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ANEXO B Dimensionado de una instalación

de Energía Solar Térmica

ENERGÍA SOLAR Y EÓLICA

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Anexo B Dimensionado de una instalación de Energía Solar Térmica

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rta ÍNDICE

DESARROLLO DE LOS CONTENIDOS ...................................................... 3

1. DIMENSIONADO BASICO ..........................................................4 1.1. Cálculo de la superficie colectora...................................................... 4

1.1.1. Cálculo del Consumo energético ................................................................... 5 1.1.1.1. Columna 1. Indice o porcentaje de ocupación. ................................. 6 1.1.1.2. Columna 2. Consumo mensual en m3. .............................................. 7 1.1.1.3. Columna 3. Temperatura de red....................................................... 9 1.1.1.4. Columna 4. Salto térmico ................................................................ 10 1.1.1.5. Columna 5. Necesidad al mes en termias ....................................... 10 1.1.1.6. Columna 6. Necesidad al mes en MJ ............................................... 11 1.1.1.7. Columna 7. Necesidad al día en MJ ................................................. 14

1.1.2. Cálculo de la energía aprovechable .............................................................. 15 1.1.2.1. Columna 8. Cálculo de H ................................................................ 17 1.1.2.2. Columna 9. Cálculo de Hcorregida ....................................................... 18 1.1.2.3. Columna 10. Factor de corrección, k, por inclinación de

colectores ............................................................................................. 19 1.1.2.4. Columna 11. Energía total incidente................................................ 21

1.1.3. Cálculo de la intensidad útil .......................................................................... 23 1.1.3.1. Columna 12. Número medio de horas diarias de sol útiles ............ 24 1.1.3.2. Columna 13. Intensidad radiante ..................................................... 25

1.1.4. Determinación del rendimiento del colector ............................................... 26 1.1.4.1. Columna 14. Temperatura ambiente .............................................. 26 1.1.4.2. Columna 15. Rendimiento instantáneo del colector ....................... 27

1.1.5. Cálculo de la Energía útil y superficie necesaria ........................................... 30 1.1.5.1. Columna 16. Aportación solar por m2............................................. 30 1.1.5.2. Columna 17. Energía disponible al día por m2 ................................. 31 1.1.5.3. Columna 18. Energía disponible al mes por m2 ............................... 32

1.1.6. Cálculo del número de colectores ............................................................... 33 1.1.6.1. Columna 19. Energía solar total ...................................................... 34 1.1.6.2. Columna 20. Porcentaje de sustitución ........................................... 35 1.1.6.3. Columna 21. Déficit energético....................................................... 36

1.1.7. Resumen del proceso de cálculo .................................................................. 37 1.2. Cálculo del volumen de acumulación necesario .............................. 38

2. DIMENSIONADO RESTO COMPONENTES.............................41 2.1. Cálculo del intercambiador exterior................................................ 41 2.2. Cálculo de los diámetros de las tuberías.......................................... 42

2.2.1. Tramo 0-1..................................................................................................... 45 2.2.2. Tramo 1-2..................................................................................................... 46 2.2.3. Tramo 2-3..................................................................................................... 47 2.2.4. Tramo 3-4..................................................................................................... 48 2.2.5. Tramo 4-5..................................................................................................... 49 2.2.6. Tramo 6-7..................................................................................................... 50


Dimensionado de una instalación de Energía Solar Térmica Anexo B

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2.2.7. Tramo 7-8..................................................................................................... 50 2.2.8. Tramo 8-9..................................................................................................... 50 2.2.9. Tramo 9-10................................................................................................... 50

2.3. Cálculo de la distancia entre baterías de colectores.........................52 2.4. Cálculo de aislamientos....................................................................53 2.5. Cálculo de la bomba de circulación..................................................55 2.6. Dimensionado del vaso de expansión ..............................................60



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rta DESARROLLO DE LOS CONTENIDOS

Vamos a ver en este anexo el proceso para el dimensionado básico de una instalación de energía solar térmica, es decir, calcular los metros cuadrados de superficie colectora y el volumen de acumulación necesario para satisfacer unas determinadas necesidades de consumo de ACS. También procederemos a seleccionar el resto de componentes de que consta una típica instalación de este tipo (electrocirculadores, vaso de expansión, diámetros de tuberías, intercambiador exterior, espesores de aislamientos, etc.).



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1. DIMENSIONADO BASICO

Cuando un proyectista acomete el dimensionado básico de una instalación solar térmica para el aprovechamiento de ACS, tiene que realizar una serie de cálculos más o menos complejos y que ya vimos en la unidad 5 del curso.

Como ya sabes, el dimensionado básico consiste en calcular la superficie de colectores y el volumen de acumulación necesarios para satisfacer unas determinades necesidades de ACS.

A continuación, y dada su importancia, vamos a repasar nuevamente este proceso de cálculo y lo vamos a hacer a través de un ejemplo de aplicación.

Se trata de satisfacer las necesidades energéticas de una clínica privada de 120 camas situada en la provincia de Madrid.

Para la elección de todos los componentes necesarios para nuestra instalación contamos con el catálogo general de productos del fabricante DISOL.

1.1. CÁLCULO DE LA SUPERFICIE COLECTORA

El criterio que vamos a elegir para dimensionar la superficie colectora es que el área de la misma sea tal que haga que la aportación solar total en el periodo que la instalación esté activa sea igual al consumo.



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rta 1.1.1. CÁLCULO DEL CONSUMO ENERGÉTICO

Lógicamente, este es el primer paso. Seguramente te plantearán las necesidades energéticas de una vivienda unifamiliar, un bloque de viviendas, colegio, hotel, hospital, etc., en cuanto a necesidades de agua caliente sanitaria.

En este caso se trata de satisfacer las necesidades energéticas de ACS de una clínica.

Elegiremos como temperatura media a la que debe estar el agua para uso sanitario en el depósito de acumulación la de 45°C y la cantidad de calor necesaria será la que deberemos aportar para elevar la cantidad de agua a consumir desde la temperatura de la red hasta los 45°C.

Esta temperatura variará en función del mes en que nos encontremos y se obtendrá a partir de la fórmula:

ºtmcQ eΔ=

Donde:

ºtΔ es el salto térmico existente entre los 45°C y la temperatura media del agua de la red de servicio.

Q es la cantidad de calor expresada en kilocalorías o termias dependiendo de si m , masa de agua a calentar, se expresa en kilogramos o en toneladas. Ese valor deberemos pasarlo a julios o mejor a megajulios para que se encuentre en la misma unidad que manejaremos en las tablas del Anexo A.

eC es el calor específico del agua que vale 1 kcal/kgºC o 1 termia/toneladaºC.



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La densidad del agua ρ, es igual a 1 kg/l, por tanto, un litro de agua equivale a un kilogramo y 1000 litros de agua equivalen a una tonelada.

Vamos a explicar los pasos a seguir hasta obtener el consumo energético en el caso de nuestro ejemplo

1.1.1.1. COLUMNA 1. INDICE O PORCENTAJE DE OCUPACIÓN.

En la unidad 5 nos indicaron que para el cálculo del aporte solar anual, se deben estimar las demandas mensuales tomando en consideración el número de unidades de consumo (personas, camas, servicios, etc.) correspondientes a la ocupación plena, salvo las instalaciones de uso turístico, en las que será necesario tener en cuenta el índice o porcentaje de ocupación.

En nuestro caso, por tratarse de una clínica, tomaremos un índice o porcentaje de ocupación del 100% para todos los meses del año.



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1.1.1.2. COLUMNA 2. CONSUMO MENSUAL EN M3.

Para el cálculo de las demandas se tomarán los valores unitarios que aparecen en la Tabla 3.1. del apartado 3.1.1 de la Sección HE 4 del Documento Básico HE del Código Técnico de la Edificación (CTE).

Hay que tener en cuenta que los consumos unitarios medios de esta tabla están calculados tomando como referencia que queremos una temperatura final en el acumulador de 60ºC.

En la Tabla 4 de la unidad 5 nos indican los consumos unitarios máximos de ACS a 45ºC en litros/día en función del criterio de consumo. Esta tabla es la misma que la que figura en el punto IV.2 del Anexo IV “Cálculo de demandas energéticas” del Pliego de Condiciones Técnicas de Instalaciones de Baja Temperatura del IDAE.

Criterio de consumo Litros/día

Viviendas unifamiliares 40 por persona

Viviendas multifamiliares 30 por persona

Hospitales y clínicas 80 por cama

Hoteles (4 estrellas) 100 por cama

Hoteles (3 estrellas) 80 por cama

Hoteles/Hostales (2 estrellas) 60 por cama

Campings 60 por emplazamiento

Hostales/Pensiones (1 estrella) 50 por cama

Residencias (ancianos, estudiantes, etc.) 80 por cama

Vestuarios/Duchas colectivas 20 por servicio



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Criterio de consumo Litros/día

Escuelas 5 por alumno

Cuarteles 30 por persona

Fábricas y talleres 20 por persona

Oficinas 5 por persona

Gimnasios 30 a 40 por usuario

Lavanderías 5 a 7 por kilo de ropa

Restaurantes 8 a 15 por comida

Cafeterías 2 por almuerzo

Nosotros realizaremos nuestros cálculos para 45ºC ya que lo habitual es que el dimensionado de instalaciones de ACS se suela hacer para este valor de temperatura media en el acumulador según indicamos anteriormente. Por lo tanto elegiremos un consumo de ACS por cama y día de 80 litros al tratarse de una clínica.

Con todos estos datos ya estamos en disposición de calcular el consumo mensual de ACS en m3 para cada uno de los meses del año.

Por ejemplo el consumo mensual del mes de enero expresado en litros será:

1 x 31 x 120 x 80 = 297.600 l = 297,6 m3

Porcentaje de ocupación Número de

camas

Número de días del mes

Litros ACS por cama y día

a 45ºC



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Realizando lo mismo para los restantes meses del año tendremos:

1.1.1.3. COLUMNA 3. TEMPERATURA DE RED

Es la temperatura media diaria del agua de la red general. Este dato lo obtendremos de la Tabla 8 del Anexo A. Recuerda que este anexo te lo puedes descargar de la Zona Privada de Alumnos en la zona de descargas.

En nuestro caso para Madrid tendremos:



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1.1.1.4. COLUMNA 4. SALTO TÉRMICO

Diferencia entre la temperatura de uso, es decir, la temperatura final que queremos en el acumulador, 45ºC en nuestro caso, y la del agua de la red.

Así para el mes de enero tendremos:

45ºC - 6ºC = 39ºC

1.1.1.5. COLUMNA 5. NECESIDAD AL MES EN TERMIAS

A partir de las temperaturas del agua de red, obtendremos para cada mes la energía necesaria para calentar el agua hasta la temperatura deseada, 45ºC en nuestro caso, mediante la fórmula:

Q = m·ce·Δt

Donde recuerda:

m, masa de agua a calentar en kg o toneladas.

Ce, calor específico del agua, 1 kcal/kg.ºC o 1 termia/tonelada.ºC)

Temperatura del agua de la red

Temperatura final del agua en el acumulador



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rta Δt, salto térmico, diferencia entre 45ºC y la temperatura del agua de

red.

Q, valor de la energía necesaria a aportar en kilocalorías o termias.

Por ejemplo para el mes de enero tendremos:

297,6 x 1 x 39 = 11.606,4 termias

Haciendo lo mismo para cada uno de los meses del año tendremos:

1.1.1.6. COLUMNA 6. NECESIDAD AL MES EN MJ

Pasar de termias a megajulios es muy sencillo, ya que 1 termia es igual a 4,184 MJ.

De este modo obtendremos la columna 6 sin más que multiplicar la columna 5 por el factor 4,184

Masa de agua en toneladas

Calor específico del agua en

termia/tonelada.ºC

Salto térmico



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11.606,4 x 4,184 = 48.561,18 MJ

La suma de todas las necesidades energéticas para cada uno de los meses del año será las necesidades energéticas anuales, en este caso 509.229,62 MJ.

Llegados a este punto tenemos que considerar que porcentaje de estas necesidades energéticas anuales queremos cubrir mediante la energía solar aportada por nuestra instalación, es decir la fracción solar o aporte solar mínimo.

Para ello deberemos cumplir las exigencias que nos indiquen las normativas que existan al respecto. En nuestro caso tendremos que cumplir tanto lo que nos indica la Ordenanza sobre Captación de Energía Solar Térmica para usos térmicos en el Municipio de Madrid como lo indicado en la Sección HE 4 del documento básico HE del Código Técnico de la Edificación (CTE).

La Ordenanza en su Anexo I, apartado 1.2, nos da una tabla que nos indica la contribución solar mínima en función la demanda diaria total del edificio de agua caliente sanitaria a la temperatura de referencia de 60 ºC en litros.

Necesidad mensual en termias

Factor de conversión



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A esta temperatura de referencia, la demanda diaria total de agua caliente sanitaria es:

55 x 120 = 6.600 l

La demanda de agua caliente sanitaria de referencia a 60º para el caso de residencias es de 55 litros por cama y día.

Por tanto la contribución solar mínima será del 75% para el caso general, es decir, suponiendo que la fuente energética de apoyo sea gasóleo, gas natural, propano u otros.

Por lo que respecta al CTE en el apartado 2 punto 2.1 nos indican la contribución solar mínima anual para cada zona climática y diferentes niveles de demanda de agua caliente sanitaria (ACS).

Nos quedaremos con la tabla mostrada a continuación ya que supondremos que la fuente energética de apoyo o auxiliar será gasóleo, propano, gas natural u otras fuentes distintas de electricidad mediante efecto Joule.



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Las zonas se definen teniendo en cuenta la Radiación Solar Global media diaria anual sobre superficie horizontal (H), tomando los intervalos que se relacionan para cada una de las zonas, como se indica en la siguiente tabla:

En nuestro caso concreto la demanda total de ACS del edificio se encuentra en el intervalo 6.000-7.000 l/d y Madrid está situada en la zona climática IV (esto lo podemos ver en la Tabla 3.3 de la Sección HE 4 del Documento Básico HE del CTE). Por tanto la contribución solar mínima deberá ser del 70%.

Teniendo en cuenta tanto la Ordenanza como el CTE atenderemos al criterio de contribución solar mínima más restrictivo, en este caso el de la Ordenanza.

Dimensionaremos la superficie colectora para cubrir el 75% de nuestras necesidades energéticas anuales.

En este caso la energía aportada por la instalación solar deberá ser:

0,75 x 509.229,62 = 381.922,21 MJ

1.1.1.7. COLUMNA 7. NECESIDAD AL DÍA EN MJ

La necesidad energética diaria en MJ para cada uno de los meses del año se obtendrá dividiendo la necesidad energética mensual por el número de días del mes correspondiente.



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Como puedes ver, no es demasiado complicado.

1.1.2. CÁLCULO DE LA ENERGÍA APROVECHABLE

La energía aprovechable E que incide en un día medio de cada mes sobre cada m2 de superficie de colectores es el dato imprescindible al que tenemos que llegar al final de esta apartado.

El primer paso necesario para poder calcular E es conocer la irradiación H que incide sobre un metro cuadrado de superficie horizontal en un día medio de cada mes en un lugar determinado, dato que obtendremos de la tabla 5 del Anexo A.

El valor de H deberá ser corregido si nos encontramos en alguno de los siguientes casos:

Si la ubicación es en una zona de alta montaña o monte de cierta altitud, donde la atmósfera es limpia, multiplicaremos la irradiación H encontrada en la tabla por 1,05.

Si la ubicación es en una ciudad o en zonas con fuertes índices de polución, la irradiación H obtenida en la tabla debe multiplicarse por un coeficiente de 0,95.



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Es necesario por último, tener en cuenta posibles obstáculos que puedan interferir en la energía captada por los colectores en el lugar de la instalación, así como nieblas constantes, vientos fríos, lluvias, etc., que pueden reducir también el valor de H. En definitiva, conviene realizar un estudio previo del lugar donde vaya a estar ubicada la instalación para tener en cuenta las posibles pérdidas por orientación, inclinación y sombras.

Una vez calculada H, y modificada en función de lo explicado anteriormente, es necesario tener en cuenta la inclinación que se ha dado a los colectores solares, ya que H se refiere a una superficie horizontal y los colectores, como sabemos, deben inclinarse con respecto a la horizontal en función de la latitud del lugar y del período de utilización.

Por lo tanto, para calcular E tendremos que multiplicar H por un factor de corrección k, que es función de la latitud del lugar y de la inclinación del colector. Dicho factor lo podemos obtener, para cada mes del año, de la tabla 9 del Anexo A.

Si la inclinación y latitud no corresponde exactamente con la reflejada en las tablas, tomaremos la más cercana.

El valor E = kH obtenido hasta ahora es la energía total teórica que incide sobre cada metro cuadrado de colector inclinado.

No obstante, en el cálculo de la energía realmente aprovechable, debemos tener en cuenta un dato más. Como sabemos, las instalaciones solares térmicas existe un fluido en circulación. En el caso de sistemas con termosifón, la circulación del fluido se mueve por convección natural y en los sistemas forzados la circulación se produce con la ayuda de un electrocirculador. Esta circulación sólo se producirá cuando exista una diferencia de temperatura entre el fluido caloportador a la salida de los colectores y el agua sanitaria acumulada en la parte baja del depósito. Durante el día hay una serie de horas, en concreto al amanecer y al anochecer, en las cuales la radiación del Sol no es suficiente para calentar el fluido caloportador lo suficiente como para que este comience a circular. Definiremos lo que se llama radiación umbral, cuyo valor en base a la experiencia es de unos 200W/m2, por debajo de la cual no es recomendable poner en marcha la instalación.

Por lo tanto será necesario, únicamente para sistemas de aprovechamiento solar térmico, introducir un nuevo factor de corrección que tenga en cuenta las pérdidas de energía debidas a aquellos momentos del día en que



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tenemos intensidades por debajo de la umbral. Estas pérdidas se suelen estimar en un 6%, por lo que multiplicares la cantidad E antes calculada por 0,94 para tenerlas en cuenta.

Así pues, la fórmula definitiva para el cálculo de la energía solar aprovechable, E, será:

E = 0,94 k·H

Con todo esto veamos como queda nuestro ejemplo.

1.1.2.1. COLUMNA 8. CÁLCULO DE H

Hasta ahora hemos calculado las necesidades energéticas que tenemos que cubrir con nuestra instalación solar.

A continuación vamos a realizar una serie de cálculos hasta llegar a la energía neta disponible por m2 para el consumo que nos puede aportar nuestra superficie colectora.

El primer paso será ver cual es la energía en megajulios que incide sobre un metro cuadrado de superficie horizontal en un día medio de cada mes en la localidad de Madrid, que es donde se encuentra situada nuestra instalación.

Este dato lo podremos extraer de la Tabla 5 del anexo A, que recuerda te puedes descargar de la ZPA.

Para cada uno de los meses del año tendremos:



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Tienes que tener en cuenta que si la instalación va a estar más de un mes inactiva, anulándose totalmente (por ejemplo cubriendo los colectores con una funda opaca) será preciso asignar un valor igual a cero a H en los correspondientes meses.

1.1.2.2. COLUMNA 9. CÁLCULO DE HCORREGIDA

El valor de H deberá ser corregido si nos encontramos en alguno de los siguientes casos:

Si la ubicación es en una zona de alta montaña o monte de cierta altitud, donde la atmósfera es limpia, multiplicaremos la irradiación H por el factor 1,05.

Si la ubicación es en una ciudad o en zonas con fuertes índices de polución, la irradiación H deberá multiplicarse por un coeficiente de 0,95.

Es necesario por último, tener en cuenta posibles obstáculos que puedan interferir en la energía captada por los colectores en el lugar de la instalación, así como nieblas constantes, vientos fríos, lluvias, etc., que pueden reducir también el valor de H. En definitiva, conviene realizar un estudio previo del lugar donde vaya a estar ubicada la instalación para tener en cuenta las posibles pérdidas por orientación, inclinación y sombras.

En resumen, Hcorregida coincide con el valor de H multiplicado por un coeficiente de corrección función del lugar donde se encuentre ubicada nuestra instalación (1,05, lugar limpio de polución, 1, caso normal o 0,95 lugar con polución).

Si se aplica factor de corrección o no queda a criterio del instalador.

En nuestro caso, al estar situada nuestra instalación en Madrid, una ciudad, optaremos por aplicar el correspondiente factor de corrección, 0,95.



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1.1.2.3. COLUMNA 10. FACTOR DE CORRECCIÓN, K, POR INCLINACIÓN DE COLECTORES

Una vez calculada H y corregida, deberemos tener en cuenta que nuestro campo colector va ha estar inclinado con respecto a la horizontal, ya que H se refiere a irradiación sobre superficie horizontal y los colectores, como sabemos, deben inclinarse en función de la latitud del lugar y del período de utilización.

Deberemos por tanto multiplicar Hcorregida por un factor de corrección k, que será función de la latitud del lugar y de la inclinación de los colectores. Dicho factor lo podemos obtener, para cada mes del año, a partir la tabla 9 del Anexo A, que te puedes descargar de la ZPA.

Si la inclinación y latitud no corresponde exactamente con la reflejada en las tablas, tomaremos la más cercana.

En la unidad 3 del curso, vimos en la Tabla 2, las inclinaciones orientativas que se suelen dar a los colectores, según el período de utilización de la instalación.

Perído de utilización Ángulo de inclinación

Anual con consumo constante Latitud del lugar

Consumo preferente en invierno Latitud del lugar +10°

Consumo preferente en verano Latitud del lugar – 10º°



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Como el período de utilización de nuestra instalación va a ser anual, el ángulo de inclinación será igual a la latitud del lugar.

La latitud del lugar la obtendremos a partir de la Tabla 1 del Anexo A.

En este caso la latitud de Madrid vemos que es de 40,4º.

Conocidas la latitud donde se encuentra ubicada nuestra instalación y el ángulo de inclinación de los colectores, podremos obtener de la Tabla 9, para la latitud e inclinación más cercanas, 40º para ambas, los valores de k para cada uno de los meses del año.



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1.1.2.4. COLUMNA 11. ENERGÍA TOTAL INCIDENTE

Sabemos que la irradiación diaria incidente total teórica, E, por m2 de superficie colectora, teniendo en cuenta que los colectores están inclinados, viene dada por la expresión:

E = k·Hcorregida



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Como sabemos, en las instalaciones solares térmicas existe un fluido en circulación. En el caso de sistemas con termosifón, la circulación del fluido es por convección natural y en los sistemas forzados la circulación se produce con la ayuda de un electrocirculador.

Esta circulación sólo se producirá cuando exista una diferencia de temperatura entre el fluido caloportador a la salida de los colectores y el agua sanitaria acumulada en la parte baja del depósito. Durante el día hay una serie de horas, en concreto al amanecer y al anochecer, en las cuales la radiación del Sol no es suficiente para calentar el fluido caloportador lo suficiente como para que este comience a circular. Definiremos lo que se llama radiación umbral, cuyo valor en base a la experiencia es de unos 200W/m2. Intensidades por debajo de este valor no son aprovechables y por lo tanto no serán tenidas en cuenta.

Por lo tanto será necesario, únicamente para sistemas de aprovechamiento solar térmico, introducir un nuevo factor de corrección que tenga en cuenta las pérdidas de energía debidas a aquellos momentos del día en que tenemos intensidades por debajo de la umbral. Estas pérdidas se suelen estimar en un 6%, por lo que multiplicaremos la cantidad E antes calculada por 0,94 para tenerlas en cuenta.

Con todo esto la energía solar incidente aprovechable por m2 de superficie colectora inclinada será:

E = 0,94·k·Hcorregida


0,94 x 1,39 x 6,37 = 8,32 MJ/m2

Realizando la misma operación para cada uno de los meses del año tendremos:

Factor de corrección por radiación umbral

Energía por m2 de superficie horizontal corregida

Factor de corrección por inclinación de

colectores



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Para los cálculos del factor de corrección k, hay que tener en cuenta que para instalaciones situadas en el hemisferio Sur el mes de Enero se corresponde con el de Julio, Febrero con el de Agosto, y así sucesivamente, para cálculos de k.

1.1.3. CÁLCULO DE LA INTENSIDAD ÚTIL

Continuamos con el difícil y tortuoso camino de la energía incidente en un colector solar añadiendo una baja más.

Como ya sabemos, la radiación sobre la superficie de los colectores variará a lo largo del día. A efectos de cálculos, podemos definir una intensidad media útil como el cociente entre la energía útil incidente dividido por las horas útiles que el sol se encuentra en el horizonte, descontando las horas por debajo de la intensidad umbral anteriormente definida.

Las horas de sol útiles pueden obtenerse a partir de la siguiente tabla.



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Tabla 1. Número medio de horas diarias de sol útiles (intensidad por encima de la de umbral)

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

De + 25° a + 45° (Hemisf. Norte) 8 9 9 9,5 9,5 9,5 9,5 9,5 9 9 8 7,5

De –25° a +25° (Zona Ecuatorial) 8,75 9,25 9,5 9,25 9,75 8,5 8,75 9,25 9,5 9,25 8,75 8,5

De –25° a –45° (Hemisf. Sur) 9,5 9,5 9 9 8 7,5 8 9 9 9,5 9,5 9,5

Para obtener la intensidad en W/m2, será necesario en pasar las horas a segundos y los Megajulios a Julios. Continuemos con nuestro ejemplo.

1.1.3.1. COLUMNA 12. NÚMERO MEDIO DE HORAS DIARIAS DE SOL ÚTILES

Conocida la energía solar media diaria incidente aprovechable por m2 de superficie colectora inclinada, para el cálculo de la intensidad media diaria incidente, deberemos tener en cuenta el número medio de hora diarias de sol útiles, es decir, con intensidades por encima del valor umbral.

Este dato, que es función de la latitud, lo podremos obtener a partir de la Tabla 5 de la unidad 5 del curso.

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

De + 25° a + 45° (Hemisf. Norte) 8 9 9 9,5 9,5 9,5 9,5 9,5 9 9 8 7,5

De –25° a +25° (Zona Ecuatorial) 8,75 9,25 9,5 9,25 9,75 8,5 8,75 9,25 9,5 9,25 8,75 8,5

De –25° a –45° (Hemisf. Sur) 9,5 9,5 9 9 8 7,5 8 9 9 9,5 9,5 9,5

Para nuestro ejercicio tendremos:



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1.1.3.2. COLUMNA 13. INTENSIDAD RADIANTE

La intensidad incidente sobre una superficie varía a lo largo del día. Por lo tanto para efectuar los cálculos de dimensionado, trabajaremos con un valor medio diario que será el cociente entre la energía solar incidente aprovechable a lo largo del día por m2 y las horas de sol útiles, es decir el cociente entre las columnas 11 y 12.

La intensidad radiante deberá estar expresada en W/m2.

Por lo tanto, la energía que está expresada en MJ deberemos pasarla a J sin más que multiplicar por 106.

El tiempo que está expresado en horas deberemos pasarlo a segundos multiplicando por 3600.

De esta forma para el mes de enero tendremos:

I = 26

/77,288600.381032,8 mW

xx

tE

==

Realizando la misma operación para cada uno de los restantes meses del año, obtendremos las intensidades medias diarias de la radiación:



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1.1.4. DETERMINACIÓN DEL RENDIMIENTO DEL COLECTOR

El rendimiento de un colector es el último escollo que encuentra la radiación incidente y es un dato que nos da el fabricante en las hojas de características del mismo. Suele venir dado por una expresión del tipo:

)ºº

(Itt

ba am −−=η

Donde:

La constante a, es el rendimiento óptico o factor de ganacia del colector.

La constante b, es el coeficiente de pérdidas o factor de pérdidas.

mtº , es la temperatura media del ACS en el acumulador y que si no nos indican lo contrario siempre será de 45°.

atº , es el valor de la temperatura ambiente media diaria durante las horas de sol para cada uno de los meses del año y cada localidad.

Puedes obtener toa a partir de la tabla 7 del Anexo A..

Apliquemos esto a nuestro ejemplo.

1.1.4.1. COLUMNA 14. TEMPERATURA AMBIENTE

Este dato será necesario para poder calcular el rendimiento medio teórico diario de nuestro colector.



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Lo podemos obtener de la Tabla 7 del Anexo A, que nos da la temperatura ambiente media diaria durante las horas de sol y te puedes descargar de la ZPA.

De este modo para la localidad de Madrid tendremos:

1.1.4.2. COLUMNA 15. RENDIMIENTO INSTANTÁNEO DEL COLECTOR

Se ha elegido el colector del fabricante Disol modelo Magnum 25L.

Las principales características técnicas de este colector se muestran a continuación:



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La curva de rendimiento instantáneo de nuestro colector viene dada por la expresión:

η = 0,803-3,492 ⎟⎠

⎞⎜⎝

⎛ −⋅

Gtt am -0,009·

( )⎟⎟⎠

⎞⎜⎜⎝

⎛ −Gtt am

2

Como temperatura media del fluido caloportador en el interior del colector, tm, para ACS siempre elegiremos un valor de 45ºC.

Tenemos que tener en cuenta que la curva de rendimiento se obtiene suponiendo que los rayos inciden perpendicularmente al colector. En la realidad esto no es así, ya que los rayos solares a lo largo del día forman un ángulo variable con los colectores. Además la suciedad y el envejecimiento de la cubierta del colector hacen que su coeficiente de transmisión, τ, disminuya.

Para tener en cuenta estos factores y obtener una curva de rendimiento instantáneo de un colector de placa plana más real introduciremos un factor de corrección que multiplicará siempre al término de ganancias o factor óptico de la misma (primer término de la ecuación), y que será 0,94.



29

Form

ação

Abe

rta

Nos quedará:

η = 0,94·0,803-3,492· ⎟⎠⎞

⎜⎝⎛ −

Itt am -0,009·

( )⎟⎟⎠

⎞⎜⎜⎝

⎛ −Itt am

2

Por ejemplo el rendimiento medio diario de nuestro colector para el mes de enero será:

η = (0,94·0,803)-3,492

( ) 2358,077,288

39009,077,288

39492,375482,077,288645009,0

77,288645 22

=⎟⎟⎠

⎞⎜⎜⎝

⎛⋅−⎟

⎠

⎞⎜⎝

⎛⋅−=⎟⎟

⎠

⎞⎜⎜⎝

⎛ −⋅−⎟

⎠

⎞⎜⎝

⎛ −⋅

El rendimiento medio diario del colector en el mes de enero es del 23,58%.

Realizando la misma operación para cada uno de los meses del año obtenemos:



30

El término 0,94 que multiplica al factor de ganancia de nuestro colector se introduce, según vimos en la unidad 5, para tener en cuenta que los rayos solares no inciden siempre perpendiculares a la superficie colectora y que la cubierta transparente puede estar sucia o deteriora.

1.1.5. CÁLCULO DE LA ENERGÍA ÚTIL Y SUPERFICIE NECESARIA

Tras calcular el rendimiento, ya estamos en disposición de determinar la energía útil que podremos extraer de la superficie colectora y que será la que utilizaremos para calentar el agua de consumo almacenada en nuestro acumulador.

El producto Eη , lógicamente expresando el valor del rendimiento en tanto por uno, será la energía media diaria útil por metro cuadrado de colector que podremos obtener en un determinado mes.

Calcularemos los metros cuadrados necesarios de superficie colectora para cubrir las necesidades energéticas anuales, dividiendo éstas últimas por la suma de la energía util por metro cuadrado de superficie que obtenemos en cada uno de los meses del año.

Veámoslo en nuestro ejemplo.

1.1.5.1. COLUMNA 16. APORTACIÓN SOLAR POR M2

Ya podemos calcular la energía solar aportada por m2 de superficie colectora, o energía útil que realmente de la total incidente se va a emplear en calentar el fluido caloportador que circula por el interior del colector.

Vendrá dada por la expresión:

Eutil = η·E



31

Form

ação

Abe

rta


0,2358 x 8,32 = 1,96 MJ/m2

Realizando la misma operación para cada uno de los meses del año:

1.1.5.2. COLUMNA 17. ENERGÍA DISPONIBLE AL DÍA POR M2

La energía diaria que aportan los colectores no coincide con la disponible para el consumo ya que en todos los elementos de la instalación se producen pérdidas, principalmente en el acumulador.

Estas pérdidas, a falta de datos, se suelen estimar en un 15 o un 20% y por tanto la energía acumulada disponible para el consumo será igual a:

Eneta= (0,8 o 0,85)·η·Eutil

En nuestro caso vamos a estimar estas pérdidas en un 15% con lo que por ejemplo para el mes de enero tendremos:

0,85 x 0,2358 x 8,32 = 1,67



32

1.1.5.3. COLUMNA 18. ENERGÍA DISPONIBLE AL MES POR M2

Será el producto de la energía disponible al día por m2 por el número de días del mes.

Para el mes de enero tendremos:

1,67 x 31 = 51,77 MJ/m2

Podemos obtener la energía anual disponible que nos va a proporcionar nuestra instalación solar sin más que sumar las energías disponibles de cada uno de los meses del año. En nuestro ejemplo será de 2.489,11 MJ/m2.

Conocido este dato ya podremos calcular los m2 necesarios para cubrir el 75% de nuestras necesidades energéticas.



33

Form

ação

Abe

rta

Tendremos:

m2 de superficie colectora = 244,15311,489.2

62,229.50975,0 mx=

1.1.6. CÁLCULO DEL NÚMERO DE COLECTORES

Es el dato más importante y final de todo este proceso de cálculo.

Para saber el número total de colectores a instalar debemos dividir el número de m2 de superficie colectora necesaria por la superficie de abertura de uno cualquiera de los colectores. De las características de nuestro colector Disol modelo Mágnum 25L vemos que la superficie de apertura es de 2,42 m2.

El número de colectores será:

Nº de colectores = 4,6342,244,153

= → 64

La sección HE 4 del Documento Básico HE del CTE nos dice en su punto 3.3.2.2 en relación con el conexionado de los colectores, que estos se dispondrán en filas o baterías constituidas por el mismo número de colectores.

Dentro de cada fila y para aplicaciones de ACS los colectores se conectarán en paralelo y a su vez las filas también se conectarán entre sí en paralelo.

El número de colectores que se conectan en paralelo tendrá en cuenta las limitaciones del fabricante. En concreto el fabricante DISOL nos indica que el máximo de captadores conectados en paralelo para este modelo no debe ser superior a 8 para un caudal nominal de 40 l/h·m2.

La conexión entre colectores y entre filas o baterías se realizará de manera que el circuito resulte equilibrado hidráulicamente.

Para poder cumplir con todas estas especificaciones nuestro campo colector estará formado por 64 colectores dispuestos en 8 baterías conectadas en paralelo de 8 colectores cada una conectados también en paralelo tal y como se muestra en la siguiente figura:



34

0

1

2

3

4

5

9'

8'

7'

6'

10

9

8

7

6

10'

0'

1'

4'

5'

2'

3'

1.1.6.1. COLUMNA 19. ENERGÍA SOLAR TOTAL

Una vez que sabemos el número total de colectores que vamos a instalar obtendremos el número real de m2 útiles de superficie colectora sin más que multiplicar este por la superficie de apertura de uno cualquiera de los colectores.

En nuestro caso tendremos:

m2 de superficie colectora = 64 x 2,42 = 154,88 m2

A partir de este dato y el la energía neta disponible para el consumo que suministra cada m2 de superficie colectora, podemos obtener para cada uno de los meses del año la energía neta disponible para el consumo que suministra la instalación.

Por ejemplo para el mes de enero:

154,88 x 51,77 = 8.010,14 MJ



35

Form

ação

Abe

rta

Realizando la misma operación para cada uno de los meses del año:

1.1.6.2. COLUMNA 20. PORCENTAJE DE SUSTITUCIÓN

Representa que fracción del consumo energético se satisface mediante energía solar.

En los meses en los que la aportación solar sea superior al consumo dicho porcentaje será, lógicamente, igual al 100%.


% sustitución = %51,161651,018,561.4814,018.8

→=

Necesidades energéticas

Aporte solar



36

Realizando esta misma operación para cada uno de los meses del año tendremos:

1.1.6.3. COLUMNA 21. DÉFICIT ENERGÉTICO

Representa la energía auxiliar que hay que aportar en los meses en que la energía solar no es suficiente por sí sola para cubrir el 100% de las necesidades. Lógicamente el déficit energético será nulo en aquellos meses en los que con nuestra instalación solar cubramos el 100% de nuestras necesidades.


8.018,14 – 48.561,18 = -40543,04 MJ

Necesidades energéticas Aporte solar



37

Form

ação

Abe

rta

Es posible que algún dato de los realizados manualmente en el ejemplo difiera ligeramente de los que se han realizado con la ayuda de la hoja Excel que aparece en las figuras. Esto es debido a que los cálculos con la Excel se han hecho redondeando a dos decimales.

1.1.7. RESUMEN DEL PROCESO DE CÁLCULO

A continuación resumimos el proceso para el cálculo de la superficie de colectores necesaria para satisfacer unas determinadas necesidades de consumo de agua caliente sanitaria.

CALCULAR EL CONSUMOMENSUAL EN

MEGAJULIOS Y LA SUMA,QUE SERÁ EL CONSUMO

ANUAL

CALCULAR LA H SEGÚNLA TABLA 5 DE ANEXO C

CORREGIR H EN FUNCIÓNDE LA LOCALIZACIÓN DEL

COLECTOR

BUSCAR k EN LA TABLA 9Y CALCULAR E CON LA

FÓRMULA E=0,94kH

CON LAS HORAS ÚTILESY E CALCULAMOS LA

INTENSIDAD UTIL I

SE DETERMINA LASUSTITUCIÓN APORTADAPOR LA ENERGÍA SOLAR

Y EL PORCENTAJE

CON LA Tª AMBIENTEOBTENEMOS ELRENDIMIENTO

DEFINIMOS CON EL DATOANTERIOR LA ENERGÍA

NETA DISPONIBLE AL MESY LA TOTAL

DIVIDIENDO LA ENERGÍATOTAL NECESARIA POR

LA ENERGÍA NETADISPONIBLE TENEMOS

LOS METROSCUADRADOS DE

COLECTOR



38

1.2. CÁLCULO DEL VOLUMEN DE ACUMULACIÓN NECESARIO

La Sección HE 4 del Documento Básico HE del CTE, en el punto 3.3.3.1 nos indica que para la aplicación de ACS, el área total de los colectores tendrá un valor tal que se cumpla la condición:

50 < V/A <180

Donde:

A, es la suma de las áreas de los colectores en m2.

Este valor en nuestro caso es de 154,88 m2.

V, es el volumen del depósito de acumulación en litros.

El valor recomendado para el volumen de acumulación solar será aproximadamente igual a la carga de consumo diaria.

En nuestro caso la carga de consumo diaria será:

120 x 80 = 9.600 l/día

Disol dispone de la gama de acumuladores de la familia ASV para grandes capacidades. Nos decidiremos por la instalación de 2 acumuladores modelo ASV5000 de 5.000 l de capacidad cada uno (10.000 l). Los acumuladores deberán estar instalados en serie invertida con el circuito de consumo y se instalarán llaves de corte que permitan anular uno para actividades de reparación o mantenimientos.

En la siguiente figura se muestra la conexión de 3 acumuladores solares en serie invertida con el circuito de consumo.

nº de camas Litros por cama y día



39

Form

ação

Abe

rta

B

A

AB

M

ST

Distribución de ACS

Retorno ACS

Red de agua fría

A instalacióncalderaAcumulación

convencional existente

Tubería de ida

Tubería de retorno

Red de agua fría

Agua caliente solar

Válvula antiretorno

Válvula de corte de esfera

Bomba

M Válvula de 3 vías motorizada todo-nada

ST Sonda de temperatura

Intercambiador de calor de placas

Indicamos a continuación las características de estos acumuladores.



40

Conocidos el volumen de acumulación, V = 10.000 l, y la superficie colectora, S = 154,88 m2, vamos a verificar si se la condición 50 < V/A <180.

¿50 < 10.000/154,88 <180?

50 < 64,57 <180

Estamos dentro de la condición. Además este resultado es acorde con lo que nos indica el Pliego de Condiciones Técnicas de Instalaciones de Baja Temperatura del IDAE en su apartado 3.1. En concreto allí nos indican que para instalaciones con fracciones solares bajas, se deberá considerar el uso de relaciones V/A pequeñas.



41

Form

ação

Abe

rta 2. DIMENSIONADO RESTO COMPONENTES

Una vez calculados los metros cuadrados de superficie colectora y el volumen de acumulación necesarios procederemos a calcular el resto de los componentes necesarios para nuestra instalación: intercambiador exterior de placas, bombas de circulación, diámetros de tuberías, espesores y tipo de aislantes, vaso de expansión, etc.

2.1. Cálculo del intercambiador exterior

En el apartado ”3.3.4 Sistema de intercambio” de la Sección HE 4 del Documento Básico del CTE nos indican que para el caso de un intercambiador independiente, la potencia mínima del intercambiador P, cumplirá la condición:

P≥ 500·A Siendo:

P, potencia mínima del intercambiador, en W A, el área de captadores, en m2

En el apartado anterior vimos que nuestro campo colector está formado por 64 colectores modelo Mágnum 25L, siendo el área de apertura de uno cualquiera de estos colectores S=2,42m2.

Por tanto, el área de captadores, A, era de 154,88 m2. Y la potencia de nuestro intercambiador deberá ser igual o superior a:

P≥ 500·154,88 = 77.440 W (66.630,97 Kcal/h)

Alfa Laval dispone de intercambiadores de calor de placas, aptos para circuitos solares, cuyas principales características se indican a continuación.

Producción de A.C.S. con panel solar



42

Nos decidimos por el intercambiador de placas de acero inoxidable AISI 316 modelo M6-FG de 13 placas.

2.2. CÁLCULO DE LOS DIÁMETROS DE LAS TUBERÍAS

En el apartado “3.4.5 Tuberías” de la sección HE 4 del Documento Básico HE del CTE nos indican que en las tuberías del circuito primario podrán utilizarse materiales como el cobre y el acero inoxidable. En el circuito secundario o de servicio de agua caliente sanitaria, podrá utilizarse cobre y acero inoxidable.

En nuestro caso, como proyectistas, nos decidiremos por la utilización de cobre como material para las tuberías en ambos circuitos, primario y secundario.

El Pliego de Condiciones Técnicas de Instalaciones de Baja Temperatura del IDAE, en el Anexo VII “Componentes” en su apartado “VII.6 Tuberías” nos indica que 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.

En este mismo apartado también nos indican que 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.

Todo esto lo deberemos tener en cuenta a la hora de calcular los diámetros de los distintos tramos de tuberías de nuestra instalación.



43

Form

ação

Abe

rta

El método más sencillo para el cálculo de diámetros de tuberías es la utilización de ábacos como los que aparecen al final de la unidad 3 del curso. En estos ábacos nos aparecen cuatro magnitudes:

Pérdida de carga,

Caudal de circulación,

Diámetro de la tubería y

Velocidad de circulación del fluido

En nuestro caso concreto utilizaremos el ábaco de la figura 29 que nos da la pérdida por rozamiento (mm de columna de agua por metro) para tubería de cobre (diámetro interior en milímetros).

En el cálculo de los diámetros de tuberías, los datos que conoceremos serán el caudal de circulación y la pérdida de carga unitaria. En este caso nosotros como proyectistas vamos a fijar una pérdida de carga unitaria inferior a 20 mmca por metro para nuestros cálculos.



44

Antes de consultar el ábaco debemos definir los distintos tramos de nuestra instalación y los caudales que circulan por los mismos.

Recordemos la disposición de nuestro campo de colectores que estaba formado por 8 baterías conectadas en paralelo constando cada batería de 8 colectores también conectados en paralelo tal y como se muestra en la figura.

0

1

2

3

4

5

9'

8'

7'

6'

10

9

8

7

6

10'

0'

1'

4'

5'

2'

3'

Si te fijas en la disposición anterior con esta configuración estamos cumpliendo con el apartado “3.3.5.1 Generalidades” de la sección HE 4 del Documento Básico HE del CTE que nos dice que debe concebirse inicialmente un circuito hidráulico de por si equilibrado. Este tipo de configuración se denomina de retorno invertido. En este caso la pérdida de carga en cada batería de colectores es la misma y no hay un camino preferencial de circulación del fluido por lo que los caudales están equilibrados.

Con todo esto ya estamos en disposición de determinar los caudales que circulan por los distintos tramos y los diámetros de tubería necesaria.



45

Form

ação

Abe

rta 2.2.1. TRAMO 0-1

Por este tramo circula el caudal que alimenta a las ocho baterías de colectores.

El caudal de circulación por este tramo será:

64 (colectores) x 40 (l/m2 h) x 2,42 (m2) = 6.195,2 l/h (6,2 m3/h)

Con este dato de caudal y con la pérdida de carga unitaria que hemos fijado vamos al ábaco:

La intersección de las dos rectas nos da un diámetro interior superior a 35 mm por lo que seleccionaremos tubería de cobre de diámetro interior 40 mm para este tramo (la comercial disponible inmediatamente superior).



46

2.2.2. TRAMO 1-2

Por este tramo circula el caudal que alimenta a las cuatro baterías de la izquierda de nuestra instalación.


32 (colectores) x 40 (l/m2h) x 2,42 (m2) = 3.097,6 l/h (3,1 m3/h)





47

Form

ação

Abe


Por este tramo circula el caudal que alimenta a las tres baterías inferiores del margen izquierdo inferior de la instalación.


24 (colectores) x 40 (l/m2h) x 2,42 (m2) = 2.323,2 litros/h (2,3 m3/h)





48

2.2.4. TRAMO 3-4

Por este tramo circula el caudal que alimenta a las dos baterías inferiores del margen izquierdo inferior de la instalación.


16 (colectores) x 40 (l/m2h) x 2,42 (m2) = 1.548,8 litros/h (1,55 m3/h)


La intersección de las dos rectas nos da un diámetro interior de 20 mm.



49

Form

ação

Abe


Por este tramo circula el caudal que alimenta a una batería de colectores, en concreto la inferior de la izquierda.


8 (colectores) x 40 (l/m2h) x 2,42 (m2) = 774,4 litros/h (0,78 m3/h)





50

2.2.6. TRAMO 6-7

Por este tramo circula el caudal que alimenta a la batería superior de la izquierda y por tanto el diámetro de este tramo será el mismo que el del tramo 4-5.

2.2.7. TRAMO 7-8

Por este tramo circula el caudal que alimenta a las dos baterías de colectores de la parte superior izquierda y por tanto el diámetro de este tramo será el mismo que el del tramo 3-4.

2.2.8. TRAMO 8-9

Por este tramo circula el caudal que alimenta a las tres baterías de colectores de la parte superior izquierda y por tanto el diámetro de este tramo será el mismo que el del tramo 2-3.

2.2.9. TRAMO 9-10

Por este tramo circula el caudal que alimenta a las cuatro baterías de colectores de la izquierda y por tanto el diámetro de este tramo será el mismo que el del tramo 1-2.

La parte derecha de la instalación es simétrica a la de la izquierda y por tanto los cálculos realizados para los distintos tramos son los mismos.

En la tabla siguiente se indican las tuberías de cobre elegidas para los diferentes tramos de nuestra instalación:

Tramo Tubería

0-1 y 1´-0´ 40/42

1-2 y 1´-2´ 33/35

2-3 y 2´-3´ 26/28

3-4 y 3´-4´ 20/22

4-5 y 4´-5´ 16/18

6-7 y 6’-7’ 16/18

7-8 y 7’-8’ 20/22

8-9 y 8’-9’ 26/28

9-10 y 9’-10’ 33-35



51

Form

ação

Abe

rta

El diámetro de la tubería del circuito secundario lo obtendremos también a partir del ábaco y para ello consideraremos que el caudal que circula por dicho circuito es también de unos 6,2 m3/h y la pérdida de carga unitaria inferior a 20 mmca por m.

La intersección de las dos rectas nos da un diámetro interior superior a 35 mm por lo que seleccionaremos tubería de cobre de diámetro interior 40 mm para este tramo (la comercial disponible).

Elegiremos pues para el circuito secundario tubería de cobre 40/42.



52

2.3. CÁLCULO DE LA DISTANCIA ENTRE BATERÍAS DE COLECTORES

Para el cálculo de la distancia entre 2 baterías de colectores utilizaremos la expresión que vimos en la unidad 3:

d = l (sen α/tan ho + cos α)

Para este caso concreto:

l = 2,065 m (longitud del colector)

α = 40º (ángulo de inclinación de los colectores, calculado en la práctica anterior)

ho= (90°-Latitud lugar) - 23.5° = 90º - 40,4º - 23,5º = 26,1º (la latitud de Madrid la obtendremos de la Tabla 1 del Anexo A)

Con estos valores tendremos:

d = 2,065 x (sen 40/tan 26,1 + cos 40) = 2,065 x (1,312 + 0,766) = 2,065 x 2,078 = 4,3 m

Si a este resultado aplicamos un 25% más por motivos de seguridad, la distancia mínima entre filas de colectores será:

d = 1,25 x 4,3 = 5,375 m → 5,5 m



53

Form

ação

Abe

rta 2.4. CÁLCULO DE AISLAMIENTOS

Vimos en la unidad 5 que los componentes de una instalación (equipos, aparatos, conducciones y accesorios) deberán disponer de un aislamiento térmico cuando contengan fluidos a temperatura superior a 40ºC y estén situados en locales no calefactados.

Los espesores de aislamiento (expresados en mm) de tuberías y accesorios situados al interior no serán inferiores a los valores de la siguiente tabla:

Fluido interior caliente

Temperatura del fluido (ºC) Diámetro exterior (mm) (*)

40 a 65 66 a 100 101 a 150 151 a 200

D≤35 20 20 30 40

35<D≤60 20 30 40 40

60<D≤90 30 30 40 50

90<D≤140 30 40 50 50

140<D 30 40 50 60

(*) Diámetro exterior de la tubería sin aislar.

NOTA: para instalaciones solares de ACS y calefacción se emplearán los datos de la 1ª columna

Para tuberías y accesorios situados al exterior, los valores de la tabla anterior se incrementarán en 10 mm como mínimo.

Para el aislamiento de nuestra instalación nos decidimos por el fabricante Armacell. Este fabricante dispone del aislante Armaflex S (HT), un aislamiento flexible de espuma elastomérica resistente a altas temperaturas que optimiza la eficiencia de las instalaciones de energía solar térmica para ACS.

A continuación se muestran las principales características de este aislamiento:



54

Conocidos los diámetros exteriores de los distintos tramos de tuberías de nuestra instalación seleccionamos el aislamiento más adecuado:



55

Form

ação

Abe

rta

Tubería de cobre Cu

(diámetro exterior mm) Aislamiento interior 20 mm Aislamiento exterior 30 mm

18 HT-20X018-SWH HT-30X018-SWH




El fabricante de este tipo de aislamientos nos indica que para medidas superiores a 35 mm consultemos con su Departamento Comercial, por lo que eso es lo que deberíamos hacer en este caso para conocer el aislamiento adecuado para nuestra tubería de 42 mm de diámetro exterior.

2.5. CÁLCULO DE LA BOMBA DE CIRCULACIÓN

Para el correcto dimensionado de la bomba de circulación necesitamos saber:

El caudal de fluido que debe circular por la instalación.

Las pérdidas de carga total de la instalación que la bomba tiene que vencer.

El caudal del fluido caloportador del circuito primario es un dato que ya hemos calculado con anterioridad y es de 6,2 m3/h.

En cuanto a la pérdidas de carga de este circuito, deberemos calcular:

Pérdidas de carga en la red de tuberías (lineales).

Pérdidas de carga locales en accesorios.

Pérdidas de carga en colectores.

Pérdidas de carga en el intercambiador.

Las pérdidas de carga en la red de tuberías se calcula multiplicando la perdida de carga unitaria por metro, que recordemos hemos fijado en 20 mmca por m, por la longitud total de tubería.

Realizaremos el cálculo para una batería ya que la bomba que seleccionemos si es capaz de vencer las perdidas de carga para esta batería será capaz de hacerlo para cualquiera de las baterías restantes de la



56

instalación debido a que la longitud del camino de ida y retorno para el fluido es el mismo para todas por tratarse de un circuito equilibrado hidráulicamente. En el caso de que el sistema no estuviese equilibrado se elegiría para el cálculo la batería más alejada a la bomba.

Así calcularemos las pérdidas de carga para una cualquiera de las baterías:

0

1

2

10

9

8

7

6

0'

1'

Sabemos que las longitudes de cada uno de los tramos son las siguientes:

Tramo 0-1 → 12 m

Tramo 1-2 → 32,5 m

Tramo 6-7 → 5,5 m

Tramo 7-8 → 5,5 m

Tramo 8-9 → 5,5 m

Tramo 9-10 → 5,5 m

Tramo 1’-0’ → 12 m

Total longitud de tuberías = 12 + 32,5 + 5,5 + 5,5 + 5,5 + 5,5 + 12 = 78,5 m



57

Form

ação

Abe

rta

Para el cálculo de de las pérdidas de carga por batería de colectores utilizaremos los datos que nos suministra el fabricante Disol para su modelo de colector Mágnum 25L.

Si te fijas, las pérdidas de carga para una batería de 8 captadores conectados en paralelo son de 1493,53 mmca.

Para el cálculo de las pérdidas de carga locales utilizaremos el procedimiento expresar estas como un % de las pérdidas de carga lineales de la instalación, generalmente entre un 20% y un 30% dependiendo de la cantidad de curvas y complejidad de la instalación.

Nosotros como proyectistas vamos a fijar un 30%.

De este modo, las pérdidas de carga locales en accesorios, pl,, serán:

Pl = 0,3 x 1.493,53 = 448,06 mmca

Las pérdidas de carga en el intercambiador será un dato que nos facilitará el fabricante del mismo.

En este caso el fabricante Alfa Laval nos indica que para el intercambiador modelo M6-FG son de 2.510 mmca.

Tendremos:

PI = 2.510 mmca



58

Conocido este dato ya podremos calcular la pérdida de carga total del primario de la instalación:

pT = 1.493,53 + 448,06 + 2.510 = 4.451,6 mmca

Conocido el caudal necesario y la pérdida de carga total que tiene que vencer la bomba, mediante el diagrama caudal-presión de la bomba suministrado por el fabricante se puede seleccionar el modelo adecuado.

En nuestro caso la bomba tendrá que suministrar un caudal de 6,2 m3/h y deberá ser capaz de vencer unas pérdidas de carga de 4.451,6 mmca.

Vamos a elegir una bomba de la familia UPS del fabricante Grundfos.

El modelo de bomba UPS 32-80 se ajusta perfectamente a nuestras necesidades.



59

Form

ação

Abe

rta

Hasta aquí hemos calculado la bomba necesaria para el circuito primario. Para calcular la necesaria para el circuito secundario procederemos de forma análoga.

Las pérdidas de carga en la red de tuberías se calculan multiplicando la perdida de carga unitaria por metro, que recordemos hemos fijado en 20 mmca por m, por la longitud total de tubería. En este caso la longitud total de tubería para el circuito secundario es de 10 m (Ten en cuenta que el intercambiador está situado en el mismo cuarto que los acumuladores).

Las perdidas de carga, p, lineales valdrán:

p = 20 x 10 = 200 mmca

Para el cálculo de las pérdidas de carga locales, al igual que para el caso del circuito primario, utilizaremos el procedimiento de expresar estas como un % de las pérdidas de carga lineales de la instalación, generalmente entre un 20% y un 30% de las pérdidas de carga en tuberías dependiendo de la cantidad de curvas y complejidad de la instalación.

Nosotros como proyectistas vamos a fijar un 20% ya que por lo general el circuito secundario tiene menos accesorios.

De este modo, las pérdidas de carga locales en accesorios, pl,, serán:

pl = 20 x 0,2 x 10 = 40 mmca

Las pérdidas de carga en el intercambiador será un dato que nos facilitará el fabricante del mismo.

En este caso Alfa Laval nos dice que las pérdidas de carga en el circuito secundario para su modelo M6-FG son de 2009 mmca.

Tendremos:

pI = 2.009 mmca

El fluido de circulación del circuito secundario es agua por lo que no se deberá aplicar ningún factor corrector para el cálculo de las pérdidas de carga.



60

Conocido este dato ya podremos calcular la pérdida de carga total que corresponde a la expresión:

pT = 200+40+2009 = 2.249 mmca

Al igual que antes la bomba que seleccionemos para el circuito secundario tendrá que suministrar un caudal de 6,2m3/h y deberá ser capaz de vencer unas pérdidas de carga de 2.249 mmca.

Vamos a elegir también una bomba de la familia UPS del fabricante Grundfos.

En este caso el modelo UPS 32-55 se ajusta perfectamente a nuestras necesidades.

2.6. DIMENSIONADO DEL VASO DE EXPANSIÓN

Para el cálculo del volumen del vaso de expansión necesario para el circuito primario de nuestra instalación solar térmica seguiremos lo indicado en la Instrucción UNE 100-155-88.

Según esta instrucción para un vaso de expansión cerrado con fluido en contacto indirecto (con diafragma) con un gas presurizado, el volumen total del vaso se calcula mediante la siguiente expresión:

Vt = V x Ce x Cp



61

Form

ação

Abe

rta

Donde:

Vt, volumen total del vaso de expansión.

V, contenido total de fluido caloportador en el circuito primario de la instalación solar.

Ce, coeficiente de dilatación del fluido caloportador.

Cp, coeficiente de presión del gas.

Empezaremos calculando el volumen de fluido caloportador de la instalación solar, V, en litros. Para ello nos ayudaremos de una de las tablas que vimos en la unidad 3 y que entre otras cosas nos permite conocer el volumen estimado en l/m en función del diámetro de tubería de cobre.

Resistencia Recorrid

o Diámetro exterior

(mm)

Espesor (mm)

Diámetro interior (mm)

Peso lineal (Kg/m)

Superficie pared exterior

(cm2/m)

Sección interior (mm2)

Capacidad (l/m) Útil

(Kp/cm2) Rotura

(Kp/cm2)

0,75 16,5 0,362 214 0,214 40 199 18

1 16 0,475 565

201 0,201 55 275

1 20 0,587 314 0,314 44 220

1,2 19,6 0,698 302 0,302 54 269 22

1,5 19 0,860

691

284 0,284 69 347

1 26 0,753 531 0,531 34 169

1,2 25,6 0,899 515 0,515 41 206 28

1,5 25 1,111

880

491 0,491 53 264

1 33 0,951 855 0,855 27 133

1,2 32,6 1,134 835 0,835 32 162 35

1,5 32 1,405

1100

804 0,804 41 206

1 40 1,436 1257 1,257 22 110

1,2 39,6 1,369 1232 1,232 27 133 42

1,5 39 1,699

1319

1195 1,195 34 169

En nuestro caso tendremos:

Tubo de cobre 16/18 → 0,201 l/m.







62

Conocidos estos datos ya estamos en disposición de calcular el volumen:

Tramo Tubo de cobre Longitud tramo Volumen

0-1 y 1’-0’ 40/42 2 x 12 m 1,257 x 24 = 30,168 l

1-2 y 1’-2’ 33/35 2 x 32,5 m 0,855 x 65 = 55,575 l

2-3 y 2’-3’ 26/28 2 x 5,5 m 0,531 x 11 = 5,841 l

3-4 y 3’-4’ 20/22 2 x 5,5 m 0,314 x 11 = 3,454 l

4-5 y 4’-5’ 16/18 2 x 5,5 m 0,201 x 11 = 2,211 l

6-7 y 6’-7’ 16/18 2 x 5,5 m 0,201 x 11 = 2,211 l

7-8 y 7’-8’ 20/22 2 x 5,5 m 0,314 x 11 = 3,454 l

8-9 y 8’-9’ 26/28 2 x 5,5 m 0,531 x 11 = 5,841 l

9-10 y 9’-10’ 33/35 2 x 5,5 m 0,855 x 11 = 9,405 l

Total volumen 118,16 litros

A este volumen hay que añadirle el contenido en el primario de nuestro intercambiador de calor. Consultando con el fabricante Alfa Laval, este nos indica que para su modelo M6-FG el volumen de líquido contenido en el primario del mismo es de 1,8 l.

118,16 + 1,8 = 119,96 l

Y también el volumen de fluido caloportador contenido en los colectores.

De la hoja de características de nuestro colector Mágnum 25L vemos que este colector contiene un volumen de fluido de 2,0 l.

Como nuestra instalación está formada por 64 colectores, entonces:

Volumen total colectores VA = 64 captadores x 2,0 litros/captador = 128 l

Con todos estos datos, el volumen total de fluido caloportador en el primario de nuestra instalación solar será:

V = 119,96 + 128 = 247,96 l

El siguiente paso será calcular el coeficiente de presión del gas, Cp. Este coeficiente representa la relación entre el volumen total, Vt, y el volumen útil, Vu, del vaso de expansión.



63

Form

ação

Abe

rta

Se obtiene mediante la expresión:

Cp=mM

M

PPP−

Donde:

Cp, coeficiente de presión del gas.

PM, presión máxima en el vaso.

Pm, presión mínima en el vaso (presión inicial de nitrógeno del vaso de expansión)

La instrucción UNE 100-155-88 nos dice que la presión máxima de funcionamiento, PM, será ligeramente menor que la presión de tarado de la válvula de seguridad, Pvs, que, a su vez, será inferior a la menor entre las presiones máximas de trabajo, a la temperatura de funcionamiento, de los equipos y aparatos que forman parte del circuito.

El fabricante de los colectores que hemos seleccionado para nuestra instalación, Disol, nos indica que la presión de trabajo del primario debe ser de 6 bar, por lo que la presión de tarado de la válvula de seguridad colocada en la entrada de cada una de las baterías de colectores será de 6 bar.

Tendremos pues:

Pvs = 6 bar

Una vez conocida la presión de tarado de la válvula de seguridad, para el cálculo de la presión máxima en el vaso se elegirá el menor de los siguientes valores:

PM = 0,9 x Pvs + 1 = 0,9 x 6 + 1 = 6,4 bar

PM = Pvs + 0,65 = 6 + 0,65 = 6,65 bar

En este caso la presión máxima en el vaso elegida será de 6,4 bar.

La presión mínima de funcionamiento en el vaso, Pm, se calculará mediante la expresión:

Pm = 1,5 bar + 0,1·h

Donde h es la altura estática de la instalación en m.



64

En nuestro caso, el vaso de expansión se encontrará situado en la sala de máquinas mientras que los colectores se encuentran situados en la cubierta plana de la azotea del edificio. La altura estática es de 12 m.

Entonces la presión mínima de funcionamiento el en vaso valdrá:

Pm = 1,5 + 0,1 x 12 = 2,7 bar

Conocidas las presiones máxima y mínima en el vaso, el coeficiente de presión resulta:

CP = 73,17,34,6

7,24,64,6

==−

El último paso del proceso de cálculo del vaso de expansión será calcular el coeficiente de expansión o dilatación, Ce, del fluido caloportador. Este coeficiente es siempre positivo y menor que la unidad y representa la relación entre el volumen útil del vaso de expansión, Vu, que debe ser igual al volumen de fluido expansionado, y el volumen de fluido contenido en la instalación.

El coeficiente de dilatación de la mezcla depende de su composición y del salto térmico, si consideramos la dilatación desde 4ºC hasta 100ºC, el valor para agua sin aditivos, es igual a 0,043. En el caso de que se utilice agua con anticongelante y no se disponga de información concreta respecto a la dilatación de la mezcla, podemos tomar un valor igual a 0,08.

En nuestro caso el fabricante Disol no nos indica el valor del coeficiente de expansión, Ce, para su medio portador de calor, WAX-40, que circula por los colectores por lo que tomaremos:

Ce = 0,08

Generalmente los fabricantes de colectores suelen suministrar el fluido caloportador más adecuado para los mismos y el valor de este coeficiente es conocido.



65

Form

ação

Abe

rta

Y el volumen total del vaso de expansión será:

Vt = V x Ce x Cp = 247,96 x 1,73 x 0,08 = 34,31 l

Consultando en el catálogo del fabricante Disol, nos decantamos por el vaso de expansión de membrana recambiable y conexión de 1” de 35 l de capacidad.

Este vaso está especialmente diseñado para instalaciones solares de presión máxima 10 bar y temperatura máxima de servicio 130ºC.

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