manual solar termica

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Ninguna parte de este libro puede ser reproducida, grabada en sistema de almacenamiento o transmitida en forma alguna ni por cualquier procedimiento, ya sea eléctrico, mecánico, reprográfico, magnético o cualquier otro, sin autorización previa y por escrito del EREN.

Energía Solar Térmica: Manual del Proyectista EDITA: JUNTA DE CASTILLA Y LEÓN - CONSEJERÍA DE INDUSTRIA, COMERCIO Y TURISMO ENTE REGIONAL DE LA ENERGÍA DE CASTILLA Y LEÓN (EREN). COLABORACIÓN: FUNDACIÓN CIDAUT DISEÑO E IMPRESIÓN: SORLES DEPÓSITO LEGAL: LE-1547-2002 ISBN: 84-9718-112-3

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Las actuaciones que desde la Consejería de Industria, Comercio y Turismo se vienen realizando en materia de Energías Renovables buscan el aprovechamiento de recursos propios, inagotables y sin ningún impacto ambiental, con el fin de contribuir, desde nuestra Comunidad Autónoma, al cumplimiento de los objetivos del Libro Blanco de la Energía de la UE y del Plan de Fomento de las Energías Renovables y, en resumen, el desarrollo sostenible. El sol en nuestra región es más que suficiente para, con los sistemas actuales, poder satisfacer con garantía las demandas de calor de un muy importante número de usuarios, tanto de familias, como de polideportivos, hoteles, industrias, etc., proporcionando ventajas económicas constatables y promoviendo su coparticipación y corresponsabilidad en la utilización de una energía menos contaminante. En este sentido, la Consejería de Industria, Comercio y Turismo, a través del Ente Regional de la Energía, ha elaborado un Plan para potenciar el desarrollo de la Energía Solar en Castilla y León, con el principal objetivo de establecer una acción integral que aúne, tanto aspectos financieros, como técnicos y administrativos. Así, el Plan Solar de Castilla y León establece la necesidad de formación técnica de los profesionales de nuestra región, verdaderos motores del desarrollo del mercado, con el consiguiente aumento de la actividad económica, puestos de trabajo, etc. A los profesionales proyectistas va dirigido este Manual del Proyectista, de modo que su especialización permita dar respuesta a las expectativas de los usuarios en términos de satisfacción, entendiendo que esta tecnología es susceptible de utilización por todo consumidor de energía térmica.

JOSÉ LUIS GONZÁLEZ VALLVÉ Consejero de Industria, Comercio y Turismo

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Instalación en el Polideportivo Pedro Delgado Robledo (Segovia)

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Capítulo 1: Introducción a la energía solar térmica 1.1. La energía solar.......................................................................... 1.2. El sistema solar térmico............................................................. 1.3. Objetivos de una instalación solar .............................................

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Capítulo 2: Descripción de componentes y equipos 2.1. Generalidades............................................................................. 2.2. Captadores solares ..................................................................... 2.3. Acumuladores ............................................................................ 2.4. Intercambiadores de calor.......................................................... 2.5. Bombas de circulación............................................................... 2.6. Aislamiento ................................................................................ 2.7. Vaso de expansión...................................................................... 2.8. Tuberías...................................................................................... 2.9. Válvulas y accesorios ................................................................ 2.10. Purgadores y desaireadores...................................................... 2.11. Termómetros ............................................................................ 2.12. Termostatos .............................................................................. 2.13. Termostato diferencial ............................................................. 2.14. Manómetro e hidrómetro .........................................................

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Capítulo 3: Configuración de instalaciones de energía solar térmica 3.1. Generalidades............................................................................. 3.2. Tipos básicos de instalaciones ................................................... 3.3. Elementos de las instalaciones solares ...................................... 3.4. Circuitos para A.C.S. ................................................................. 3.4.1. Sistemas no compactos .............................................. 3.4.2. Sistemas compactos ................................................... 3.4.3. Sistema de energía auxiliar ........................................ 3.5. Circuitos para calentamiento de piscinas .................................. 3.5.1. Sistemas sin intercambiador de calor. Piscinas al aire libre ................................................................. 3.5.2. Sistemas con intercambiador de calor. Piscinas cubiertas ..................................................................... 3.6. Circuitos para calefacción por suelo radiante............................ 3.7. Circuitos para varias aplicaciones ............................................. 3.8. Conexión del sistema auxiliar.................................................... ÍNDICE

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Capítulo 4: Datos para el dimensionado de una instalación 4.1. Generalidades............................................................................. 4.2. Condiciones de uso .................................................................... 4.2.1. Consumo de A.C.S..................................................... 4.2.2. Piscinas....................................................................... 4.2.2.1. Piscinas al aire libre .......................................... 4.2.2.2. Piscinas cubiertas .............................................. 4.2.3. Calefacción................................................................. 4.2.4. Nivel de ocupación..................................................... 4.3. Condiciones climáticas .............................................................. 4.3.1. Radiación sobre superficie horizontal (H) ................. 4.3.2. Radiación sobre superficie horizontal modificada..... 4.3.3. Radiación sobre superficie inclinada ......................... 4.3.4. Horas útiles de sol ...................................................... 4.3.5. Temperatura ambiente media ..................................... 4.3.6. Temperatura del agua de red ...................................... 4.4. Datos geográficos ...................................................................... 4.5. Tablas para facilitar la recogida de datos ..................................

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Capítulo 5: Dimensionado de la superficie de captación y del volumen de acumulación 5.1. Especificaciones del Plan Solar de Castilla y León .................. 5.2. Esquema a seguir en el dimensionado de una instalación solar térmica .............................................................................. 5.3. Criterios de selección del captador solar ................................... 5.3.1. Rendimiento del captador .......................................... 5.3.2. Cálculo del rendimiento mensual del captador.......... 5.4. Calor útil medio que se obtiene con el captador ....................... 5.5. Superficie y número de captadores necesarios.......................... 5.6. Dimensionado del sistema de acumulación............................... 5.7. Demanda energética de A.C.S. .................................................. 5.8. Demanda energética de piscinas................................................ 5.8.1. Piscinas al aire libre ................................................... 5.8.2. Piscinas cubiertas ....................................................... 5.8.3. Tablas para el cálculo de pérdidas en piscinas........... 5.8.4. Selección del captador solar....................................... 5.8.5. Intensidad radiante ..................................................... 5.8.6. Calor útil que se obtiene con el captador................... 7

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5.9 Demanda energética de calefacción por suelo radiante.............. 5.9.1. Método de los grados-día........................................... 5.9.2. Método de cálculo de las demandas caloríficas.........

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Capítulo 6: Diseño del sistema de captación 6.1. Generalidades............................................................................. 6.2. Orientación e inclinación........................................................... 6.3. Determinación de sombras y distancia mínima entre captadores......................................................................... 6.4. Estructura soporte ...................................................................... 6.5. Conexionado de los captadores .................................................

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Capítulo 7: Dimensionado y diseño del resto de componentes y equipos 7.1. Salas de Máquinas ..................................................................... 7.2. Diseño del sistema de acumulación........................................... 7.3. Sistema de intercambio.............................................................. 7.3.1. Intercambiador de calor independiente ...................... 7.3.2. Intercambiador de calor incorporado en el acumulador ........................................................ 7.4. Tuberías y accesorios................................................................. 7.4.1. Tuberías ...................................................................... 7.4.2. Caudal......................................................................... 7.4.3. Válvulas de seguridad ................................................ 7.4.4. Otras válvulas............................................................. 7.4.5. Purga de aire y desaireación ...................................... 7.5. Bombas ...................................................................................... 7.6. Vaso de expansión...................................................................... 7.6.1. Vaso de expansión abierto.......................................... 7.6.2. Vaso de expansión cerrado......................................... 7.7. Aislamiento ................................................................................ 7.8. Fluido de trabajo ........................................................................ 7.9. Sistemas de protección contra heladas ...................................... 7.10. Temperaturas............................................................................ 7.11. Presión ..................................................................................... 7.12. Equipos compactos .................................................................. 7.13. Sistema auxiliar........................................................................ ÍNDICE

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Capítulo 8: Regulación y control 8.1. Generalidades............................................................................. 8.2. Elementos de un sistema de regulación y control ..................... 8.3. Sistemas de regulación y control ............................................... 8.3.1. Regulación por termostato ......................................... 8.3.2. Regulación por temperatura diferencial actuando sobre la bomba ........................................................... 8.3.3. Regulación por temperatura diferencial y válvula de conmutación .......................................................... 8.3.4. Regulación por temperatura diferencial y válvula mezcladora progresiva................................................ 8.3.5. Regulación por temperatura diferencial y válvula de by-pass progresiva................................................. 8.3.6. Control de temperaturas extremas.............................. 8.3.6.1. Muy altas temperaturas en el circuito primario................................................ 8.3.6.2. Muy bajas temperaturas en el circuito primario................................................ 8.3.6.3. Muy altas temeperaturas en el circuito secundario ............................................

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Capítulo 9: Sistemas de medición energética 9.1. Generalidades............................................................................. 9.2. Medida de temperatura .............................................................. 9.3. Medida de caudal....................................................................... 9.4. Medida de energía...................................................................... 9.5. Medida de la radiación solar...................................................... 9.6. Sistema de adquisición de datos ................................................

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Capítulo 10: Presupuesto de las instalaciones 10.1. Generalidades........................................................................... 10.2. Tipos de presupuesto ............................................................... 10.2.1. Presupuestos por partida de obra ............................. 10.2.2. Presupuestos por partidas globales .......................... 10.2.3. Presupuestos simplificados ...................................... 9

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10.3. Costes normalizados de inversión, operación y mantenimiento según plan solar ........................................... 137 10.3.1. Coste normalizado de inversión (CNI) .................... 138 10.3.2. Coste normalizado de operación y mantenimiento (CNO) ............................................ 144

ANEXO I: Conversión de unidades............................................................ 147

ANEXO II: Glosario .......................................................................................... 152

ANEXO III: Simbología .................................................................................... 158

ANEXO IV: Bibliografía ................................................................................... 161

ANEXO V: Direcciones de interés AV.1. Junta de Castilla y León.......................................................... 164 AV.2. Entidades Públicas, Centros de Investigación y Universidades....................................................................... 164 AV.3. Otras direcciones de interés .................................................... 167

ANEXO VI: Método F-Chart AVI.1. Antecedentes, aplicación y metodología............................... AVI.2. Cálculo del parámetro D1 ..................................................... AVI.3. Cálculo del parámetro D2 ..................................................... AVI.4. Cálculo de la gráfica-f........................................................... AVI.5. Cálculo de la cobertura solar ...............................................

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Centro Asistencial San Juan de Dios (Palencia)

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Introducción a la energía solar térmica

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Introducción a la energía solar térmica

1.1. La energía solar El aprovechamiento energético del sol, directo o indirecto, de forma natural o artificial ha sido una constante de la humanidad en sus estructuras agrícola, urbana, industrial, etc. Aumentar el campo de actuación en la energía solar llevando su aplicación a sistemas más dinámicos y directos, constituye un objetivo del que se ha tomado conciencia en épocas más recientes. La energía solar como fuente energética presenta como características propias una elevada calidad energética con nulo impacto ecológico e inagotable a escala humana. Como dificultades principales asociadas al aprovechamiento de este tipo de energía cabe destacar la variabilidad con la que esta energía llega a la tierra como consecuencia de aspectos geográficos, climáticos y estacionales. En cualquier caso para los próximos años se prevé una gran demanda de uso de la energía solar impuesta por el contexto que tratan de desarrollar las políticas energéticas materializadas en diferentes planes de actuación a nivel europeo, nacional y regional. El Plan de Fomento de las Energías Renovables establece el entorno de desarrollo de las energías renovables en nuestro país. Este Plan marca como objetivo general conseguir que en el año 2010 el 12,3% del total de la energía consumida en España tenga su origen en fuentes renovables, esto supone un incremento que requiere duplicar la participación porcentual actual de este tipo de energías en el sistema energético nacional. A nivel regional, desde el año 1989 la Junta de Castilla y León ha aprobado diferentes iniciativas para el fomento de las energías renovables. En el campo de la Energía Solar, ha desarrollado una serie de actuaciones que se integran en el Plan Solar de Castilla y León. En el presente manual se tendrá en cuenta la Línea I - Energía Solar Térmica, cuya finalidad es la promoción de proyectos, que se desarrollen en el área del uso de la energía solar térmica, a realizar en Castilla y León. En este sentido, el Ente Regional de la Energía de Castilla y León (EREN) refuerza la instrumentación existente para un mayor desarrollo del programa. INTRODUCCIÓN A LA ENERGÍA SOLAR TÉRMICA

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1.2. Sistema solar térmico Se llama sistema solar térmico a toda instalación destinada a convertir la radiación solar en calor útil. Un sistema solar de baja temperatura es aquel cuya temperatura de trabajo es menor de 100 ºC. Este sistema, de forma general, requiere el acoplamiento de tres subsistemas principales:

Figura 1.1: Sistema solar térmico

La eficacia global del sistema está condicionada por el propio diseño de cada uno de sus componentes, pero también por la interrelación de éstos entre sí. Todo proyectista de sistemas de energía solar debe tener presente la importancia de la calidad del diseño de la instalación, así como de su realización.

1.3. Objetivos de una instalación solar El principal objetivo de una instalación solar es conseguir el máximo ahorro de energía convencional. La cantidad de energía solar aprovechable, depende de múltiples factores, algunos de ellos pueden ser controlados en el diseño e instalación (orientación, inclinación, ubicación de los captadores, etc.) y otros se escapan a toda posibilidad de control, ya que son consecuencia de la localización geográfica de la instalación y de los parámetros meteorológicos del lugar. 13

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Es muy importante saber que aunque técnicamente es posible disponer únicamente de una instalación de energía solar térmica de baja temperatura para garantizar el consumo, este criterio llevaría a dimensionar instalaciones muy grandes y desproporcionadas, además de ser económicamente inviables. Para realizar instalaciones solares térmicas competitivas económicamente, será necesario incorporar y/o utilizar sistemas convencionales de apoyo energético que permitan garantizar el abastecimiento de energía en determinados momentos.

kWh 6.000

NECESIDADES DE ACS CUBIERTAS CON INSTALACIÓN SOLAR

Demanda ACS Aporte solar

5.000 4.000 3.000 2.000 1.000

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Figura 1.2: Porcentaje de sustitución de un sistema solar

INTRODUCCIÓN A LA ENERGÍA SOLAR TÉRMICA

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Residencia Juvenil Consejo de Europa (León)

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Descripción de componentes y equipos

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Descripción de componentes y equipos

2.1. Generalidades Una instalación de energía solar térmica ha de incluir una serie de elementos indispensables para el correcto funcionamiento y control de la instalación. Algunos de estos elementos son obligatorios, por tratarse de elementos de seguridad, y otros tienen como finalidad la mejora del rendimiento de la instalación y del mantenimiento. En este capítulo se hace una breve descripción de los componentes y equipos que habitualmente forman una instalación de energía solar térmica.

Según el Plan Solar de Castilla y León: • Todos los componentes y materiales cumplirán lo dispuesto en el Reglamento de Aparatos a Presión, que les sea de aplicación. • Cuando sea imprescindible utilizar en el mismo circuito materiales diferentes, especialmente cobre y acero, en ningún caso estarán en contacto, debiendo situar entre ambos, juntas o manguitos dieléctricos. • Los materiales situados en intemperie se protegerán contra los agentes ambientales, en particular contra el efecto de la radiación y la humedad.

2.2. Captadores solares El captador solar es el elemento fundamental de cualquier sistema solar térmico. Tiene como misión captar la energía solar incidente y transmitirla al fluido que circula por él. Existen diferentes tipos de captadores de baja temperatura, aunque en principio solamente se hablará del captador de placa plana. Para poder hacer una buena elección de un captador, es preciso conocer las características de los elementos que lo constituyen.

DESCRIPCIÓN DE COMPONENTES Y EQUIPOS

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El captador de placa plana está formado por cuatro elementos principales: • Cubierta transparente: Sobre ella inciden los rayos del sol, provoca el efecto invernadero, reduce las pérdidas y asegura la estanqueidad del captador en unión con la carcasa y las juntas. Suelen ser de vidrio o plástico transparente. • Placa absorbente o absorbedor: Su misión es recibir la radiación solar, transformarla en calor y transmitirla al fluido caloportador (normalmente agua o agua con anticongelante). Existen múltiples modelos, los más típicos son: una placa metálica soldada sobre una parrilla de tubos o dos placas metálicas separadas unos milímetros, entre las cuales circula el fluido caloportador. La cara del absorbedor expuesta al sol suele tener un revestimiento o tratamiento especial para absorber mejor los rayos solares. • Aislante lateral y posterior: Para disminuir las fugas de calor del interior del captador. Se le debe exigir una serie de características como son: resistir temperaturas de hasta 150 ºC, no desprender vapores bajo la acción del calor y no perder sus cualidades aislantes en caso de humedecerse. • Caja, bastidor o carcasa: Contiene y soporta todos los elementos anteriores y los protege de la intemperie. Debe resistir las variaciones de temperatura, la corrosión y la degradación química.

Figura 2.1: Esquema e imagen de un captador solar de placa plana

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La radiación solar que llega al captador atraviesa la cubierta transparente, incide sobre la placa absorbente y se transfiere al fluido que circula por el mismo. Para el calentamiento de piscinas al aire libre existen unos captadores fabricados con materiales plásticos o caucho resistente a los productos químicos, cloro, intemperie, rayos ultravioleta y congelación, cuyas características son: • No llevan cubierta transparente, carcasa ni material aislante. • Se adaptan a los sistemas de depuración de piscinas. • Necesitan un bastidor rígido, por lo que se colocan sobre las cubiertas, suelo, o estructura adecuada para ellos. • Trabajan a temperaturas menores de 30 ºC.

Foto 2.2: Captadores solares para calentamiento de piscinas

2.3. Acumuladores La necesidad de energía no siempre coincide en el tiempo con la captación que se obtiene del sol, por lo que es necesario disponer de un sistema de acumulación que haga frente a la demanda en momentos de poca o nula radiación solar, así como a la producción solar en momentos de poco ó nulo consumo. Para los sistemas solares térmicos se utiliza un depósito-acumulador donde se almacena energía en forma de agua caliente. La utilización de acumuladores verticales tiene la ventaja de favorecer la estratificación del agua (el agua a mayor temperatura se sitúa en la parte superior del acumulador y el agua a menor temperatura en la parte inferior). DESCRIPCIÓN DE COMPONENTES Y EQUIPOS

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Foto 2.3: Acumuladores de calor

2.4. Intercambiadores de calor El intercambiador de calor en una instalación solar se coloca cuando se quiere transferir el calor de un fluido a otro, sin que estos se mezclen, independizando de esta manera los dos circuitos. Cuando éste existe, se encarga de transferir la energía captada en los captadores, que contienen agua con anticongelante pues se instalan a la intemperie, al agua sanitaria del acumulador. Los intercambiadores utilizados en una instalación solar son intercambiadores líquidolíquido, y se pueden clasificar de la siguiente manera: • Según su posición en la instalación: » Interiores » Exteriores • Según su construcción: » De serpentín helicoidal » De haz tubular » De doble envolvente » De placas

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Serpentín helicoidal

Haz tubular

Doble envolvente

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Placas

Figura 2.4: Intercambiadores de calor

2.5. Bombas de circulación Las bombas de circulación o electrocirculadores son aparatos accionados por un motor eléctrico, capaces de suministrar al fluido una cantidad de energía suficiente para transportar el fluido a través de un circuito, venciendo las pérdidas de carga existentes en el mismo.

Foto 2.5: Bomba de circulación

2.6. Aislamiento El aislamiento es fundamental en una instalación de energía solar térmica para evitar pérdidas caloríficas hacia el exterior. Se emplea aislamiento en cuatro lugares: • En el captador, parte posterior y lateral del mismo. • En el acumulador. • En las tuberías. • En el intercambiador. DESCRIPCIÓN DE COMPONENTES Y EQUIPOS

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Foto 2.6: Aislante

2.7. Vaso de expansión Su función es absorber las dilataciones del fluido contenido en un circuito cerrado, y producidas por aumentos de temperatura. Pueden ser abiertos o cerrados. Así, los vasos de expansión se colocarán siempre en los circuitos cerrados.

Foto 2.7: Vaso de expansión cerrado

2.8. Tuberías Las tuberías que se utilizarán en sistemas solares no difieren en ningún aspecto de las que se encuentran en sistemas convencionales, por lo que se aplicarán los conocimientos tradicionales de fontanería y calefacción, y los materiales que se especifiquen en el proyecto. Hay que tener en cuenta que las conducciones en el circuito del captador tienen que soportar una temperatura máxima de 120 ºC. 21

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2.9. Válvulas y accesorios Las válvulas son elementos intercalados en la red hidráulica capaces de regular e interrumpir el paso del agua por la instalación. La elección de las válvulas en una instalación de energía solar, se realiza de acuerdo con la función que desempeñan y las condiciones de funcionamiento (presión y temperatura) siguiendo los siguientes criterios: • Para aislamiento: válvulas de esfera. • Para llenado: válvulas de esfera. • Para vaciado: válvulas de esfera o de macho. • Para equilibrado de circuitos: válvulas de asiento. • Para seguridad: válvula de resorte. • Para retención: válvulas de disco, de doble compuerta o de clapeta. » Válvulas de esfera o bola. Permiten interrumpir el paso de fluido por las tuberías, total (separando una parte de la instalación) o parcialmente (introduciendo mayor pérdida de carga para regular el caudal y equilibrar la instalación).

Foto 2.8: Válvula de bola

» Válvulas de asiento. El cierre se produce por asentamiento de un pistón elástico sobre el asiento del paso de la válvula. Su accionamiento puede ser manual, neumático o servomotor.

Figura 2.9: Válvula de asiento DESCRIPCIÓN DE COMPONENTES Y EQUIPOS

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» Válvulas de resorte. Permiten limitar la presión y proteger los componentes de la instalación. La legislación exige la colocación de válvulas de seguridad en todos los circuitos sometidos a presión y a variaciones de temperatura.

Foto 2.10: Válvula de resorte

» Válvulas de clapeta. Son válvulas antiretorno que impiden el paso del fluido en el sentido contrario al normal de circulación, produciéndose el cierre de forma automática por la propia presión del agua sobre el elemento de cierre.

Foto 2.11: Válvula de clapeta

Otro tipo de válvulas y accesorios presentes en las instalaciones son: » Válvulas de 3 y 4 vías. Permiten la circulación del fluido por vías alternativas de forma automática (generalmente por la acción de un motor accionado por las consignas del sistema de regulación). » Grifos de vaciado. En la parte baja de la instalación es necesario colocar una llave de paso que permita vaciar el circuito. Se denominan también válvulas de cuadradillo, ya que para evitar su apertura accidental se les cambia el volante por una tuerca cuadrada. » Embudo de desagüe. El embudo de desagüe se coloca para saber cuando actúa una válvula de seguridad. 23

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Figura 2.12: Embudo de desagüe

2.10. Purgadores y desaireadores Los purgadores son los elementos encargados de evacuar los gases, generalmente aire, contenidos en el fluido caloportador, facilitando así el correcto funcionamiento de la instalación.

Foto 2.13: Purgador

Los desaireadores aseguran que los gases disueltos en el fluido sean separados del mismo, de forma que se facilite su evacuación del circuito hidráulico hacia el exterior mediante el purgador.

Foto 2.14: Desaireador

Ambos se colocan en los puntos más altos de la instalación. DESCRIPCIÓN DE COMPONENTES Y EQUIPOS

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2.11. Termómetros Son instrumentos que miden la temperatura de un objeto o fluido. Hay que colocarlos de forma que el punto sensible del termómetro, esté en contacto con el fluido, pero sin estar bañado por éste. Tipos: termómetros de contacto y de inmersión. En instalaciones de energía solar se utilizarán los termómetros de inmersión cuyo bulbo se aloja dentro de una vaina.

Foto 2.15: Termómetros

2.12. Termostatos Los termostatos transforman una lectura de temperatura, previamente determinada en su escala, en una señal eléctrica que pone en marcha o detiene un determinado mecanismo, según la función que se le haya encomendado. Tipos de termómetros: de contacto y de inmersión, analógicos y digitales.

Foto 2.16: Termostato

2.13. Termostato diferencial Es el elemento fundamental de regulación y control de la instalación. Permite que sólo circule el fluido caloportador cuando haya un aporte real de energía del sol. Mide la temperatura a la salida del captador y en la parte inferior del acumulador mediante sondas. El termostato diferencial compara ambas lecturas, de forma que cuando exista una diferencia de temperatura mayor que la fijada, pone en marcha el electrocirculador. 25

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Foto 2.17: Termostato diferencial

2.14. Manómetro e hidrómetro Aparatos que miden el valor de la presión del fluido en un conducto o depósito. El manómetro mide la presión en kg/cm2, y el hidrómetro en metros de columna de agua (m.c.a.). El manómetro se utiliza cuando el circuito está presurizado y el hidrómetro cuando no lo está.

Foto 2.18: Manómetro

Nota: La presión relativa o manométrica es aquella que tiene lugar en el interior de un recipiente o canalización. Su valor indica la presión que existe en el punto de medida por encima de la presión atmosférica (kg/cm2). La presión absoluta es la suma de la presión relativa y la presión atmosférica (aproximadamente 1 kg/cm2).

DESCRIPCIÓN DE COMPONENTES Y EQUIPOS

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Hotel La Vega (Valladolid)

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Configuración de instalaciones de energía solar térmica

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Configuración de instalaciones de energía solar térmica

3.1. Generalidades Normalmente se tiene la idea de que los sistemas de aprovechamiento de la energía solar térmica han de ser siempre simples, esto suele venir motivado por la consideración de que, como la energía solar es gratis, abundante y natural, se adaptará fácilmente a cualquier sistema. Ciertamente tanto los principios de funcionamiento como las configuraciones de instalaciones básicas son sencillos, pero esto no quiere decir que la labor del diseñador y del instalador sea fácil y no necesite de verdaderos profesionales para llevarla a cabo. En algunos casos se han realizado instalaciones por aficionados sin apenas conocimientos del tema e incluso con captadores fabricados artesanalmente, que aunque en principio funcionen correctamente, inevitablemente conducen en un breve periodo de tiempo al fracaso de la misma. Según normativa (RITE – ITE 11): • La ejecución de las instalaciones sujetas a este reglamento solamente puede ser realizada por empresas que estén registradas como empresas instaladoras en la especialidad adecuada a la instalación de que se trate.

3.2. Tipos básicos de instalaciones Hay dos clasificaciones de los diferentes tipos básicos de instalaciones de baja temperatura, atendiendo a la configuración del: • Circuito: directo o indirecto. • Circulación: termosifón o forzada. Respecto a la configuración del circuito, se hace referencia a sí el fluido que circula por los colectores es el mismo que se utiliza en el consumo (circuitos directos), o se divide en dos circuitos independientes (circuitos indirectos). CONFIGURACIÓN DE INSTALACIONES DE ENERGÍA SOLAR TÉRMICA

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Indicar que en Castilla y León, el sistema predominante es el indirecto, a fin de utilizar fluidos anticongelantes en el circuito de los colectores (ubicados a la intemperie) e impedir su mezcla con el agua de consumo. No obstante, sistemas de transferencia térmica directo son utilizados en la climatización de piscinas al aire libre, mediante el empleo de captadores fabricados en materiales plásticos o caucho, resistentes a los productos químicos de tratamiento de piscinas.

Figura 3.1: Instalación sin intercambiador de calor, sistema de transferencia térmica directo

En dichas instalaciones ha de tenerse en cuenta el vaciado del agua de los colectores durante la temporada invernal a fin de evitar roturas por el efecto de su congelación. Cuando la clasificación atiende al tipo de circulación, éstos se diferencian por el principio que produce el movimiento del agua en el circuito captador: » Instalaciones con circulación por termosifón: Se basa en el aprovechamiento de la variación de densidad de un fluido al modificar su temperatura. En el captador, la entrada del fluido caloportador está en la parte inferior, al calentarse por efecto del sol, el fluido aumenta su temperatura y disminuye su densidad, por lo que tiende a subir. Este efecto es continuo en todo el captador, por lo que el fluido adquiere suficiente inercia como para salir por la parte superior del captador, hasta el serpentín situado en el acumulador, donde cede el calor al agua contenida en el depósito. Al disminuir la temperatura del fluido, su densidad aumenta y tiende a bajar, con lo que se cierra el circuito de circulación. Con este sistema, la velocidad de circulación del fluido caloportador será proporcional a la diferencia de temperatura entre él y el agua acumulada. Se utiliza en pequeñas instalaciones, sobre todo en equipos compactos. 29

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Figura 3.2: Instalación por termosifón

» Instalaciones con circulación forzada: Una bomba en el circuito produce la circulación del fluido. Se utilizan en instalaciones con una cierta entidad. Dentro de las instalaciones con circulación forzada se puede distinguir entre: • Instalación con intercambiador de calor incorporado al depósito (tipo serpentín o doble envolvente). Son adecuados para instalaciones pequeñas.

Figura 3.3: Instalación con intercambiador de calor incorporado al depósito

• Instalación con intercambiador de calor externo tipo placas o tubular. Su uso es aconsejable en grandes instalaciones.

Figura 3.4: Instalación con intercambiador de calor externo CONFIGURACIÓN DE INSTALACIONES DE ENERGÍA SOLAR TÉRMICA

30

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3.3. Elementos de las instalaciones solares Una instalación de energía solar térmica está compuesta por: • El conjunto de elementos de captación de la energía solar para su conversión en energía térmica, Subsistema captador. • Los elementos de transmisión de esta energía térmica al agua destinada a satisfacer la demanda energética, Subsistema intercambiador. • Los elementos de acumulación del agua calentada para su envío a la demanda energética, Subsistema acumulador. • Los elementos de control de la instalación, con sus componentes y accesorios, Subsistema de control. • El aislamiento con el fin de evitar pérdidas y obtener el máximo rendimiento. • Energía auxiliar para cubrir el total de las necesidades energéticas y garantizar la continuidad del suministro de la misma, Subsistema de energía auxiliar.

3.4. Circuitos para Agua Caliente Sanitaria Los sistemas más comunes para la producción de agua caliente sanitaria con energía solar son: • Sistemas no compactos: intercambiador de calor interno o externo • Sistemas compactos

3.4.1. Sistemas no Compactos Este sistema incorpora un intercambiador entre los captadores y el acumulador con la finalidad de separar la instalación en dos circuitos y evitar que haya contacto entre el fluido que circula por los captadores solares (normalmente con anticongelante) y el agua de consumo. Los dos circuitos son el circuito primario, aquel que contiene el conjunto de captadores, y el circuito secundario, el del agua de consumo (Agua Sanitaria). En la figura 3.15. se representa el circuito típico para una instalación solar de A.C.S. con intercambiador de calor interno, en el cual el intercambiador se encuentra dentro del depósito de acumulación. En la figura 3.16. se representa una instalación solar de A.C.S. con intercambiador de calor externo, en la que el intercambiador se encuentra fuera del acumulador.

31

ENERGÍA SOLAR TÉRMICA: MANUAL DEL PROYECTISTA

Figura 3.5: Instalación solar de A.C.S. con intrcambiador de calor interno

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CONFIGURACIÓN DE INSTALACIONES DE ENERGÍA SOLAR TÉRMICA

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Figura 3.6: Instalación solar de A.C.S. con intrcambiador de calor externo

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ENERGÍA SOLAR TÉRMICA: MANUAL DEL PROYECTISTA

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3.4.2. Sistemas Compactos Un equipo compacto integra uno o varios captadores, un acumulador y otros accesorios en un reducido espacio.

Figura 3.7: Sistema compacto

Se utilizan en viviendas unifamiliares y, en general, en pequeñas instalaciones donde se requiere una superficie captadora muy pequeña (8 m2 como máximo). Por norma general, los equipos termosifónicos utilizan sistema de calentamiento indirecto a fin de evitar la congelación del agua contenida en los colectores, si bien en estas instalaciones y dadas las latitudes de Castilla y León, se deberá prestar especial atención a la posible congelación del circuito secundario. Algunas marcas ofrecen equipos compactos preparados para un montaje sencillo, con instrucciones detalladas para poder ser montados por los propios usuarios. Se recomienda que salvo que el usuario tenga experiencia en fontanería, se recurra a un instalador profesional. Las dificultades a la hora de instalar un sistema compacto pueden presentarse a la hora de la interconexión con el sistema convencional, distancias elevadas, anclaje a cubierta, ausencia de acumulador del sistema convencional, etc.

3.4.3. Sistema de energía auxiliar El nivel de temperatura que se consigue con el sistema solar es, en algunos meses, inferior al deseado, siendo necesario un sistema convencional de apoyo o auxiliar, de maneCONFIGURACIÓN DE INSTALACIONES DE ENERGÍA SOLAR TÉRMICA

34

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ra que el diseño del sistema de aprovechamiento favorezca el uso prioritario de la energía solar frente a la auxiliar y nunca al revés.

Según normativa (RITE – ITE 10): • El sistema convencional de apoyo o auxiliar tendrá una potencia térmica suficiente para que pueda proporcionar la energía necesaria para la producción total de agua caliente. • El sistema convencional de apoyo o auxiliar deberá estar colocado en serie con el acumulador. La complementariedad ideal en este tipo de instalaciones consiste en calentar todo lo posible el agua con el aporte solar, y añadir después la cantidad de energía auxiliar estrictamente precisa para conseguir la temperatura mínima aceptable para el uso. Los sistemas utilizados para este fin son mediante producción instantánea de la energía de apoyo o producción de energía de apoyo en un acumulador independiente. • Producción instantánea de la energía de apoyo En este sistema de producción, se sitúa a la salida del acumulador solar un generador de energía de apoyo que debe aportar la potencia necesaria, variable en función de la temperatura obtenida en el calentamiento solar.

Figura 3.8: Instalación con sistema auxiliar de apoyo instantáneo

Es un sistema práctico y recomendable para viviendas que usen calentadores instantáneos de gas tipo doméstico con la condición de que la llama de gas se regule automáticamente en función de la temperatura de entrada. 35

ENERGÍA SOLAR TÉRMICA: MANUAL DEL PROYECTISTA

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• Producción de energía de apoyo en un acumulador independiente Se utilizan dos acumuladores en la instalación, el solar que acumula el agua calentada por el intercambio del agua caliente de los captadores, y el auxiliar, generalmente más pequeño que el solar, situado entre éste y los puntos de consumo.

Figura 3.9: Producción de energía de apoyo en un acumulador independiente

Es muy importante que cada sistema generador de calor (solar o auxiliar) caliente, exclusivamente, el agua contenida en el acumulador (solar o auxiliar) asociado a cada sistema, evitando la mezcla de aguas, a fin de aprovechar al máximo la energía solar. Otra solución alternativa es la de la figura 3.10. La válvula de 3 vías actúa de forma que, cuando la temperatura del acumulador solar no sea suficiente para el consumo, desvía la corriente hacia el acumulador auxiliar.

Figura 3.10: Acumulador independiente utilizando válvula de tres vías

CONFIGURACIÓN DE INSTALACIONES DE ENERGÍA SOLAR TÉRMICA

36

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3.5. Circuitos para calentamiento de piscinas El calentamiento de piscinas con energía solar es una utilización muy interesante. En piscinas al aire libre se puede conseguir una temperatura estable y placentera para el baño, que permite prolongar su uso algunos meses más de los estivales, incluso adelantar o atrasar el baño en horas frescas del día, sobre todo en climas más extremos. En piscinas cubiertas se justifica su uso como ahorro de energía convencional. Se debe tener en cuenta que en este tipo de instalaciones, no se hace precisa la incorporación de un sistema acumulador de calor, al actuar la propia masa de agua de la piscina como elemento de inercia para absorber el desfase entre la producción solar y la demanda energética. Los sistemas que se pueden encontrar para el calentamiento del agua de piscinas son: • Sistema sin intercambiador de calor, para piscinas a la intemperie (sin aporte de energía auxiliar). • Sistema con intercambiador de calor, para piscinas cubiertas (con aporte de energía auxiliar).

3.5.1. Sistema sin intercambiador de calor. Piscinas al aire libre En la instalación para piscinas al aire libre la temperatura de uso será menor de 27 ºC. El agua fría sale de la piscina hacia la bomba de circulación, que se debe colocar antes del filtro de la piscina. De allí irá a la batería de captadores, para volver a la piscina. El sistema de control actúa sobre una válvula de 3 vías impidiendo el paso de agua por los captadores cuando la temperatura sea mayor que la de consigna.

Según normativa (RITE – ITE 10.2): • En piscinas al aire libre sólo podrán utilizarse para el calentamiento del agua fuentes de energía residuales o de libre disposición.

En la figura 3.11. se representa un esquema de una instalación solar para el calentamiento de piscinas al aire libre.

37

ENERGÍA SOLAR TÉRMICA: MANUAL DEL PROYECTISTA

Figura 3.11: Calentamiento de piscina al aire libre con captadores de caucho o de plástico, sin intercambiador

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CONFIGURACIÓN DE INSTALACIONES DE ENERGÍA SOLAR TÉRMICA

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3.5.2. Sistema con intercambiador de calor. Piscinas cubiertas Para el calentamiento de piscinas cubiertas, además del aporte solar, es necesario el aporte de energía auxiliar que calentará el agua a través de un sistema de intercambio de forma posterior al solar. Según normativa (RITE – ITE 10.2): • El consumo de energías convencionales para el calentamiento de piscinas está permitido solamente cuando estén situadas en locales cubiertos. • Se prohibe el calentamiento directo del agua de la piscina por medio de una caldera, es necesario un sistema de intercambio.

Figura 3.12: Instalación solar para calentamiento de piscina cubierta 39

ENERGÍA SOLAR TÉRMICA: MANUAL DEL PROYECTISTA

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3.6. Circuitos para calefacción por suelo radiante En un sistema de calefacción no se consume líquido, sino que se extrae energía del mismo, que pasa en forma de calor al recinto que se desea calefactar. No obstante, se hace preciso diseñar un sistema de almacenamiento de energía a fin de hacer frente al desfase entre producción y demanda. La superficie captadora necesaria para asegurar un porcentaje de calefacción solar razonable, es mucho mayor que para el caso de A.C.S., y también se exige siempre un sistema convencional auxiliar, que se instalará en serie con el solar y siempre situado después de éste. Se utilizan captadores solares planos, trabajando a temperaturas entre 30 y 50 ºC, rango idóneo para que los captadores funcionen con un buen rendimiento.

3.7. Circuitos para varias aplicaciones Una instalación de energía solar térmica, no tiene por que proporcionar cobertura a una aplicación exclusivamente, el mismo campo de captadores puede servir para varias aplicaciones, que podrán ser conjuntas o de temporada. Un ejemplo de dos aplicaciones conjuntas es una instalación de A.C.S. y calentamiento del agua de una piscina cubierta. Un ejemplo de dos aplicaciones de temporada es una instalación de calefacción en Invierno y calentamiento de una piscina al aire libre en Verano. Un ejemplo de varias aplicaciones a la vez conjuntas y de temporada es una instalación de A.C.S., calefacción y calentamiento de una piscina al aire libre. En un futuro bastante próximo, en las instalaciones para varias aplicaciones de temporada se encontrará la de calefacción en Invierno y refrigeración en Verano. Debe tenerse especial cuidado en el dimensionado del volumen de acumulación y el diseño de la aplicación conjunta, así como el sistema de regulación implementado que defina las prioridades de abastecimiento de las diferentes demandas, generalmente mediante el uso de válvulas de tres vías, y los diferentes sistemas auxiliares de cada circuito.

CONFIGURACIÓN DE INSTALACIONES DE ENERGÍA SOLAR TÉRMICA

40

Figura 3.13: Instalación solar para A.C.S. y calentamiento de piscina al aire libre

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ENERGÍA SOLAR TÉRMICA: MANUAL DEL PROYECTISTA

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Figura 3.14: Instalación solar pra A.C.S. y calentamiento de piscina cubierta

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CONFIGURACIÓN DE INSTALACIONES DE ENERGÍA SOLAR TÉRMICA

42

Figura 3.15: Instalación solar para A.C.S., calentamiento de piscina al aire libre y suelo radiante

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ENERGÍA SOLAR TÉRMICA: MANUAL DEL PROYECTISTA

ÍNDICE

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3.8. Conexión del sistema auxiliar El proyectista debe tener presente que no se permite el aporte de energía auxiliar ni dentro del acumulador solar, ni en el circuito primario. Al igual que las demás partes del sistema, la conexión del sistema solar al sistema auxiliar, el instalador debe ejecutarla tal y como se describe en la memoria del proyecto. Según el Plan Solar de Castilla y León: • La conexión del sistema auxiliar, salvo las excepciones que se indican, siempre será en serie con la instalación solar (acumulador solar o intercambiador) y se ubicará siempre después de ésta. • Se permitirá la conexión del sistema de energía auxiliar en paralelo con la instalación solar cuando se cumplan los siguientes requisitos: » El sistema de energía auxiliar sea del tipo en línea, esté constituido por uno o varios calentadores instantáneos no modulantes o no sea posible regular la temperatura de salida del agua. » Exista una preinstalación solar que impida o dificulte el conexionado en serie. » Cuando el recorrido de tuberías de agua caliente desde el acumulador solar hasta el punto de consumo más lejano sea superior a 15 metros lineales a través del sistema auxiliar. • En todos estos casos, la conmutación de sistemas será fácilmente accesible y será obligatorio disponer un indicador de la temperatura del acumulador solar, ubicado en su parte alta, fácilmente visible y accesible por el usuario. El proyectista deberá prever un by-pass del agua de red al sistema auxiliar para garantizar el abastecimiento de A.C.S. en caso de paro de la instalación solar por avería, reparación o mantenimiento.

Figura 3.16: By-pass de la instalación solar CONFIGURACIÓN DE INSTALACIONES DE ENERGÍA SOLAR TÉRMICA

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Residencia Juvenil Doña Urraca (Zamora)

4

Datos para el dimensionado de una instalación

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4

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Datos para el dimensionado de una instalación

4.1. Generalidades Antes de realizar el dimensionado de una instalación de energía solar, es necesario conocer una serie de datos: • Condiciones de uso de la instalación: A.C.S., Piscina y Calefacción. • Datos climatológicos: radiación sobre los captadores, temperatura exterior, temperatura del agua de red. • Datos geográficos: latitud del lugar de ubicación de los captadores. Según el Plan Solar de Castilla y León: La memoria de diseño o proyecto especificará las necesidades de consumo, con indicación del volumen diario medio mensual, correspondiente a la temperatura de referencia característica de la demanda, definiendo: • Criterio de consumo adoptado. • Consumo unitario máximo. • Ocupación máxima. • Variación de la ocupación.

4.2. Condiciones de uso 4.2.1. Consumo de A.C.S. El consumo de A.C.S. es un dato que se puede obtener: • Directamente: mediante los datos de consumo medidos en años anteriores proporcionados por el usuario (medida directa del contador de agua caliente). Deben ser justificados. • Con estimaciones, cuando no se conocen datos de la instalación, existen varias formas de poder estimarlos: » A partir de los consumos unitarios (tabla 4.1.) y del porcentaje de ocupación (ver siguiente punto), se puede estimar la demanda mensual de A.C.S. DATOS PARA EL DIMENSIONADO DE UNA INSTALACIÓN

46

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Según el Plan Solar de Castilla y León: En aplicaciones de Agua Caliente Sanitaria (A.C.S.) para las que no se disponga de datos, se utilizarán para el diseño los consumos unitarios máximos expresados en la tabla 4.1. Tipología de usuario

litros/día

Viviendas unifamiliares

40 por persona

Viviendas multifamiliares

30 por persona

Hospitales

80 por cama

Hotel ****

100 por cama

Hotel ***

80 por cama

Hotel/Hostal **

60 por cama

Hostal/Pensión *

50 por cama

Residencia (ancianos, estudiantes, etc.)

80 por cama

Vestuarios / Duchas colectivas

20 por servicio

Tabla 4.1: Consumos unitarios estimados de A.C.S.

»Con facturas de combustible. Cuando se conoce el consumo de combustible utilizado en cada mes para calentar el A.C.S., se puede calcular el consumo diario de A.C.S. en ese mes como: Litros / día de A.C.S.=

Consumo mensual de combustible x PCI x η (Tuso – Tagua fría de red) x días/mes

Consumo mensual de combustible (l, kg o m3) PCI = Poder calorífico inferior del combustible (kcal/l, kg o m3).

η = Rendimiento del generador de calor existente. Tuso = Temperatura a la que se desea calentar el agua para su utilización.

Normalmente, el combustible se utiliza para calentar el A.C.S. y para calefacción, siendo conjunta la facturación. Para estimar el consumo de A.C.S. se considerará la facturación del consumo de combustible del período estival (junio, julio y agosto), libre de impuestos y gravámenes por suministro. »Con el consumo de agua fría, estimando que el consumo de A.C.S. está comprendido entre un 25 y un 35% del consumo total de agua fría de red. »Por utilización de aparatos. Ver tabla 4.2. 47

ENERGÍA SOLAR TÉRMICA: MANUAL DEL PROYECTISTA

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IMPRIMIR Elemento

Consumo(l)

Caudal(l/s)

Lavabo

3a6

0,1 a 0,2

Bidé

5a7

0,1 a 0,15

100 a 130

0,3 a 0,4

30 a 50

0,2 a 0,3

Bañera Ducha Lavadora

20 a 40

0,2 a 0,3

Lavavajillas

20 a 40

0,2 a 0,3

Tabla 4.2: Consumos y caudales aproximados de diversos aparatos de consumo

4.2.2. Piscinas En esta utilización se pretende calentar el agua de la piscina con energía solar, la cual se ve favorecida por el bajo nivel térmico precisado en la misma. En el caso de piscinas exteriores se pueden conseguir condiciones aptas para el baño en meses menos favorables, como puede ser septiembre, mes en el que generalmente concluye la temporada de piscina en muchos lugares. El cálculo de la demanda energética precisada por una piscina se realiza en el apartado 5.8 del presente Manual. 4.2.2.1. Piscinas al aire libre Los datos necesarios para calcular una piscina al aire libre son las pérdidas energéticas por metro cuadrado (P) que tiene la piscina y la ganancia (H) que recibe la superficie horizontal de la piscina al estar expuesta a la radiación solar. Las pérdidas totales serán el resultado de la suma de pérdidas por radiación a la atmósfera en el periodo nocturno, pérdidas por convección, pérdidas por evaporación y pérdidas por arrastre y salpicaduras. La ganancia de la piscina será el producto de la irradiación sobre la superficie horizontal (tabla 4.3) multiplicada por un coeficiente de reducción de ésta, como consecuencia de las pérdidas por reflexión en la superficie del agua, sombras parciales y otras pérdidas de menor cuantía. 4.2.2.2. Piscinas Cubiertas En este caso, la ganancia solar directa es nula, por lo que únicamente será preciso calcular las pérdidas de calor de la piscina (P) para obtener su demanda energética. Así, las condiciones ambientales, temperatura y humedad, serán las del recinto, variables que son controladas por el equipo de climatización y por ello conocidas.

DATOS PARA EL DIMENSIONADO DE UNA INSTALACIÓN

48

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4.2.3. Calefacción Las aplicaciones de calefacción son compatibles con los colectores solares térmicos planos habituales siempre y cuando sean de baja temperatura (suelo radiante), uniéndose además los beneficios de un mejor confort térmico y una mayor eficiencia energética de la propia instalación de calefacción. Como en el caso de un sistema de calefacción convencional el sistema de calefacción por suelo radiante debe compensar las pérdidas térmicas del edificio. Para evaluar dichas pérdidas es necesario conocer: • Composición y superficie de los cerramientos de las dependencias a calefactar, para calcular el coeficiente global de pérdidas del edificio (Kg). • Temperatura exterior. • Temperatura ambiente interior que se desea mantener. El cálculo de las necesidades energéticas de calefacción se realiza en el apartado 5.9 del presente Manual.

4.2.4. Nivel de ocupación Es necesario conocer el nivel de ocupación y la temporada de mayor uso de la instalación, para poder considerar en los cálculos las variaciones que se pueden producir en el consumo de A.C.S., en el uso de las piscinas o en el de calefacción, en los distintos meses del año. • Este valor, es especialmente importante en hoteles y otros alojamientos turísticos, donde la mayor afluencia de clientes se produce en la temporada estival o en los periodos vacacionales. • Para viviendas, que no sean de uso vacacional, en las que se han de considerar los meses en los que las familias se ausentan de su residencia habitual (normalmente julio y/o agosto). • Para instalaciones deportivas, igualmente es necesario conocer el número de personas que hacen uso de las mismas, entrenamientos diarios, competiciones, cursos, etc. Como valores de ocupación máxima y variación ocupacional anual se utilizarán los datos facilitados por los usuarios o por los responsables de la utilización de las dependencias.

4.3. Condiciones climáticas Asimismo, el dimensionado de la instalación solar precisa, para cada mes, el conocimiento de las condiciones climáticas del lugar donde se encuentra ubicada la instalación: • Radiación horizontal e inclinada que incide sobre el captador. 49

ENERGÍA SOLAR TÉRMICA: MANUAL DEL PROYECTISTA

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• Horas útiles que incide la radiación solar. • Temperatura ambiente. • Temperatura del agua de red. Dichos datos se obtendrán de bases estadísticas de Centros Meteorológicos.

4.3.1. Radiación sobre superficie horizontal (H) En la tabla 4.3. se muestra la radiación sobre superficie horizontal (en kWh/ m2 día), según el Plan Solar de Castilla y León. Notar que 1 kWh = 3,6 MJ. Ene

Feb

Mar

Abr

May

Jun

Jul

Ago

Sept

Oct

Nov

Dic

Avila

1,67

2,53

3,75

4,92

5,39

6,20

7,31

7,03

5,22

3,11 1,92 1,45

Burgos

1,42

2,20

3,45

4,45

5,20

5,98

6,39

5,75

4,64

2,81 1,81 1,25

León

1,61

2,42

3,84

4,78

5,42

6,14

6,73

5,81

4,78

2,89 1,95 1,33

Palencia

1,47

2,50

3,67

4,86

5,47

6,06

6,70

6,00

4,75

3,03 1,83 1,28

Salamanca 1,70

2,64

3,75

4,75

5,47

6,34

6,84

6,28

4,86

3,14 2,06 1,45

Segovia

1,58

2,45

3,72

5,11

5,67

6,28

7,14

6,92

5,22

3,17 1,89 1,42

Soria

1,64

2,42

3,56

4,75

5,47

6,06

6,70

6,20

4,86

3,08 2,11 1,56

Valladolid 1,53

2,45

3,86

4,78

5,53

6,28

6,98

6,39

5,09

3,11 1,92 1,17

Zamora

2,47

3,67

4,81

6,17

6,00

6,53

6,11

4,78

3,08 1,86 1,28

1,50

Tabla 4.3: Radiación sobre superficie horizontal (en kWh/ m día) 2

4.3.2. Radiación sobre superficie horizontal modificada En algunos casos se puede tomar la radiación sobre superficie horizontal modificada por un factor en función de la situación de la instalación solar: • 0,95 si la instalación está dentro de un casco urbano. • 1,05 si está en atmósfera limpia o está en zona de montaña. • Coeficientes de corrección más severos en el caso de prever importantes sombras en invierno.

4.3.3. Radiación sobre superficie inclinada La radiación incidente sobre la superficie inclinada del plano de los captadores, es la energía total teórica que se puede esperar que incida en un día medio del mes considerado, por cada metro cuadrado de captador.

DATOS PARA EL DIMENSIONADO DE UNA INSTALACIÓN

50

ÍNDICE

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Para conocerla se multiplica la radiación sobre superficie horizontal H por el coeficiente correspondiente a la inclinación elegida k, dado por la tabla 4.4, según el Plan Solar de Castilla y León. E=Hxk El coeficiente k representa el cociente entre la energía total incidente en un día sobre una superficie orientada hacia el Ecuador e inclinada un determinado ángulo y otra horizontal, y su valor difiere para cada uno de los meses del año. Inclinación (Grados)

Ene

Feb

Mar

Abr

May

Jun

Jul

Ago

Sept

Oct

Nov

Dic

0

1,00

1,00

1,00

1,00

1,00

1,00

1,00

1,00

1,00

1,00

1,00

1,00

10

1,15

1,12

1,09

1,06

1,04

1,03

1,04

1,06

1,11

1,15

1,18

1,17

20

1,27

1,21

1,15

1,09

1,04

1,03

1,05

1,10

1,18

1,28

1,34

1,32

30

1,36

1,28

1,19

1,09

1,02

1,00

1,02

1,10

1,23

1,37

1,46

1,44

40

1,42

1,31

1,19

1,06

0,97

0,94

0,97

1,08

1,24

1,42

1,54

1,52

50

1,44

1,31

1,16

1,00

0,89

0,86

0,90

1,02

1,21

1,44

1,59

1,56

60

1,43

1,28

1,10

0,92

0,79

0,75

0,80

0,93

1,15

1,41

1,59

1,57

70

1,38

1,21

1,01

0,81

0,67

0,62

0,67

0,82

1,07

1,35

1,55

1,53

80

1,30

1,12

0,90

0,68

0,53

0,48

0,53

0,69

0,95

1,25

1,47

1,46

90

1,19

1,00

0,76

0,54

0,38

0,32

0,38

0,54

0,81

1,12

1,36

1,35

Tabla 4.4: Factor de corrección k para superficies inclinadas (para una latitud de 42º) para cada mes

4.3.4. Horas útiles de sol Las horas útiles del sol corresponden al tiempo que el sol está en el horizonte, descontando las horas iniciales y finales del día. Este valor permite calcular la intensidad radiante por unidad de superficie y tiempo. Latitud De 25º a 45º

Ene

Feb

Mar

Abr

May

Jun

Jul

Ago

Sept

Oct

Nov

Dic

8

9

9

9,5

9,5

9,5

9,5

9,5

9

9

8

7,5

Tabla 4.5: Horas útiles diarias de sol para captadores prácticamente orientados hacia el Ecuador e inclinados un ángulo igual a la latitud (± 15º)

4.3.5. Temperatura ambiente media Según el Plan Solar de Castilla y León pueden utilizarse los datos publicados por el Instituto Nacional de Meteorología, reseñados en la siguiente tabla. 51

ENERGÍA SOLAR TÉRMICA: MANUAL DEL PROYECTISTA

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ÍNDICE

Ene

Feb

Mar

Abr

May

Jun

Jul

Ago

Sept

Oct

Nov

Dic

Avila

3,5

4,4

7,5

10,1

13,7

18,1

21,9

21,6

17,9

11,9 7,2

4,1

Burgos

3,3

4,7

8,4

10,6

13,7

17,9

20,9

20,5

17,7

12,5 7,3

4,1

León

3,9

5,5

9,1

11,5

14,2

19,2

22,0

21,6

18,5

13,3 8,3

4,6

Palencia

4,2

5,8

9,6

12,1

15,2

20,0

23,2

22,8

19,4

13,7 8,3

4,7

Salamanca 4,2

6,4

9,8

12,3

15,4

20,4

23,7

23,6

20,1

14,1 8,9

5,4

Segovia

3,2

5,0

8,9

11,6

14,7

20,1

23,8

23,3

19,2

13,1 7,6

4,0

Soria

3,4

4,8

7,9

10,5

13,5

18,4

21,7

21,6

18,2

12,5 7,5

4,2

Valladolid 4,5

6,3

10,1

12,5

15,5

20,4

23,4

22,8

19,6

14,2 8,9

5,2

Zamora

6,2

10,2

12,7

15,4

20,6

23,7

22,4

19,3

14,1 9,1

5,0

4,3

Tabla 4.6: Temperatura ambiente media diaria (ºC)

4.3.6. Temperatura del agua de red Para los valores de temperatura de agua fría (ºC), necesarios para el calculo de la carga de consumo, se tomarán los que indica el Plan Solar de Castilla y León en la tabla 4.7. Ene

Feb

Mar

Abr

May

Jun

Jul

Ago

Sept

Oct

Nov

Dic

Avila

8

8

10

12

14

16

18

18

16

14

12

10

Burgos

8

9

10

11

13

15

17

17

15

13

11

10

León

8

8

10

12

14

16

18

18

16

14

12

10

Palencia

9

9

11

13

15

17

19

19

17

15

13

11

Salamanca 9

9

11

13

15

17

19

19

17

15

13

11

Segovia

8

8

10

12

14

16

18

18

16

14

12

10

Soria

8

8

10

12

14

16

18

18

16

14

12

10

Valladolid 9

9

11

13

15

17

19

19

17

15

13

11

Zamora

9

11

13

15

17

19

19

17

15

13

11

9

Tabla 4.7: Temperaturas medias del agua fría de red (ºC)

La utilización de otros datos de temperaturas de agua fría deberá ser justificada, indicando la procedencia y proceso de obtención de los mismos.

4.4. Datos geográficos El principal dato geográfico de interés es la latitud del lugar, ya que de acuerdo con la misma se determinará la inclinación de los captadores.

DATOS PARA EL DIMENSIONADO DE UNA INSTALACIÓN

52

IMPRIMIR Altitud sobre el nivel del mar (m) Avila

ÍNDICE

Latitud (Grados)

1.126

40.7

Burgos

929

42.3

León

908

42.6

Palencia

734

42.0

Salamanca

803

41.0

Segovia

1.002

41.0

Soria

1.063

41.8

Valladolid

694

41.5

Zamora

649

41.5

Tabla 4.8: Altitud sobre el nivel del mar y latitud de las capitales de las provincias de Castilla y León

4.5. Tablas para facilitar la recogida de datos Para facilitar la recogida de datos se puede partir de tablas como las siguientes: Mes

Nº de días del mes

Ene

31

Feb

28

Mar

31

Abr

30

May

31

Jun

30

Jul

31

Ago

31

Sep

30

Oct

31

Nov

30

Dic

31

Año

365

53

H Radiación horizontal (kWh/m2)

H` Radiación modificada (kWh/m2)

K Factor corrección

ENERGÍA SOLAR TÉRMICA: MANUAL DEL PROYECTISTA

E = kxH Radiación inclinada (kWh/m2)

T ambiente (ºC)

ÍNDICE

IMPRIMIR

• Datos adicionales para Agua Caliente Sanitaria: Mes

Ta fría de red (ºC)

Consumo A.C.S. (litros/día)

Consumo A.C.S. (litros/mes)

Ocupación (% mes)

Consumo real de A.C.S. (litros/mes)

Ene Feb Mar Abr May Jun Jul Ago Sep Oct Nov Dic Año

• Datos adicionales para Piscinas: PISCINA CUBIERTA

PISCINA EXTERIOR

Profundidad

Profundidad

Largo

Largo

Ancho

Ancho

Temperatura del agua de la piscina

Temperatura del agua de la piscina

Temperatura del recinto

Humedad relativa de la localidad

Humedad relativa del recinto

Velocidad media del viento en la localidad

• Datos adicionales para Calefacción: CALEFACCIÓN Coeficiente global de transmisión de calor Superficie exterior de los cerramientos Temperatura interior requerida

DATOS PARA EL DIMENSIONADO DE UNA INSTALACIÓN

54

IMPRIMIR

ÍNDICE

Residencia Juvenil Doña Sancha (León)

5

Dimensionado de la superficie de captación y del volumen de acumulación

IMPRIMIR

5

ÍNDICE

Dimensionado de la superficie de captación y del volumen de acumulación

5.1. Especificaciones del Plan Solar de Castilla y León El dimensionamiento básico de una instalación de energía solar térmica se refiere a la selección de la superficie de captadores solares y del volumen de acumulación solar. Para el dimensionado básico podrá utilizarse cualquiera de los métodos de cálculo aceptados por proyectistas, fabricantes e instaladores, con preferencia, fundamentalmente, de uso del método F-CHART (Anexo VI). El método de cálculo especificará, para cada mes, los valores medios diarios de: • La demanda energética. • La aportación del sistema solar. • El rendimiento de la instalación. También se deben especificar las prestaciones globales anuales definidas por: • La demanda de energía térmica total anual. • La energía solar térmica aportada total anual. • La aportación media anual (%). De acuerdo con las especificaciones del Plan Solar de Castilla y León, los parámetros de diseño de la instalación solar deben cumplir los siguientes criterios: • El área total de captación A, en m2, cumplirá: 50 ≤ M/A ≤ 80 • El volumen de acumulación solar V, en litros, cumplirá: 0,8 ≤ V/M ≤ 1 • Cuando por razones justificadas no se instale la superficie de captación inicialmente diseñada, el volumen de acumulación solar cumplirá: 50 ≤ V/A ≤ 80

DIMENSIONADO DE LA SUPERFICIE DE CAPTACIÓN Y DEL VOLUMEN DE ACUMULACIÓN

56

IMPRIMIR

ÍNDICE

Siendo: A: Superficie total de captación instalada (m2). M: Carga de consumo diario medio anual de agua caliente sanitaria (l/día). V: Volumen de acumulación solar (litros). En todos los casos, la carga de consumo diario medio anual de agua caliente sanitaria (M) está referida al valor medio diario anual cuando el consumo sea prácticamente constante a lo largo del año o a la media del período estival, en los demás casos. Preferentemente, el volumen de acumulación (V) será igual, aproximadamente, a la carga de consumo diaria (M). Este conjunto de parámetros, hacen referencia únicamente a instalaciones de producción de agua caliente sanitaria. Para otros usos (industriales, calefacción por suelo radiante, climatización de piscinas, etc.) se debe justificar y detallar la solución y los criterios adoptados respecto a estos parámetros de diseño, si bien el volumen de acumulación solar deberá cumplir los siguientes requisitos: DESFASE PRODUCCIÓN / CONSUMO No existe desfase

VOLUMEN DE ACUMULACIÓN SOLAR (litros por m2 de superficie captadora) Entre 30 y 50

Desfases, habituales o periódicos, no superiores a 1 día

Entre 50 y 80

Desfases, habituales o periódicos superiores a 1 día

Mayor de 80

En instalaciones solares térmicas que proporcionen cobertura, de manera conjunta, a más de una aplicación, suministro de agua caliente sanitaria o asimilados, climatización de piscinas, instalaciones para calefacción y climatización, para procesos industriales o asimilados, así como el sector agrícola, ganadero, forestal y extractivo (minería), se debe considerar la parte proporcional de la superficie colectora total destinada a cada aplicación, para calcular el volumen de acumulación solar que debe instalarse para cada una de ellas. El volumen del acumulador solar será el normalizado inmediatamente superior al resultante del cálculo anterior. El dimensionado de las instalaciones solares deberá cumplir, de manera obligatoria, las siguientes prestaciones mínimas, en Termias producidas por la instalación solar por unidad de superficie de captación solar instalada y año, en función de la aplicación a la cual la instalación solar va a proporcionar cobertura. 57

ENERGÍA SOLAR TÉRMICA: MANUAL DEL PROYECTISTA

ÍNDICE

IMPRIMIR APLICACIÓN

APORTE SOLAR MÍNIMO (Termias/m2 año)

Calefacción por suelo radiante o de baja temperatura

300

Agua caliente sanitaria

450

Climatización de piscinas

600

Aplicaciones conjuntas que incluyan calefacción por suelo

400

radiante o de baja temperatura Aplicaciones conjuntas o no contempladas anteriormente

500

5.2. Esquema a seguir en el dimensionado de una instalación solar térmica Atendiendo a la aplicación de la instalación de energía solar (A.C.S., calefacción o climatización de piscina), se particularizará la demanda energética concreta de la instalación y la temperatura a la cual se requiere.

DATOS

CÁLCULOS

Demanda energética Temperatura de la red Temperatura demandada

Carga calorífica necesaria por mes

Radiación Horas útiles de sol

Intensidad radiante por mes

Intensidad radiante Temp. ambiente media Temp. de uso necesaria Rendimiento del captador

Calor útil medio que se obtiene con el captador por mes

Superficie captadora necesaria Volumen de acumulación solar

5.3. Criterios de selección del captador solar De acuerdo con lo descrito en los apartados 5.4, 5.7, 5.8 y 5.9 se pueden calcular: • Las necesidades energéticas de consumo y la temperatura a la que se demandan. • La energía que se dispone del sol. DIMENSIONADO DE LA SUPERFICIE DE CAPTACIÓN Y DEL VOLUMEN DE ACUMULACIÓN

58

IMPRIMIR

ÍNDICE

Hay que elegir el captador solar, y una vez conocidas sus características, se puede dimensionar el campo de captadores y los demás elementos de la instalación. El proyectista siempre será el responsable de la elección de los productos, equipos y materiales que se van a utilizar en la instalación, así como de las posibles variantes que puede adoptar éste para adaptarse a las características exigidas. Según el Plan Solar de Castilla y León: La memoria de diseño o proyecto incluirá todos los parámetros funcionales de la instalación necesarios para el dimensionado de la misma y, al menos, los siguientes: • Factor de ganancia del captador. • Factor de pérdida del captador. • Caudal másico del circuito primario. • Caudal másico del circuito secundario. • Efectividad del intercambiador. • Volumen de acumulación. En la elección del captador solar pueden influir múltiples factores, tanto de carácter técnico como económico. • Factores técnicos El criterio básico y fundamental es el rendimiento y la temperatura de uso, así como la calidad, tanto del colector, como del servicio prestado por la empresa suministradora (plazos de entrega, garantías, asistencia técnica, mantenimiento, reposición de piezas, etc.). • Factores económicos Los factores económicos influyen en la elección de los sistemas y productos, puesto que una instalación de energía solar se ejecuta, principalmente, para proporcionar un ahorro de energía, con la consiguiente maximización de la amortización de la inversión realizada.

5.3.1. Rendimiento del captador La ecuación del rendimiento del captador es un dato suministrado por el fabricante del captador solar. Según el Plan Solar de Castilla y León: Los parámetros referentes a los factores de ganancia y pérdidas del captador deben ser justificados a través del certificado de homologación del INTA u organismo reconocido por la legislación española. 59

ENERGÍA SOLAR TÉRMICA: MANUAL DEL PROYECTISTA

IMPRIMIR

ÍNDICE

El rendimiento de un captador es la relación entre la energía aportada al fluido caloportador y la energía solar que incide sobre el captador. La ecuación del rendimiento puede ser escrita, simplificando la notación, de la siguiente manera: η = C1 - C2 · x C1 = FR · (τ · α) (Factor de Ganancia) C2 = U

L

x =

(Factor de Pérdidas)

Tm - Ta I

donde,

τ Transmitancia de la cubierta transparente. α Absortancia de la placa absorbente. FR Factor de eficiencia o coeficiente de transporte de calor. Es un factor correctivo que permite utilizar la ecuación del rendimiento en función de la temperatura media del fluido en lugar de la temperatura de la placa absorbedora, más difícil de calcular. UL Coeficiente de pérdidas. (W/ m2 ºC). Tm Temperatura media del fluido. (ºC). Ta Temperatura ambiente. (ºC). I Irradiación sobre superficie inclinada. (W/ m2). Otra forma muy común de expresar el rendimiento del captador es utilizando un coeficiente normalizado, U0, cuyo valor es 10 W/ m2 ºC, quedando los coeficientes de la siguiente manera: C1 = FR · (τ · α) (Factor de Ganancia) C2 = UL / U0 x =

(Factor de Pérdidas)

Tm - Ta · U0 I

DIMENSIONADO DE LA SUPERFICIE DE CAPTACIÓN Y DEL VOLUMEN DE ACUMULACIÓN

60

IMPRIMIR

ÍNDICE

Cuanto mayor sea el factor de ganancia de un captador y menor el factor de pérdidas mejor será el rendimiento de un captador. Si se comparan las curvas de los dos captadores de la figura 5.1, se puede decir que el rendimiento del captador A es mejor que el del captador B.

Captador A Captador B

Figura 5.1: Curvas características del rendimiento de dos captadores solares

Figura 5.2: Esquema de temperaturas del captador solar

5.3.2. Cálculo del rendimiento mensual del captador Para el cálculo del rendimiento mensual, se ha de tener en cuenta que depende de valores que varían con la época del año, por lo que es necesario conocer: • La curva característica del captador que se va a instalar: η = C1 - C2 · x • La temperatura ambiente media mensual, Ta, de la localidad donde se van a instalar los captadores solares. 61

ENERGÍA SOLAR TÉRMICA: MANUAL DEL PROYECTISTA

IMPRIMIR

ÍNDICE

• La temperatura media del fluido en el captador, Tm. Se calcula como la media entre la temperatura del fluido a la entrada y a la salida del captador (ºC). A efectos prácticos se tomará como la temperatura a la que se demanda la carga energética. • La intensidad radiante, I, por unidad de superficie y tiempo (W/m2). Radiación incidente sobre superficie inclinada. Punto 4.3.3. I=

E (kWh/m2 día) x 103 Horas útiles de sol Punto 4.3.4.

Mes

Nº de días del mes

Ene

31

Feb

28

Mar

31

Abr

30

May

31

Jun

30

Jul

31

Ago

31

Sep

30

Oct

31

Nov

30

Dic

31

Total

365

E (kWh/m2 día)

Horas útiles de sol por día

I (W/m2)

Ta (ºC)

Tm (ºC)

η de cada mes

5.4. Calor útil medio que se obtiene con el captador El calor que se obtiene con el captador por m2 en cada uno de los meses es: Q captador = E x η Radiación incidente sobre superficie inclinada en ese mes

Rendimiento del captador en ese mes.

DIMENSIONADO DE LA SUPERFICIE DE CAPTACIÓN Y DEL VOLUMEN DE ACUMULACIÓN

62

IMPRIMIR

ÍNDICE

Se estiman unas pérdidas globales de un 10% por distribución, intercambio y acumulación. Entonces el calor que se obtiene será: Q útil = 0,9 E x η El calor total mensual proporcionado por los colectores será igual al calor diario proporcionado por el número de días del mes considerado. Mes

Q Energía calorífica necesaria (kJ/mes)

Q captador

Q útil

Ene Feb Mar Abr May Jun Jul Ago Sep Oct Nov Dic

5.5. Superficie y número de captadores necesarios Según el Plan Solar de Castilla y León: El cálculo de la superficie captadora se realizará de forma que se procure no superar el 100% de aporte solar para cada uno de los meses del año, buscando el 100% en el mes más favorable (mínima demanda energética y máxima radiación solar).

Una vez seleccionado el mes más favorable se puede calcular la superficie de captación: Superficie total de captadores necesarios (m2)

Nº de captadores necesarios 63

Carga necesaria mes elegido

=

Calor útil captador mes elegido

=

Superficie total Superficie útil del captador

ENERGÍA SOLAR TÉRMICA: MANUAL DEL PROYECTISTA

=

Q Qútil

IMPRIMIR

ÍNDICE

Según el Plan Solar de Castilla y León: La superficie de captación se seleccionará de forma que, eligiendo adecuadamente el número de captadores, resulte una distribución homogénea del campo de captadores, resultando baterías compuestas por el mismo número de elementos. Hay que tener en cuenta que se deben cumplir las especificaciones dadas por el Plan Solar de Castilla y León. Una vez calculado el número de captadores necesarios, se buscará la distribución más adecuada para que ésta sea homogénea y esté compuesta por baterías del mismo número de elementos. En caso de que varíe el número de captadores, se volverán a hacer los cálculos de nuevo con la superficie real del campo de captadores para obtener las prestaciones reales de la instalación solar.

5.6. Dimensionado del sistema de acumulación De acuerdo con lo descrito en el apartado 5.1., el volumen de acumulación solar V, en litros tiene que cumplir: DESFASE PRODUCCIÓN / CONSUMO

VOLUMEN DE ACUMULACIÓN SOLAR (litros por m2 de superficie captadora)

No existe desfase Desfases, habituales o periódicos, no superiores a 1 día Desfases, habituales o periódicos superiores a 1 día

Entre 30 y 50 Entre 50 y 80 Mayor de 80

En aplicaciones de A.C.S., se deberá cumplir la relación 0,8 ≤ V/M ≤ 1, es decir, 0,8 M ≤ V ≤ M, por lo que en la práctica, se escogerá el acumulador (V), existente en el mercado, que más se aproxime a la carga de consumo diario medio de A.C.S. (M). Según el Plan Solar de Castilla y León: • Preferentemente, el sistema de acumulación solar estará constituido por un solo depósito, será de configuración vertical y se ubicará en zonas interiores. • Cuando el depósito se instale a la intemperie (Línea IA Equipos compactos), se tendrá en cuenta el efecto de las heladas en el circuito de consumo. • En el proyecto técnico se especificarán las cargas transmitidas al suelo, así como la capacidad del mismo para poder soportar dichas cargas. DIMENSIONADO DE LA SUPERFICIE DE CAPTACIÓN Y DEL VOLUMEN DE ACUMULACIÓN

64

IMPRIMIR

ÍNDICE

5.7. Demanda energética de A.C.S. La carga es la demanda térmica que la instalación debe aportar o satisfacer, es decir, el consumo energético que, para el caso del A.C.S. es directamente proporcional al consumo volumétrico. Q = m x Ce x (Tuso – Tred) x n

Carga o energía calorífica necesaria (kJ/ mes)

A.C.S., diaria consumida (kg/día)

Calor específico del agua (4,18 kJ/ºC kg)

Grados que hay que suministrar al agua (ºC)

Número de días del mes

Donde, m es la cantidad de agua diaria a calentar, cuyo valor, en aplicaciones con ocupación constante, suele coincidir con el volumen de acumulación solar. La temperatura de uso para el A.C.S. suele ser de 45 ºC y la inclinación del panel, prácticamente, la latitud de la localidad.

5.8. Demanda energética de piscinas Las necesidades energéticas de piscinas se calculan principalmente en función de las pérdidas térmicas en la pila de la piscina, calculándose de forma diferente si se trata de una piscina cubierta o al aire libre.

5.8.1. Piscinas al aire libre Las necesidades de consumo en el dimensionado de piscinas al aire libre se refieren al cálculo de la diferencia entre las pérdidas (P) y la ganancia (H*) que recibe la superficie horizontal de la piscina debido a la irradiación diaria. Las pérdidas que se tendrán en cuenta en piscinas al aire libre son: • Pérdidas por radiación hacia la atmósfera, sobre todo durante la noche. (Tabla 5.1). • Pérdidas por convección hacia el ambiente, dependen de la velocidad del viento que sopla por encima de la capa de agua de la piscina. (Tabla 5.2). • Pérdidas por evaporación desde la superficie del agua. Se produce continuamente y depende del grado de humedad, de la temperatura del aire y para piscinas al aire libre, de la velocidad del viento. (Tabla 5.3). • Pérdidas por conducción a través del fondo y de los laterales de la piscina, que son despreciables frente a las pérdidas anteriores, y no se van a considerar. • Pérdidas por arrastre y salpicaduras. 65

ENERGÍA SOLAR TÉRMICA: MANUAL DEL PROYECTISTA

IMPRIMIR

ÍNDICE

Para la ganancia de piscinas al aire libre, hay que considerar que la irradiación que recibe la piscina se ve disminuida por las pérdidas por reflexión, aproximadamente un 8%, en la superficie del agua, así como otras pérdidas (sombras parciales originadas por el borde de la piscina, etc.). Así, la ganancia que obtiene el agua es aproximadamente: H* = 0,85 H. La energía total que deben aportar los captadores solares será: E = (P – 0,85 H) A Donde A es la superficie horizontal (largo x ancho) de la piscina en m2. Será necesario conocer, de la localidad donde está situada la piscina, datos sobre: • Condiciones del viento. • Grado de humedad. • Temperatura del aire durante las horas de sol.

5.8.2. Piscinas cubiertas Las necesidades de consumo en el dimensionado de piscinas cubiertas se calculan sólo en función de las pérdidas energéticas, puesto que la ganancia solar en la cubeta de la piscina, al estar cubierta, es despreciable. En piscinas cubiertas las pérdidas a considerar son: • Pérdidas por radiación representan entre el 15 y el 20% de las pérdidas totales. (Tabla 5.1). • Pérdidas por evaporación representan entre el 70 y el 80% de las pérdidas totales. (Tabla 5.3). • Las pérdidas por conducción son despreciables. Para el calculo de piscinas cubiertas se utilizarán las mismas tablas que para piscinas al aire libre considerando: viento nulo, temperatura ambiente de 24 ºC y humedad similar a las “zonas húmedas” (65 a 75%). DIMENSIONADO DE LA SUPERFICIE DE CAPTACIÓN Y DEL VOLUMEN DE ACUMULACIÓN

66

IMPRIMIR

ÍNDICE

La energía total que debe aportar un captador solar será: E=PA Donde A es la superficie horizontal de la piscina en m2.

5.8.3. Tablas para el cálculo de pérdidas en piscinas A continuación se exponen tres tablas, que permiten conocer las pérdidas diarias por radiación, convección y evaporación respectivamente por cada metro cuadrado de piscina. En todas las tablas se hace distinción entre si se utiliza o no manta térmica, ya que en el caso de utilizarla las pérdidas disminuyen notablemente. tº a (ºC)

Sin manta térmica Con manta térmica

15 16 17 18 19 20

14,6 9,6 14,1 9,2 13,5 8,9 13 8,5 12,5 8,2 12 7,8

tº a (ºC)

Sin manta térmica Con manta térmica

tº a (ºC)

11,4 7,5 10,8 7,1 10,3 6,7 9,7 6,3 9,1 5,9 8,5 5,5

21 22 23 24 25 26

Sin manta térmica Con manta térmica 7,9 5,1 7,3 4,7 6,7 4,2 6 3,8 5,4 3,4 4,7 2,9

27 28 29 30 31 32

Tabla 5.1: Pérdidas por radiación (MJ/m2). Fuente: CENSOLAR.

Nota: tº a (ºC) es la temperatura ambiente media durante las horas de sol. Grado de humedad Muy seco Seco Medio Húmedo Muy Húmedo

CONDICIONES DE VIENTO Nulo o muy débil

Flojo

Moderado

Sin manta térmica

7,3

9,1

15,1

Moderadamente Fuerte 21,2

Con manta térmica

4,4

5,4

9,1

12,7

Sin manta térmica

6,5

7,8

12,5

17,3

Con manta térmica

3,9

4,7

7,5

10,4 13,4

Sin manta térmica

5,6

6,5

9,9

Con manta térmica

3,4

3,9

6

8

Sin manta térmica

4,8

5,2

7,3

9,5

Con manta térmica

2,9

3,1

4,4

5,7

Sin manta térmica

3,8

3,9

4,8

5,6

Con manta térmica

2,3

2,3

2,9

3,4

Tabla 5.2: Pérdidas por convección (MJ/m2). Fuente: CENSOLAR. 67

ENERGÍA SOLAR TÉRMICA: MANUAL DEL PROYECTISTA

IMPRIMIR

tº a (ºC) 15 16 17 18 19 20 21 22 23 24 25 26 27 28 29 30 31 32

ÍNDICE

CONDICIONES DE VIENTO Nulo o muy débil

Flojo

Moderado

Sin manta térmica

11,3

16,3

20

Moderadamente Fuerte 25,1

Con manta térmica

6,2

8,9

11

13,7

Sin manta térmica

10,5

15,2

18,7

23,3

Con manta térmica

5,7

8,2

10,1

12,6

Sin manta térmica

9,7

14,1

17,3

21,6

Con manta térmica

5,2

7,5

9,2

11,5

Sin manta térmica

8,9

12,9

15,9

19,9

Con manta térmica

4,7

6,8

8,3

10,4

Sin manta térmica

8,2

11,8

14,5

18,1

Con manta térmica

4,2

6

7,4

9,3

Sin manta térmica

7,4

10,7

13,1

16,4

Con manta térmica

3,7

5,3

6,5

8,2

Sin manta térmica

6,6

9,5

11,8

14,7

Con manta térmica

3,2

4,6

5,7

7,1

Sin manta térmica

5,8

8,4

10,4

13

Con manta térmica

2,7

3,9

4,8

6

Sin manta térmica

5,1

7,3

9

11,2

Con manta térmica

2,2

3,2

3,9

4,9

Sin manta térmica

4,3

6,2

7,6

9,5

Con manta térmica

1,7

2,4

3

3,7

Sin manta térmica

3,5

5,1

6,2

7,8

Con manta térmica

1,2

1,7

2,1

2,6

Sin manta térmica

2,7

3,9

4,8

6

Con manta térmica

0,7

1

1,2

1,5

Sin manta térmica

1,9

2,8

3,5

4,3

Con manta térmica

0,2

0,3

0,3

0,4

Sin manta térmica

1,2

1,7

2,1

2,6

Con manta térmica

-0,3

-0,4

-0,5

-0,7

Sin manta térmica

0,4

0,6

0,7

0,9

Con manta térmica

-0,8

-1,2

-1,4

-1,8

Sin manta térmica

-0,4

-0,6

-0,7

-0,9

Con manta térmica

-1,3

-1,9

-2,3

-2,9 -2,6

Sin manta térmica

-1,2

-1,7

-2,1

Con manta térmica

-1,8

-2,6

-3,2

-4

Sin manta térmica

-1,9

-2,8

-3,5

-4,3

Con manta térmica

-2,3

-3,3

-4,1

-5,1

Tabla 5.3: Pérdidas por evaporación (MJ/m ). Fuente: CENSOLAR. 2

Aún cuando no haya una clasificación precisa, a efectos orientativos pueden considerarse zonas de viento nulo o muy débil aquellas en que la velocidad media (media de las DIMENSIONADO DE LA SUPERFICIE DE CAPTACIÓN Y DEL VOLUMEN DE ACUMULACIÓN

68

IMPRIMIR

ÍNDICE

velocidades en un periodo suficientemente grande) no supere los 3 m/s, viento flojo cuando la velocidad está comprendida entre los 3 y 5 m/s, viento moderado cuando está entre 5 y 7 m/s y viento moderadamente fuerte cuando supere los 7 m/s, sin llegar a los 10 m/s. Como norma, si se carece de datos para clasificar la zona en cuanto al viento, se deberá utilizar para los cálculos, viento flojo, reservándose viento nulo o muy débil, únicamente para los casos en que exista certeza de que el efecto del viento puede despreciarse por completo. El grado de humedad según la humedad relativa del aire en el mes de septiembre se clasifica de la siguiente forma: entre 35% y 45% zona muy seca, entre 45% y 55% zona seca, entre 55% y 65% zona media, entre 65% y 75% zona húmeda y más del 75% zona muy húmeda. En general puede elegirse como zona húmeda cualquiera del litoral marítimo y como zona media el resto, si bien hay regiones de las mesetas interiores que pueden clasificarse como zonas secas.

Ávila

56

Palencia

63

Soria

62

Burgos

66

Salamanca

57

Valladolid

55

León

54

Segovia

55

Zamora

66

Tabla 5.4: Humedad relativa durante el mes de Septiembre (%). Fuente: CENSOLAR

5.8.4. Selección del captador solar Para uso exclusivo de piscinas al aire libre se utilizarán captadores de materiales plásticos, mientras que para piscinas cubiertas se utilizarán captadores planos convencionales.

5.8.5. Intensidad radiante Se calculará igual que el punto 5.4.2 teniendo en cuenta para su cálculo que en piscinas al aire libre, la inclinación de los captadores puede estar entre 30º y 35º, incluso colocarse sobre superficie horizontal.

5.8.6. Calor útil que se obtiene con el captador Se calculará igual que en el punto 5.4. Para piscinas al aire libre, la temperatura de uso del agua de la piscina se estima entre 24º y 27 ºC. Para piscinas cubiertas se seguirán las indicaciones del Plan Solar de Castilla y León. 69

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Según el Plan Solar de Castilla y León: En el caso de climatización de piscinas, se seguirán las indicaciones del RITE en su punto ITE 10.2.1.2. sobre la temperatura del agua de la pileta, donde se incluye la siguiente tabla dependiendo del uso principal. Uso principal Público:

Temperatura del agua (ºC) Recreo

25

Chapoteo

24

Enseñanza

25

Entrenamiento

26

Competición Privado

24 25 – 26

5.9. Demanda energética de calefacción por suelo radiante Está comprobado que las personas instintivamente tienen sensación de bienestar cuando los pies se encuentran a una temperatura ligeramente superior a la de la cabeza. Una de las principales ventajas de la calefacción por suelo radiante es que se consiguen las condiciones de confort con menores temperaturas ambiente que con un sistema convencional. Este sistema de calefacción está colocado bajo el suelo y se basa en una red de tubos por los que circula el agua caliente a baja temperatura, consiguiendo un gran emisor de calor, que es el suelo, a una temperatura apta para dar las condiciones óptimas de confort, siendo esta temperatura menor que la de los clásicos radiadores. Para calcular la carga de calefacción, puede seguirse cualesquiera de los siguientes métodos. En cualquier caso, una vez conocida la demanda calorífica de cada uno de los meses, se calculará el número de captadores necesarios para satisfacer esa demanda siguiendo las indicaciones del apartado 5.5. En aplicaciones de calefacción, en los que la demanda se produce en invierno, la inclinación de los colectores se escogerá, al menos, como 10º más que la latitud de la localidad en cuestión.

5.9.1. Método de los grados-día El método de los grados-día está basado en el hecho de que la cantidad de calor necesario para mantener la temperatura interior seleccionada depende de la diferencia de temperaturas entre el ambiente interior y el exterior. DIMENSIONADO DE LA SUPERFICIE DE CAPTACIÓN Y DEL VOLUMEN DE ACUMULACIÓN

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Así, la carga mensual de calefacción, Q, de una vivienda es proporcional al número de grados-día con base 15-15 de ese mes. Q = 24 x S x Kg x Zm (kcal/mes) Donde: S es la superficie exterior del edificio K g es el coeficiente global de pérdidas del edificio (dato proporcionado por el arquitecto) Zm son los grados-día en ese mes (los valores pueden extraerse de la Norma Básica de la Edificación NBE-CT-79. Condiciones térmicas en los edificios). Mes

Avila

Burgos

León

Palencia

Salamanca

Segovia

Soria

Valladolid

Zamora

Ene

391

384

403

363

350

369

381

360

335

Feb

330

319

333

293

290

300

319

277

260

Mar

301

210

298

242

144

200

282

233

198

Abr

219

90

204

171

12

177

198

150

132

May

93

0

91

7

0

53

74

22

6

Jun

0

0

0

0

0

0

0

0

0

Jul

0

0

0

0

0

0

0

0

0

Ago

0

0

0

0

0

0

0

0

0

Sep

0

0

0

0

0

0

0

0

0

Oct

143

133

164

90

91

102

96

93

59

Nov

282

273

291

252

240

258

270

240

162

Dic

269

357

369

344

322

347

357

335

222

Tabla 5.5: Grados-día de las capitales de provincia de Castilla y León

5.9.2. Método de cálculo de las demandas caloríficas Este procedimiento de cálculo sustituirá al anterior en la futura revisión de la Norma Básica de la Edificación NBE-CT-79 y el RITE, y para su implementación es necesario disponer de la siguiente información: • Plano claro del edificio a escala y con la orientación. • Memoria de calidades y composiciones de todos los cerramientos. • Ubicación de la sala de máquinas y esquema de distribución de las tuberías de alimentación. Los pasos a seguir serán los siguientes: 1º) Calcular el coeficiente de transmisión de calor (Kg) de los cerramientos: 71

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1

Kg = (

1

ei

∑

+

α1

+

λi

1 α2

)

2º) Calcular las demandas caloríficas: Q

q=

Asuelo Q = Pérdidas de calor de un local (W). A = Área del suelo (m2) Q = ( [∑ ∆Ti·Ki·Ai]+[∆Tint-ext·V·Ce·pe·n]) · (1+F)

Ki = coeficiente de transmisión térmica de cada cerramiento (

(Kcal/h)

Kcal m2hºC

).

Ai = Área neta de cada cerramiento del local, muros, suelo, techo, puertas, ventanas, etc. (m2). ∆Tint-ext = Tint - Text diferencia entre la temperatura interior (ambiente) y la exterior (temperatura de la calle). (ºC). V = Volumen del aire del local. (m3). Ce = Calor específico del aire, 0,24 (

Kcal

).

KgºC

n = número de renovaciones de aire por hora. p e = Peso específico del aire seco, 1,24

Kg

a 10 ºC y 1,205

m3

Kg m3

a 20 ºC.

F = Suplementos que serán: 0,05 – 0,07 por orientación norte y 0,02/metro por últimas plantas del edificio. En instalaciones de suelo radiante la temperatura superficial del suelo no debe superar los 29 ºC.

Tsuelo = Tint +

q

αsuelo

DIMENSIONADO DE LA SUPERFICIE DE CAPTACIÓN Y DEL VOLUMEN DE ACUMULACIÓN

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Estadio Hispánico (León)

6

Diseño del sistema de captación

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6

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Diseño del sistema de captación

6.1. Generalidades Una vez conocida la superficie de captadores y el número de captadores necesarios, hay que estudiar la integración de los mismos en el edificio. Habrá que considerar la orientación y la inclinación de los captadores, las posibles sombras, la distancia mínima entre captadores, el anclaje de los mismos a la estructura del edificio y su conexionado. Según el Plan Solar de Castilla y León: • En la memoria de diseño o proyecto se especificará de los captadores: - El modelo. - Número. - Orientación. - Inclinación. - Esquema completo de conexionado. • Todos los captadores que integren la instalación serán del mismo modelo y marca.

Las dimensiones más usuales de un captador solar son:

Alto

• Alto: 2 m • Ancho: 1 m

Ancho

• Área: 2 m2 Figura 6.1. Captador solar. DISEÑO DEL SISTEMA DE CAPTACIÓN

74

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Cuando se calcula la superficie captadora necesaria, se hace referencia a la superficie del absorbedor, normalmente la superficie útil que dan los fabricantes.

6.2. Orientación e inclinación Los captadores solares han de montarse de forma que aprovechen al máximo la radiación solar, por lo que se orientarán hacia el sur geográfico (si nos encontramos en el hemisferio norte) y con una inclinación respecto de la horizontal 10º superior a la latitud del lugar. Según el Plan Solar de Castilla y León: • Se admitirán unas desviaciones máximas de ± 30º respecto al sur geográfico, para la orientación. • Se admitirán unas desviaciones máximas de ± 20º respecto de la latitud, para la inclinación.

Figura 6.2: Orientación e inclinación de los captadores

Se ha de procurar que la radiación solar incida perpendicularmente sobre la superficie del captador al mediodía solar, si bien la inclinación elegida dependerá del uso previsto de la instalación. Utilización de la instalación

Inclinación

Durante todo el año regularmente Preferentemente durante el verano Preferentemente en invierno

(Latitud) +/- 20º (Latitud -10º) +/- 10º (Latitud +10º) +/- 10º

Tabla 6.1. Inclinación de los captadores en función de la utilización

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Es conveniente saber que el sur geográfico no coincide con el magnético dado por la brújula. El sur geográfico se puede localizar de la siguiente manera: • 2 ó 3 horas antes del mediodía solar, colocar una varilla vertical en el suelo, medir su sombra y hacer una señal. • Hacer un círculo con la medida de la sombra en el suelo. • Por la tarde, cuando la sombra tenga otra vez la medida del círculo, hacer otra señal. • La recta que une ambas señales, mirando hacia la varilla, está orientada al sur geográfico.

Figura 6.3: Determinación práctica del sur geográfico

Diferencia entre hora solar y hora local La hora local que marca el reloj no coincide con la hora solar, debido a los adelantos horarios, la longitud del lugar y otros parámetros: Para mostrarlo se va a explicar el cálculo del tiempo solar verdadero (T.S.V.). T.S.V. = Hora oficial local – adelanto respecto de la hora solar ± longitud del lugar ± ecuación del tiempo

La longitud del tiempo influye con 4 minutos por grado: si es hacia el este se restará, y si es hacia el oeste se sumará. La ecuación del tiempo se muestra en la gráfica siguiente:

DISEÑO DEL SISTEMA DE CAPTACIÓN

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Ecuación del tiempo

Según el Plan Solar de Castilla y León: • En instalaciones integradas en cubiertas por consideraciones de integración arquitectónica o impacto visual no será necesario ajustarse a lo especificado anteriormente en cuanto a orientación e inclinación.

6.3. Determinación de sombras y distancia mínima entre captadores A la hora de la instalación de los captadores solares influyen las sombras que puedan dar los obstáculos próximos (edificios colindantes, árboles, otros captadores, chimeneas, etc.), por lo que hay que evitar que queden a su sombra. Según el Plan Solar de Castilla y León: • La instalación del campo de captadores se realizará de forma que se asegure que al mediodía solar del solsticio de invierno, no haya más de un 5% de la superficie útil de captación en sombra. • Por razones justificadas (integración arquitectónica, superficie libre para la ubicación de captadores, etc.) podrá no cumplirse el requisito anterior, en cuyo caso se evaluará la reducción producida por las sombras en las prestaciones energéticas de la instalación. En este caso se justificará el aumento de superficie de captación. Una determinación exacta de las posibles sombras se puede realizar conociendo la altura solar y el azimut durante todo el año, y así comprobar si algún obstáculo puede ocultar el sol en algún momento a la instalación. 77

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La distancia d, medida sobre la horizontal, entre una fila de captadores y un obstáculo, de altura h, que pueda producir sombra sobre la instalación será igual o superior al valor obtenido por la expresión: d = h / tg (67º - latitud) = h x k Siendo: d la separación entre filas. h la altura del obstáculo, o diferencia de altura entre la parte alta de una fila de captadores y la parte baja de la siguiente. k = L/tg (67º - latitud) un coeficiente adimensional cuyo valor se obtiene en la tabla 6.2 a partir de la latitud del lugar. La distancia horizontal entre la parte posterior de una fila de captadores y la parte baja de la siguiente debe ser igual o mayor que el valor obtenido mediante la expresión anterior. Latitud (º) k

K

29

37

39

41

43

45

1,280

1,732

1,881

2,050

2,246

2,475

Tabla 6.2. Coeficiente de separación entre filas de captadores

Figura 6.4: Distancia mínima entre captadores

En la figura 6.4: L es la longitud del captador.

α es el ángulo de inclinación del captador. d es la distancia mínima entre la parte posterior de una fila de captadores y la parte baja de la siguiente. DISEÑO DEL SISTEMA DE CAPTACIÓN

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Para calcular la superficie en planta necesaria para la ubicación de los captadores, incluidos estos y su separación entre si, bastará con multiplicar el número de captadores por el valor de (d + L cos α) y por la anchura del panel.

6.4. Estructura soporte Una vez calculado el ángulo de inclinación de los captadores que optimiza el rendimiento de la instalación, es preciso materializarlo mediante un sistema de anclaje y soporte adecuado. El anclaje de los captadores a la estructura del edificio depende de su ubicación en cubierta, terraza o suelo, y de las fuerzas que actúan sobre él como consecuencia de las sobrecargas del viento y nieve a que se encuentra sometido.

Según el Plan Solar de Castilla y León: En el proyecto técnico se especificarán: • Las cargas máximas que soportará la estructura y que transmitirá al suelo o lugar sobre el que asiente. • La capacidad del mismo para soportar las cargas transmitidas por la estructura.

La estructura soporte de captadores ha de resistir, con los captadores instalados, las sobrecargas de viento y nieve, de acuerdo con lo indicado en la norma básica de la edificación NBE-AE-88. Como los captadores estarán aproximadamente orientados hacia el sur, las cargas de viento que pueden ser peligrosas serán las que vengan del norte, ya que suponen fuerzas de tracción sobre los anclajes que son mucho más peligrosas que las de compresión. La fuerza del viento es: f = p S senα Siendo: S la superficie del captador.

α el ángulo de inclinación del captador respecto a la horizontal. p la presión frontal del viento, es decir, la presión que ejercería el viento sobre una superficie perpendicular a la dirección del mismo. Depende de la velocidad.

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Figura 6.5: Esquema de actuación de la fuerza del viento sobre un captador

El diseño y la construcción de la estructura y el sistema de fijación de captadores, permitirán las necesarias dilataciones térmicas, sin transmitir cargas que puedan afectar a la integridad de los captadores o al circuito hidráulico. Los puntos de sujeción del captador serán suficientes en número, teniendo el área de apoyo y posición relativa adecuadas, de forma que no se produzcan flexiones en el captador superiores a las permitidas por el fabricante. El diseño de la estructura se realizará para la orientación y el ángulo de inclinación especificado para el captador y teniendo en cuenta la facilidad de montaje y desmontaje. La estructura se protegerá superficialmente contra la acción de los agentes ambientales. Las estructuras de acero podrán protegerse mediante galvanizado por inmersión en caliente, pinturas orgánicas de zinc o tratamientos anticorrosivos equivalentes. La realización de taladros en la estructura se llevará a cabo antes de proceder al galvanizado o protección de la estructura. La tornillería y piezas auxiliares estarán protegidas por galvanizado o zincado, o bien serán de acero inoxidable. Los topes de sujeción de captadores y la propia estructura no arrojarán sombra sobre los captadores. En el caso de instalaciones integradas en cubierta que hagan las veces de la cubierta del edificio, el diseño de la estructura y la estanqueidad entre captadores se ajustará a las exigencias de las Normas Básicas de la Edificación y a las técnicas usuales en la construcción de cubiertas. Normas a tener en cuenta: • Para no traspasar la cubierta plana de un edificio con el anclaje y evitar infiltraciones de agua, se construirán muretes, de hormigón armado con varilla metálica, que garanticen la total sujeción. Su dimensión mínima será de 20 x 20 x 25 cm. DISEÑO DEL SISTEMA DE CAPTACIÓN

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• Para fijar la estructura en un tejado inclinado atravesando la cubierta es necesario colocar faldones y collarines estancos. • El sistema de fijación permitirá, si fuera necesario, el movimiento del captador de forma que no se transmitan esfuerzos de dilatación.

Foto 6.6: Anclaje sobre tejado metálico (izquierda) y sobre tejado de fibrocemento (derecha)

Foto 6.7: Anclaje sobre terraza

Foto 6.8: Anclaje sobre terraza y tejado

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Figura 6.9: Esquema de estructura soporte

6.5. Conexionado de los captadores En la práctica los colectores no se instalan nunca por separado, si no que se agrupan formando baterías, reduciendo de esta forma el número de accesorios a utilizar por colector, con el consiguiente abaratamiento de la obra. Los acoplamientos entre captadores para formar una batería de captadores pueden ser en paralelo y en serie (fig. 6.10. y fig. 6.11.).

Figura 6.10: Acoplamiento en paralelo de captadores

Figura 6.11: Acoplamiento en serie de captadores DISEÑO DEL SISTEMA DE CAPTACIÓN

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Dado que por cada panel ha de circular el caudal de diseño establecido por el fabricante, el acoplamiento en paralelo implicará un caudal trasegado por toda la batería igual al caudal unitario de diseño de cada colector por el número de éstos. En este tipo de conexión cada colector trabajará proporcionando el mismo salto térmico, que será idéntico al que de la batería al completo. Si el acoplamiento se realiza en serie, el caudal de toda la batería será igual al de diseño de un único colector, es decir, por todos ellos circula el mismo caudal, obteniéndose una temperatura de salida de la batería, en teoría, igual al salto térmico de un colector por el número de éstos que conforman la propia batería. Así, la diferencia fundamental entre ambos tipos de conexionado es la temperatura que se obtiene a la salida de la batería (mayor en serie) y el caudal que es calentado a esa temperatura (mayor en paralelo). Por tanto, el conexionado de los captadores se revela como uno de los aspectos más importantes de una instalación de energía solar. El acoplamiento entre baterías de captadores puede ser en serie (Fig. 6.12.), en paralelo (Fig. 6.13.) y en serie-paralelo (Fig. 6.14.)

Figura 6.12: Acoplamiento en serie de baterías de captadores

Figura 6.13: Acoplamiento en paralelo de baterías de captadores

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Figura 6.14: Acoplamiento en serie-paralelo de baterías de captadores

Para la disposición de los captadores, habrá que tener siempre presentes, los criterios generales que establece el Plan Solar de Castilla y León.

Según el Plan Solar de Castilla y León: • Los captadores se instalarán en baterías constituidas por el mismo número de captadores. • Los captadores en las baterías podrán estar conectados en serie o en paralelo. • Las baterías de captadores podrán conectarse entre sí en paralelo, en serie o en serie-paralelo. • El número de captadores que se pueden conectar en paralelo, tendrá en cuenta las limitaciones del fabricante, recomendándose no superar las 8 unidades. • El número de captadores conexionados en serie pertenecientes a una misma batería no será superior a cinco y el número de baterías conectadas en serie no podrá ser mayor de dos. • La conexión entre sí de las baterías de captadores asegurará igual recorrido hidráulico en todos ellos debiendo quedar plasmado en el esquema de conexionado. En algunas ocasiones, la limitación de la superficie disponible, obligará al proyectista a buscar soluciones que le permitan ubicar el número de captadores necesarios, combinándolos en serie y en paralelo según la aplicación concreta de que se trate.

DISEÑO DEL SISTEMA DE CAPTACIÓN

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Figura 6.15: Acoplamiento de 18 captadores

SUR

Figura 6.16: Diferentes orientaciones de las líneas de captadores

En el diseño de la batería de captadores hay que tener en cuenta que la instalación debe permitir el acceso a los captadores, de forma que su desmontaje sea posible en caso de avería o degradación. Para optimizar el funcionamiento de la instalación solar, se hace necesario regular el caudal a fin de que por cada batería circule el caudal de diseño de la misma, para lo cual la solución más sencilla es realizar el retorno invertido. Este sistema permite equilibrar hidráulicamente la instalación, de forma que la pérdida de carga del fluido en su recorrido por el campo de colectores siempre sea la misma, independientemente de la batería de captadores por la que circule. 85

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En la figura 6.17 se observa que los tres recorridos entre A y B (en gris) tienen la misma longitud desde que se bifurca el fluido hasta que se vuelve a juntar, produciéndose así una pérdida de carga igual en todos ellos.

Figura 6.17: Esquema del retorno invertido en una instalación solar

Evidentemente, las tuberías de conexionado de las baterías, en cada uno de los tramos, deberán dimensionarse de acuerdo a los caudales a trasegar por cada uno de ellos. El acoplamiento en serie-paralelo es una solución muy utilizada cuando se tienen gran cantidad de captadores, ya que reduce el diámetro de las tuberías a montar, disminuyendo así el coste de las mismas que se incrementa considerablemente según aumenta su diámetro.

DISEÑO DEL SISTEMA DE CAPTACIÓN

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Polideportivo Municipal Anduva (Miranda de Ebro - Burgos)

7

Dimensionado y diseño del resto de componentes y equipos

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7

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Dimensionado y diseño del resto de componentes y equipos

7.1. Sala de máquinas Se define como sala de máquinas el local o conjunto de locales donde se debe instalar la maquinaria y demás elementos necesarios para la producción, intercambio, acumulación e impulsión de frío y/o calor. El proyectista de energía solar térmica se podrá encontrar una sala de máquinas ya construida, con el sistema convencional existente o que no exista sala de máquinas. En el primer caso, hay dos soluciones, bien utilizar la existente porque hay espacio suficiente para la colocación de los elementos necesarios, o bien realizar una nueva, lo más próxima posible a la existente. Si es un edificio sin sala de máquinas habrá que construir una para poder ubicar los acumuladores, intercambiadores, bombas, vasos de expansión, etc.

Según normativa (RITE – ITE 02): • Las salas de máquinas se diseñarán de forma que se satisfagan unos requisitos mínimos de seguridad para las personas y los edificios donde se emplacen y en todo caso se faciliten las operaciones de mantenimiento y conducción. • Se estará a lo dispuesto en UNE 100020 en los aspectos relativos a ventilación, nivel de iluminación, seguridad eléctrica, dimensiones mínimas de la sala, separación entre máquinas para facilitar su mantenimiento así como en lo concerniente a la adecuada protección frente a la humedad exterior y la previsión de un eficaz sistema de desagüe. • Las salas de máquinas no pueden utilizarse para fines diferentes a los de alojar equipos y aparatos al servicio de la instalación de climatización; y en ellas, además, no podrán realizarse trabajos ajenos a los propios de la instalación. • En particular se prohibe la utilización de la sala de máquinas como almacén, así como la colocación en la misma de depósitos de almacenamiento de combustibles.

DIMENSIONADO Y DISEÑO DEL RESTO DE COMPONENTES Y EQUIPOS

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7.2. Diseño del sistema de acumulación La situación de las tomas para conexiones de los depósitos acumuladores, serán las establecidas en el esquema siguiente:

El sensor de la temperatura del acumulador del sistema de control se situará en la parte inferior del depósito, en una zona no influenciada por la circulación del circuito secundario o por el calentamiento del intercambiador si este fuera incorporado. La entrada de agua fría, situada en la parte baja del acumulador, estará equipada con una placa deflectora en la parte interior a fin de que la velocidad residual no destruya la estratificación en el acumulador. Las conexiones de entrada y salida se situarán de forma que se eviten caminos preferentes de circulación del fluido. En depósitos horizontales las tomas de agua caliente y fría estarán situadas en extremos opuestos. Cuando sea necesario que el sistema de acumulación esté formado por más de un depósito, éstos se conectarán en serie invertida en el circuito de consumo o en paralelo con los circuitos primarios y secundarios equilibrados. 89

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Figura 7.1: Conexionado de acumuladores en serie invertida en el circuito de consumo

Figura 7.2: Conexionado de acumuladores en paralelo con los circuitos primarios y secundarios equilibrados

Es muy importante conocer las medidas de los depósitos acumuladores tanto si el edificio es de nueva planta, como si ya está construido. En los edificios aún sin construir, habrá que tener en cuenta las dimensiones de los depósitos acumuladores, tanto para poder introducir, y sacar en un futuro, los mismos, como para que éstos quepan en la sala de máquinas. En el caso de edificios ya construidos, habrá que adaptarse a las dimensiones de puertas, anchos de pasillos y altura de la sala de máquinas, a la hora de escoger la capacidad y el número de acumuladores necesarios o bien realizar las obras necesarias para lograr introducir los acumuladores en la sala de máquinas. Si no hubiera espacio suficiente en la sala de máquinas actual, habrá que construir una nueva o reformar y/o ampliar la existente. DIMENSIONADO Y DISEÑO DEL RESTO DE COMPONENTES Y EQUIPOS

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IMPRIMIR VOLUMEN (l)

DIÁMETRO (mm)

200 300 500 600 750 800 1000 1500 2000 2500 3000 3500 4000 5000 6000 7000 8000 (horizontal) 10000 (horizontal) 12000 (horizontal)

620 620 770 770 1060 950 1060 1360 1360 1660 1660 1660 1910 1910 1750 1750 1500 1500 1500

ÍNDICE

ALTURA (mm) 1240 1725 1730 1730 1640 1840 2040 1850 2300 2035 2325 2610 2345 2750 3188 3515 Longitud 4960 Longitud 6120 Longitud 7280

Tabla 7.1. Dimensiones estándar de los depósitos acumuladores en función de su capacidad

7.3. Sistema de intercambio En todas las instalaciones de energía solar térmica, salvo en el caso de calentamiento de piscinas al aire libre con captadores de materiales plásticos, es necesaria la incorporación de un intercambiador que permita tener dos circuitos independientes, para no mezclar el fluido que circula por los captadores (que lleva anticongelante como sistema de protección contra heladas) con el de consumo. Según el Plan Solar de Castilla y León: • En la memoria de diseño o proyecto se incluirá el tipo de intercambiador, independiente o incorporado al acumulador. • El intercambiador independiente será de placas de acero inoxidable o cobre y deberá soportar las temperaturas y presiones máximas de trabajo de la instalación. • El intercambiador incorporado al acumulador estará situado obligatoriamente en la parte inferior del acumulador y podrá ser de tipo sumergido o de doble envolvente. El intercambiador sumergido podrá ser de serpentín o de haz tubular y estará construido en cobre o acero inoxidable. 91

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Recomendaciones a tener en cuenta en su ubicación en la sala de máquinas: • Se debe dejar suficiente espacio para poder montar el intercambiador y efectuar las operaciones de sustitución o reparación. • Cada intercambiador debe llevar llaves de corte en las entradas y salidas del mismo. • La placa de características deberá quedar visible.

7.3.1. Intercambiador de calor independiente Según el Plan Solar de Castilla y León: En las instalaciones con intercambiador de calor independiente, la memoria de diseño o proyecto especificará: • La potencia nominal. • Los caudales de diseño. • Los saltos de temperatura. • La efectividad del intercambiador.

• La potencia de diseño del intercambiador, P en watios, en función del área de captación solar A en m2, cumplirá la condición: P ≥ 600 x A. • Se dimensionarán, en instalaciones de agua caliente sanitaria, para las condiciones nominales, cumpliendo:

• Cuando la instalación solar proporcione cobertura, de manera conjunta, a más de una aplicación: - Si la energía solar se transfiere a cada aplicación individualmente, para cada uno de los intercambiadores precisados para cada aplicación la potencia de diseño deberá cumplir P ≥ 600 x A para el área total de captación solar instalada.

DIMENSIONADO Y DISEÑO DEL RESTO DE COMPONENTES Y EQUIPOS

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- Si la energía solar se transfiere a más de una aplicación a la vez, la suma de las potencias de diseño de los intercambiadores precisados para esas aplicaciones deberá cumplir P ≥ 600 x A para el área total de captación solar instalada. - En el dimensionado se justificarán los parámetros elegidos. - La temperatura de salida del secundario del intercambiador se elegirá como la deseada en la aplicación considerada. • En general los intercambiadores de instalaciones de energía solar se diseñan para una pérdida de carga menor de 2 m.c.a. La efectividad del intercambiador, valor adimensional que mide la trasferencia energética del intercambiador frente a lo máximo que se podría intercambiar en condiciones ideales, se define como:

n=

(Tfs - Tfe) (Tce - Tfe)

Siendo: Tfs la temperatura de salida del intercambiador del circuito secundario. Tfe la temperatura de entrada al intercambiador del circuito secundario. Tce la temperatura de entrada del circuito primario.

7.3.2. Intercambiador de calor incorporado en el acumulador Según el Plan Solar de Castilla y León: En las instalaciones con intercambiador de calor incorporado en el acumulador, la memoria de diseño o proyecto especificará: • El tipo de intercambiador. • La superficie útil de intercambio. Independientemente de la aplicación considerada, se cumplirá: superficie útil de intercambio

> 0,15

superficie total de captación instalada • Cuando la instalación solar proporcione cobertura, de manera conjunta, a más de una aplicación y la energía solar es transferida a cada aplicación individualmente, cada 93

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uno de los intercambiadores precisados cumplirá la condición anterior para el área total de captación solar instalada. • Cuando la instalación solar proporcione cobertura, de manera conjunta, a más de una aplicación y la energía solar es transferida a más de una aplicación a la vez, la suma de las superficies de intercambio de los intercambiadores precisados para esas aplicaciones cumplirá la condición anterior para el área total de captación solar instalada. • Cuando exista más de un acumulador solar destinado a una misma aplicación, si sus respectivos intercambiadores se conectan entre sí en paralelo, se sumarán sus superficies individuales de intercambio para cumplir esta condición. En aplicaciones de agua caliente sanitaria con más de un acumulador solar, se permitirá el uso de intercambiadores de calor incorporados en los mismos cuando se utilicen menos de 4 depósitos (cuyo conexionado deberá ser obligatoriamente en paralelo con los circuitos primario y de consumo equilibrados) o la suma de sus volúmenes individuales no sea superior a 9.000 litros.

7.4. Tuberías y accesorios 7.4.1. Tuberías Al igual que ocurre con muchos otros elementos de una instalación de energía solar, las tuberías son las mismas que las utilizadas en otros usos de fontanería y calefacción general. El material más utilizado es el cobre, aunque también se utilizan materiales plásticos, acero galvanizado (nunca en el circuito primario), aluminio, etc. Según el Plan Solar de Castilla y León: En la memoria de diseño o proyecto se especificará: • La clase de material. • El tipo de unión. • Diámetro nominal. • Presión nominal de trabajo. • Radios de cobertura máximos para su montaje. Las características de los tubos de cobre en cuanto a diámetros, espesores, resistencias, pueden encontrarse en la norma UNE 37.141-76. El diámetro de las tuberías se seleccionará de forma que la velocidad de circulación del fluido sea inferior a 2 m/s cuando la tubería discurra por locales habitados y a 3 m/s cuando el trazado sea al exterior o por locales no habitados. DIMENSIONADO Y DISEÑO DEL RESTO DE COMPONENTES Y EQUIPOS

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Cuando se utilice aluminio en tuberías o accesorios, la velocidad del fluido será inferior a 1,5 m/ seg y cuando se utilice acero, la velocidad del fluido será inferior a 3 m/ seg. El dimensionado de las tuberías se realizará de forma que la pérdida de carga unitaria en tuberías nunca sea superior a 40 mm de columna de agua por metro lineal. Finalmente, el equilibrado hidráulico de los circuitos asegurará que el caudal, en cualquiera de las distintas baterías de captadores, no difiera en más del 20% del caudal de diseño.

7.4.2. Caudal El caudal del circuito primario: • Se determinará en función de la superficie de captadores instalados. • Su valor unitario estará comprendido entre 30 y 70 litros por hora y por m2 de captador, según el fluido sea agua o una mezcla de agua con anticongelante. • Se elegirá de acuerdo a lo establecido como recomendaciones por el fabricante de los captadores solares.

Aplicación

• En las instalaciones con captadores en serie, el valor del caudal de la instalación se obtiene aplicando el criterio anterior dividido por el número de baterías conectadas en serie dentro de un grupo.

A.C.S.

• Caudal primario y caudal secundario con una diferencia máxima de un 10%. • Caudal primario ≥ Caudal secundario.

Resto de aplicaciones

Ajustar el caudal del circuito secundario a los saltos térmicos de diseño requeridos en los circuitos primario y secundario.

Tabla 7.2: Normas a cumplir en el dimensionado de caudales de la instalación

Para poder seleccionar de forma orientativa el diámetro de tubería general del primario, en la tabla 7.3. se muestran los diámetros para tubería de cobre recomendados, en función del caudal y la distancia a la sala de máquinas.

95

ENERGÍA SOLAR TÉRMICA: MANUAL DEL PROYECTISTA

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IMPRIMIR Distancia de captadores a la sala de máquinas Menos de 50 metros Más de 50 metros

Diámetro ext. de la tubería de cobre (mm)

Hasta 800 l/h

Hasta 500 l/h

18

De 801 a 1300 l/h

De 501 a 900 l/h

22

De 1301 a 2100 l/h

De 901 a 1500 l/h

28

De 2101 a 3000 l/h

De 1501 a 2400 l/h

35

De 3001 a 4500 l/h

De 2401 a 3800 l/h

42

De 4501 a 8500 l/h

De 3801 a 6300 l/h

54

De 8501 a 11000 l/h

De 6301 a 8300 l/h

64

De 11001 a 15000 l/h

De 8301 a 13000 l/h

80

De 15001 a 25000 l/h

De 13001 a 25000 l/h

100

Tabla 7.3: Diámetros mínimos recomendados para tuberías de cobre en instalaciones de energía solar en función del caudal de circulación y de la distancia a la sala de máquinas

7.4.3. Válvulas de seguridad En una instalación solar éstas válvulas son muy importantes, ya que permiten limitar la presión y así proteger los componentes de la instalación. La legislación exige la colocación de válvulas de seguridad en todos los circuitos sometidos a presión y a variaciones de temperatura. Según el Plan Solar de Castilla y León: • La memoria de diseño o proyecto especificará el tipo y aplicación de estas válvulas y accesorios de la instalación, diámetros, formas de las conexiones y presión nominal. • El circuito primario y el circuito secundario (depósitos) deberán ir provistos de válvulas de seguridad taradas a una presión que garantice que en cualquier punto del circuito no se superará la presión máxima de trabajo de los componentes. • La descarga de las válvulas de seguridad debe garantizar, en caso de apertura, la no provocación de posibles accidentes o daños, por lo que se conducirán, preferentemente, a desagües. En cada zona de las baterías de captadores en que se hayan situado válvulas de corte se instalarán válvulas de seguridad.

7.4.4. Otras válvulas La elección de las válvulas se realizará, de acuerdo con la función que desempeñan DIMENSIONADO Y DISEÑO DEL RESTO DE COMPONENTES Y EQUIPOS

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siguiendo los siguientes criterios: • Para aislamiento: válvulas de esfera. • Para equilibrado de circuitos: válvulas de asiento. • Para vaciado: válvulas de esfera o de macho. • Para llenado: válvulas de esfera. • Para retención: válvulas de disco de doble compuerta o de clapeta. Según el Plan Solar de Castilla y León: • La memoria de diseño o proyecto especificará el tipo y aplicación de estas válvulas, diámetros, formas de las conexiones y presión nominal. • No se permitirá la utilización de válvulas de compuerta. Se hará un uso limitado de las válvulas para el equilibrado de circuitos, debiéndose concebir, en fase de diseño, un circuito de por sí equilibrado. Se montarán válvulas de corte, para facilitar la sustitución o reparación de componentes sin necesidad de realizar el vaciado completo de la instalación, debiendo independizar los siguientes elementos: • Baterías de captadores. • Intercambiador. • Acumuladores. • Bombas. • Caudalímetro. • Sistema de medición energética. A la entrada del agua fría al acumulador solar y tras la llave de corte, se instalará una válvula antirretorno. Se instalarán válvulas que permitan el vaciado total o parcial de la instalación.

7.4.5. Purga de aire y desaireación Los purgadores son los elementos encargados de evacuar los gases, generalmente aire, contenidos en el fluido caloportador, facilitando así el correcto funcionamiento de la instalación. Los desaireadores aseguran que los gases disueltos en el fluido sean separados del mismo. Es conveniente situar al menos uno en el punto más alto de la instalación, a la salida de los captadores. En los puntos altos de la salida de baterías de captadores se colocarán sistemas de purga constituidos por purgadores manuales o automáticos. 97

ENERGÍA SOLAR TÉRMICA: MANUAL DEL PROYECTISTA

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Se evitará el uso de purgadores automáticos cuando se prevea la formación de vapor en el circuito. Los purgadores automáticos deberán soportar, al menos, la temperatura de estancamiento del captador. En el trazado del circuito se evitarán los sifones invertidos. En general, el trazado del circuito evitará los caminos tortuosos para favorecer el desplazamiento del aire atrapado hacia los puntos altos. Los trazados horizontales de tubería tendrán siempre una pendiente ascendente mínima del 1% en el sentido de circulación.

7.5. Bombas Para transportar el fluido caloportador desde los captadores hasta los acumuladores atravesando un intercambiador exterior o uno incorporado en el propio acumulador, y si fuera necesario hasta los puntos de consumo, se utilizan bombas de circulación o electrocirculadores. Para el dimensionado de las bombas es necesario conocer: • El caudal (ver punto 7.4.2). • La pérdida de carga de todos los elementos de la instalación (captadores, intercambiador, válvulas, tuberías etc.). La pérdida de carga la facilita el fabricante para un solo captador solar y, en algunos casos, para combinaciones típicas de captadores en función del conexionado y de las características del fluido. Si no se suministrara esta información sólo se podrán conocer las pérdidas reales de manera experimental con la instalación en marcha. Según el Plan Solar de Castilla y León: • La memoria de diseño o proyecto debe especificar de las bombas de circulación: el caudal total, la presión y la potencia eléctrica. • La bomba se debe seleccionar de forma que el caudal y la pérdida de carga de diseño se encuentren dentro de la zona de rendimiento óptimo especificado por el fabricante. • El caudal nominal debe ser igual al caudal unitario del sistema primario multiplicado por la superficie total de captadores. • La presión de la bomba debe compensar todas las pérdidas de carga del circuito correspondiente. • La potencia eléctrica de la bomba no debe exceder del 2% de la potencia pico de calor que puede proporcionar el sistema de captación. DIMENSIONADO Y DISEÑO DEL RESTO DE COMPONENTES Y EQUIPOS

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Las bombas de circulación podrán ser del tipo en línea, de rotor seco o húmedo, o de bancada. Siempre que sea posible se utilizarán bombas tipo circuladores en línea y se ubicarán: • En las zonas más frías del circuito y en tramos de tubería verticales, evitando las zonas más bajas del circuito. • En instalaciones con superficie de captación superior a 100 m2, se montarán dos bombas idénticas en paralelo o una bomba doble, una de ellas de reserva, tanto en el circuito primario como en los distintos circuitos secundarios de las aplicaciones consideradas. En este caso se preverá el funcionamiento alternativo de las mismas, de forma manual o automática. • Dispondrán de espacio suficiente para que puedan ser desmontadas sin necesidad de desarmar las tuberías adyacentes. • Todas las bombas estarán dotadas de tomas para la medición de presiones en aspiración e impulsión.

Figura 7.3: Esquema de colocación de una bomba en una instalación

Según el Plan Solar de Castilla y León: • Los materiales de la bomba del circuito primario serán compatibles con las mezclas anticongelantes y en general con el fluido de trabajo utilizado. • Las bombas serán resistentes a las averías producidas por efecto de las incrustaciones calizas y a la presión máxima del circuito. • En general, se utilizarán bombas con capacidad de regulación del caudal por variación de la potencia consumida, salvo justificación técnica detallada de la elección de otro tipo de bombas. • La bomba permitirá efectuar de forma simple la operación de desaireación o purga. La elección de la bomba está determinada por el punto de funcionamiento del circuito hidráulico, el cual está configurado por las características de caudal y pérdida de carga de la instalación. 99

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La curva característica de la bomba deberá estar lo más próxima posible a este punto, y siempre por encima.

Figura 7.4: Curva característica de una bomba y de un circuito, y la obtención del punto de funcionamiento

Cuando se dispone de una bomba con selector de distintas velocidades de giro (número de revoluciones), se tendrán distintas curvas características, con sentido decreciente cuanto menor sean las revoluciones, lo cual permitirá ajustar mejor el caudal de la bomba al punto de funcionamiento.

A mayor caudal a mover, menor resistencia se puede vencer.

A menor caudal a mover, mayor resistencia se puede vencer.

Figura 7.5: Curvas característica de una bomba en función del número de revoluciones

7.6. Vaso de expansión Los circuitos cerrados de una instalación de energía solar térmica, necesitan un vaso de expansión con el fin de absorber las dilataciones del fluido de trabajo. Para su dimensionado habrá que tener en cuenta que la capacidad del vaso debe ser suficiente para admitir la expansión del fluido, por lo tanto debe ser como mínimo igual al aumento total del volumen de fluido de la instalación a la temperatura considerada. DIMENSIONADO Y DISEÑO DEL RESTO DE COMPONENTES Y EQUIPOS 100

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Según el Plan Solar de Castilla y León: • Los vasos de expansión se instalarán en todos los circuitos cerrados de la instalación. • Los vasos de expansión se conectarán, preferentemente, a la aspiración de la bomba pudiendo ser de tipo abierto o cerrado. • El dimensionado del vaso se efectuará siguiendo las indicaciones de la Instrucción UNE 100.155. Los datos que sirven de base para la selección del vaso son los siguientes: - Volumen total de agua en la instalación, en litros. - Temperatura mínima de funcionamiento, para la cual se asumirá el valor de 4 ºC, a la que corresponde la máxima densidad. - Temperatura máxima que pueda alcanzar el agua durante el funcionamiento de la instalación. - Presiones mínima y máxima de servicio, en bar, cuando se trate de vasos cerrados. - Volumen de expansión calculado, en litros. • Los cálculos darán como resultado final el volumen total del vaso y, en caso de vasos de expansión cerrados, la presión nominal PN, que son los datos que definen sus características de funcionamiento. • La temperatura extrema del circuito primario será, como mínimo, la temperatura de estancamiento del captador. • El volumen de dilatación será, como mínimo, igual al 4,3% del volumen total de fluido en el circuito primario.

7.6.1. Vaso de expansión abierto Para las instalaciones en circuito abierto a la atmósfera se utilizan vasos de expansión abiertos. Éstos se sitúan siempre por encima del punto más alto de la instalación. Según el Plan Solar de Castilla y León: • El volumen útil del vaso de expansión abierto se determinará de forma que sea capaz de absorber la expansión completa del fluido caloportador entre las temperaturas extremas de funcionamiento. • La altura a la que se situarán los vasos de expansión abiertos será tal que asegure el no desbordamiento del fluido y la no introducción de aire en el circuito primario. 101 ENERGÍA SOLAR TÉRMICA: MANUAL DEL PROYECTISTA

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La ubicación de estos vasos debe ser tal, que sea accesible para realizar las operaciones de llenado, adición de anticongelante y comprobación de niveles. La capacidad mínima del depósito de expansión abierto se calculará mediante la expresión: Vmin = Vinstal x K/100

(litros)

Siendo: Vmin el volumen útil mínimo del vaso de expansión. Vinstal el contenido total de agua en el circuito. K el coeficiente de dilatación del fluido. Los pasos a seguir serán: • Calcular el volumen total de agua contenido en el circuito. • Determinar la temperatura máxima de funcionamiento del sistema. • Calcular el coeficiente de expansión, según la temperatura máxima de funcionamiento del sistema (Tabla 7.4. si es agua). El lugar para el emplazamiento del vaso de expansión será aquel en el que, a cualquier régimen de funcionamiento de la(s) bomba(s), exista una sobrepresión de al menos 0,15 bar por encima de la presión atmosférica, de esta manera se asegura que no entre aire en el circuito. Cuando el vaso de expansión está conectado en la aspiración de la bomba, la condición anterior se cumple situando el depósito 1,5 metros aproximadamente por encima del punto geométricamente más elevado del circuito. De acuerdo con la normativa vigente (UNE 100.155-88) la capacidad mínima del vaso de expansión ha de ser el 6% de del volumen total de la instalación. Vmin = 0,06 x Vinstal

7.6.2. Vaso de expansión cerrado En general las instalaciones de energía solar térmica suelen ejecutarse con vasos de expansión cerrados, ya que la mayoría de los edificios actuales tienen cubiertas planas o tejados de poca inclinación, en los que es muy difícil o imposible montar un vaso de expansión abierto por encima de los captadores. Los vasos de expansión cerrados presentan notables ventajas respecto a los abiertos: • Fácil montaje. • No absorben oxígeno del aire. • Eliminan las pérdidas del fluido caloportador por evaporación, evitando la corrosión e incrustación provocada por el agua de reposición. DIMENSIONADO Y DISEÑO DEL RESTO DE COMPONENTES Y EQUIPOS 102

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Su principal inconveniente es el mayor coste. Para la determinación de la capacidad del depósito se deben tener en cuenta dos aspectos: el volumen de fluido y la presión de trabajo de la instalación. El volumen mínimo del depósito, al igual que en el caso de los vasos abiertos, será: Vmin = Vinstal x K/100

(litros)

Siendo: Vinstal el volumen de la instalación, que puede calcularse sumando la capacidad de sus componentes (captadores, intercambiador, tuberías). K el coeficiente de dilatación del fluido de trabajo a su temperatura media. Temperatura (ºC) Coef. K Dilatación del agua (%)

10

20

30

40

50

60

70

80

90

100

0,027

0,177

0,435

0,782

1,21

1,71

2,27

2,90

3,59

4,34

Tabla 7.4: Coeficiente de dilatación del agua en función de la temperatura

La capacidad del vaso corregida por el efecto de la presión será: pf Vdepósito = Vmin x pf - pi Siendo: Vdepósito el volumen total del depósito. pi la presión absoluta de altura manométrica = columna de fluido que soporte el depósito de expansión + presión atmosférica. pf la presión absoluta máxima de trabajo = presión de tarado de la válvula de seguridad del circuito + presión atmosférica. Según el Plan Solar de Castilla y León: • Los vasos de expansión cerrados cumplirán con el Reglamento de Recipientes a Presión y estarán debidamente timbrados. • Los vasos de expansión cerrados se dimensionarán de forma que la presión mínima en frío en el punto más alto del circuito no sea inferior a 1,5 kg/cm2 y la presión máxima en caliente en cualquier punto del circuito no supere la presión máxima de trabajo de los componentes. • La tubería de conexión del vaso de expansión cerrado no se aislará y tendrá volumen suficiente para enfriar el fluido antes de alcanzar el vaso. No se permitirá la inclusión de válvula de corte para aislar hidráulicamente el vaso de expansión. 103 ENERGÍA SOLAR TÉRMICA: MANUAL DEL PROYECTISTA

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7.7. Aislamiento Los componentes de una instalación (equipos, aparatos, conducciones y accesorios) deben disponer de un aislamiento térmico cuando contengan fluidos a temperatura superior a 40 ºC y estén situados en locales no calefactados. Los componentes que vengan aislados de fábrica tendrán el nivel de aislamiento marcado por la respectiva normativa o por el fabricante. Según el Plan Solar de Castilla y León: • La memoria de diseño o proyecto especificará, para las distintas tuberías utilizadas en la instalación, el tipo, conductividad y espesor del aislamiento empleado. • Se especificará el tipo de protección exterior del aislamiento que, para trazados al exterior, en particular, deberá resistir la acción de los rayos ultravioletas y otros agentes externos. Los espesores mínimos de aislamiento para interiores, en mm, serán los indicados en la tabla 7.5. Estos espesores son válidos para un material con conductividad térmica (λ) de 0,040 W/m ºC, a 20 ºC. Si se emplean materiales con conductividad térmica distinta, el espesor se determinará: • Aislamiento de superficies planas e = e (valor tabla 6.3) x l / 0,040 (mm) • Aislamiento de superficies cilíndricas (Di es el diámetro interior de la sección circular) e =

[ (

Di λ D + 2e (valor tabla 6.3) exp Ln i 2 0,040 Di

([ (mm)

Donde λ, en W/m ºC, es la conductividad térmica del material aislante a 20 ºC. 40 a 65

Temperatura del fluido (ºC) 66 a 100

D ≤ 35

20

20

30

35 < D ≤ 60

20

30

40 40

Diámetro exterior de la tubería sin aislar (mm)

101 a 150

60 < D ≤ 90

30

30

90 < D ≤ 140

30

40

50

140 < D

30

40

50

Tabla 7.5. Espesores mínimos de aislamiento para tuberías, en mm.

Cuando los componentes estén en el exterior, el espesor indicado en la tabla debe ser incrementado, como mínimo, en 10 mm. DIMENSIONADO Y DISEÑO DEL RESTO DE COMPONENTES Y EQUIPOS 104

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7.8. Fluido de trabajo El fluido de trabajo en el circuito primario será: • Agua de red. • Agua desmineralizada. • Agua con aditivos (anticongelantes). • Otros fluidos térmicos: habrá que incluir en la memoria de diseño o proyecto su composición, calor específico y certificación favorable de un laboratorio acreditado. En el caso de agua con adición de anticongelante hay que tener en cuenta las características de la mezcla: • Toxicidad. En general los anticongelantes son tóxicos por lo que hay que asegurar la imposibilidad de mezcla entre éstos y el agua de consumo. Se utilizará un intercambiador para la completa separación entre el circuito primario y el agua de consumo. • Viscosidad. La mezcla de anticongelante con agua tiene mayor viscosidad que el agua, por lo que habrá que tenerlo en cuenta en el cálculo de la pérdida de carga y la potencia de la bomba. • Dilatación. La mezcla de anticongelante con agua tiene mayor dilatación que el agua, por lo que habrá que considerarlo en el cálculo del vaso de expansión. • Estabilidad. La mayor parte de los anticongelantes se degradan a temperaturas superiores a 120 ºC y pueden provocar productos corrosivos para el circuito. • Calor específico. La mezcla de anticongelante con agua tiene un calor específico inferior al del agua. Hay que tenerlo en cuenta en el cálculo del caudal y por lo tanto en el dimensionado de las tuberías y de la bomba. En todo caso el calor específico no debe ser inferior a 0,7 kcal/kg ºC. • Temperatura de ebullición. El anticongelante eleva ligeramente la temperatura de ebullición del agua, lo cual es un efecto favorable. El pH del fluido de trabajo estará entre 5 y 12, y si hay piezas de aluminio entre 5 y 7. La proporción de anticongelante será función de la temperatura de congelación, teniendo en cuenta que debe ser capaz de soportar sin congelarse una temperatura 5 grados menor que la mínima histórica local registrada.

105 ENERGÍA SOLAR TÉRMICA: MANUAL DEL PROYECTISTA

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IMPRIMIR Temperatura mínima histórica (ºC) Ávila

-21

Segovia

-17

Burgos

-18

Soria

-16

León

-18

Valladolid

-16

Palencia

-14

Zamora

-11

Salamanca

-16 Tabla 7.6.: Temperaturas mínimas históricas registradas en las capitales de provincia de Castilla y León

Figura 7.6.: Curvas de congelación de mezclas de agua con propilenglicol o con etilenglicol, en función de la concentración en peso de anticongelante.

DIMENSIONADO Y DISEÑO DEL RESTO DE COMPONENTES Y EQUIPOS 106

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El contenido en sales se ajustará a los siguientes puntos: Salinidad del agua del circuito primario

Menor de 500 mg/l totales de sales solubles

Contenido de sales de calcio

Menor de 200 mg/l expresados como contenido en carbonato cálcico

Límite de dióxido de carbono libre contenido en el agua

Menor de 50 mg

Tabla 7.7: Límites de contenido en sales del fluido de trabajo

7.9. Sistemas de protección contra heladas Las instalaciones solares durante la noche están paradas porque no reciben energía del sol, estando expuestas a las condiciones climáticas del lugar. En las zonas con riesgo de heladas se utilizarán sistemas de protección adecuados para evitar el posible deterioro de cualquier parte de la instalación. Se consideran zonas con riesgo de heladas aquellas en las que se hayan registrado, alguna vez en los últimos 20 años, temperaturas ambiente inferiores a 0 ºC. En la memoria de diseño o proyecto se especificará la existencia de riesgo de helada en función de las temperaturas mínimas históricas y las condiciones microclimáticas particulares del lugar de instalación. Se especificará, asimismo, el sistema de protección antiheladas utilizado. Según el Plan Solar de Castilla y León podrán utilizarse como sistemas de protección contra heladas los siguientes: • Mezclas anticongelantes en el circuito primario (Ver apartado 7.8)

• Será obligada, al menos, una revisión completa antes de la temporada invernal, la cual figurará como operación obligatoria en el programa de mantenimiento. • La instalación dispondrá de los sistemas necesarios para facilitar el llenado de la instalación y para asegurar que el anticongelante está perfectamente mezclado. • El sistema de llenado no permitirá las pérdidas de concentración producidas por fugas del circuito y resueltas con reposición de agua de red. • Recirculación de agua de los circuitos

• Este método de protección antiheladas asegurará que el fluido de trabajo está en movimiento en todas las partes de la instalación expuestas a heladas. • El sistema de control activará la circulación del circuito primario cuando la tempe107 ENERGÍA SOLAR TÉRMICA: MANUAL DEL PROYECTISTA

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ratura detectada en captadores, alcance un valor ligeramente superior al de congelación del agua (+4 ºC). • Se evitará, siempre que sea posible, la circulación de agua en el circuito secundario. • Será obligada, al menos, una revisión completa antes de la temporada invernal. • Drenaje automático del circuito primario con recuperación de fluido

• Este método de protección antiheladas, asegurará que no hay fluido de trabajo en ninguna parte de la instalación expuesta a heladas. • El sistema de control activará la electroválvula de drenaje cuando la temperatura detectada en captadores, alcance un valor ligeramente superior al de congelación del agua (+4 ºC). • El vaciado del circuito, se realizará a un tanque auxiliar de almacenamiento, debiéndose prever un sistema de llenado de captadores para recuperar el fluido, prestando especial atención al purgado del circuito tras sus rellenados. • El diseño de los circuitos, permitirá el completo drenaje con el vaciado de todas las partes de la instalación expuesta a heladas. El circuito debe permanecer vacío hasta que aumente la temperatura del captador. • Este sistema está sólo permitido en instalaciones con un intercambiador de calor entre los captadores y el acumulador, para mantener en éste la presión de suministro de agua caliente.

7.10. Temperaturas La instalación solar debe estar diseñada y construida para soportar el amplio rango de temperaturas al que puede estar sometida, desde las mínimas, con riesgo de congelación, a las máximas con riesgos de ebullición y sobrepresión del fluido caloportador. Se considerarán las diferentes temperaturas máximas de funcionamiento: • De los captadores y del circuito primario. • Del circuito secundario y de la red de distribución. Las máximas temperaturas que pueden alcanzarse ocurren en periodos de bajo o nulo consumo y de elevada radiación, como puede ocurrir en verano o por ausencia de los usuarios y por lo tanto ausencia de consumo. La temperatura máxima de trabajo del circuito primario será siempre superior a la temperatura de estancamiento del captador, que corresponde a la máxima temperatura del fluido que se obtiene cuando, sometido a altos niveles de radiación y temperatura ambiente y siendo la velocidad del viento despreciable, no existe circulación en el captador y se alcanzan condiciones casi estacionarias. DIMENSIONADO Y DISEÑO DEL RESTO DE COMPONENTES Y EQUIPOS 108

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En la memoria aparecerán:

• Las temperaturas máximas de trabajo de cada uno de los componentes del sistema, asegurando que no se sobrepase un 90% de las mismas. • La temperatura máxima que pueda alcanzar la instalación. La instalación debe disponer de los medios necesarios para que las temperaturas no alcancen valores perjudiciales para los materiales, para la durabilidad de los circuitos o para los propios usuarios. Hay que tener en cuenta que en circuitos cerrados cuando la temperatura sube en los captadores, se incrementa la presión, estando unidos los dos efectos. Los materiales de la instalación deben soportar las máximas temperaturas de trabajo que puedan alcanzarse y no debe producirse ninguna situación en la que el usuario tenga que tomar medidas especiales para que el sistema vuelva a la situación original. Cuando las aguas sean duras (aquellas con un contenido en sales de calcio superior a 200 mg/l. expresados como contenido en carbonato cálcico), se realizarán las previsiones necesarias para que la temperatura de trabajo de cualquier punto del circuito de consumo, no sea superior a 60 ºC y, en cualquier caso, se dispondrán los medios necesarios para facilitar la limpieza de los circuitos. Cuando la temperatura de agua caliente destinada a consumo pueda superar los 60 ºC la instalación deberá disponer de un sistema automático de mezcla o cualquier otro dispositivo que limite la temperatura a 60 ºC en el depósito solar (paro de bombas).

7.11. Presión La memoria de diseño o proyecto especificará las presiones máximas de trabajo en los circuitos primario y secundario, así como la máxima presión de red. La instalación debe estar diseñada de forma que nunca se sobrepase la máxima presión soportada por todos los materiales. Todos los circuitos deben ir equipados con válvulas de seguridad que garanticen que no se superan las presiones máximas de trabajo y que soporten la máxima temperatura a la que puedan estar sometidas. La válvula de seguridad estará tarada por debajo de la presión que puede soportar el punto más débil de la instalación, que suele ser la membrana del vaso de expansión cerrado. Para limitar la presión se puede hacer un vaciado parcial automático, donde se recoge el fluido caloportador que deberá ser llenado de nuevo. El sistema será el mismo que en el caso de drenaje automático con recuperación de fluido para protección contra heladas Los componentes y sistemas que no dispongan de certificado de timbre, deberán cumplir lo previsto en el Reglamento de Aparatos a Presión y, en cualquier caso, soportar el ensayo de resistencia a presión con 1,5 veces la presión máxima de trabajo, durante al menos una hora, sin apreciarse ningún daño permanente o fuga en el circuito. 109 ENERGÍA SOLAR TÉRMICA: MANUAL DEL PROYECTISTA

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Cuando la instalación contenga algún material no metálico, el ensayo de presión del circuito correspondiente debe realizarse a la temperatura máxima de trabajo y debe soportar las presiones anteriores al menos durante una hora.

7.12. Equipos compactos Los equipos compactos termosifónicos, aparte de las especificaciones que se han descrito ya para las instalaciones, tienen otras particularidades. Estas particularidades quedan recogidas en el Plan Solar bajo el epígrafe: Requisitos adicionales para instalaciones por termosifón. Según el Plan Solar de Castilla y León: • La batería de captadores estará situada de forma que su nivel inferior quede por debajo de la generatriz inferior del acumulador, debiendo justificarse el rendimiento del equipo con el correspondiente ensayo de homologación expedido por el INTA. • El diseño del captador y su conexionado debe favorecer el funcionamiento por termosifón, por esta razón no se instalarán captadores con conductos horizontales o cambios complejos de dirección de los conductos horizontales o cambios complejos de dirección de los conductos internos. • El diseño del cambiador de calor evitará caminos de circulación del fluido que impliquen cambios de dirección que impidan el efecto termosifón. • Todas las instalaciones dispondrán de un sistema antirretorno para evitar la circulación inversa. • La construcción del circuito debe evitar restricciones internas, por esta razón no se instalarán filtros, válvulas u otros estrangulamientos al flujo. • El trazado de tuberías deberá ser de la menor longitud posible, situando el acumulador cercano a los captadores. • Deben evitarse en lo posible las tuberías horizontales y en todo caso montarlas con una pendiente ascendente de al menos 5% y siempre en sentido ascendente hacia el acumulador.

7.13. Sistema auxiliar Para asegurar la continuidad en el suministro de agua caliente, las instalaciones de energía solar deben disponer de un sistema de energía auxiliar. DIMENSIONADO Y DISEÑO DEL RESTO DE COMPONENTES Y EQUIPOS 110

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Según el Plan Solar de Castilla y León: La memoria de diseño o proyecto contemplará, aunque se trate de un sistema existente: • El tipo de energía. • La capacidad de acumulación secundaria. • Las especificaciones del equipo auxiliar generador de calor.

En aplicaciones de agua caliente sanitaria, el volumen de acumulación del sistema convencional estará comprendido entre el 30% y el 100% de la carga de consumo diaria, es decir, el depósito solar será 3 veces el convencional (aproximadamente). La conexión del sistema auxiliar, salvo las excepciones que se indican, siempre se realizará en serie con la instalación solar (acumulador solar o intercambiador) y se ubicará después de ésta. La conexión del sistema de energía auxiliar en paralelo con la instalación solar, estará permitida cuando se cumplan los siguientes requisitos: • Cuando el sistema de energía auxiliar sea del tipo en línea, esté constituido por uno o varios calentadores instantáneos no modulantes o no sea posible regular la temperatura de salida del agua. • Cuando exista una preinstalación solar que impida o dificulte el conexionado en serie. • Cuando el recorrido de tuberías de agua caliente desde el acumulador solar hasta el punto de consumo más lejano sea superior a 15 metros lineales a través del sistema auxiliar. En todos estos casos, la conmutación de sistemas será fácilmente accesible, siendo obligatorio incorporar un indicador de la temperatura del acumulador solar, ubicado en su parte alta, fácilmente visible y accesible por el usuario. Siempre se debe disponer un by-pass del agua de red al sistema auxiliar para garantizar el abastecimiento de A.C.S. en caso de paro de la instalación solar por avería, reparación o mantenimiento.

111 ENERGÍA SOLAR TÉRMICA: MANUAL DEL PROYECTISTA

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Figura 7.7: By-pass de la instalación solar

También se debe situar una toma de agua de red próxima al campo de captadores, para poder realizar la limpieza de los mismos, antes de que el polvo o la suciedad afecten a su buen funcionamiento. En cuanto a la interferencia con otros elementos ya existentes se tendrá en cuenta lo siguiente: • El diseño global del sistema solar y su acoplamiento a la instalación de energía convencional previamente existente, tendrá en consideración las posibles interferencias que se puedan ocasionar en los sistemas ya instalados de suministro de agua caliente, principalmente las relacionadas con variaciones que se puedan ocasionar en el punto de trabajo de los sistemas de grupo de presión para suministro de agua, como consecuencia de variaciones grandes de longitud y desnivel en las acometidas de agua fría a los acumuladores solares y de estos a los convencionales. • En la memoria de proyecto se harán las indicaciones/recomendaciones necesarias para garantizar, en su caso, el suministro de agua caliente sanitaria, sin mermas en las condiciones de presión, temperatura o calidad del agua caliente suministrada. Para cualquier climatización de piscina, cubierta o no, queda totalmente excluida la utilización de energía eléctrica para el calentamiento por efecto Joule y/o el calentamiento directo del agua de la piscina por medio de una caldera, sin intercambiador intermedio. DIMENSIONADO Y DISEÑO DEL RESTO DE COMPONENTES Y EQUIPOS 112

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Figura 7.8: Energías auxiliares permitidas para la climatización de piscinas

113 ENERGÍA SOLAR TÉRMICA: MANUAL DEL PROYECTISTA

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Polideportivo Municipal La Palomera - Instalación A (León)

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Sistemas de regulación y control

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Sistemas de regulación y control

8.1 Generalidades El objetivo fundamental de los sistemas de regulación y control es optimizar el rendimiento de la instalación y evitar que ésta alcance condiciones extremas que puedan provocar averías. Al igual que cualquier instalación convencional de A.C.S. o calefacción, una instalación solar requiere una regulación y un control eficaces. Una instalación mal regulada puede: • No aprovechar toda la energía útil que se puede obtener. • Disipar al ambiente energía previamente almacenada. Hay dos parámetros de los captadores solares que influyen en la concepción de la regulación: • La temperatura media del panel. • El caudal de fluido que circula por el mismo. Cuanto mayor sea la diferencia entre la temperatura media del captador y la temperatura ambiente, menor será el rendimiento. Por ello habrá que tener en cuenta:

Temperatura de salida del captador lo más adaptada posible al nivel de consumo

REGULACIÓN Temperatura de retorno hacia el captador lo más baja posible

SISTEMAS DE REGULACIÓN Y CONTROL 115

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Existen varios sistemas para la regulación de una instalación solar térmica, en cuanto a la temperatura y el caudal. Para escoger el adecuado en cada instalación es preciso comparar los gastos (control) con su uso (mejor rendimiento).

8.2. Elementos de un sistema de regulación y control Los tres elementos principales de un sistema de regulación y control son los sensores, el regulador y los actuadores: • Sensores: Son los encargados de medir las variables a controlar de la instalación, las temperaturas. Los más frecuentemente utilizados en energía solar son: termopares, termoresistencias, termistores, diodos de silicio o de germanio, etc. • Regulador: Es el dispositivo que genera una señal de control a partir del valor de la variable controlada y el punto de consigna. Pueden ser termostatos o reguladores proporcionales. • Actuador: Es el elemento que al recibir la señal de control actúa sobre la variable de operación, regulando en general el flujo de materia o de energía. Pueden ser relés, contactores, válvulas de control, etc. En las instalaciones solares la regulación se realiza mediante la comparación de temperaturas en diferentes puntos de la instalación, de forma que se arranquen o paren las bombas y, cuando existan, se activen las válvulas de tres vías. Según normativa (RITE – ITE 04): • Los elementos de regulación y control deberán tener probada su aptitud a la función mediante la declaración del fabricante de que sus productos son conformes a normas o reglas internacionales de reconocido prestigio. En sistemas de regulación complejos (grandes instalaciones), será necesario un soporte informático con el programa correspondiente, capaz de centralizar los datos y organizar las actuaciones. Esta solución, a pesar de encarecer el sistema, permite optimizar la gestión energética, obteniendo rendimientos más elevados, y telecontrolar el mantenimiento de la instalación.

116 ENERGÍA SOLAR TÉRMICA: MANUAL DEL PROYECTISTA

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8.3. Sistemas de regulación y control Existen múltiples configuraciones de sistemas de regulación, aquí se verán algunas de las más típicas señalando tanto la utilización como algunas de sus ventajas e inconvenientes. Según normativa (RITE – ITE 10): • El control de funcionamiento normal de las bombas será siempre de tipo diferencial y debe actuar en función de la diferencia entre la temperatura del fluido portador en la salida de la batería de captadores y la del depósito de acumulación. • El sistema de control actuará y estará ajustado de manera que las bombas no estén en marcha cuando la diferencia de temperaturas sea menor que 2 ºC y no estén paradas cuando la diferencia sea mayor que 7 ºC. La diferencia de temperaturas entre los puntos de arranque y de parada del termostato diferencial no será menor que 2 ºC.

Además según el Plan Solar de Castilla y León: • El sistema de control asegurará que en las instalaciones para agua sanitaria, en ningún caso se alcancen temperaturas superiores a 50 ºC en los puntos de consumo, recomendándose el empleo de válvulas mezcladoras. • El sistema de control asegurará, mediante la parada de las bombas, que en ningún caso se alcancen temperaturas superiores a las máximas soportadas por los materiales, componentes o tratamientos del circuito secundario. • En climatización de piscinas, el control de temperatura del agua se realizará mediante sonda de temperatura ubicada en el retorno del agua de la piscina al intercambiador de calor y un termostato de seguridad en la impulsión que enclave el sistema de generación de calor. • Cuando la protección contra heladas se realice por arranque de la bomba o vaciado automático del circuito primario, el sistema de control asegurará que en ningún punto la temperatura del fluido caloportador, descienda por debajo de una temperatura de cuatro grados superior a la congelación del fluido. En cuanto las condiciones extremas que puedan provocar averías, son varios los sistemas de seguridad utilizados para controlar las temperaturas extremadamente altas o bajas, eligiendo cada uno de ellos según las condiciones ambientales y de la propia instalación. SISTEMAS DE REGULACIÓN Y CONTROL 117

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8.3.1. Regulación por termostato

Figura 8.1: Esquema de regulación por termostato

El termostato detecta si la temperatura en el captador solar es superior a un valor de consigna fijado con anterioridad. En dicho caso se produce el arranque de la bomba de circulación. El termostato debe montarse en la salida del captador, tan cerca del mismo como sea posible. • Utilización: Calentamiento de piscinas al aire libre. • Ventajas: Regulación sencilla y muy económica. • Inconvenientes: Mal comportamiento a baja carga.

8.3.2. Regulación por termostato diferencial actuando sobre la bomba Es el sistema de regulación más utilizado. Se compara la temperatura del fluido caloportador a la salida del captador con la temperatura del fluido en la parte inferior del acumulador. Cuando la diferencia entre ambas sea mayor que un valor ajustado en el termostato diferencial, éste ordenará a la bomba que se ponga en funcionamiento.

118 ENERGÍA SOLAR TÉRMICA: MANUAL DEL PROYECTISTA

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Figura 8.2: Regulación por termostato diferencial

• Utilización: Pequeñas instalaciones con distancias pequeñas entre los captadores y el acumulador. • Ventajas: Regulación sencilla y muy económica. • Inconvenientes: Mal comportamiento a carga parcial.

8.3.3. Regulación por termostato diferencial y válvula de conmutación El termostato diferencial pone en funcionamiento la bomba de circulación, al alcanzarse la temperatura mínima de utilización del captador. La válvula de conmutación se encuentra en ese momento con el circuito de by-pass abierto, y cerrado el circuito al intercambiador. Cuando la temperatura dada por la sonda situada en la tubería de retorno del captador supera en cierta cantidad la temperatura del fluido en el fondo del acumulador, la válvula motorizada permitirá el paso del fluido caloportador al intercambiador.

SISTEMAS DE REGULACIÓN Y CONTROL 119

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Figura 8.3: Regulación por termostato diferencial y válvula de conmutación

• Utilización: Pequeñas y medianas instalaciones con distancias grandes entre los captadores y el acumulador. • Ventajas: Regulación sencilla, mejor rendimiento, no se pierde energía del acumulador en las tuberías. • Inconvenientes: Mal comportamiento a carga parcial, la bomba puede funcionar inútilmente, el captador alcanza temperaturas altas en la puesta en régimen.

8.3.4. Regulación por termostato diferencial y válvula mezcladora progresiva El termostato diferencial conecta la bomba de circulación cuando hay suficiente radiación solar. El fluido circula a través del by-pass de la válvula mezcladora. Cuando la temperatura de salida del captador es mayor que la del acumulador la válvula se abre progresivamente, circulando una parte del fluido a través del intercambiador. En este caso el circuito de captadores trabaja a caudal constante. 120 ENERGÍA SOLAR TÉRMICA: MANUAL DEL PROYECTISTA

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Figura 8.4: Regulación por termostato diferencial y válvula mezcladora progresiva

• Utilización: Medianas y grandes instalaciones con distancias grandes entre los captadores y los acumuladores, y temperaturas altas en el acumulador. • Ventajas: No se pierde energía del acumulador en las tuberías y buen comportamiento a carga parcial. • Inconvenientes: La bomba puede funcionar inútilmente, el rendimiento no es óptimo.

8.3.5. Regulación por termostato diferencial y válvula de by-pass progresiva El regulador de temperatura diferencial compara la temperatura de salida de los captadores con la del fluido en el fondo del acumulador. Si la primera supera a la última en una cantidad prefijada, se abre la válvula de by-pass. La bomba de circulación se pone en funcionamiento y hace circular un caudal mínimo a través de los captadores. Si la temperatura de los captadores continuara subiendo, la válvula de by-pass se abriría progresivamente, aumentando el caudal que circula por los mismos y manteniendo constante la diferencia de temperaturas al valor regulado. Si la temperatura de los captadores disminuye, la válvula de by-pass se cierra. SISTEMAS DE REGULACIÓN Y CONTROL 121

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Figura 8.5: Regulación por termostato diferencial y válvula de by-pass progresiva

• Utilización: Medianas y grandes instalaciones con distancias pequeñas entre los captadores y los acumuladores, y temperaturas altas en el acumulador. • Ventajas: Buen comportamiento a carga parcial, menor número de paradas de las bombas. • Inconvenientes: Se pierde energía del acumulador en las tuberías.

8.3.6. Control de temperaturas extremas En este apartado se pretende dar a conocer algunos de los sistemas de protección de la instalación contra las temperaturas extremas, que se pueden activar a través de un control eficaz. 8.3.6.1. Muy altas temperaturas en el circuito primario Las altas temperaturas en una instalación pueden producirse por estar fuera de servicio, ya sea temporal o permanentemente, o bien por ausencia de los usuarios, lo que suprime toda extracción de A.C.S. 122 ENERGÍA SOLAR TÉRMICA: MANUAL DEL PROYECTISTA

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Dos soluciones utilizadas para evitar daños en la instalación son: • Enfriamiento con agua sanitaria, mediante apertura del consumo. El sistema de control activará una electroválvula de vertido de A.C.S., cuando la temperatura en los captadores supere la máxima permitida. Utilización: Pequeñas instalaciones, consumo constante. Ventajas: Control sencillo. Inconvenientes: Se desperdicia agua, no hay seguridad en caso de averías. • Enfriamiento por aerotermo en el circuito primario. El sistema de control activará un aerotermo en caso de que en los captadores se supere la temperatura máxima de consiga. Utilización: Instalaciones de calentamiento solar parcial. Ventajas: No se producen pérdidas de agua caliente. Inconvenientes: Necesidad de una batería para el aerotermo, no hay seguridad en caso de avería y consumo eléctrico del aerotermo. 8.3.6.2. Muy bajas temperaturas en el circuito primario Las instalaciones solares están “paradas” durante la noche, ya que los captadores no reciben energía del sol, esto hace que en las zonas con posibilidad de heladas, sea preciso utilizar sistemas de protección contra la congelación del fluido, para evitar el deterioro de los componentes de la instalación. Algunas soluciones utilizadas para evitar daños en la instalación mediante el sistema de control son: • Recirculación del agua del acumulador y del circuito primario. El sistema de control activará la circulación del circuito primario cuando la temperatura detectada en captadores, alcance un valor ligeramente superior al de congelación del agua (+4 ºC). Utilización: Pequeñas instalaciones. Ventajas: Control sencillo. Inconvenientes: Se enfría el agua caliente acumulada, no hay seguridad en el caso de no haber aportación solar durante mucho tiempo. • Vaciado automático de los captadores. El sistema de control activará la electroválvula de drenaje cuando la temperatura detectada en captadores, alcance un valor ligeramente superior al de congelación del agua (+4 ºC). Utilización: Pequeñas instalaciones o grandes instalaciones si existe un depósito de vaciado y posterior sistema de llenado. Ventajas: Control sencillo. Inconvenientes: Se favorece la corrosión. SISTEMAS DE REGULACIÓN Y CONTROL 123

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8.3.6.3. Muy altas temperaturas en el circuito secundario Cuando la instalación no demanda energía, existe radiación suficiente y los depósitos se encuentran al límite de su capacidad de almacenamiento energético, se hace necesario proteger los depósitos acumuladores solares de los sobrecalentamientos, para lo cual se instalan sistemas de control que paren las bombas cuando las temperaturas alcanzadas en la parte superior de los mismos superen 60 ºC.

124 ENERGÍA SOLAR TÉRMICA: MANUAL DEL PROYECTISTA

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Residencia Juvenil Diego Torres y Villaroel (Peñaranda de Bracamonte - Salamanca)

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Sistemas de medición energética

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Sistemas de medición energética

9.1. Generalidades Su objeto es medir las prestaciones reales de las instalaciones solares a fin de comprobar su correcto funcionamiento y regulación, así como lo acertado de su diseño según las hipótesis de cálculo consideradas. La memoria de diseño o proyecto, especificará las características del sistema de medición energética: sistema de adquisición de datos, elementos de medida, condiciones de funcionamiento, etc. El sistema de monitorización se encargará de realizar la medida de parámetros funcionales necesarios para evaluar las prestaciones de la instalación. El sistema realizará la adquisición de datos, al menos, con la siguiente secuencia: • Toma de medidas o estados de funcionamiento: cada minuto. • Calculo de medias de valores y registro: cada 10 minutos. Según el Plan Solar de Castilla y León: • Para instalaciones de superficie de captación inferior a 100 m2 el sistema de monitorización medirá las siguientes variables: - Temperatura de entrada de agua fría. - Temperatura de suministro de agua caliente solar. - Temperatura de suministro de agua caliente a consumo. - Caudal de agua de consumo. • El sistema de monitorización medirá, además, las siguientes variables, para instalaciones con superficie de captación superior a 100 m2. - Temperatura de entrada a captadores. - Temperatura de salida de captadores. - Temperatura de entrada en el secundario. - Temperatura de salida en el secundario. - Temperatura fría del acumulador. - Temperatura caliente del acumulador. - Radiación solar sobre la superficie de los captadores. SISTEMAS DE MEDICIÓN ENERGÉTICA 126

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Y además registrará, con la misma secuencia, el estado de funcionamiento de las bombas de circulación de primario y secundario, la actuación de las limitaciones por máxima o mínima y el funcionamiento del sistema de energía auxiliar. Según normativa (RITE – ITE 04): • Los aparatos de medida irán situados en lugar visible y fácilmente accesible para su mantenimiento y recambio. El tratamiento de los datos medidos proporcionará, al menos los siguientes resultados: • Volumen de consumo diario. • Temperatura media de suministro de agua caliente a consumo. • Temperatura media de suministro de agua caliente solar. • Demanda de energía térmica diaria. • Energía solar térmica aportada. • Energía auxiliar consumida. • Radiación solar media. Con los datos registrados se procederá al análisis de resultados y evaluación de las prestaciones diarias de la instalación. Estos datos quedarán archivados en un registro histórico de prestaciones. En instalaciones con superficie de captación superior a 100 m2, el sistema de monitorización estará capacitado para la emisión de señales de alarma. Las señales de alarma serán transmitidas por el equipo de monitorización al servicio técnico de mantenimiento responsable de la instalación, en el mismo instante de la incidencia. Al menos se considerarán las siguientes alarmas del sistema: • No funciona la protección de heladas mediante recirculación del circuito primario o mediante drenaje con recuperación automática. • No funciona/n la/s bomba/s de los circuito/s primario y/o secundario cuando se dan las respectivas órdenes lógicas de funcionamiento.

9.2. Medida de temperatura La medida de las temperaturas del fluido de trabajo, se realizará mediante sondas de inmersión. Solo se permitirá la utilización de sondas de contacto para medir la temperatura de agua caliente a consumo, ubicándose a la salida del acumulador o sistema convencional. Se tendrá especial cuidado en asegurar una adecuada unión entre las sondas de contacto y la superficie metálica. 127 ENERGÍA SOLAR TÉRMICA: MANUAL DEL PROYECTISTA

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La ubicación de las sondas ha de realizarse de forma que detecten exactamente las temperaturas que se desean medir, instalándose los sensores en el interior de vainas, que se ubicarán en la dirección del fluido y en sentido contrario al de circulación, y evitándose las tuberías separadas de la salida de los captadores y las zonas de estancamiento en los depósitos. Se situarán a una distancia máxima de 5 cm. del fluido cuya temperatura se pretende medir. La diferencia de temperatura del fluido, se realizará mediante termopares emparejados o termómetros de resistencia (conectados en dos brazos de un circuito en puente), de forma que la señal de salida sea única en todos los casos. Los sensores de temperaturas soportarán las máximas temperaturas previstas en el lugar en que se ubiquen.

Foto 9.1: Termómetro, sondas de temperatura, y vainas

9.3. Medida de caudal La medida de caudales de líquidos se realizará mediante turbinas, medidores de flujo magnético, medidores de flujo de desplazamiento positivo o procedimientos gravimétricos, de forma que la precisión sea igual o superior a ± 3% en todos los casos. La ubicación de los medidores de caudal es función de la aplicación y del número que se quieran utilizar, así: • En instalaciones de A.C.S. el medidor de caudal, se ubicará en la tubería de agua fría de la red, antes de la entrada al acumulador solar. • En instalaciones de piscinas se colocará normalmente a la salida de la depuradora de la piscina, antes del intercambiador del sistema solar. • En instalaciones de calefacción por suelo radiante, el caudalímetro se situará en el retorno de calefacción al acumulador solar. • En aplicaciones conjuntas, si solamente se quiere utilizar un contador, lo más sencillo es colocarlo en el primario y si interesa conocer el caudal en cada una de las aplicaciones, habrá que colocar tantos como aplicaciones, y en la ubicación ya descrita. SISTEMAS DE MEDICIÓN ENERGÉTICA 128

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El fabricante habrá de suministrar los siguientes datos: • Calibre del contador. • Temperatura máxima del fluido. • Caudales en servicio continuo y de arranque. • Indicación mínima de la esfera. • Capacidad máxima de totalización. • Presión máxima de trabajo. • Dimensiones. • Diámetro y tipo de las conexiones. • Pérdida de carga en función del caudal. Se preverá un by-pass en el montaje del contador, independendientemente de su aplicación, para la eventual desconexión y mantenimiento del mismo. Cuando exista un sistema de regulación exterior, el sistema de medida del caudal debe estar precintado y protegido contra intervenciones fraudulentas.

Foto 9.2: Medidor de caudal

9.4. Medida de energía Los contadores de energía térmica estarán constituidos por los siguientes elementos: • Contador de agua. • Dos sondas de temperatura. • Microprocesador electrónico, montado en la parte superior del contador o por separado. Existen dos tipos de equipos: Equipos compactos y controladores embebidos. 129 ENERGÍA SOLAR TÉRMICA: MANUAL DEL PROYECTISTA

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En los equipos compactos, las sondas de medida de temperaturas y el medidor de caudal, están integrados y la salida es un display. Están limitados para cada tipo de líquido porque el valor de Cp es fijo. Estos equipos no realizan funciones de control. Para los controladores embebidos es necesario tener unos módulos de lectura de datos e introducir un programa de configuración de las operaciones a realizar. Estos dispositivos son mucho más versátiles y pueden realizar operaciones de control de la instalación. En función de la ubicación de las dos sondas de temperatura, se medirá: • La energía aportada por la instalación solar, cuando una sonda de temperatura se sitúe en la entrada del agua fría del acumulador solar y otra en la salida del agua caliente del mismo (para aplicaciones únicas de A.C.S.). • La energía aportada por el sistema auxiliar, si las sondas de temperatura se sitúan en la entrada y salida del sistema auxiliar. En aplicaciones conjuntas, lo normal es medir la energía en el primario para sólo utilizar un contador, pero así no se consideran las pérdidas que hay en intercambiador y acumulador, además de no poder discretizar el aporte energético solar real a cada una de las aplicaciones. El microprocesador podrá estar alimentado por la red eléctrica y mediante pilas o baterías que aseguren un funcionamiento mínimo de 6 meses. El microprocesador multiplicará la diferencia de ambas temperaturas por el caudal instantáneo de agua y su calor específico. La integración en el tiempo de estas cantidades proporcionará la cantidad de energía aportada.

Foto 9.3: Medidor de energía

SISTEMAS DE MEDICIÓN ENERGÉTICA 130

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9.5. Medida de la radiación solar La medida de la radiación global se podrá realizar mediante piranómetro o célula calibrada.

Foto 9.4: Piranómetro

Las características de los piranómetros estarán comprendidas dentro de las especificaciones establecidas por la Organización Meteorológica Mundial: • Variación de la respuesta con la temperatura ambiente: ±1% • Variación de la sensibilidad del sensor a las diferentes regiones del espectro de la radiación solar: ±2% • Linealidad de respuesta: ±1% • Variación de la respuesta con el ángulo de incidencia: ±1% Se deben montar en el plano del colector y a la altura del perfil superior del mismo y de forma que en ningún caso se proyecten sombras sobre el mismo. Deben estar bien ventilados por el aire ambiente. El cableado ha de estar protegido de la radiación directa, así como de la radiación electromagnética, mediante malla exterior.

9.6. Sistema de adquisición de datos Habrán de ser sistemas de medida analógica con posibilidad de recibir señales de 40-200 mV de CC, 4-20 mA de CC, ohmios y pulsos. Habrán de incorporar al menos, un reloj de tiempos con precisión de ± 0,1%. La integración de valores habrá de hacerse con una precisión inferior a ± 1%, ya sea en el proceso directo de toma de datos o en el posterior de tratamiento de los mismos. 131 ENERGÍA SOLAR TÉRMICA: MANUAL DEL PROYECTISTA

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La impedancia de los sistemas de registro de datos deberá ser en general superior a 1000 veces la de los sensores. Se realizará un registro informático de los valores medios horarios. El sistema tendrá la capacidad de emisión de alarmas vía telefónica.

Foto 9.5: Potente sistema de adquisición de datos

Para grandes instalaciones se están empezando a utilizar los sistemas de adquisición y control D.D.C. (Control Digital Directo), que captan las señales de campo de diversos tipos, las elaboran en forma de programa software y en función del resultado de estos cálculos activan una serie de salidas. Las entradas y salidas son independientes y es el programa de software el que liga las interacciones entre ellas. La arquitectura básica de un sistema D.D.C., la establece el fabricante al diseñar y desarrollar el producto, y no existen dos sistemas que emplean arquitecturas idénticas. El lenguaje de programación es una de las claves para conseguir un adecuado funcionamiento de las grandes instalaciones, debe ser potente, flexible y fácil de utilizar por un programador, se recomienda no utilizar lenguajes de programación especificos de fabricantes y emplear lenguajes de programación estándares de mercado, como el lenguaje “C”. Cuando esto no sea posible, será importante que el fabricante forme al usuario final o gestor de la instalación en ese lenguaje de programación, para poder obtener el máximo partido de la información aportada por el sistema y poder optimizar los programas de los controladores en base a dicha información. El software base que utilice el puesto central de control remoto, es interesante que funcione bajo Windows de Microsoft, o que sus datos sean accesibles a hojas de cálculo tipo Excel, lo que posibilita la utilización de diversos programas de usuario, no necesariamente desarrollados por el mismo fabricante de los controladores. SISTEMAS DE MEDICIÓN ENERGÉTICA 132

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La evolución de los sistemas avanzados de control, sus variadas arquitecturas y, en definitiva, las ventajas en gestión de los sistemas D.D.C. de control distribuido frente a los sistemas de control convencionales, se demuestran con claridad al observar los métodos más habituales para el control y supervisión que pueden utilizarse en las instalaciones que incorporan estos sistemas: • Arranque/Parada de la instalación optimizado. • Conocimiento del estado y producción de la instalación, en tiempo real. • Históricos de la instalación. • Control remoto de la instalación. • Visualización de alarmas, etc.

133 ENERGÍA SOLAR TÉRMICA: MANUAL DEL PROYECTISTA

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Parque Municipal de Bomberos (Miranda de Ebro - Burgos)

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Presupuesto de las instalaciones

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Presupuesto de las instalaciones

10.1. Generalidades Una parte muy importante en la realización de un buen proyecto, es la preparación de un presupuesto ajustado a la realidad de los costes. Un presupuesto mal confeccionado puede ocasionar muchos problemas a una empresa instaladora de energía solar. Por otra parte si la instalación está bien presupuestada, pero mal proyectada o realizada, puede ser una fuente inagotable de costes adicionales. Existen diversos documentos relacionados con el presupuesto, que influyen directamente sobre la cuantía de éste: • Contrato de instalación: Debe especificar el precio total y los trabajos y materiales incluidos en el presupuesto. • Memoria técnica: Tendrá mayor o menor complejidad, de acuerdo al volumen económico del proyecto. Un proyecto bien realizado, reduce costes, es más rentable y por lo tanto más sencillo de vender. • Manual de operación y mantenimiento: Es muy importante por las consecuencias económicas que puede acarrear una mala operación o un mantenimiento deficiente. Su coste debe incluirse en el presupuesto. • Garantía: No debe confundirse lo que incluye la garantía, con lo que corresponde al contrato de mantenimiento. Según el Plan Solar de Castilla y León: • La garantía comprende la reparación o reposición, en su caso, de los componentes y piezas que pudieran resultar defectuosas así como la mano de obra empleada en la reparación o reposición durante el plazo de vigencia de la garantía. • Quedan expresamente incluidos todos los demás gastos, tales como desplazamientos, medios de transporte, amortización de vehículos y herramientas, disponibilidad de otros medios y eventuales portes de recogida y devolución de los equipos para su reparación en los talleres del fabricante. • Asimismo, se deben incluir la mano de obra y materiales necesarios para efectuar los posteriores ajustes, reglajes y nueva puesta en marcha de la instalación. PRESUPUESTO DE LAS INSTALACIONES 135

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• Contrato de mantenimiento: Es muy importante para la empresa instaladora, ya que si la instalación no se mantiene adecuadamente, puede tener problemas durante la garantía, y suponer muchos gastos adicionales.

10.2. Tipos de presupuesto Existen diferentes formas de realizar un presupuesto, pero básicamente se distinguen tres tipos en función del tamaño y la complejidad de la instalación: • Presupuesto por partida completa de obra: Se utiliza en grandes y medianas instalaciones. • Presupuesto por partidas globales: Se utiliza en medianas y pequeñas instalaciones. • Presupuesto simplificado: Se utiliza en instalaciones muy pequeñas, normalmente cuando se instalan equipos compactos.

10.2.1. Presupuestos por partida de obra Esta forma de realizar un presupuesto es interesante para las grandes y medianas instalaciones, porque implica menor riesgo de error para el proyectista. Consiste en que el presupuesto de la instalación solar sea una de las partidas del total de la obra de un edificio. La partida destinada a la instalación solar se subdivide a su vez en subpartidas, cada una de las cuales incluye el total de los materiales, equipos, mano de obra y trabajos subcontratados (cuando los haya). Cuando el proyectista tiene experiencia y datos de otras instalaciones, este sistema le permite calcular mejor los costes de mano de obra y de los materiales necesarios ya que cada una de las subpartidas está bien definida. El número de subpartidas es elegido por el proyectista y a cada una de ellas debe añadirlas tanto el beneficio industrial como el IVA. Es importante incluir en el presupuesto los trabajos y materiales que van a cargo del usuario y que por lo tanto no están considerados en el coste global. El presupuesto se completará con: el plazo de garantía, el plazo de entrega y las condiciones de pago.

10.2.2. Presupuesto por partidas globales Esta forma de realizar un presupuesto es sencilla para las pequeñas y medianas instalaciones y, sobre todo, cuando el proyectista no tiene demasiada experiencia. Consiste en que el presupuesto se divida en partidas globales de materiales y equipos y mano de obra total. Para el proyectista con experiencia tiene mayor dificultad, sin embargo permite comparar fácilmente los costes de los equipos y de los materiales. 136 ENERGÍA SOLAR TÉRMICA: MANUAL DEL PROYECTISTA

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Además de cada una de las partidas mencionadas, no debe olvidarse de introducir una partida correspondiente a las pruebas de funcionamiento, otra correspondiente al beneficio industrial y otra a los impuestos. También se puede incluir como otra partida los costes generales de la empresa, aunque a veces van prorrateados entre todas las partidas. Si la instalación es muy grande, este tipo de presupuesto implica mayor riesgo de error.

10.2.3. Presupuesto simplificado En las pequeñas instalaciones y sobre todo en aquellas que llevan sistemas compactos, debido a su bajo coste, el presupuesto tiene que ser muy sencillo, por eso se utiliza el presupuesto simplificado. En el caso concreto de los equipos compactos, al venir prácticamente todo incluido en un solo equipo, este es el coste principal de la instalación. La forma más sencilla de realizar este presupuesto es hacerlo de forma global, sin diferenciar partidas o en todo caso utilizar el sistema de partidas globales, ya que sólo hay un equipo, algunos materiales y las labores principales del instalador están muy definidas (fijar el equipo, realizar las conexiones hidráulicas, llenarlo y ponerlo a punto) para poder evaluar correctamente la partida presupuestaria correspondiente a la mano de obra. Hay que tener en cuenta si se requieren medios mecánicos para trasladar y colocar el equipo compacto en su ubicación, ya que la cuantía suele ser elevada y sería un error importante no incluirlo en una partida.

10.3. Costes normalizados de inversión, operación y mantenimiento según el Plan Solar de Castilla y León El Plan Solar de Castilla y León, propone unos costes normalizados de los diferentes elementos o partidas características de una instalación fruto de la experiencia, obtenidos, para cada partida, como porcentaje sobre el coste de los captadores. Así, por una parte, da una idea de los precios para ayudar a ofertar al proyectista y por otra protege al usuario, al poder contrastar el precio que le están ofertando por una determinada instalación. Estos costes pueden considerarse como los precios medios de instalaciones solares normalizadas para un grado de dificultad media y sin elementos extraordinarios. Se definen dos costes normalizados para las instalaciones acogidas al Plan Solar: • Coste Normalizado de Inversión (C.N.I.): Representa el valor del coste de la inversión considerado a los efectos del Plan Solar de Castilla y León para una instalación, caracterizada por unos componentes concretos, acorde a las condiciones de materiales, diseño y montaje detalladas en la instrucción técnica de la Dirección General de Industria, Energía y Minas citada en el Articulo 1º de la Orden de convocatoria del Plan Solar (2002).

PRESUPUESTO DE LAS INSTALACIONES 137

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• Coste Normalizado de Operación y mantenimiento (C.N.O.): Representa el valor anual del coste de operación y mantenimiento considerado a los efectos del Plan Solar de Castilla y León para una instalación caracterizada por unos componentes concretos, acorde a las condiciones de operación y mantenimiento detalladas en la instrucción técnica de la Dirección General de Industria, Energía y Minas citada en el Articulo 1º de la Orden de convocatoria del Plan Solar (2002) En todos los valores económicos del C.N.I. y del C.N.O., no esta incluido el I.V.A., ni cualquier otro impuesto, tasas de legalización autorización, compra o alquiler de terrenos, gastos de indemnizaciones o compensaciones, etc.

10.3.1. Coste normalizado de inversión (C.N.I.) El coste normalizado de inversión se refiere al coste del suministro “llave en mano” de una instalación de energía solar térmica. Se distinguen dos líneas: equipos compactos y no compactos. A continuación se reflejan los costes normalizados referentes a la convocatoria 2002 del Plan Solar, valores que pueden verse modificados en convocatorias posteriores. • Línea IA “Equipos compactos” A estos efectos se considera un C.N.I. del sistema compacto según una tabla como la siguiente: Equipo compacto formado por

Euros / m2

1 colector

758,42

2 colectores

679,71

3 colectores

596,65

4 colectores

488,17

• Línea IB “Equipos no compactos” A estos efectos se considera, para el cálculo del C.N.I., los siguientes elementos o partidas características: 1) Colectores; 2) Estructura de soporte de colectores; 3) Tuberías, aislamientos, valvulería, sistemas de purga, expansión, etc.; 4) Acumuladores; 5) Intercambiadores; 6) Bombas; 7) Sistema eléctrico; 8) Sistema de control y monitorización; 9) Montaje, instalación, transporte, grúas, puesta en marcha etc.; 10) Operación y mantenimiento durante garantía y 11) Costes extraordinarios (obra civil y estructuras especiales). El C.N.I. será la suma de los costes unitarios de los 11 elementos característicos, anteriormente enunciados. 138 ENERGÍA SOLAR TÉRMICA: MANUAL DEL PROYECTISTA

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ÍNDICE

1) Colectores Para este elemento se establece un coste normalizado unitario por unidad de superficie de captación de 135 euros / m2. El coste normalizado total para este elemento, será igual al producto del coste normalizado unitario multiplicado por la superficie de captación a instalar. Finalmente el coste normalizado total para este elemento será corregido multiplicándolo por un coeficiente de dificultad, según la complicación de la ubicación a utilizar para instalar el campo de colectores, según se expresa en el siguiente cuadro. Ubicación

Coeficiente

Suelo

0,9

Terraza plana

1

Cubierta inclinada

1,1

2) Estructuras de soporte de colectores Para este elemento se establece un coste normalizado unitario por unidad de superficie de captación de 11 euros / m2. El coste normalizado total para este elemento, será igual al producto del coste normalizado unitario multiplicado por la superficie de captación a instalar. 3) Tuberías, aislamientos, valvulería, sistemas de purga y expansión, etc. Para definir el coste normalizado de este elemento, se define un porcentaje sobre el coste total normalizado correspondiente a los colectores (sin aplicar el coeficiente de dificultad), según se indica en el siguiente cuadro. Superficie instalada (m2) Mayor que Menor o igual que

Porcentaje %

0

20

45,0

20

40

29,0

40

60

24,5

60

100

22,0

100

160

21,5

160

220

21,0

220

300

20,7

300

Infinito

19,9

PRESUPUESTO DE LAS INSTALACIONES 139

IMPRIMIR

ÍNDICE

El coste normalizado total de esta partida, será igual al producto del coste normalizado total correspondiente a los colectores (sin aplicar el coeficiente de dificultad), multiplicado por el porcentaje indicado en la tabla anterior. 4) Acumuladores En función del volumen de acumulación instalado, se consideran unos costes normalizados por acumulador. Volumen (litros)

Coste normalizado (euros)

150

450

300

675

500

850

750

1.025

1.000

1.125

1.500

1.700

2.000

1.900

2.500

2.275

3.000

2.525

3.500

3.000

4.000

3.200

5.000

3.900

6.000

4.125

7.000

4.700

8.000

5.475

10.000

6.625

12.000

7.750

El coste normalizado total del sistema de acumulación será la suma de los costes normalizados por cada uno de los acumuladores que se hallan instalado. En caso de que sea instalado un acumulador de capacidad diferente a los aquí enumerados, a efectos de evaluar su coste normalizado se elegirá el inmediatamente superior de la tabla anterior 5) Intercambiadores Para definir el coste normalizado de este elemento, se define un porcentaje sobre el coste total normalizado correspondiente a los colectores (sin aplicar el coeficiente de dificultad), según se indica en el siguiente cuadro. 140 ENERGÍA SOLAR TÉRMICA: MANUAL DEL PROYECTISTA

IMPRIMIR Superficie instalada (m2) Mayor que Menor o igual que

ÍNDICE

Porcentaje %

0

20

14,3

20

40

12,0

40

60

10,5

60

100

7,0

100

160

6,4

160

220

5,6

220

300

4,7

300

Infinito

4,0

El coste normalizado total de esta partida, será igual al producto del coste normalizado total correspondiente a los colectores (sin aplicar el coeficiente de dificultad), multiplicado por el porcentaje indicado en el cuadro anterior. 6) Bombas Para definir el coste normalizado de este elemento, se define un porcentaje sobre el coste total normalizado correspondiente a los colectores (sin aplicar el coeficiente de dificultad), según se indica en el siguiente cuadro. Superficie instalada (m2) Mayor que Menor o igual que

Porcentaje %

0

20

15,4

20

40

13,0

40

60

12,3

60

100

10,4

100

160

7,2

160

220

6,7

220

300

5,3

300

Infinito

4,6

El coste normalizado total de esta partida, será igual al producto del coste normalizado total correspondiente a los colectores (sin aplicar el coeficiente de dificultad), multiplicado por el porcentaje indicado en el cuadro anterior.

PRESUPUESTO DE LAS INSTALACIONES 141

IMPRIMIR

ÍNDICE

7) Sistema eléctrico Para definir el coste normalizado de este elemento, se define un porcentaje sobre el coste total normalizado correspondiente a los colectores (sin aplicar el coeficiente de dificultad), según se indica en el siguiente cuadro. Superficie instalada (m2) Mayor que Menor o igual que

Porcentaje %

0

20

17,0

20

40

8,5

40

60

5,8

60

100

3,5

100

160

2,2

160

220

1,6

220

300

1,2

300

Infinito

1,0

El coste normalizado total de esta partida, será igual al producto del coste normalizado total correspondiente a los colectores (sin aplicar el coeficiente de dificultad), multiplicado por el porcentaje indicado en el cuadro anterior. 8) Sistema de control y monitorización Para definir el coste normalizado de este elemento, se define un porcentaje sobre el coste total normalizado correspondiente a los colectores (sin aplicar el coeficiente de dificultad), según se indica en el siguiente cuadro. Superficie instalada (m2) Mayor que Menor o igual que

Porcentaje %

0

20

45,0

20

40

22,5

40

60

15,0

60

100

9,0

100

160

11,5

160

220

8,4

220

300

6,1

300

Infinito

4,6

El coste normalizado total de esta partida, será igual al producto del coste normalizado 142 ENERGÍA SOLAR TÉRMICA: MANUAL DEL PROYECTISTA

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ÍNDICE

total correspondiente a los colectores (sin aplicar el coeficiente de dificultad), multiplicado por el porcentaje indicado en el cuadro anterior. 9) Montaje, instalación, transporte, puesta en marcha, etc. Para definir el coste normalizado de este elemento, se define un porcentaje sobre el coste total normalizado correspondiente a los colectores (sin aplicar el coeficiente de dificultad), según se indica en el siguiente cuadro. Superficie instalada (m2) Mayor que Menor o igual que

Porcentaje %

0

20

124,2

20

40

122,0

40

60

95,5

60

100

78,7

100

160

68,5

160

220

62,3

220

300

57,6

300

Infinito

55,9

El coste normalizado total de esta partida, será igual al producto del coste normalizado total correspondiente a los colectores (sin aplicar el coeficiente de dificultad), multiplicado por el porcentaje indicado en el cuadro anterior. 10) Operación y mantenimiento durante garantía Para definir el coste normalizado de este elemento, se define un porcentaje sobre el coste total normalizado correspondiente a los colectores (sin aplicar el coeficiente de dificultad), según se indica en el siguiente cuadro. Superficie instalada (m2) Mayor que Menor o igual que

Porcentaje %

0

20

17,1

20

40

14,0

40

60

11,4

60

100

10,2

100

160

9,1

160

220

8,5

220

300

7,4

300

Infinito

6,3 PRESUPUESTO DE LAS INSTALACIONES 143

IMPRIMIR

ÍNDICE

El coste normalizado total de esta partida, será igual al producto del coste normalizado total correspondiente a los colectores (sin aplicar el coeficiente de dificultad), multiplicado por el porcentaje indicado en el cuadro anterior. 11) Costes extraordinarios (obra civil y estructuras especiales) Serán consideradas partidas extraordinarias admitidas dentro del C.N.I., las correspondientes a: • Obra civil de carácter especial - Construcción y/o modificación de casetas de salas de máquinas para albergar los acumuladores solares. - Ubicación de depósitos en cubierta. • Estructuras de carácter especial. - Estructuras en cubierta para ubicar los colectores, como consecuencia de la baja resistencia de la cubierta existente. - Estructuras definidas a efectos de mejorar la integración del campo de colectores en el entorno y/o edificio. Para la inclusión de estos conceptos en el C.N.I., será preciso un informe detallado en el que se contemplen los costes de mano de obra, materiales y tiempos de las partidas unitarias características de la labor a realizar. El valor máximo de inversión para estos elementos extraordinarios será del 15% de la suma del resto de elementos considerados.

10.3.2. Coste normalizado de operación y mantenimiento (C.N.O.) Para definir el coste normalizado de operación y mantenimiento (C.N.O.), se define un porcentaje sobre el C.N.I. total de la instalación (Línea IA “Equipos compactos”) y el coste total normalizado correspondiente a los colectores (sin aplicar el coeficiente de dificultad) (Línea IB “Equipos no compactos”), según se indica en el siguiente cuadro.

144 ENERGÍA SOLAR TÉRMICA: MANUAL DEL PROYECTISTA

IMPRIMIR Superficie instalada (m2) Mayor que Menor o igual que

ÍNDICE

Porcentaje %

0

20

4,3

20

40

3,6

40

60

2,8

60

100

2,6

100

160

2,3

160

220

2,1

220

300

1,9

300

Infinito

1,6

El coste Normalizado de Operación y mantenimiento (C.N.O.), será igual al producto del C.N.I. (para la línea IA “Equipos compactos”), multiplicado por 0,6, o el coste normalizado total correspondiente a los colectores (sin aplicar el coeficiente de dificultad) (para la línea IB “Equipos no compactos”); multiplicado por los porcentajes indicados en el cuadro anterior.

PRESUPUESTO DE LAS INSTALACIONES 145

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ÍNDICE

Residencia Juvenil Gil de Siloé (Burgos)

I

Anexo

Conversión de unidades

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I

ÍNDICE

Conversión de unidades

Múltiplos y submultiplos Múltiplo 9

1.000.000.000 (10 ) 1.000.000 (106) 1.000 (103) 2

Prefijo

Símbolo

Giga

G

Mega

M

kilo

k

100 (10 )

hecto

h

10 (101)

deca

da

0,1 (10-1)

deci

d

0,01 (10-2)

centi

c

mili

m

micro

µ

Unidad

Símbolo

metro

m

-3

0,001 (10 ) 0,000001 (10-6)

Unidades fundamentales Magnitud Longitud Masa

gramo

g

Tiempo

segundo

s

Temperatura

kelvin

K

Unidades de temperatura Las unidades más comunes para medir la temperatura son: • Grados Centígrados (ºC) • Grados Kelvin (K) • Grados Fahrenheit (ºF) CONVERSIÓN DE UNIDADES 147

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ÍNDICE

Para pasar de

a

Grado Centígrado (ºC)

Grado Kelvin (K)

K = ºC + 273

Grado Kelvin

Grado Centígrado (ºC)

ºC = K - 273

Grado Fahrenheit (ºF)

Grado Centígrado (ºC)

ºC =

ºF - 32 x 100 180

Grado Centígrado (ºC)

Grado Fahrenheit (ºF)

ºF =

ºC x 180 + 32 100

Ebullición del agua Congelación del agua Cero absoluto

100 ºC

373 K

212 ºF

0 ºC

273 K

32 ºF

-273 ºC

0K

-460 ºF

Figura A.1.: Punto de congelación y de ebullición del agua a una presión de 1 atmósfera, para las distintas escalas de temperatura descritas

Unidades de presión Las unidades más comunes para medir la presión son: • Atmósfera (Atm) • Kg/m2 • Pascal • Milímetros de mercurio (mm de mercurio o mm de Hg) • Centímetros de mercurio (cm de mercurio o mm de Hg) • Metro de columna de agua (m.c.a.) • Libra/pulgada2 (Unidad inglesa)

148 ENERGÍA SOLAR TÉRMICA: MANUAL DEL PROYECTISTA

IMPRIMIR Para pasar de

a

Atmósfera (atm)

Bar

Atmósfera (atm)

mm de mercurio

760

Atmósfera (atm)

Kg/m2

10.332

Atmósfera (atm)

Pascal

Multiplicar por 1,01325

101.325 2

Atmósfera (atm)

Libra/pulgada

Atmósfera (atm)

m. c. a.

10,33

Bar

Atmósfera (atm)

0,987

Atmósfera (atm)

1,316 10-3

Atmósfera (atm)

9,679 10-5

Atmósfera (atm)

9,869 10-6

libra/pulgada

Atmósfera (atm)

6,805 10-5

m. c. a.

Atmósfera (atm)

0,0968

mm de mercurio 2

Kg/m

Pascal 2

ÍNDICE

14.696

Unidades de energía Las unidades más comunes para medir la energía son: • Julio • Caloría (cal) o kilocaloría (kcal) 1 Kcal = 1.000 cal • Kilowatio hora (kWh) Otras unidades son. • British Thermal Unit (BTU) • Termia (te o th) 1 Termia = 1.000 Kcal Para pasar de

a

Multiplicar por

Julio

kcal

2,392 10-4

Julio

kWh

2,778 10-7

Julio

BTU

9,484 10-4

Julio

Termia

2,392 10-7

kcal

Julio

4.180

kWh

Julio

3.600.000

BTU

Julio

1.054

Termia

Julio

4.180.000

kcal

kWh

1,163 10-3

kWh

kcal

860

CONVERSIÓN DE UNIDADES 149

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ÍNDICE

Unidades de potencia Las unidades más comunes para medir la potencia son: • Kilocaloría/hora (Kcal/h) • Watio (W) o Kilowatio (kW)….1 kW = 1.000 W • Julio/hora (J/h) Para pasar de

a

kcal/h

Watio

kcal/h

J/h

4,187

Watio

kcal/h

0,860

J/h

kcal/h

0,240

150 ENERGÍA SOLAR TÉRMICA: MANUAL DEL PROYECTISTA

Multiplicar por 1,162

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ÍNDICE

Albergue Juvenil Villamanín (Villamanín - León)

II

Anexo

Glosario

ÍNDICE

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IIGlosario Absorbedor o Superficie de absorción: Parte del captador que recibe la radiación solar, la convierte en calor y transmite éste al fluido portador de calor. Absortancia: Relación entre la radiación absorbida por una superficie y la radiación que incide sobre ella. La energía no absorbida se transmite o refleja, dando lugar a los factores de transmisión (transmitancia) o reflexión (reflectancia). A.C.S.: Agua Caliente Sanitaria. Acumulador de calor: Material utilizado en el sistema de almacenaje, en el que la mayor parte de la energía se mantiene bajo la forma de calor latente o sensible. Aislamiento térmico: Sustancia que reduce la interacción calorífica entre un sistema y su entorno. Ángulo de incidencia: Ángulo con el que incide la radiación solar sobre una superficie. Ángulo de inclinación del captador: Ángulo formado por el captador y una superficie horizontal o a nivel. Antireflectante: Tratamiento que se aplica sobre la superficie de los cuerpos en los que se desea reducir las pérdidas por reflexión. Aporte solar, factor de: Porcentaje de la energía total demandada, cubierta por la energía solar. Arquitectura solar o Bioclimática: Conjunto de soluciones arquitectónicas que permiten la captación, almacenamiento y distribución de la energía solar que incide sobre el edificio, mediante la combinación de paredes opacas y transparentes, de la masa térmica del edificio, de la circulación natural del aire y de captadores solares, teniendo en cuenta las condiciones climatológicas locales. Calor específico: Cantidad de calor necesaria para elevar la temperatura de la unidad de masa de una sustancia en un grado. Calor latente: Calor asociado al cambio de estado de una sustancia. Calor sensible: Calor asociado al cambio de temperatura de una sustancia. GLOSARIO 152

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ÍNDICE

Captador: Dispositivo destinado a captar la radiación solar incidente para convertirla en general, en energía térmica y transferirla a un fluido portador de calor. Carga térmica: Cantidad de calor a añadir o eliminar del local, por el equipo de acondicionamiento o calefacción. Conducción, transferencia de calor por: Transferencia de calor a través de un medio material sin desplazamiento de materia. Conductancia térmica: Cantidad de calor transmitida en la unidad de tiempo a través de la unidad de área, dividida por la diferencia de temperatura entre las caras caliente y fría. Convección, transferencia de calor por: Transferencia de calor que va acompañada de desplazamiento de materia, esta puede ser natural o forzada mediante un sistema mecánico. Cubierta: Material o materiales transparentes que recubren la abertura del captador y que expuestos a la radiación solar, reflejan la radiación infrarroja emitida por el absorbedor, produciendo el efecto invernadero. Efectividad, eficiencia o rendimiento del captador: Relación entre la energía útil recogida y la incidente (disponible) sobre el captador. Efectividad, eficiencia o rendimiento del intercambiador de calor: Relación entre la transferencia real de calor y el máximo teórico que se lograría en un intercambiador infinitamente grande. Emisividad, emitancia o factor de emisión: Relación entre la radiación energética emitida por una superficie real y la emitida por un radiador ideal (cuerpo negro) a igual temperatura. Fluido caloportador: aire, agua u otro fluido que pasa a través del captador solar ó que está en contacto con él, extrayendo la energía térmica captada. Foco: Punto en el que inciden los rayos solares tras su reflexión o refracción en las superficies o medios correspondientes. Forma de un edificio, factor de: Relación entre la superficie exterior de un edificio y el volumen encerrado por ella. Ganancia solar directa: Radiación solar directa que pasando a través de áreas acristaladas contribuye al calentamiento del espacio interior. Ganancia solar indirecta: Transferencia de energía solar del espacio a calentar, a través de un captador unido a dicho espacio, mediante un medio transmisor de calor. Ejemplos de estos captadores son los muros o techos de almacenamiento térmico. Ganancias internas: Energía disipada en el interior del espacio a calentar por las personas o las máquinas en funcionamiento que lo ocupan. Esta energía contribuye a disminuir los requerimientos de calentamiento del espacio. 153 ENERGÍA SOLAR TÉRMICA: MANUAL DEL PROYECTISTA

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ÍNDICE

Heliostato: Sistema que comprende un dispositivo absorbente o reflectante. Orientable de forma tal que la radiación directa incidente es absorbida o reflejada en este último caso en un punto fijo, independiente de la posición del sol, durante las horas de luz diurna. Inercia térmica, masa térmica o capacidad calorífica: Característica de los materiales que indica la cantidad de energía que tienen que absorber para incrementar su temperatura en un grado. Insolación: El total de radiación solar que llega a la placa de cubierta del captador. Comprende las radiaciones difusa, directa y reflejada. lnteracumulador: Sistema acumulador de calor al que se ha incorporado un intercambiador de calor. Intercambiador o cambiador de calor: Dispositivo que transfiere el calor de una sustancia a otra, sin mezclarlas. Invernadero, efecto: Efecto que se produce en un dispositivo parcialmente cerrado por un vidrio, al comportarse como transparente a la radiación solar de onda corta y como opaco a la radiación emitida en la zona del infrarrojo por los elementos interiores al calentarse. lrradiancia: Flujo de radiación solar que incide sobre la unidad de superficie por unidad de tiempo. Se trata de una densidad de potencia. Microclima: Conjunto de condiciones climáticas que afectan a un área geográfica muy reducida y que difieren apreciablemente de las predominantes en su entorno. Muro Trombe: Pared de una habitación, constituida por un muro de espesor importante (40 cm) de color oscuro, delante del cual hay instalada una vidriera, y que sirve para captar la energía solar. Esta se transfiere al interior de la edificación por convección natural, a través de orificios previstos en la parte baja y en la alta del muro. El muro irradia su calor durante la noche al interior de la habitación. Orientación: Angulo de desviación respecto al sur geográfico de una superficie. El sur real no debe confundirse con el magnético, del que se diferencia por efecto de la declinación magnética. Pérdida de calor: Flujo de calor a través de la superficie exterior del sistema (paredes, ventanas, techos en el caso de un edificio). pH: Expresa el grado de acidez o de alcalinidad total del agua. Si el pH es igual a 7 el agua es neutra, si es mayor de 7 es básica y si es menor de 7, ácida. Si es ácida da lugar a corrosión. Radiación: Emisión y propagación de energía bajo la forma de ondas o de partículas subatómicas. GLOSARIO 154

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ÍNDICE

Radiación difusa: Parte de la radiación solar incidente que procede de todas las direcciones después de su difusión en la atmósfera y eventuales reflexiones en la superficie terrestre. Radiación directa: Parte de la radiación solar incidente que no sufre ningún cambio de dirección. Radiación infrarroja: Radiación invisible electromagnética de longitud de onda superior al intervalo correspondiente a la luz visible. Radiación, transmisión de calor por: Radiación electromagnética que transmite calor desde un objeto a otro, sin necesidad de medio material entre ambos, y sin calentamiento del espacio comprendido entre ellos. Radiación ultravioleta: Radiación invisible electromagnética de longitud de onda inferior al intervalo correspondiente a la luz visible. Esta parte de la radiación solar, interviene en los procesos de deterioro de las superficies expuestas al sol. Reflectividad, reflectancia o factor de reflexión: Relación entre la radiación reflejada por una superficie y la radiación incidente sobre la misma. Reflectora, superficie: Superficie concentradora basada en la reflexión de la radiación. Reflexión: Cambio de dirección de las ondas luminosas o sonoras que inciden sobre una superficie. Refracción: Cambio de dirección que experimenta la luz al pasar de un medio a otro. Sistema auxiliar: Instalación de energía convencional (no solar) que contribuye a completar la demanda energética total. Sistema de circuito abierto: Sistema que puede intercambiar tanto energía como materia con el exterior. El fluido del sistema es renovado constantemente. Sistema de circuito cerrado: Sistema que tan solo puede intercambiar energía con el exterior. El fluido del sistema esta así obligado a recircular. Sistema solar activo: Sistema que utiliza captadores solares para transferir una parte de la energía solar incidente sobre el edificio, a un fluido portador del calor. La energía térmica captada de esta forma, es almacenada y redistribuida mediante sistemas clásicos. Sistema solar pasivo: Sistema que utiliza directamente los componentes de un edificio (por ejemplo: ventanas convenientemente orientadas, muro trombe). Superficie selectiva: Superficie cuyas propiedades ópticas varían con la longitud de onda. Pueden ser: a) Superficies caracterizadas por una gran absortancia para la radiación solar y una débil emitancia para las radiaciones infrarrojas del absorbedor. b) Cubiertas que reflejan los rayos infrarrojos de gran longitud de onda. 155 ENERGÍA SOLAR TÉRMICA: MANUAL DEL PROYECTISTA

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ÍNDICE

Termosifón, efecto: Circulación convectiva de un fluido en el interior de un sistema cerrado, cuando el fluido caliente asciende por su menor densidad siendo reemplazado por el fluido frío del mismo sistema. Termostato: Dispositivo sensible a la temperatura que controla la parada y puesta en marcha del sistema de suministro de calor. Transmitancia o factor de transmisión: Relación entre la radiación que atraviesa un material y la radiación incidente sobre dicho material.

GLOSARIO 156

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ÍNDICE

Residencia Juvenil Arturo Duperier (Avila)

III

Anexo

Simbología

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ÍNDICE

III Simbología Símbolo

Descripción Termómetro

Manómetro

Vacuómetro

Sonda de temperatura

Termostato

Válvula de corte

Válvula de retención

Válvula de equilibrado

Filtro para tuberías

Válvula de seguridad

Desagüe conducido

Regulador de presión

Purgador de aire SIMBOLOGÍA 158

IMPRIMIR Símbolo

Descripción Contador

Intercambiador de calor

Bomba circuladora

Válvula de tres vías

Vaso de expansión cerrado

159 ENERGÍA SOLAR TÉRMICA: MANUAL DEL PROYECTISTA

ÍNDICE

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ÍNDICE

Campo Municipal de Futbol de Bayas (Miranda de Ebro - Burgos)

IV

Anexo

Bibliografía

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ÍNDICE

IVBibliografía • ADAMS R. W. “Calor Solar en su Casa”, Paraninfo, 1987. • ALÁIZ FERNÁNDEZ, ENRIQUE. “Energía solar. Cálculo y diseño de instalaciones”. Sección de publicaciones de la E.T.S. de Ingenieros Industriales de Madrid. • ATECYR (Asociación Técnica Española de Climatización y Refrigeración) “Aplicaciones de la energía solar a baja temperatura”. Editorial. INDEX. • CASANOVA COLÁS Y OTROS. “Curso de energía solar”. Secretariado de publicaciones de la universidad de Valladolid, 1993. • CASTRO GIL M., COLMENAR SANTOS A. “Energía Solar Térmica de Baja Temperatura”. Progensa, 2000. • CENSOLAR (Centro de estudios de la energía solar). “Curso programado de Instalaciones de Energía solar”. Progensa, 2001. • CENSOLAR (Centro de estudios de la energía solar). “La Energía Solar. Aplicaciones prácticas”. Progensa, 1999. • CENTRO DE ESTUDIOS DE LA ENERGÍA. “El sol, un viejo conocido”. Ministerio de Industria y Energía. • CIEMAT. “Curso de sistemas solares fototérmicos: tecnología y aplicaciones” Ed. Ciemat, 1997. • DE ANDRÉS Y RODRÍGUEZ POMATTA, AROSA LASTRA, GARCÍA GÁNDARA “Calefacción y agua caliente sanitaria”. A.M.V. Ediciones, 1991. • EREN (Ente Regional de la Energía de Castilla y León) Plan Solar de Castilla y León. Convocatoria 2002. • IDAE (Instituto para la Diversificación y Ahorro de la Energía). "Plan de fomento de las energías renovables en España". Diciembre, 1999. BIBLIOGRAFÍA 161

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ÍNDICE

• IDAE (Instituto para la Diversificación y Ahorro de la Energía). "Manual de energía solar térmica" Vol. 5., 1996. • IDAE (Instituto para la Diversificación y Ahorro de la Energía). "Boletín: Eficiencia energética y energías renovables (Nº 1)". Octubre, 2000. • MARTÍN SECO, DAVID. “Diseño y construcción de una instalación de ensayo de sistemas solares térmicos”. Proyecto fin de carrera. Valladolid, 2000. • McCARTNEY, KEVIN. “Agua Caliente Solar”. H. Blume Ediciones, 1980 • MEZQUITA GÓMEZ, EDUARDO. “Criterios de diseño de las instalaciones solares térmicas para producción de agua caliente”. INTA, 1991. • MEZQUITA GÓMEZ, BLANCO SOLÁ. “Especificaciones técnicas de diseño y montaje de instalaciones solares para la producción de agua caliente”. INTA, 1990. • NORTON B. “Solar Energy Technology” Springer-Verlag, 1991. • OLMOS MARTÍN, ELENA. “Integración Arquitectónica de Captadores de Baja Temperatura en la Envolvente de los Edificios”. Proyecto fin de carrera. Valladolid, 2001. • REDDY T. A. “The Design and Sizing of Active Solar Thermal Systems”. Oxford, 1987. • ROBERT W. ADAMS. “Calor en su casa”. Paraninfo, 1987. • ROCA CALEFACCIÓN. “Utilización de la energía solar a baja temperatura por medio de captadores planos”, 1989. • SOLÍS CAMBA, GÓMEZ REY. “Cálculo de sistemas solares para calentamiento de agua”. Ministerio de Industria y Energía, 1992. • UNIVEX SOLAR ESPAÑA. “Heliotermotécnica. Técnicas de captación y utilización de la energía solar”. • WILLIAM A. BECKMAN, SANFORD A: KLEIN, JHON A: DUFFIE. “Proyecto de sistemas térmico-solares”. Editorial INDEX. • LIBRO VERDE. “Hacia una estrategia europea de seguridad del abastecimiento energético” Oficina de publicaciones de las comunidades europeas. Luxemburgo, 2001. • “Solar thermal by design”. Renewable Energy World, 1998.

162 ENERGÍA SOLAR TÉRMICA: MANUAL DEL PROYECTISTA

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ÍNDICE

Residencia Juvenil Gaya Nuño (Soria)

V

Anexo

Direcciones de interés

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V

ÍNDICE

Direcciones de interés

A.V.1. Junta de Castilla y León • CONSEJERÍA DE INDUSTRIA COMERCIO Y TURISMO, DIRECCIÓN GENERAL DE INDUSTRIA, ENERGÍA Y MINAS Jesús Rivero Meneses, 3 47014 Valladolid. Tel.: 983 41 40 17. Fax: 983 41 14 10 • CONSEJERÍA DE MEDIO AMBIENTE Rigoberto Cortejoso, 14 47071 Valladolid. Tel.: 983 41 99 88. Fax: 983 41 99 66 • ENTE PÚBLICO REGIONAL DE LA ENERGÍA DE CASTILLA Y LEÓN - EREN Edificio EREN. Avda. Reyes Leoneses, 11 24008 León. Tel.: 987 84 93 93. Fax: 987 84 93 90 http://www.jcyl.es/jcyl-client/jcyl/cict/eren Correo E.: [email protected]

A.V.2. Entidades Públicas, Centros de Investigación y Universidades • COMISIÓN EUROPEA - Dirección General de Energía y Transportes (TREN) Rue de la Loi, 200 B – 1049 Bruselas. Tel.: + 32 2 299 11 11 http://europa.eu.int/comm/dgs/energy_transport/index_en • FEDERACIÓN EUROPEA DE AGENCIAS REGIONALES FEDARENE Rue de Beau – Site, 11 B-1000 Bruselas. Tel.: + 32 2 646 82 10. Fax: + 32 2 646 89 75 http://www.fedarene.org

DE

ENERGÍA

Y

MEDIO AMBIENTE -

DIRECCIONES DE INTERÉS 164

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• MINISTERIO DE ECONOMÍA Paseo de la Castellana, 160 28071 Madrid. Tel.: 91 349 49 76/49 61/49 99/49 74. Fax: 91 457 80 66 http://www.mcyt.es Correo E.: [email protected] • INSTITUTO PARA LA DIVERSIFICACIÓN Y AHORRO DE LA ENERGÍA - IDAE Paseo de la Castellana, 95 – Planta 21 28046 Madrid. Tel.: 91 456 49 00. Fax: 91 555 13 89 http://www.idae.es • CENTRO DE INVESTIGACIONES ENERGÉTICAS, MEDIOAMBIENTALES CIEMAT Avda. Complutense, 22 28040 Madrid. Tel.: 91 346 60 95. Fax: 91 346 64 34 http://www.ciemat.es

Y

TECNOLÓGICAS -

• INSTITUTO DE CRÉDITO OFICIAL - ICO Paseo del Prado, 4 28014 Madrid. http://www.ico.es • INSTITUTO DE ENERGÍA SOLAR Ciudad Universitaria, s/n 28040 Madrid. Tel.: 91 336 72 29. Fax: 91 544 63 41 Correo E.: [email protected] • AGENCIA ENERGÉTICA MUNICIPAL DE VALLADOLID - AEMVA San Benito, 1 47003 Valladolid. Tel.: 983 42 63 68. Fax: 983 42 64 80 • AGENCIA PROVINCIAL DE LA ENERGÍA DE ÁVILA - APEA Los Canteros, s/n 05005 Ávila. Tel.: 920 20 62 30. Fax: 920 20 62 05 • FUNDACIÓN PARA LA INVESTIGACIÓN Y DESARROLLO EN AUTOMOCIÓN - CIDAUT Parque Tecnológico de Boecillo, Parcela 209 47151 Boecillo (Valladolid). Tel.: 983 54 80 35. Fax: 983 54 80 62 http://www.cidaut.es Correo E.: [email protected] 165 ENERGÍA SOLAR TÉRMICA: MANUAL DEL PROYECTISTA

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• LABORATORIO DE CALIBRACIÓN Y CONTROL ELÉCTRICO Y ELECTRÓNICO DE CASTILLA Y LEÓN - ASOCIACIÓN LACECAL Edificio de la Escuela Técnica Superior de Ingenieros Industriales, Paseo del Cauce, s/n 47011 Valladolid. Tel.: 983 42 33 43. Fax: 983 42 33 10 Correo E.: [email protected]; [email protected] • CENTRO DE AUTOMATIZACIÓN, ROBÓTICA Y TECNOLOGÍAS DE LA INFORMACIÓN Y DE LA FABRICACIÓN - CARTIF Parque Tecnológico de Boecillo, Parcela 205 47151 Boecillo (Valladolid). Tel.: 983 54 65 04. Fax: 983 54 65 21 http://www.cartif.es Correo E.: [email protected] • UNIVERSIDAD DE VALLADOLID Pza. de Santa Cruz, 8 47002 Valladolid. Tel.: 983 42 30 00. Fax: 983 54 65 21 http://uva.es Correo E.: [email protected] • UNIVERSIDAD DE LEÓN Avda. de la Facultad, 25 24071 León Tel.: 987 29 16 07. Fax: 987 29 19 39 http://www.unileon.es Correo E.: [email protected] • UNIVERSIDAD DE BURGOS Hospital del Rey, s/n 09001 Burgos. Tel.: 947 25 87 36. Fax: 947 25 87 44 http://www.ubu.es • UNIVERSIDAD DE SALAMANCA Patio de Escuelas, s/n 37008 Salamanca. Tel.: 923 29 44 00. Fax: 923 29 44 94 http://www.usal.es • CENTRO DE ESTUDIOS DE ENERGÍA SOLAR - CENSOLAR Parque industrial PISA – Edificio CENSOLAR Comercio, 12 41927 Mairena de Aljarafe (Sevilla). Tel.: 954 18 62 00. Fax: 954 18 61 11 http://www.censolar.es Correo E.: [email protected] DIRECCIONES DE INTERÉS 166

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• CONSEJO RECTOR DE CENTROS TECNOLÓGICOS DE CASTILLA DESARROLLO ECONÓMICO) JUNTA DE CASTILLA Y LEÓN Duque de la Victoria, 23 47001 Valladolid. Tel.: 983 41 14 20. Fax: 983 41 49 70

Y

LEÓN (AGENCIA

A.V.3. Otras direcciones de interés • PORTALENERGÍA http://www.portalenergía.com • PORTALSOLAR http://www.portalsolar.com • REVISTA DE ENERGÍA RENOVABLES http://www.energiasrenovables-larevista.es • LA GUÍA DE LA ENERGÍA http://www.energuia.com

Relación de instaladores y fabricantes en Castilla y León disponibles en: http://www.jcyl.es/jcyl-client/jcyl/cict/eren

167 ENERGÍA SOLAR TÉRMICA: MANUAL DEL PROYECTISTA

ÍNDICE DE

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ÍNDICE

Polideportivo Municipal La Palomera - Instalación B (León)

VI

Anexo

Método F-Chart

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VI

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Método F-Chart

A.VI.1. Antecedentes, aplicación y metodología El método f-Chart o de las gráficas-f fué desarrollado en 1973 por los profesores Klein, Beckman y Duffie, para el cálculo de la cobertura de un sistema solar, es decir, la contribución a la aportación del calor total necesario para combatir las cargas térmicas. Este método es lo suficientemente exacto, para largas estimaciones, no debiendo aplicarse por ejemplo para estimaciones de tipo diario. Se puede aplicar para determinar el rendimiento o factor de cobertura solar (f) en instalaciones de calentamiento mediante captadores solares planos en cualquier tipo de edificio. Se utilizan datos meteorológicos medios mensuales. Está preparado para su implantación en ordenador, pudiendo obtener para un dimensionado de la superficie de captación, cual va a ser la cobertura solar. f = 1,029 D1 – 0,065 D2 – 0,245 D12 + 0,0018 D22 + 0,0215 D13 El orden de cálculo es el siguiente: 1. Valoración de la carga o energía calorífica necesaria para el calentamiento de agua destinada a la producción de agua caliente sanitaria, calefacción, piscinas, etc. 2. Valoración de la radiación solar incidente en la superficie inclinada de los captadores. 3. Cálculo del parámetro D1. 4. Cálculo del parámetro D2. 5. Determinación de la gráfica f. 6. Valoración de la cobertura solar mensual. 7. Valoración de la cobertura solar anual. Los dos primeros puntos están explicados en los apartados 5.3., 5.7., 5.8., 5.9., y 4.3. de este manual. MÉTODO F-CHART 169

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A.VI.2. Cálculo del parámetro D1 El parámetro D1 expresa la relación entre la energía absorbida por la placa del captador plano y la carga calorífica total de calentamiento durante un mes. D1 =

Energía absorbida por el captador Carga calorífica mensual

=

Sc x F´R (τα) x RI x η Qa

RI es la radiación media diaria recibida por el captador por unidad de superficie. F'R(τα) es el factor de reducción que interviene en el cálculo final de la energía absorbida por el captador. Se obtiene mediante la fórmula: F'R (τα) = FR(τα)n x Rc x (F'R/FR) Donde: FR(τα)n es la ordenada en el origen de la curva característica del captador expresada en función de te-ta. n número de días del mes en consideración. Rc es el factor de corrección debido a la existencia de una o más cubiertas transparentes en el captador: - Superficie transparente sencilla: 0,96 - Superficie transparente doble: 0,94 F'R/FR es el factor de corrección del conjunto captador-intercambiador, que se calcula según la fórmula: 1

F´R = FR 1+

[

( )]

Sc x FRUL 1 x -1 EI Vmin

Donde: Sc es la superficie captadora necesaria. FRUL es la pendiente de la curva característica del captador expresada en función de te-ta. Vmin es la más pequeña de las velocidades de capacidad calorífica de los fluidos que circulan por el intercambiador en W (normalmente es el producto del caudal del circuito primario, m, multiplicado por el calor específico del fluido caloportador que contiene anticongelante, Ce). 170 ENERGÍA SOLAR TÉRMICA: MANUAL DEL PROYECTISTA

ÍNDICE

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EI es la eficiencia del intercambiador, depende del intercambiador que se haya escogido para la potencia térmica calculada.

1,0

0,9 0,8

0,7

0,8

F´R/FR

0,6

EI

0,5

0,6

(Para depósitos mp = ms)

0,4 0,3

0,4

EI x Vmin SC x m x Ce

0,2

0,2

0,1

m x Ce FR UL

0 1

2

5

10

20

50

100

A.VI.3. Cálculo del parámetro D2 El parámetro D2 expresa la relación entre las pérdidas de energía en el captador, para una determinada temperatura, y la carga calorífica de calentamiento durante un mes. D2 =

Sc x F´R UL x (100-ta) x ∆ tiempo Qa

x K1 x K2

F´R UL= FR UL x (F´R/FR) (100-ta) es el valor de una temperatura de referencia (fijada en 100 ºC) menos la temperatura media mensual del lugar geográfico donde se ubicarán los captadores. ∆ tiempo es el número de segundos del mes en consideración. K1 es el factor de corrección por almacenamiento y viene dado por:

K1 =

(

Kg acumulación 75 x m2 captador

)

-0,25

MÉTODO F-CHART 171

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K2 es un factor de corrección para A.C.S. que relaciona la temperatura mínima del agua caliente sanitaria, la temperatura del agua de red y la temperatura ambiente media mensual.

K2 =

11,6 + 1,18 tac + 3,86 tr - 2,32 ta 100 - ta

A.VI.4. Cálculo de la gráfica - f La fracción “f” de la carga calorífica mensual aportada por el sistema de energía solar, puede determinarse indistintamente mediante la ecuación o el gráfico: f = 1,029 D1 – 0,065 D2 – 0,245 D12 + 0,0018 D22 + 0,0215 D13 3,0

f = 0,9 2,5

f = 0,8 2,0

f = 0,7

D1

f = 0,6 1,5

f = 0,5 f = 0,4

1,0

f = 0,3 f = 0,2

0,5

f = 0,1 0 1 2

3 4

5 6 7 8

9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 D2

A.VI.5. Cálculo de la cobertura solar La energía útil (Qu) captada por el sistema solar cada mes será: Qu = f x Qa . Donde Qa es la carga calorífica mensual. 172 ENERGÍA SOLAR TÉRMICA: MANUAL DEL PROYECTISTA

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El proceso operativo desarrollado para un mes, se repetirá para todos los meses del año. La relación entre la suma de las coberturas mensuales y la suma de las cargas caloríficas, o necesidades mensuales de calor, determinará la cobertura anual del sistema. 12

Cobertura anual =

∑ ∑

1 12 1

Qu necesaria Qa necesaria

MÉTODO F-CHART 173

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