL GRUPO DE CIRCULACIÓN
Una vez calculado el caudal de la instalación y elegido el diámetro de tubería, pasamos a la elección del grupo de cir-culación, para ello hemos de calcular las pérdidas de carga máximas de la instalación. Éstas serán la suma de las pér-didas en las tuberías del circuito primario más las pérdidas en el campo colector. Una vez calculado se elegirá la bomba que, al caudal cal-culado, nos dé una prevalencia superior o igual a la encon-trada.
Equilibrado hidráulico de las baterías de colectores
Para equilibrar las baterías de colectores se recomienda utilizar retorno invertido en la instalación para asegurar que las pérdidas de carga para cada batería son similares.
En caso de tener baterías desequilibradas o con pérdidas de carga muy diferentes, existen dos opciones: reducir los diámetros de tubería en los tramos de menor pérdida de carga o utilizar dispositivos mecánicos de equilibrado de caudal.
Las pérdidas de carga del campo de colectores a utilizar para el cálculo de la bomba equivale a la de la batería con mayor pérdida de carga. Este valor ha de aportarlo el fabri-cante del colector.En el siguiente gráfico, por ejemplo, vemos las pérdidas de carga del colector modelo KAIROS SYS 2.5 de la marca ARISTON
Pérdida de carga para caudal nominal 35 l/h por colector( Fl ui do: a g u a a 2 0 °C)
0
5
10
15
20
25
30
1 2 3 4 5 6 7 8 9 10
Número de co lectores en una bater ía
Pérdida de carga para caudal nominal 100 l/h por colector( Fl ui do: a g u a a 2 0 °C)
0102030405060708090
100 110 120 130 140 150 160 170 180 190 200210 220
1 2 3 4 5 6 7 8 9 10
Número de co lectores en una bater ía
Pompa80W
Pompa 40W
OK
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ENERGÍA SOLAR TÉRMICA
DIMENSIONADO DEL VASO DE EXPANSIÓN
El dimensionado del vaso de expansión es un punto crítico del dimensionamiento, ya que en caso de colocar un volumen inadecuado, la instalación sufrirá pérdidas anómalas de líquido calo-portador por la válvula de seguridad.Para el cálculo del vaso de expansión se ha de seguir los siguientes pasos:
Dimensiones Volumen (l/m) 15 x 1 0,13
18 x 1 0,20
22 x 1 0,31
28 x 1,5 0,49
35 x 1,5 0,80
42 x 1,5 1,20
54 x 2 1,96
1. Cálculo del volumen de la instalación:El volumen de la instalación es la suma de los siguientes factores:VA = VK +VWT +VKS +VR +Vvor
donde,VA es el volumen total de la instalaciónVK es el volumen del campo de colectores (colectores y racores hidráu-licos)VWT es el volumen de los intercambiadores de calor (internos o externos al acumulador)VKS es el volumen del grupo hidráulico (grupo bomba y valvulería varia)VR es el volumen en las tuberías.
El volumen que contiene cada componente es información que ha de aportar el fabricante, en caso de la capacidad en las tuberías sirva la tabla:
2. Cálculo del vaso de expansiónEl cálculo del vaso de expansión se realiza con la siguiente fórmula:
Vn=Vu * (Pf+1)/(Pf-Pi)
donde,Vn = volumen del vaso de expansiónVu = (Vc * e + Vp) * k ; e (Coeficiente de dilatación del fluido) =0,07; k (Constante de seguridad) = 1,1Pi = Presión absoluta inicial del vaso de expansión (Presión de llenado de la instalación)Pf= Presión absoluta final del vaso de expansión (Presión apertura válvula de seguridad)
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NOTAS
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NOTAS
Parc de Sant Cugat Nord Pza. Xavier Cugat 2 Edifi cio A 2º
08174 Sant Cugat del Vallés Barcelona
Telf. 93 495 19 00
Fax 93 322 77 99
www.aristonthermo.es
14
41
ju
lio
20
09