INCONVENIENTES DEUN SISTEMACENTRALIZADO

Un sistema centralizado noresulta adecuado en comuni-dades de vecinos, ya que pre-senta algunos inconvenien-tes: debe ocupar un espacioen el edificio, que es caro depor sí, el reparto de agua ca-liente suele hacerse medianteun segundo intercambiadorde calor, o bien en defectode éste, se debe medir el

consumo de agua caliente decada usuario mediante uncontador especial,... Si unusuario desea consumir mu-cha agua caliente sanitariasolar (ACSS), puede hacerloa costa de la energía del acu-mulador y en perjuicio de losdemás usuarios que al en-contrarse el acumulador amenor temperatura deberáncalentar su agua mediante unsistema auxiliar a un costemayor. (Como es evidente,el precio del ACSS es menorque el del ACS, calentadapor el sistema auxiliar).

EL SISTEMA DEACUMULACIÓNDISTRIBUIDA CONVOLUMEN VARIABLE

En un sistema de acumula-ción distribuida con volumenvariable, se soluciona el temadel espacio que ocupa la acu-mulación, ya que ésta pasa aser particular y se limita laposibilidad de que algúnusuario se aproveche en exce-so del sistema, debido a la re-lativa capacidad de acumula-ción e intercambio térmico.

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Acumulación distribuida convolumen variable en instalacionesde a.c.s. por energía solar enedificios de viviendasPor Jaume RIBOT MARTÍNIngeniero Industrial

La reciente Ordenanza Solar de Barcelona, que obligaen muchos casos a dotar de instalación de energía solar para calentamiento de agua a los edificios deviviendas, exige un cambio de filosofía en el tradicionaldiseño de una instalación de energía solar. Se exponeaquí un sistema en el que la acumulación, en lugar de centralizarse, se reparte en pequeños depósitosdistribuidos en cada vivienda del edificio.Si además se usa el concepto de volumen variable de acumulación, se obtiene un sistema de acumulacióndistribuida con volumen variable. El que consiste en queen cada acumulador, una electroválvula abre o cierra elpaso del líquido primario caloportador, de acuerdo conlas necesidades térmicas.Un sistema de control sencillo, mediante termostatos,junto con un autómata programable, hace de estesistema el ideal para edificios con múltiples viviendas.

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(No es lo mismo abrir el gri-fo del agua caliente y que éstetire de un depósito de 3000litros, a que lo haga de un de-pósito de 150 litros). El se-creto de este sistema está enel control de los flujos térmi-cos, que se realiza automáti-camente.

CONDICIONES DEAPLICACIÓN

Para una aplicación correctade este sistema deben cum-plirse las siguientes condicio-nes:

- El número de usuariosactivos debe ser elevado(Normalmente para n >=10 esta condición ya essuficiente).

- El volumen total de acu-mulación “V”, se diseñapara un valor mayor queel habitual (Aproximada-mente entre 100 y 120 li-tros de agua por m2 decolector).

- Los acumuladores de vo-lumen “v”, deben tenercaracterísticas de aisla-miento térmico mejoresque las habituales y ser deserpentín ubicado en lazona inferior.

Existe ya algún fabricante na-cional interesado en poner enel mercado este nuevo tipo deacumuladores más optimiza-dos para la acumulación distri-buida.

Como energía auxiliar, puedeutilizarse cualquiera de las ha-bituales: resistencias eléctricas,caldera de gas, etc. En la fig. 1puede verse un sistema deacumulación distribuida.

CONSIDERACIONES DECÁLCULO

Puede utilizarse para la deter-minación del número de me-tros cuadrados de paneles so-lares necesario, el conocidométodo de cálculo “F-Chart”, que es aplicable parasistemas entre 37,5 y 350 li-tros de acumulación por m2

de panel solar, por lo que esposible la aplicación de estemétodo de cálculo a un siste-ma en el que el volumen deacumulación sea variable, es-tando inicialmente, como yase ha indicado, sobre los 100- 120 litros / m2 de panel so-lar para ir pasando paulatina-mente a valores de alrededorde 75 litros/ m2 que es el va-lor óptimo.

De esta manera, se consigueque el sistema trabaje en lasmejores condiciones de rendi-miento energético de panelessolares (Fig. 2), menores pér-didas de transmisión de caloren tuberías y en los acumula-dores. Se consigue así un aho-rro como mínimo del 5%, loque implica que la instalaciónpuede funcionar con algún m2

menos de panel solar.

Las simulaciones efectuadasdemuestran que la fracción so-lar anual varía poco al variar elvolumen de acumulación,como se puede observar en elcuadro 1, en el que al multi-plicar por 4 el volumen deacumulación, la fracción solaranual, disminuye menos de un20%.

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Fig. 1: Esquema general de un sistema de acumulación distribuida con volumen variable.

La disminución de la fracciónsolar anual, al aumentar elvolumen de acumulación, esconsecuencia de que la tem-peratura fijada de acumula-ción, en este ejemplo, es de55°C. Lógicamente, a medi-da que aumenta el volumende acumulación, la tempera-tura del agua acumulada tien-de a disminuir y el usuario hade aportar energía auxiliarpara tener su agua caliente a55°C. En el siguiente cuadrose observa qué le ocurre a lafracción solar anual si varia-mos la temperatura de acu-mulación.

En consecuencia, al aumentarel volumen de acumulación(dentro de ciertos límites), seaumenta la energía almacena-da, se disminuyen pérdidas y sila temperatura de consumorequerida no es muy elevada(típicamente 45 °C), el rendi-miento global del sistema au-menta.

El precalentamiento del aguacaliente se hace con mayor ren-dimiento en los paneles solares.Si la temperatura, de por sí va-riable a la salida del acumula-dor, no es del agrado del usua-rio, éste puede recalentarla a sugusto mediante un sistema decalentamiento auxiliar.

El RITE en su capítulo 10 ar-tículo 1.3.2 exige justifica-ción cuando la superficie depaneles solares instalados seainferior a 1 m2 por cada 80 li-tros de acumulación. Tal si-tuación se da en el caso deacumulación distribuida convolumen variable y el técnicoproyectista puede justificarlasin mayores problemas, enbase a los razonamientos cita-dos aquí.

FUNCIONAMIENTODEL SISTEMA

En el esquema de funciona-miento, el líquido primario,formado por una solución an-ticongelante a base de propi-lenglicol con calidad alimenta-ria, es calentado en los panelessolares y llega directamente acada vivienda, y es aquí dondese almacena el calor en unacumulador de tamaño redu-cido.

Para un mejor equilibrado delcircuito hidráulico, el retornose hace invertido, lo cual ade-más de muy conveniente, per-

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Fig. 2: El rendimiento de un panel solar mejora al trabajar con un mayor volumende acumulación.

CUADRO 1. Simulación de un caso de 18 viviendas en Barcelona. Superficie depaneles solares: 36,1 m2 Temperatura de acumulación: 55°C.

Volumen de acumulación/m2 de panel Fracción solar anual en %

50 70,3

75 64,4

100 60,4

125 57,4

150 55,0

200 51,4

El mismo ejemplo anterior con un volumen de acumulación fijo de 75 litros/m2 ydiferentes temperaturas de acumulación.

Temperatura de acumulación: Fracción solar anual en %

40 ºC 68,7

50 ºC 65,9

60 ºC 62,7

mite una excelente ubicaciónpara la sonda T2 del termosta-to diferencial, ya que ésta estáen la posición inicial del retor-no general.

En la vivienda de cada usua-rio, están las dos válvulas decorte reglamentarias y unaelectroválvula “Yn”, que esactuada por el control.

La sonda del termostato dife-rencial T1 está en la salida delos paneles. Esta sonda, juntocon T2, controla el funciona-miento de la bomba del líqui-do primario. Una sonda T4puede controlar el termostatode la resistencia eléctrica, o laválvula de 3 vías para una cal-dera de gas, actuando la son-da T5 como sensor de tem-peratura de salida que puedeser visible en un display y determostato de máxima. A lasalida del serpentín primario,se sitúa la sonda T3, así comola electroválvula. El funciona-miento de esta electroválvulaes clave para el buen aprove-chamiento del sistema.

EL CONTROL ESESENCIAL EN UNSISTEMA DEACUMULACIÓNDISTRIBUIDA CONVOLUMEN VARIABLE

La idea básica del control esla siguiente: El sistema fun-ciona con todo su volumen ytodas las electroválvulasabiertas hasta que se carga elprimer acumulador. A partirde aquí, el volumen de acu-mulación empieza a dismi-nuir a medida que se desco-nectan acumuladores. Cuan-do hay un cierto porcentajede acumuladores desconecta-dos, el sistema vuelve a abrir

selectivamente las electrovál-vulas, para posibilitar quepuedan seguir cargándose,hasta la temperatura máxima,controlada por T5. (Las tem-peraturas del ejemplo que si-gue son orientativas e inclusopermitirían luchar contra lalegionela, programando queen verano, los acumuladoresse sometan a una pasteuriza-ción a más de 70°C)

Si T3 <= 40°C, la electrovál-vula Y1 permanece siempreabierta.

Si T5 > 80°C, la electroválvu-la Y1 permanece siempre ce-rrada.

Si T3 > 40°C y T5 <= 75°C,la electroválvula Y1 puede es-tar abierta o cerrada en fun-ción de lo que decida el con-trol.

Un posible esquema eléctricosencillo se observa en la fig. 3

Mediante un autómata pro-gramable modular es posiblerealizar el esquema eléctricode control. También se puedeoptar por otras configuracio-nes más complejas que inclu-yan, por ejemplo, un bus decontrol, el control analógicode temperaturas, registros es-tadísticos, etc. En cualquiercaso hay que destacar la im-portancia del software utiliza-do, que ha de ser específicopara cada instalación solar. Unsistema de acumulación distri-buida con volumen variablesin un control adecuado nun-ca funcionará correctamente.

En este sistema de acumula-ción distribuida, cada usuarioes independiente de los demás,el equipo es sencillo y de bajomantenimiento. El inconve-niente de las mayores pérdidasde calor, debido a la mayor re-lación superficie / volumen, alser la acumulación distribuida,se puede subsanar utilizando

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Fig. 3: Esquema de un posible control de la electroválvula.

acumuladores con aislamientotérmico adicional.

COSTES DE LAINSTALACIÓN

Un sistema de acumulacióndistribuida es más caro que unsistema de acumulación cen-tralizada, debido básicamenteal mayor coste de los depósi-tos acumuladores respecto aun único depósito.

Un sistema auxiliar con resis-tencias eléctricas es más baratode instalación que uno conapoyo de una caldera de gas,pero éste último tiene la ven-taja de que puede proporcio-nar un servicio de agua calien-te indefinido.

Los costes estimados para unproyecto en ejecución de 18viviendas de unos 140 m2 enBarcelona se resume en:

– Campo de colectores: 19unidades. Fabricante: ROCAmodelo PS1

– Acumulador individual: Vo-lumen: 134 litros. Fabrican-te: LAPESA (diseño espe-cial)

– Control: PLC Simatic S-7-214 + 3 módulos de expan-sión. Fabricante: SIEMENS

– Coste por vivienda con re-sistencias eléctricas: 2000Euros (Resistencia de 1500W en acumulador)

– Coste por viviendas con cal-dera electrónica de gas:2200 Euros (Incluye la vál-vula de 3 vías y el 20% delprecio de una caldera elec-trónica mixta)

ASPECTOS LEGALES

Es evidente la necesidad deque ciertos termostatos ysensores no sean accesibles alos usuarios particulares,pues éstos podrían manipu-larlos en su propio beneficio.(Tales elementos deberán es-tar precintados y ser subcep-

tibles de inspección periódicapor el servicio de manteni-miento).

Debe quedar claro, desde elprimer momento, que partede la instalación es comuni-taria y que parte es particu-lar, así como el procedimien-to a seguir en caso depresentarse cualquier pro-blema en cualquier punto dela instalación. ❙

BIBLIOGRAFÍA:

“Solar Energy Thermal Pro-cesses”. Autores: John A.Duffie y William A. BeckmanISBN: 0-471-22371-9

“Proyectos de Sistemas Tér-mico-Solares por el métodode las curvas f”. Autores: Wi-lliam A. Beckman, Sanford A.Klein y John A. Duffie. ISBN:84-7087-222-2

“Curso de Energía Solar” Au-tor: J. Ribot. ISBN: 84-7608-054-9

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