1

CAP. 2 – LOS SST INDIVIDUALES PARA PRODUCCIÓN DE ACS EN VIVIENDAS

2.1

SISTEMAS SOLARES TÉRMICOS INDIVIDUALES

• Análisis de las configuraciones de los SST individuales• Sistemas de circulación natural y forzados• Sistemas directos e indirectos

• Componentes de los SST• Colectores solares CS• Depósitos acumuladores DA• Criterios de selección de componentes

• Criterios sobre el uso de Sistemas prefabricados o Colectores Solares Integrados CSI

2.2

FUNCIONAMIENTO DE LA CIRCULACIÓN NATURAL

4. El agua fría, con mayor densidad,tiende a moverse a la parte más baja.

1. Al calentarse el agua del colector,disminuye su densidad y tiende a subir.

5. El agua fría entra por la parte inferiordel colector y se va calentando.

3. El agua fría se desplaza hacíala parte inferior del acumulador.

Agua fría

2. El agua caliente entra en la parte altadel acumulador y desplaza al agua más fría.

Agua caliente

2.3

2

FUNCIONAMIENTO DE LA CIRCULACIÓN NATURAL

Captador

Depósito

1

2

5

34

Temperatura

Altura

1

2

34

5

Captador

Depósito

1

2

5

34

Temperatura

Altura

1

2

34

5

Captador

Depósito

1

2

5

34

Captador

Depósito

Captador

Depósito

Captador

Depósito

1

2

5

34

1

2

5

34

Temperatura

Altura

1

2

34

5

Temperatura

Altura

Temperatura

Altura

1

2

34

5

1

2

34

5

1

2

34

5

2.4

FUNCIONAMIENTO DE LA CIRCULACIÓN FORZADA

2.5

DISEÑO DE CIRCUITOS DE CIRCULACIÓN FORZADA

Caudales para garantizar transporte de calor:• minimizar pérdidas de carga (entre 1 y 3 m.c.a. para pequeños SST)• minimizar las pérdidas térmicas:

• ajuste de caudales y diámetros• reducir longitudes de trazado• priorizar trazado corto del tramo más caliente

Seleccionar caudal:• Entre 30 y 60 l/h.m2, • En el rango del fabricante• Análisis de sensibilidad

2.6

3

DISEÑOS PARA CIRCULACIÓN NATURAL

• Energía impulsora térmica muy pequeña (20 a 60 mm.c.a)• Depende de la diferencia de temperaturas (de 20 a 40ºC)• Circuitos con poca pérdida de carga (30 mm.c.a): mayores

diámetros, cambios suaves y poca longitud• Que favorezcan siempre la circulación: con pendiente,

evitando sifones y retenciones de aire.• Aumentando la altura de las columnas• Sin restricciones por accesorios

2.7

COMPARACIÓN DE CIRCULACIÓN NATURAL Y FORZADA

CARACTERÍSTICA CIRCULACIÓN NATURAL CIRCULACIÓN FORZADA

Necesita bomba de circulación No SiCaudales del calentamiento Proporcionales a la radiación solar Fijo salvo uso de bombas de caudal variableRegulación de caudal Natural no es preciso Necesario para evitar ciclos de arranque-paradaPosición relativa de componentes Criterio muy importante Factor secundarioTipología de colector solar Normalmente parrilla CualquieraTipo de interacumulador Doble envolvente CualquieraCriterios selección de componentes Poca pérdida de carga No es tan importante la pérdida de cargaTrazado de tuberías Más delicado y precisoAplicaciones Mejor a pequeños sistemas Mejor en grandes instalacionesPrecisa alimentación eléctrica No SiFacilidad de integración arquitectónica Con dificultad Más sencillaPérdidas térmicas en acumulador Normalmente va al exterior Más facilidad para instalarlo en el interiorPérdidas térmicas en circuitos Peores en distancia a consumo Peores en circuito primarioTemperaturas de trabajo Saltos de temperaturas más altos Saltos de temperaturas más bajosTemperatura máxima de acumulador Sólo controlable por diseño Utilizable sistema de controlSistemas de protección antiheladas Mezcla anticongelante Y además recirculación y drenaje automáticoCosto de la inversión Menor MayorCosto de mantención Sólo mantención preventiva Necesita más mantención por control y bombaCosto de explotación No tiene costos adicionales Coste de la energía eléctrica

2.8

DISEÑO DE SISTEMAS DIRECTOS

SISTEMAS DIRECTOS

AF

AC

SISTEMAS INDIRECTOS

AF

AC

• Importante influencia de la dureza del agua de red• Reducir temperaturas de funcionamiento del colector

aumentando caudales de circulación• Aumentar diámetros de tuberías ascendentes• Vigilar temperaturas de funcionamiento• Programar limpieza de circuitos

2.9

4

COMPARACIÓN DE SISTEMAS DIRECTOS E INDIRECTOS

CARACTERÍSTICA SISTEMA DIRECTO SISTEMA INDIRECTO

Fluido de trabajo Sólo el agua de la red Más el fluido del circuito primarioPresión de trabajo en circuitos Todo a la presión de la red Pueden ser presiones distintasSistema de llenado No requiere Si necesitaSistema constructivo del conjunto Más sencillo Más complejoEvolución del rendimiento Empeora con el tiempo Se mantiene constanteAplicaciones Sólo en pequeños sistemas Cualquier tipo de instalaciónUso en zonas con riesgo de heladas Desaconsejado RecomendadoUso con aguas muy duras Desaconsejado RecomendadoCosto de la inversión Menor MayorMayor costo de mantención Limpieza interna del colector Mantención de circuito cerrado

2.10

COMPONENTES DE LOS SST

• El colector solar plano• Elementos principales del colector solar• Otros tipos de colectores• Características de funcionamiento• Criterios de selección del colector

• El acumulador solar• Características constructivas y funcionales• Tipos de acumuladores• Criterios de selección de acumuladores

• Otros componentes de las instalaciones

2.11

COMPONENTES DE LOS SST

• El colector solar• fundamental, específico y diferenciador

• Resto de componentes• elementos comunes a otras instalaciones térmicas• condiciones derivadas de la fuente de energía• importancia del rendimiento global de la instalación

2.12

5

FUNCIONAMIENTO DEL COLECTOR SOLAR PLANO

2.13

ELEMENTOS PRINCIPALES DEL COLECTOR SOLAR PLANO

• Cubierta• Absorbedor• Aislamiento• Carcasa

2.14

CUBIERTA TRANSPARENTE

• Efecto invernadero:• Transparente a la radiación solar• Pérdidas por radiación

• Pérdidas por convección• Materiales:

• Vidrio (de 3-4 mm, bajo contenido Fe, templado)• Algunos plásticos (acción UV, dilataciones)

• Asegura la estanqueidad (con junta elástica)

2.15

6

ABSORBEDOR DEL COLECTOR SOLAR

• Superficie metálica plana (en una lámina entera o en bandas) con un circuito adosado:• Absorbedor es normalmente de cobre, a veces, de aluminio y

esporádicamente, de acero u otros materiales.• Circuito del absorbedor, casi siempre, con tuberías de cobre

• Características importante para evacuación de calor:• Conductividad y espesor de la lámina• Contacto térmico de la unión lámina-tubería

2.16

TRATAMIENTO SUPERFICIAL DEL ABSORBEDOR

• Comportamiento del absorbedor:• Absortancia: capacidad de absorber radiación • Emisividad: capacidad de emitir radiación

• Tipos de tratamientos superficiales:• Negro• Selectivo

2.17

CIRCUITO HIDRAÚLICO DEL ABSORBEDOR

Al circular el fluido de trabajo para evacuar el calor:• La superficie de contacto del circuito hidráulico con el absorbedor

debería ser lo más grande posible.• Las características constructivas deben garantizar la mejor

transmisión térmica desde cualquier punto del absorbedor al circuito.

• La circulación del fluido en régimen turbulento favorece significativamente la transferencia de calor.

• El equilibrado hidráulico interior debe garantizar que no haya diferencias de caudal en el circuito pues el rendimiento global disminuiría.

2.18

7

CIRCUITO HIDRÁULICO DEL ABSORBEDOR

Los más habituales:• Tipo parrilla o tipo serpentín• Vertical u horizontal

2.19

OTROS TIPOS DE CIRCUITOS DEL ABSORBEDOR

2.20

OTROS TIPOS DE COLECTORES SOLARES

• Colectores planos– Sin cubierta– Con varias cubiertas– Con cubierta TIM– Tipo CPC– De vacío– A medida

• Colectores de tubos de vacío– De tubos de calor– De tubo en U– De flujo directo

2.21

8

CARACTERIZACIÓN DEL FUNCIONAMIENTO

La potencia útil captada por el colector es:

PCOL = mCOL . cp . (TS - TE) = η . A . Gt

mCOL : el caudal másico que circula por el colectorcp : el calor específico a presión constante del fluidoTS : la temperatura de salida del colector (ºC)TE : la temperatura de entrada del colector (ºC)η : el rendimiento del colectorACOL : la superficie o área útil del colector (m2)Gt : la irradiancia total sobre la superficie del colector (W/m2)

2.22

FUNCIÓN DE RENDIMIENTO DEL COLECTOR

El rendimiento se suele expresar como una función cuadrática:

o lineal:

Siendo Factor óptico o factor de ganancia:Factores de pérdidas:

Todos los factores de la función de rendimiento están relacionados:– Con un área de referencia (normalmente apertura)– Con un caudal de funcionamiento (por defecto, 0,02 l/s.m2)

t

ambe

t

ambe

GTT

kG

TTk

2

210)(

t

ambeLRR G

TTUFF .)..(

)..( RF ó 0

LR UF . ó 1k y 2k

2.23

RENDIMIENTO DE DISTINTOS COLECTORES

0,000,100,200,300,400,500,600,700,800,901,00

0 10 20 30 40 50 60 70 80 90 100

Rendimiento

Tent - Tamb

CS1 CS2 CS3

0 k1 k2CS1: 0,85 8,50 0,030CS2: 0,80 4,00 0,025CS3: 0,75 2,00 0,020

2.24

9

RENDIMIENTO CON DISTINTAS IRRADIANCIAS

0,000,100,200,300,400,500,600,700,800,901,00

0 10 20 30 40 50 60 70 80 90 100

Rendimiento

Tent - Tamb

600 800 1000

Irradiancia solar Gt en W/m2

2.25

PÉRDIDA DE CARGA DEL COLECTOR SOLAR

0

50

100

150

200

250

0 10 20 30 40 50 60 70 80 90 100

Pérdida de carga (mbar)

Caudal (kg/h)

Parrilla Doble parrilla Serpentín

PCCOL = a1 . mCOL + a2 . mCOL2

2.26

TEMPERATURA DE ESTANCAMIENTO DEL COLECTOR

• Cuando no circula fluido por el colector solar:• La radiación solar sigue introduciendo energía, • Aumenta la temperatura del absorbedor, y• Aumentan las pérdidas térmicas

• Se alcanza el equilibrio térmico cuando:• Las pérdidas térmicas compensan a la radiación incidente• Se ha alcanzado la temperatura de estancamiento

• Según UNE-EN 12975 la temperatura de estancamiento está referida a una irradiancia incidente de 1000 W/m2 y a una temperatura ambiente de 30 ºC.

2.27

10

CERTIFICACIÓN Y ENSAYO DEL COLECTOR SOLAR

• Presión interna del absorbedor• Resistencia a alta temperatura• Exposición• Choque térmico externo• Choque térmico interno• Penetración de lluvia• Carga mecánica• Rendimiento térmico• Resistencia antiheladas• Temperatura de estancamiento• Resistencia al impacto (opcional)

2.28

CRITERIOS DE SELECCIÓN DEL COLECTOR SOLAR 1

1. La disponibilidad de un certificado del colector2. Los resultados del ensayo: fundamentalmente los parámetros

de rendimiento del colector y la pérdida de carga3. Los materiales que lo componen: espesor y calidad del vidrio,

materiales del absorbedor y su circuito hidráulico, formas de conexionado exterior, tipo de aislación y materiales de la carcasa

4. La facilidad para constituir baterías de colectores y los tipos de accesorios de conexión y de sujeción, así como los procedimientos de trabajo a utilizar.

5. La capacidad de adaptación a la estructura soporte, al edificio y a las condiciones de generales de la instalación.

6. Los requisitos del fluido de trabajo que se pueda utilizar.7. La disponibilidad de un manual de instrucciones claro.

2.29

CRITERIOS DE SELECCIÓN DEL COLECTOR SOLAR 2

8. Las condiciones de mantenimiento previstas en el manual9. Las formas de embalaje, transporte y almacenaje previstos10. Las condiciones y los plazos de la garantía del fabricante y del

distribuidor11. Las referencias de instalaciones en los que se ha utilizado y los

años de experiencia constatable.12. El costo de adquisición del colector y de los accesorios

necesarios para su montaje y acoplamiento.13. Los costos de transporte y montaje incluso las diferencias de

costos de la instalación asociada a cada caso14. Las prestaciones energéticas de la instalación estudiando los

resultados de los programas de cálculo con distintos colectores solares y realizando un análisis comparativo de los mismos.

2.30

11

ACUMULADOR SOLAR

• Almacena la energía solar como calor sensible hasta que se precise su uso

• Características constructivas y funcionales • Resistencia y durabilidad, manteniendo la calidad sanitaria del

agua• Estratificación: una mejor estratificación colabora en el buen

rendimiento de la instalación• Pérdidas térmicas: minimizarlas colabora con el buen

rendimiento de la instalación

2.31

CLASIFICACIÓN DE ACUMULADORES

• Por su disposición: • Vertical• Horizontal

• Por la posición y tipo del intercambiador:• Interno (serpentín, doble

envolvente, etc. )• Externo

2.32

RESISTENCIA Y DURABILIDAD DEL ACUMULADOR SOLAR

• Soportar las condiciones extremas.• de presión• de temperatura

• Protección contra la corrosión interna. Se pueden utilizar equipos de protección catódica permanente o ánodos de sacrificio recambiables (Norma UNE-EN 12499)

• Protección contra las condiciones climáticas exteriores que afectan a las pérdidas térmicas y a la corrosión externa

2.33

12

ESTRATIFICACIÓN EN EL ACUMULADOR SOLAR

• Para mejorar la estratificación se deben incorporar medidas que la favorezcan y evitar, o reducir, los efectos que la destruyen. Son recomendables las siguientes:

• Utilizar la disposición vertical• Ver posición de conexiones de entrada y salida• Reducir volúmenes “no útiles” en los fondos del acumulador.• Evitar mezcla con la entrada de agua fría (reducir velocidad

aumentando los diámetros de entrada y utilizando deflectores y difusores).

• Mejor si la tubería de salida hacia el consumo toma el agua de la parte superior del acumulador pero la boca de salida que esté en el lateral de forma para evitar que el agua de la tubería de salida, cuando se enfría porque no hay consumo, vuelva al acumulador rompiendo la estratificación

2.34

POSICIÓN DE LAS CONEXIONES DEL ACUMULADOR

En relación con la altura total del acumulador:

• Retorno del intercambiador: entre el 50% y el 75%

• Ida al intercambiador: entre el 5% y el 10%.

• Entrada de agua fría: máximo el 10% y deflector

• Salida de agua caliente: entre el 90% y el 100% de

2.35

MATERIALES Y PROTECCIONES INTERNAS

1. Cobre. 2. Acero negro con revestimiento plástico (resinas epoxí): se

obtienen por mezcla de dos componentes y se adhiere internamente al acero para separarlo del agua. Pueden resistir adecuadamente hasta temperaturas de 80/90ºC.

3. Acero negro vitrificado: recubrimiento inorgánico a partir de boroaluminio-silicatos que se funden a alta temperatura sobre el acero en una o varias capas. Aunque soporte hasta 800ºC, se recomienda limitar a unos 120ºC por las dilataciones del acero.

4. Acero inoxidable: hay que tener mucha precaución con la calidad del acero y de las soldaduras de unión. Soportan temperaturas de hasta 200ºC sin ningún tipo de problemas

2.36

13

AISLAMIENTO Y PROTECCIONES EXTERNAS

Para reducir las pérdidas térmicas, toda la superficie exterior del acumulador, cañerías, bocas de conexión y registro deben estar cubiertas con material aislante adecuado y correctamente sellado

Para soportar la humedad y la radiación solar el aislamiento debe disponer de algún tipo de recubrimiento exterior resistente a estos factores (aluminio, inox, acero lacado, poliéster, etc.)

2.37

CRITERIOS DE SELECCIÓN DE ACUMULADORES

1. La disponibilidad de un certificado del acumulador2. El cumplimiento de los requisitos exigidos para mantener la

potabilidad y calidad del agua caliente sanitaria.3. La capacidad de trabajar adecuadamente dentro de los márgenes

de presión y temperatura previstos.4. Las dimensiones en relación con los espacios disponibles para su

ubicación definitiva y para su traslado durante la instalación.5. Los materiales constructivos y protecciones interiores.6. La compatibilidad con el resto de materiales de la instalación. 7. El aislamiento térmico definido por el tipo, material y espesor

(y/o evaluando pérdidas térmicas) y sus protecciones exteriores en relación con el procedimiento de traslado y el lugar de ubicación.

2.38

CRITERIOS DE SELECCIÓN DE ACUMULADORES

8. El sistema de protección catódica9. La disposición del depósito acumulador, forma y relación

superficie/volumen 10. La disponibilidad de todas las bocas necesarias para entradas y

salidas de agua así como para elementos de medida, de vaciado y de purga.

11. La situación de conexiones de entrada y salida así como formas de conexión y uso de dispositivos

12. La existencia de medidas y dispositivos para favorecer la estratificación

13. Los costos de adquisición, traslado y montaje, incluyendo los accesorios hasta conexión de cañerías. Y de mantención.

14. Plazos y condiciones de garantía ofrecidas por el fabricante y el distribuidor.

2.39

14

OTROS COMPONENTES

• Componentes hidráulicos– Tuberías y aislamiento– Válvulas– Sistemas de purga– Sistema de llenado

• Estanque de expansión• Equipos de medida y control

2.40

RENDIMIENTO GLOBAL DEL SST

IST = CAP * INT * ACU * CIR

Normal: 0,4 = 0,5 * 1,0 * 1,0 * 0,8

Cuidar: 0,2 = 0,5 * 1,0 * 1,0 * 0,4

Evitar: 0,0 = 0,6 * 0,0 * 1,0 * 0,80,0 = 0,6 * 1,0 * 1,0 * 0,0

2.41

SISTEMAS PREFABRICADOS

Los SST para ACS en viviendas se pueden realizar:1. Utilizando sistemas prefabricados (CSI autorizados) y

adaptándolos a cada situación, o2. Realizando una instalación proyectada por técnicos

que utilicen CST Y DA autorizados

- Esta segunda opción requiere que el técnico diseñe el circuito interno del termosifón.

- Las soluciones pueden ser aparentemente iguales

2.42

15

USO DE SISTEMAS PREFABRICADOS PARA SST

Desde el punto de vista del funcionamiento:- Los equipos termosifón son de funcionamiento delicado y deben

estar diseñados por empresas especializadas.- Los CSI se han ensayado por terceros para someterse a un

proceso de acreditación de la calidad de producto- Los CSI deben haber pasado todas las etapas del diseño que dan

mayor valor al sistema completo- En los nuevos diseños, no se puede hacer experimentación ni

posibles correcciones en situaciones reales con clientes- Es difícil que unas especificaciones técnicas puedan garantizar la

calidad de funcionamiento de los sistemas termosifón.

Evaluar la fiabilidad y la durabilidad del SST completo porutilizar sistemas prefabricados (CSI autorizados)

2.43

LA EVOLUCIÓN EXPERIMENTADA EN ESPAÑA

• Fase 1 (hasta 1995): Instalaciones domésticas de acs

• Fase 2 (desde 1995 hasta 2005) Equipos solares domésticos

• Fase 3 (desde 2005):Sistemas prefabricados

2.44

FASE 1: INSTALACIONES DOMÉSTICAS DE ACS

• Instalaciones diseñadas para cada caso• Termosifones directos• Resto de componentes mal seleccionados• Ninguna documentación• Indiferente con el edificio• Todos con apoyo incorporado eléctrico• Muy pocos sistemas forzados

2.45

16

FASE 2: EQUIPOS SOLARES DOMÉSTICOS

• Todos indirectos• Equipos de diseño uniforme• Unos pocos modelos y

tamaños• Documentación específica

para usuario• Intentos de integración• Diferentes sistemas de apoyo • Acuerdos de ensayos por

fabricantes

2.46

FASE 3: SISTEMAS PREFABRICADOS

• Diseño normalizado que garantiza igual funcionamiento

• Optimizados en prestaciones, costes y calidades

• Integrables en el edificio• Manuales de instalación y

de uso• Garantías y seguros• Certificados de calidad

2.47