CÁLCULO DE UNA INSTALACIÓN DE ENERGÍA SOLAR TÉRMICA DE BAJA TEMPERATURA 

Pilar Comes Responsable Departamento Energías Renovables Ariston Thermo España www.aristoncalefaccion.es 

 

   A  continuación  presentamos  un  artículo  técnico  cuyo  objetivo  es  expresar  de  una manera sencilla los puntos a seguir para realizar el cálculo de una  instalación de solar térmico de baja temperatura. Para ello tomaremos como modelo una instalación Ariston en funcionamiento en un túnel de lavado de Sant Carles de la Ràpita, Tarragona.    

1. AMBITO REGLAMENTARIO  Para el cálculo de una instalación térmica en Catalunya hay que tener en cuenta tres normativas de referencia: El apartado HE‐4 del Código técnico de la Edificación (CTE) de ámbito estatal, el Decret de Ecoeficiència de ámbito autonómico  y por último  las diferentes ordenanzas  solares propias de cada  municipio.  El  cálculo  de  la  instalación  concreta  ha  de  cubrir  las  exigencias  de  todas  las normativas vigentes en esa  localidad, por  lo que se realizará  la  instalación según  la normativa más restrictiva dependiendo de las condiciones de diseño concretas de cada obra.   

2. CONDICIONES DE DISEÑO  El primer lugar hay recoger los datos de la energía disponible, es decir, la cantidad de radiación solar incidente en una zona concreta. En el caso de Catalunya hay que coger  los datos publicados en el “Atlas de Radiació solar a Catalunya”. Normalmente se utilizan los datos de radiación medidos sobre una superficie horizontal y a continuación se corrigen en  función de  la orientación y  la  inclinación real que van a tener  los colectores en  la cubierta. Además hay que tener en cuenta  los obstáculos arquitectónicos que puedan hacer sombra sobre los colectores.  En  el  CTE  aparecen  los  límites  permitidos  en  cuanto  a  pérdidas  de  radiación  debidas  a  la mala orientación y/o  inclinación de  los colectores y también por  la presencia de sombras. El valor viene expresado en % y depende de la localización del colector:  Caso General: El colector no respeta el perfil descrito por el edificio Caso de Superposición: El colector está instalado paralelo al perfil descrito por el edificio. Caso de  Integración: El colector pasa a formar parte estructural del edificio.    

    

  Pongamos como ejemplo que hay que calcular la energía disponible en la siguiente cubierta:   

  El porcentaje máximo de pérdidas permitido en este caso es del 10%, suponiendo que los colectores están orientados al SUR y con inclinación óptima.  Para calcular este porcentaje se debe tomar las siguientes medidas y seguir los pasos detallados en el correspondiente apartado del CTE:  

  

 A continuación se debe calcular la demanda de energía de Agua Caliente Sanitaria. Para ello hay que seguir las exigencias de cálculo que plantean las normativas de referencia.    Por último,  una  vez  elegido  el  esquema  a  aplicar  y  el producto  adecuado,  se utilizará  la hoja de cálculo para determinar: 

• la cantidad de colectores solares  • el volumen de acumulación solar  

 Existen diferentes métodos de cálculo, el más extendido es el f‐chart que calcula la aportación solar en función de la demanda total del edificio. 

3. CALCULO DEL TUNEL DE LAVADO  El ejemplo que vamos a calcular consiste en determinar el número de colectores solares necesarios para aportar el 60% de la energía utilizada para calentar el agua de un túnel de lavado de Sant Carles de la Rapita, en Tarragona.  

  A. Determinación del número de colectores:  El  espacio  destinado  para  la  colocación  de  los  colectores  es  la misma  cubierta  de  chapa  de  las instalaciones. En este caso se observa que el espacio disponible sin sombras es abundante y al ser una  cubierta  plana  se  podrá  orientar  e  inclinar  los  colectores  buscando  el  óptimo,  es  decir, orientación sur, inclinación 40º.  

Para calcular la demanda de energía necesaria para calentar el agua se tendrá en cuenta los datos de consumo que aporta el propietario, datos que son  fruto de  la experiencia de años en el sector. En este caso el propietario estima un consumo de 24 litros/día∙coche a 60ºC y en total una media de 98 coches diarios.  

El total de energía necesaria para calentar esta cantidad de agua , teniendo en cuenta DEmes = Q * N * (Tacs ‐ Taf) * 1,16*10‐3, es de:  

  N  Temp. agua fría  Demanda  

  dias/mes  ºC  kWh Enero  31  6  4.567 

Febrero  28  7  4.049 Marzo  31  9  4.313 Abril  30  11  4.011 Mayo  31  12  4.060 Junio  30  13  3.847 Julio  31  14  3.891 

Agosto  31  13  3.975 Septiembre  30  12  3.929 

Octubre  31  11  4.144 Noviembre  30  9  4.174 Diciembre  31  6  4.567 

ANUAL  365     49.527 

  El colector utilizado en la instalación es el colector ARISTON modelo TOP 2.5 con el siguiente rendimiento:  

Características de los captadores             Modelo de captador      TOP 2.5 Superficie captador    m2/captador  2,3 Fr Tau (factor óptico)      0,768 FrU (pérdidas térmicas)    W/(m2∙K)  3,6 Altura captador    m  2,3   Utilizando el método de cálculo f‐chart obtenemos que, para obtener el 60% de cobertura solar, son necesarios 15 colectores de este modelo y almenos 3.000 litros de acumulación.  La aportación solar resulta ser de una media del 60,8% anual, tal y como indica la siguiente tabla:   

 

Radiación solar incidente superf. inclinada EImes 

kWh/m2 

Fracción solar mensual f 

Energía útil aportada por 

captadores EUmes  kWh 

       Enero  87,56  35%  1.591 

Febrero  107,64  48%  1.962 Marzo  150,64  62%  2.670 Abril  153,22  66%  2.660 Mayo  164,41  70%  2.840 Junio  173,50  77%  2.952 Julio  195,76  84%  3.263 

Agosto  186,18  80%  3.180 Septiembre  165,89  74%  2.893 

Octubre  147,54  63%  2.628 Noviembre  110,90  48%  2.005 Diciembre  80,96  32%  1.472 

ANUAL     60,8%  30.116 

  Y por último el balance energético obtenido es: 

balance energético

0500

1.0001.5002.0002.5003.0003.5004.0004.5005.000

ENE FEB MAR ABR MAY JUN JUL AGO SEP OCT NOV DIC

kWh

Demanda EUmes Exigencia mínima 

  

   Los 15 colectores van colocados en la cubierta en baterías de 5 colectores cada una, tal como se ve en la siguiente imagen.  

    Se realizan baterías lo más homogeneas posible en número de colectores y con un número menor o igual a 6 colectores en paralelo. De esta forma conseguimos equilibrar los caudales con mayor facilidad y reducimos las pérdidas de carga de la instalación.  La conexión de los colectores se realiza con el retorno invertido tal y como indica el siguiente esquema y se aprecia en la instalación:  

        

  

 

 (Imagen del retorno invertivo de la instalación)   B. Elección del esquema que se debe utilizar  El esquema elegido es una instalación centralizada compuesta de un acumulador y un único campo colector.  

  

  C. Elección del acumulador  Para la elección del acumulador hay que decidir el tipo de intercambio, es decir, si el intercambio se realizará en el interior del acumulador, con un serpentín o en el exterior con un intercambiador de placas. Para ello se ha de comprobar la siguiente expresión:     En nuestro caso SCAP, superficie de captación es:  SCAP = 15 colectores x 2,3 m2/colector  despejando en la ecuación resulta SINT, superficie de intercambio minima ha de ser:  SINT = 5,175 m2  Para el esquema elegido habrá que buscar un acumulador con el serpentín de mínimo esa superficie.    

   

    

15,0SS

CAP

INT ≥

      D. Determinación del caudal y diámetro de la instalación  Para calcular el caudal de la instalación se ha de buscar el caudal de trabajo del colector solar. Este valor viene detallado en las características específicas marcadas por el fabricante de los colectores, en este caso el caudal recomendado es de 70l/h.  El caudal total de la instalación será 1.050 l/h. Con este caudal obtenemos un diámetro de tubería de cobre de 28 mm (ver ábaco de las tuberías de cobre).    E. Determinación del volumen del vaso de expansión  El cálculo del vaso de expansión se calcula con la siguiente fórmula:  Vn=Vu * (Pf+1)/(Pf‐Pi)  donde, Vn = volumen del vaso de expansión Vu = (Vc * e + Vp) * k ;      e (Coeficiente de dilatación del fluido) =0,07;     k (Constante de seguridad) = 1,1 Pi, 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) 

 En el caso concreto resulta un vaso de expansión de mínimo 57 litros, con lo que se ha instalado un vaso de expansión de 65 litros en la instalación.   F. Elección de la bomba de circulación  Para la elección de la bomba se ha de estimar las pérdidas de carga presentes en la instalación y con el caudal de diseño, que en este caso es de 1.050l/h podemos elegir la bomba adecuada.  En la instalación de referencia se ha instalado una bomba Grundfos solar de 15x60.