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Ninguna parte de este libro puede ser reproducida, grabada en sistema dealmacenamiento o transmitida en forma alguna ni por cualquier procedi-miento, 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 TURISMOENTE 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 sevienen realizando en materia de Energías Renovables buscan el aprovecha-miento de recursos propios, inagotables y sin ningún impacto ambiental, conel fin de contribuir, desde nuestra Comunidad Autónoma, al cumplimiento delos objetivos del Libro Blanco de la Energía de la UE y del Plan de Fomentode 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 importantenúmero de usuarios, tanto de familias, como de polideportivos, hoteles, indus-trias, etc., proporcionando ventajas económicas constatables y promoviendosu coparticipación y corresponsabilidad en la utilización de una energíamenos contaminante.
En este sentido, la Consejería de Industria, Comercio y Turismo, a través delEnte Regional de la Energía, ha elaborado un Plan para potenciar el desa-rrollo de la Energía Solar en Castilla y León, con el principal objetivo de esta-blecer una acción integral que aúne, tanto aspectos financieros, como técni-cos y administrativos.
Así, el Plan Solar de Castilla y León establece la necesidad de formación téc-nica de los profesionales de nuestra región, verdaderos motores del desarro-llo del mercado, con el consiguiente aumento de la actividad económica,puestos de trabajo, etc.
A los profesionales proyectistas va dirigido este Manual del Proyectista, demodo que su especialización permita dar respuesta a las expectativas de losusuarios en términos de satisfacción, entendiendo que esta tecnología es sus-ceptible de utilización por todo consumidor de energía térmica.
JOSÉ LUIS GONZÁLEZ VALLVÉConsejero de Industria, Comercio y Turismo
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ndice
Instalación en el Polideportivo Pedro Delgado Robledo (Segovia)
Í
ÍNDICE 6
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Capítulo 1:
Introducción a la energía solar térmica1.1. La energía solar.......................................................................... 121.2. El sistema solar térmico............................................................. 131.3. Objetivos de una instalación solar ............................................. 13
Capítulo 2:
Descripción de componentes y equipos2.1. Generalidades............................................................................. 162.2. Captadores solares ..................................................................... 162.3. Acumuladores ............................................................................ 182.4. Intercambiadores de calor.......................................................... 192.5. Bombas de circulación............................................................... 202.6. Aislamiento ................................................................................ 202.7. Vaso de expansión...................................................................... 212.8. Tuberías...................................................................................... 212.9. Válvulas y accesorios ................................................................ 222.10. Purgadores y desaireadores...................................................... 242.11. Termómetros ............................................................................ 252.12. Termostatos .............................................................................. 252.13. Termostato diferencial ............................................................. 252.14. Manómetro e hidrómetro ......................................................... 26
Capítulo 3:
Configuración de instalaciones de energía solar térmica3.1. Generalidades............................................................................. 283.2. Tipos básicos de instalaciones ................................................... 283.3. Elementos de las instalaciones solares ...................................... 313.4. Circuitos para A.C.S. ................................................................. 31
3.4.1. Sistemas no compactos .............................................. 313.4.2. Sistemas compactos ................................................... 343.4.3. Sistema de energía auxiliar ........................................ 34
3.5. Circuitos para calentamiento de piscinas .................................. 373.5.1. Sistemas sin intercambiador de calor. Piscinas
al aire libre ................................................................. 373.5.2. Sistemas con intercambiador de calor. Piscinas
cubiertas ..................................................................... 393.6. Circuitos para calefacción por suelo radiante............................ 403.7. Circuitos para varias aplicaciones ............................................. 403.8. Conexión del sistema auxiliar.................................................... 44
ENERGÍA SOLAR TÉRMICA: MANUAL DEL PROYECTISTA7
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Capítulo 4:Datos para el dimensionado de una instalación
4.1. Generalidades............................................................................. 464.2. Condiciones de uso .................................................................... 46
4.2.1. Consumo de A.C.S..................................................... 464.2.2. Piscinas....................................................................... 48
4.2.2.1. Piscinas al aire libre .......................................... 484.2.2.2. Piscinas cubiertas .............................................. 48
4.2.3. Calefacción................................................................. 494.2.4. Nivel de ocupación..................................................... 49
4.3. Condiciones climáticas .............................................................. 494.3.1. Radiación sobre superficie horizontal (H) ................. 504.3.2. Radiación sobre superficie horizontal modificada..... 504.3.3. Radiación sobre superficie inclinada ......................... 504.3.4. Horas útiles de sol ...................................................... 514.3.5. Temperatura ambiente media ..................................... 514.3.6. Temperatura del agua de red ...................................... 52
4.4. Datos geográficos ...................................................................... 524.5. Tablas para facilitar la recogida de datos .................................. 53
Capítulo 5:Dimensionado de la superficie de captación y del volumende acumulación
5.1. Especificaciones del Plan Solar de Castilla y León .................. 565.2. Esquema a seguir en el dimensionado de una instalación
solar térmica .............................................................................. 585.3. Criterios de selección del captador solar ................................... 58
5.3.1. Rendimiento del captador .......................................... 595.3.2. Cálculo del rendimiento mensual del captador.......... 61
5.4. Calor útil medio que se obtiene con el captador ....................... 625.5. Superficie y número de captadores necesarios.......................... 635.6. Dimensionado del sistema de acumulación............................... 645.7. Demanda energética de A.C.S. .................................................. 655.8. Demanda energética de piscinas................................................ 65
5.8.1. Piscinas al aire libre ................................................... 655.8.2. Piscinas cubiertas ....................................................... 665.8.3. Tablas para el cálculo de pérdidas en piscinas........... 675.8.4. Selección del captador solar....................................... 695.8.5. Intensidad radiante ..................................................... 695.8.6. Calor útil que se obtiene con el captador................... 69
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5.9 Demanda energética de calefacción por suelo radiante.............. 705.9.1. Método de los grados-día........................................... 705.9.2. Método de cálculo de las demandas caloríficas......... 71
Capítulo 6:Diseño del sistema de captación6.1. Generalidades............................................................................. 746.2. Orientación e inclinación........................................................... 756.3. Determinación de sombras y distancia mínima
entre captadores......................................................................... 776.4. Estructura soporte ...................................................................... 796.5. Conexionado de los captadores ................................................. 82
Capítulo 7:Dimensionado y diseño del resto de componentes y equipos7.1. Salas de Máquinas ..................................................................... 887.2. Diseño del sistema de acumulación........................................... 897.3. Sistema de intercambio.............................................................. 91
7.3.1. Intercambiador de calor independiente ...................... 927.3.2. Intercambiador de calor incorporado
en el acumulador ........................................................ 937.4. Tuberías y accesorios................................................................. 94
7.4.1. Tuberías ...................................................................... 947.4.2. Caudal......................................................................... 957.4.3. Válvulas de seguridad ................................................ 967.4.4. Otras válvulas............................................................. 967.4.5. Purga de aire y desaireación ...................................... 97
7.5. Bombas ...................................................................................... 987.6. Vaso de expansión...................................................................... 100
7.6.1. Vaso de expansión abierto.......................................... 1017.6.2. Vaso de expansión cerrado......................................... 102
7.7. Aislamiento ................................................................................ 1047.8. Fluido de trabajo ........................................................................ 1057.9. Sistemas de protección contra heladas ...................................... 1077.10. Temperaturas............................................................................ 1087.11. Presión ..................................................................................... 1097.12. Equipos compactos .................................................................. 1107.13. Sistema auxiliar........................................................................ 110
ENERGÍA SOLAR TÉRMICA: MANUAL DEL PROYECTISTA9
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Capítulo 8:Regulación y control
8.1. Generalidades............................................................................. 1158.2. Elementos de un sistema de regulación y control ..................... 1168.3. Sistemas de regulación y control ............................................... 117
8.3.1. Regulación por termostato ......................................... 1188.3.2. Regulación por temperatura diferencial actuando
sobre la bomba ........................................................... 1188.3.3. Regulación por temperatura diferencial y válvula
de conmutación .......................................................... 1198.3.4. Regulación por temperatura diferencial y válvula
mezcladora progresiva................................................ 1208.3.5. Regulación por temperatura diferencial y válvula
de by-pass progresiva................................................. 1218.3.6. Control de temperaturas extremas.............................. 122
8.3.6.1. Muy altas temperaturas en el circuito primario................................................ 122
8.3.6.2. Muy bajas temperaturas en el circuito primario................................................ 123
8.3.6.3. Muy altas temeperaturas en el circuito secundario ............................................ 124
Capítulo 9:Sistemas de medición energética
9.1. Generalidades............................................................................. 1269.2. Medida de temperatura .............................................................. 1279.3. Medida de caudal....................................................................... 1289.4. Medida de energía...................................................................... 1299.5. Medida de la radiación solar...................................................... 1319.6. Sistema de adquisición de datos ................................................ 131
Capítulo 10:Presupuesto de las instalaciones
10.1. Generalidades........................................................................... 13510.2. Tipos de presupuesto ............................................................... 136
10.2.1. Presupuestos por partida de obra ............................. 13610.2.2. Presupuestos por partidas globales .......................... 13610.2.3. Presupuestos simplificados ...................................... 137
ÍNDICE 10
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10.3. Costes normalizados de inversión, operación y mantenimiento según plan solar ........................................... 13710.3.1. 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 interésAV.1. Junta de Castilla y León.......................................................... 164AV.2. Entidades Públicas, Centros de Investigación
y Universidades....................................................................... 164AV.3. Otras direcciones de interés .................................................... 167
ANEXO VI:
Método F-ChartAVI.1. Antecedentes, aplicación y metodología............................... 169AVI.2. Cálculo del parámetro D1 ..................................................... 170AVI.3. Cálculo del parámetro D2 ..................................................... 171AVI.4. Cálculo de la gráfica-f........................................................... 172AVI.5. Cálculo de la cobertura solar ............................................... 172
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1Introducción a la energía solar térmica
Centro Asistencial San Juan de Dios (Palencia)
INTRODUCCIÓN A LA ENERGÍA SOLAR TÉRMICA 12
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Introducción ala energía solar térmica1
1.1. La energía solar
El aprovechamiento energético del sol, directo o indirecto, de forma natural o artificial hasido 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 másdinámicos y directos, constituye un objetivo del que se ha tomado conciencia en épocasmás recientes.
La energía solar como fuente energética presenta como características propias una ele-vada calidad energética con nulo impacto ecológico e inagotable a escala humana. Comodificultades principales asociadas al aprovechamiento de este tipo de energía cabe desta-car la variabilidad con la que esta energía llega a la tierra como consecuencia de aspec-tos geográficos, climáticos y estacionales.
En cualquier caso para los próximos años se prevé una gran demanda de uso de la ener-gía solar impuesta por el contexto que tratan de desarrollar las políticas energéticas mate-rializadas 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 lasenergías renovables en nuestro país. Este Plan marca como objetivo general conseguir queen el año 2010 el 12,3% del total de la energía consumida en España tenga su origen enfuentes renovables, esto supone un incremento que requiere duplicar la participación por-centual 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 ini-ciativas para el fomento de las energías renovables. En el campo de la Energía Solar, hadesarrollado 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 fina-lidad es la promoción de proyectos, que se desarrollen en el área del uso de la energíasolar térmica, a realizar en Castilla y León. En este sentido, el Ente Regional de la Energíade Castilla y León (EREN) refuerza la instrumentación existente para un mayor desarro-llo del programa.
ENERGÍA SOLAR TÉRMICA: MANUAL DEL PROYECTISTA13
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1.2. Sistema solar térmico
Se llama sistema solar térmico a toda instalación destinada a convertir la radiación solaren calor útil.
Un sistema solar de baja temperatura es aquel cuya temperatura de trabajo es menor de100 ºC. Este sistema, de forma general, requiere el acoplamiento de tres subsistemasprincipales:
La eficacia global del sistema está condicionada por el propio diseño de cada uno de suscomponentes, pero también por la interrelación de éstos entre sí.
Todo proyectista de sistemas de energía solar debe tener presente la importancia de lacalidad 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 energíaconvencional.
La cantidad de energía solar aprovechable, depende de múltiples factores, algunos deellos pueden ser controlados en el diseño e instalación (orientación, inclinación, ubica-ción de los captadores, etc.) y otros se escapan a toda posibilidad de control, ya que sonconsecuencia de la localización geográfica de la instalación y de los parámetros meteo-rológicos del lugar.
Figura 1.1: Sistema solar térmico
INTRODUCCIÓN A LA ENERGÍA SOLAR TÉRMICA 14
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NECESIDADES DE ACS CUBIERTASCON INSTALACIÓN SOLAR
6.000
5.000
4.000
3.000
2.000
1.000
0
kWh
Demanda ACS
Aporte solar
Enero
Febre
roM
arzo
AbrilM
ayo
Junio
Julio
Agosto
Septie
mbre
Octubre
Noviem
breDici
embre
Figura 1.2: Porcentaje de sustitución de un sistema solar
Es muy importante saber que aunque técnicamente es posible disponer únicamente de unainstalación de energía solar térmica de baja temperatura para garantizar el consumo, estecriterio llevaría a dimensionar instalaciones muy grandes y desproporcionadas, además deser económicamente inviables.
Para realizar instalaciones solares térmicas competitivas económicamente, será necesarioincorporar y/o utilizar sistemas convencionales de apoyo energético que permitan garan-tizar el abastecimiento de energía en determinados momentos.
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2Descripción decomponentes y equipos
Residencia Juvenil Consejo de Europa (León)
DESCRIPCIÓN DE COMPONENTES Y EQUIPOS 16
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Descripción decomponentes y equipos2
2.1. GeneralidadesUna instalación de energía solar térmica ha de incluir una serie de elementos indispensa-bles para el correcto funcionamiento y control de la instalación. Algunos de estos ele-mentos son obligatorios, por tratarse de elementos de seguridad, y otros tienen como fina-lidad la mejora del rendimiento de la instalación y del mantenimiento.
En este capítulo se hace una breve descripción de los componentes y equipos que habi-tualmente 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 Reglamentode 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, debiendosituar entre ambos, juntas o manguitos dieléctricos.
• Los materiales situados en intemperie se protegerán contra los agentes ambien-tales, 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. Tienecomo 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 solamen-te se hablará del captador de placa plana.
Para poder hacer una buena elección de un captador, es preciso conocer las característi-cas de los elementos que lo constituyen.
ENERGÍA SOLAR TÉRMICA: MANUAL DEL PROYECTISTA17
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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 inver-nadero, reduce las pérdidas y asegura la estanqueidad del captador en unión con lacarcasa y las juntas. Suelen ser de vidrio o plástico transparente.
• Placa absorbente o absorbedor: Su misión es recibir la radiación solar, transfor-marla en calor y transmitirla al fluido caloportador (normalmente agua o agua conanticongelante). Existen múltiples modelos, los más típicos son: una placa metálicasoldada sobre una parrilla de tubos o dos placas metálicas separadas unos milíme-tros, entre las cuales circula el fluido caloportador. La cara del absorbedor expuestaal sol suele tener un revestimiento o tratamiento especial para absorber mejor losrayos solares.
• Aislante lateral y posterior: Para disminuir las fugas de calor del interior del capta-dor. Se le debe exigir una serie de características como son: resistir temperaturas dehasta 150 ºC, no desprender vapores bajo la acción del calor y no perder sus cualida-des aislantes en caso de humedecerse.
• Caja, bastidor o carcasa: Contiene y soporta todos los elementos anteriores y los pro-tege de la intemperie. Debe resistir las variaciones de temperatura, la corrosión y ladegradación química.
Figura 2.1: Esquema e imagen de un captador solar de placa plana
DESCRIPCIÓN DE COMPONENTES Y EQUIPOS 18
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La radiación solar que llega al captador atraviesa la cubierta transparente, incide sobre laplaca absorbente y se transfiere al fluido que circula por el mismo.
Para el calentamiento de piscinas al aire libre existen unos captadores fabricados conmateriales plásticos o caucho resistente a los productos químicos, cloro, intemperie, rayosultravioleta 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, oestructura adecuada para ellos.
• Trabajan a temperaturas menores de 30 ºC.
Foto 2.2:Captadoressolares paracalentamientode piscinas
2.3. Acumuladores
La necesidad de energía no siempre coincide en el tiempo con la captación que se obtie-ne del sol, por lo que es necesario disponer de un sistema de acumulación que haga fren-te a la demanda en momentos de poca o nula radiación solar, así como a la producciónsolar en momentos de poco ó nulo consumo.
Para los sistemas solares térmicos se utiliza un depósito-acumulador donde se almacenaenergía en forma de agua caliente.
La utilización de acumuladores verticales tiene la ventaja de favorecer la estratificacióndel agua (el agua a mayor temperatura se sitúa en la parte superior del acumulador y elagua a menor temperatura en la parte inferior).
ENERGÍA SOLAR TÉRMICA: MANUAL DEL PROYECTISTA19
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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 transferirel calor de un fluido a otro, sin que estos se mezclen, independizando de esta manera losdos circuitos. Cuando éste existe, se encarga de transferir la energía captada en los cap-tadores, que contienen agua con anticongelante pues se instalan a la intemperie, al aguasanitaria del acumulador.
Los intercambiadores utilizados en una instalación solar son intercambiadores líquido-líquido, 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
DESCRIPCIÓN DE COMPONENTES Y EQUIPOS 20
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2.5. Bombas de circulación
Las bombas de circulación o electrocirculadores son aparatos accionados por un motoreléctrico, capaces de suministrar al fluido una cantidad de energía suficiente para trans-portar el fluido a través de un circuito, venciendo las pérdidas de carga existentes en elmismo.
Foto 2.5:Bomba decirculación
2.6. Aislamiento
El aislamiento es fundamental en una instalación de energía solar térmica para evitar pér-didas 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.
Serpentín helicoidal Haz tubular Doble envolvente Placas
Figura 2.4: Intercambiadores de calor
ENERGÍA SOLAR TÉRMICA: MANUAL DEL PROYECTISTA21
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Foto 2.6:Aislante
Foto 2.7:Vaso de
expansióncerrado
2.7. Vaso de expansión
Su función es absorber las dilataciones del fluido contenido en un circuito cerrado, y pro-ducidas por aumentos de temperatura. Pueden ser abiertos o cerrados. Así, los vasos deexpansión se colocarán siempre en los circuitos cerrados.
2.8. Tuberías
Las tuberías que se utilizarán en sistemas solares no difieren en ningún aspecto de lasque se encuentran en sistemas convencionales, por lo que se aplicarán los conocimien-tos tradicionales de fontanería y calefacción, y los materiales que se especifiquen en elproyecto.
Hay que tener en cuenta que las conducciones en el circuito del captador tienen quesoportar una temperatura máxima de 120 ºC.
DESCRIPCIÓN DE COMPONENTES Y EQUIPOS 22
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2.9. Válvulas y accesorios
Las válvulas son elementos intercalados en la red hidráulica capaces de regular e inte-rrumpir el paso del agua por la instalación.
La elección de las válvulas en una instalación de energía solar, se realiza de acuerdo conla 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 decarga para regular el caudal y equilibrar la instalación).
Foto 2.8:Válvulade bola
» Válvulas de asiento. El cierre se produce por asentamiento de un pistón elástico sobreel asiento del paso de la válvula. Su accionamiento puede ser manual, neumático o ser-vomotor.
Figura 2.9:Válvulade asiento
ENERGÍA SOLAR TÉRMICA: MANUAL DEL PROYECTISTA23
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» Válvulas de resorte. Permiten limitar la presión y proteger los componentes de la ins-talación. La legislación exige la colocación de válvulas de seguridad en todos los cir-cuitos sometidos a presión y a variaciones de temperatura.
» Válvulas de clapeta. Son válvulas antiretorno que impiden el paso del fluido en el sen-tido contrario al normal de circulación, produciéndose el cierre de forma automática porla propia presión del agua sobre el elemento de cierre.
Foto 2.10:Válvula
de resorte
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 formaautomática (generalmente por la acción de un motor accionado por las consignas delsistema de regulación).
» Grifos de vaciado. En la parte baja de la instalación es necesario colocar una llave depaso que permita vaciar el circuito. Se denominan también válvulas de cuadradillo, yaque 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 vál-vula de seguridad.
DESCRIPCIÓN DE COMPONENTES Y EQUIPOS 24
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Figura 2.12:Embudode 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 ins-talación.
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 medianteel purgador.
Ambos se colocan en los puntos más altos de la instalación.
Foto 2.13:Purgador
Foto 2.14:Desaireador
ENERGÍA SOLAR TÉRMICA: MANUAL DEL PROYECTISTA25
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2.11. Termómetros
Son instrumentos que miden la temperatura de un objeto o fluido. Hay que colocarlos deforma que el punto sensible del termómetro, esté en contacto con el fluido, pero sin estarbañado por éste.
Tipos: termómetros de contacto y de inmersión. En instalaciones de energía solar se uti-lizarán 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 suescala, 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 sólocircule 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 median-te sondas. El termostato diferencial compara ambas lecturas, de forma que cuando existauna diferencia de temperatura mayor que la fijada, pone en marcha el electrocirculador.
DESCRIPCIÓN DE COMPONENTES Y EQUIPOS 26
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Foto 2.17:Termostatodiferencial
Foto 2.18:Manómetro
2.14. Manómetro e hidrómetro
Aparatos que miden el valor de la presión del fluido en un conducto o depósito. El manó-metro 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 loestá.
Nota:
La presión relativa o manométrica es aquella que tiene lugar en el interior de un reci-piente o canalización. Su valor indica la presión que existe en el punto de medida porencima de la presión atmosférica (kg/cm2).
La presión absoluta es la suma de la presión relativa y la presión atmosférica (aproxima-damente 1 kg/cm2).
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3Configuración deinstalaciones de energíasolar térmica
Hotel La Vega (Valladolid)
CONFIGURACIÓN DE INSTALACIONES DE ENERGÍA SOLAR TÉRMICA 28
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Configuración de instalacionesde energía solar térmica3
3.1. Generalidades
Normalmente se tiene la idea de que los sistemas de aprovechamiento de la energía solartérmica han de ser siempre simples, esto suele venir motivado por la consideración deque, como la energía solar es gratis, abundante y natural, se adaptará fácilmente a cual-quier sistema.
Ciertamente tanto los principios de funcionamiento como las configuraciones de insta-laciones básicas son sencillos, pero esto no quiere decir que la labor del diseñador y delinstalador sea fácil y no necesite de verdaderos profesionales para llevarla a cabo.
En algunos casos se han realizado instalaciones por aficionados sin apenas conocimien-tos del tema e incluso con captadores fabricados artesanalmente, que aunque en principiofuncionen correctamente, inevitablemente conducen en un breve periodo de tiempo al fra-caso de la misma.
Según normativa (RITE – ITE 11):
• La ejecución de las instalaciones sujetas a este reglamento solamente puede serrealizada por empresas que estén registradas como empresas instaladoras en laespecialidad 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 tempera-tura, 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 porlos colectores es el mismo que se utiliza en el consumo (circuitos directos), o se divide endos circuitos independientes (circuitos indirectos).
ENERGÍA SOLAR TÉRMICA: MANUAL DEL PROYECTISTA29
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Indicar que en Castilla y León, el sistema predominante es el indirecto, a fin de utilizarfluidos anticongelantes en el circuito de los colectores (ubicados a la intemperie) e impe-dir su mezcla con el agua de consumo.
No obstante, sistemas de transferencia térmica directo son utilizados en la climatizaciónde piscinas al aire libre, mediante el empleo de captadores fabricados en materiales plás-ticos 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 colectoresdurante 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 princi-pio que produce el movimiento del agua en el circuito captador:
» Instalaciones con circulación por termosifón: Se basa en el aprovechamiento de lavariación de densidad de un fluido al modificar su temperatura. En el captador, la entra-da del fluido caloportador está en la parte inferior, al calentarse por efecto del sol, elfluido aumenta su temperatura y disminuye su densidad, por lo que tiende a subir. Esteefecto es continuo en todo el captador, por lo que el fluido adquiere suficiente inerciacomo para salir por la parte superior del captador, hasta el serpentín situado en el acu-mulador, donde cede el calor al agua contenida en el depósito. Al disminuir la tempe-ratura del fluido, su densidad aumenta y tiende a bajar, con lo que se cierra el circuitode circulación.
Con este sistema, la velocidad de circulación del fluido caloportador será proporcionala la diferencia de temperatura entre él y el agua acumulada.
Se utiliza en pequeñas instalaciones, sobre todo en equipos compactos.
CONFIGURACIÓN DE INSTALACIONES DE ENERGÍA SOLAR TÉRMICA 30
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» Instalaciones con circulación forzada: Una bomba en el circuito produce la circula-ción 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 ser-pentín o doble envolvente). Son adecuados para instalaciones pequeñas.
Figura 3.2: Instalación por termosifón
Figura 3.3: Instalación con intercambiador de calor incorporado al depósito
• Instalación con intercambiador de calor externo tipo placas o tubular. Suuso es aconsejable en grandes instalaciones.
Figura 3.4: Instalación con intercambiador de calor externo
ENERGÍA SOLAR TÉRMICA: MANUAL DEL PROYECTISTA31
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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 enenergía térmica, Subsistema captador.
• Los elementos de transmisión de esta energía térmica al agua destinada a satisfacerla demanda energética, Subsistema intercambiador.
• Los elementos de acumulación del agua calentada para su envío a la demanda ener-gética, 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 lacontinuidad 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 solarson:
• 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 lafinalidad de separar la instalación en dos circuitos y evitar que haya contacto entre el flui-do que circula por los captadores solares (normalmente con anticongelante) y el agua deconsumo. Los dos circuitos son el circuito primario, aquel que contiene el conjunto decaptadores, 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. conintercambiador de calor interno, en el cual el intercambiador se encuentra dentro deldepósito de acumulación.
En la figura 3.16. se representa una instalación solar de A.C.S. con intercambiador decalor externo, en la que el intercambiador se encuentra fuera del acumulador.
CONFIGURACIÓN DE INSTALACIONES DE ENERGÍA SOLAR TÉRMICA 32
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Figura 3.5: Instalación solar de A.C.S. con intrcambiador de calor interno
ENERGÍA SOLAR TÉRMICA: MANUAL DEL PROYECTISTA33
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Figura 3.6: Instalación solar de A.C.S. con intrcambiador de calor externo
CONFIGURACIÓN DE INSTALACIONES DE ENERGÍA SOLAR TÉRMICA 34
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3.4.2. Sistemas Compactos
Un equipo compacto integra uno o varios captadores, un acumulador y otros accesoriosen un reducido espacio.
Figura 3.7: Sistema compacto
Se utilizan en viviendas unifamiliares y, en general, en pequeñas instalaciones donde serequiere una superficie captadora muy pequeña (8 m2 como máximo).
Por norma general, los equipos termosifónicos utilizan sistema de calentamiento indirec-to a fin de evitar la congelación del agua contenida en los colectores, si bien en estas ins-talaciones y dadas las latitudes de Castilla y León, se deberá prestar especial atención ala posible congelación del circuito secundario.
Algunas marcas ofrecen equipos compactos preparados para un montaje sencillo, con ins-trucciones detalladas para poder ser montados por los propios usuarios. Se recomiendaque salvo que el usuario tenga experiencia en fontanería, se recurra a un instalador pro-fesional.
Las dificultades a la hora de instalar un sistema compacto pueden presentarse a la hora dela 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, infe-rior al deseado, siendo necesario un sistema convencional de apoyo o auxiliar, de mane-
ENERGÍA SOLAR TÉRMICA: MANUAL DEL PROYECTISTA35
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ra que el diseño del sistema de aprovechamiento favorezca el uso prioritario de la ener-gía 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 sufi-ciente para que pueda proporcionar la energía necesaria para la produccióntotal de agua caliente.
• El sistema convencional de apoyo o auxiliar deberá estar colocado en serie conel acumulador.
La complementariedad ideal en este tipo de instalaciones consiste en calentar todo loposible el agua con el aporte solar, y añadir después la cantidad de energía auxiliar estric-tamente precisa para conseguir la temperatura mínima aceptable para el uso. Los sistemasutilizados para este fin son mediante producción instantánea de la energía de apoyo o pro-ducción 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 deenergía de apoyo que debe aportar la potencia necesaria, variable en función de la tem-peratura 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 instantáneosde gas tipo doméstico con la condición de que la llama de gas se regule automáticamenteen función de la temperatura de entrada.
CONFIGURACIÓN DE INSTALACIONES DE ENERGÍA SOLAR TÉRMICA 36
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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 porel intercambio del agua caliente de los captadores, y el auxiliar, generalmente más peque-ño que el solar, situado entre éste y los puntos de consumo.
Figura 3.9: Producción de energía de apoyo en un acumulador independiente
Figura 3.10: Acumulador independiente utilizando válvula de tres vías
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 cadasistema, 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 lacorriente hacia el acumulador auxiliar.
ENERGÍA SOLAR TÉRMICA: MANUAL DEL PROYECTISTA37
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3.5. Circuitos para calentamiento de piscinas
El calentamiento de piscinas con energía solar es una utilización muy interesante. En pis-cinas 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 atra-sar el baño en horas frescas del día, sobre todo en climas más extremos. En piscinascubiertas 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 incorpo-ración de un sistema acumulador de calor, al actuar la propia masa de agua de la piscinacomo elemento de inercia para absorber el desfase entre la producción solar y la deman-da 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 deenergía auxiliar).
• Sistema con intercambiador de calor, para piscinas cubiertas (con aporte de energíaauxiliar).
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 antesdel filtro de la piscina. De allí irá a la batería de captadores, para volver a la piscina. Elsistema de control actúa sobre una válvula de 3 vías impidiendo el paso de agua por loscaptadores 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 aguafuentes de energía residuales o de libre disposición.
En la figura 3.11. se representa un esquema de una instalación solar para el calenta-miento de piscinas al aire libre.
CONFIGURACIÓN DE INSTALACIONES DE ENERGÍA SOLAR TÉRMICA 38
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Figura 3.11: Calentamiento de piscina al aire libre con captadores de caucho o de plástico, sin intercambiador
ENERGÍA SOLAR TÉRMICA: MANUAL DEL PROYECTISTA39
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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 apor-te de energía auxiliar que calentará el agua a través de un sistema de intercambio de formaposterior al solar.
Figura 3.12: Instalación solar para calentamiento de piscina cubierta
Según normativa (RITE – ITE 10.2):
• El consumo de energías convencionales para el calentamiento de piscinas estápermitido solamente cuando estén situadas en locales cubiertos.
• Se prohibe el calentamiento directo del agua de la piscina por medio de unacaldera, es necesario un sistema de intercambio.
CONFIGURACIÓN DE INSTALACIONES DE ENERGÍA SOLAR TÉRMICA 40
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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 delmismo, que pasa en forma de calor al recinto que se desea calefactar. No obstante, se hacepreciso diseñar un sistema de almacenamiento de energía a fin de hacer frente al desfaseentre producción y demanda.
La superficie captadora necesaria para asegurar un porcentaje de calefacción solar razo-nable, es mucho mayor que para el caso de A.C.S., y también se exige siempre un siste-ma convencional auxiliar, que se instalará en serie con el solar y siempre situado despuésde éste.
Se utilizan captadores solares planos, trabajando a temperaturas entre 30 y 50 ºC, rangoidóneo 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 unaaplicación exclusivamente, el mismo campo de captadores puede servir para varias apli-caciones, que podrán ser conjuntas o de temporada.
Un ejemplo de dos aplicaciones conjuntas es una instalación de A.C.S. y calentamientodel agua de una piscina cubierta.
Un ejemplo de dos aplicaciones de temporada es una instalación de calefacción enInvierno y calentamiento de una piscina al aire libre en Verano.
Un ejemplo de varias aplicaciones a la vez conjuntas y de temporada es una instalaciónde A.C.S., calefacción y calentamiento de una piscina al aire libre.
En un futuro bastante próximo, en las instalaciones para varias aplicaciones de tempora-da se encontrará la de calefacción en Invierno y refrigeración en Verano.
Debe tenerse especial cuidado en el dimensionado del volumen de acumulación y el dise-ño de la aplicación conjunta, así como el sistema de regulación implementado que definalas prioridades de abastecimiento de las diferentes demandas, generalmente mediante eluso de válvulas de tres vías, y los diferentes sistemas auxiliares de cada circuito.
ENERGÍA SOLAR TÉRMICA: MANUAL DEL PROYECTISTA41
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Figura 3.13: Instalación solar para A.C.S. y calentamiento de piscina al aire libre
CONFIGURACIÓN DE INSTALACIONES DE ENERGÍA SOLAR TÉRMICA 42
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Figura 3.14: Instalación solar pra A.C.S. y calentamiento de piscina cubierta
ENERGÍA SOLAR TÉRMICA: MANUAL DEL PROYECTISTA43
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Figura 3.15: Instalación solar para A.C.S., calentamiento de piscina al aire libre y suelo radiante
CONFIGURACIÓN DE INSTALACIONES DE ENERGÍA SOLAR TÉRMICA 44
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3.8. Conexión del sistema auxiliar
El proyectista debe tener presente que no se permite el aporte de energía auxiliar nidentro del acumulador solar, ni en el circuito primario.
Al igual que las demás partes del sistema, la conexión del sistema solar al sistema auxi-liar, 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, siem-pre 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 ins-talación solar cuando se cumplan los siguientes requisitos:» El sistema de energía auxiliar sea del tipo en línea, esté constituido por unoo varios calentadores instantáneos no modulantes o no sea posible regularla temperatura de salida del agua.» Exista una preinstalación solar que impida o dificulte el conexionado enserie.» Cuando el recorrido de tuberías de agua caliente desde el acumulador solarhasta el punto de consumo más lejano sea superior a 15 metros lineales através del sistema auxiliar.
• En todos estos casos, la conmutación de sistemas será fácilmente accesible yserá 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 garan-tizar el abastecimiento de A.C.S. en caso de paro de la instalación solar por avería, repa-ración o mantenimiento.
Figura 3.16: By-pass de la instalación solar
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Residencia Juvenil Doña Urraca (Zamora)
4Datos para el dimensionadode una instalación
DATOS PARA EL DIMENSIONADO DE UNA INSTALACIÓN 46
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Datos para el dimensionado de una instalación4
4.1. Generalidades
Antes de realizar el dimensionado de una instalación de energía solar, es necesario cono-cer una serie de datos:
• Condiciones de uso de la instalación: A.C.S., Piscina y Calefacción.
• Datos climatológicos: radiación sobre los captadores, temperatura exterior, tempe-ratura 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 indi-cación del volumen diario medio mensual, correspondiente a la temperatura de refe-rencia 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 proporciona-dos 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 formasde poder estimarlos:
» A partir de los consumos unitarios (tabla 4.1.) y del porcentaje de ocupación (versiguiente punto), se puede estimar la demanda mensual de A.C.S.
ENERGÍA SOLAR TÉRMICA: MANUAL DEL PROYECTISTA47
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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 dedatos, se utilizarán para el diseño los consumos unitarios máximos expresados en latabla 4.1.
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
Tipología de usuario litros/día
Tabla 4.1: Consumos unitarios estimados de A.C.S.
»Con facturas de combustible. Cuando se conoce el consumo de combustible utiliza-do en cada mes para calentar el A.C.S., se puede calcular el consumo diario deA.C.S. en ese mes como:
Litros / día de A.C.S.=
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 lafacturación 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 comprendi-do entre un 25 y un 35% del consumo total de agua fría de red.
»Por utilización de aparatos. Ver tabla 4.2.
Consumo mensual de combustible x PCI x η(Tuso – Tagua fría de red) x días/mes
DATOS PARA EL DIMENSIONADO DE UNA INSTALACIÓN 48
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Elemento Consumo(l) Caudal(l/s)
Lavabo 3 a 6 0,1 a 0,2
Bidé 5 a 7 0,1 a 0,15
Bañera 100 a 130 0,3 a 0,4
Ducha 30 a 50 0,2 a 0,3
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 seve favorecida por el bajo nivel térmico precisado en la misma.
En el caso de piscinas exteriores se pueden conseguir condiciones aptas para el baño enmeses menos favorables, como puede ser septiembre, mes en el que generalmente con-cluye la temporada de piscina en muchos lugares.
El cálculo de la demanda energética precisada por una piscina se realiza en el apartado5.8 del presente Manual.
4.2.2.1. Piscinas al aire libre
Los datos necesarios para calcular una piscina al aire libre son las pérdidas energéticaspor metro cuadrado (P) que tiene la piscina y la ganancia (H) que recibe la superficiehorizontal 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 atmósfe-ra en el periodo nocturno, pérdidas por convección, pérdidas por evaporación y pérdidaspor 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 delas pérdidas por reflexión en la superficie del agua, sombras parciales y otras pérdidas demenor cuantía.
4.2.2.2. Piscinas Cubiertas
En este caso, la ganancia solar directa es nula, por lo que únicamente será preciso calcu-lar las pérdidas de calor de la piscina (P) para obtener su demanda energética. Así, lascondiciones ambientales, temperatura y humedad, serán las del recinto, variables que soncontroladas por el equipo de climatización y por ello conocidas.
ENERGÍA SOLAR TÉRMICA: MANUAL DEL PROYECTISTA49
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4.2.3. Calefacción
Las aplicaciones de calefacción son compatibles con los colectores solares térmicos pla-nos habituales siempre y cuando sean de baja temperatura (suelo radiante), uniéndoseademás los beneficios de un mejor confort térmico y una mayor eficiencia energética dela propia instalación de calefacción.
Como en el caso de un sistema de calefacción convencional el sistema de calefacción porsuelo 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, paracalcular 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 delpresente Manual.
4.2.4. Nivel de ocupaciónEs 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 consu-mo de A.C.S., en el uso de las piscinas o en el de calefacción, en los distintos meses delaño.
• 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 losperiodos vacacionales.
• Para viviendas, que no sean de uso vacacional, en las que se han de considerar losmeses en los que las familias se ausentan de su residencia habitual (normalmentejulio y/o agosto).
• Para instalaciones deportivas, igualmente es necesario conocer el número de per-sonas que hacen uso de las mismas, entrenamientos diarios, competiciones, cur-sos, etc.
Como valores de ocupación máxima y variación ocupacional anual se utilizarán los datosfacilitados 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 conoci-miento de las condiciones climáticas del lugar donde se encuentra ubicada la instalación:
• Radiación horizontal e inclinada que incide sobre el captador.
DATOS PARA EL DIMENSIONADO DE UNA INSTALACIÓN 50
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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 1,50 2,47 3,67 4,81 6,17 6,00 6,53 6,11 4,78 3,08 1,86 1,28
Tabla 4.3: Radiación sobre superficie horizontal (en kWh/ m2 día)
4.3.2. Radiación sobre superficie horizontal modificada
En algunos casos se puede tomar la radiación sobre superficie horizontal modificada porun 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 eninvierno.
4.3.3. Radiación sobre superficie inclinada
La radiación incidente sobre la superficie inclinada del plano de los captadores, es la ener-gía total teórica que se puede esperar que incida en un día medio del mes considerado,por cada metro cuadrado de captador.
ENERGÍA SOLAR TÉRMICA: MANUAL DEL PROYECTISTA51
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Para conocerla se multiplica la radiación sobre superficie horizontal H por el coeficientecorrespondiente a la inclinación elegida k, dado por la tabla 4.4, según el Plan Solar deCastilla y León.
El coeficiente k representa el cociente entre la energía total incidente en un día sobreuna superficie orientada hacia el Ecuador e inclinada un determinado ángulo y otrahorizontal, y su valor difiere para cada uno de los meses del año.
E = H x k
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, descon-tando las horas iniciales y finales del día.
Este valor permite calcular la intensidad radiante por unidad de superficie y tiempo.
Latitud Ene Feb Mar Abr May Jun Jul Ago Sept Oct Nov Dic
De 25º a 45º 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 Ecuadore 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 elInstituto Nacional de Meteorología, reseñados en la siguiente tabla.
Inclinación(Grados)
DATOS PARA EL DIMENSIONADO DE UNA INSTALACIÓN 52
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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 4,3 6,2 10,2 12,7 15,4 20,6 23,7 22,4 19,3 14,1 9,1 5,0
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 cargade 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 9 11 13 15 17 19 19 17 15 13 11
Tabla 4.7: Temperaturas medias del agua fría de red (ºC)
La utilización de otros datos de temperaturas de agua fría deberá ser justificada, indican-do 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 lamisma se determinará la inclinación de los captadores.
ENERGÍA SOLAR TÉRMICA: MANUAL DEL PROYECTISTA53
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Altitud sobre el nivel del mar (m) Latitud (Grados)
Avila 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 provinciasde 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 H H` K E = k xH T ambiente de días Radiación Radiación Factor Radiación (ºC)del mes horizontal modificada corrección inclinada
(kWh/m2) (kWh/m2) (kWh/m2)
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
DATOS PARA EL DIMENSIONADO DE UNA INSTALACIÓN 54
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• Datos adicionales para Agua Caliente Sanitaria:
Mes Ta Consumo Consumo Ocupación Consumo realfría de A.C.S. A.C.S. (% mes) de A.C.S.red (ºC) (litros/día) (litros/mes) (litros/mes)
Ene
Feb
Mar
Abr
May
Jun
Jul
Ago
Sep
Oct
Nov
Dic
Año
• Datos adicionales para Piscinas:
• Datos adicionales para Calefacción:
PISCINA CUBIERTA
Profundidad
Largo
Ancho
Temperatura del agua de la piscina
Temperatura del recinto
Humedad relativa del recinto
PISCINA EXTERIOR
Profundidad
Largo
Ancho
Temperatura del agua de la piscina
Humedad relativa de la localidad
Velocidad media del viento en la localidad
CALEFACCIÓN
Coeficiente global de transmisión de calor
Superficie exterior de los cerramientos
Temperatura interior requerida
IMPRIMIR ÍNDICE
5Dimensionado de lasuperficie de captación y del
volumen de acumulación
Residencia Juvenil Doña Sancha (León)
DIMENSIONADO DE LA SUPERFICIE DE CAPTACIÓN Y DEL VOLUMEN DE ACUMULACIÓN 56
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Dimensionado de la superficie de captación y del volumen de acumulación5
5.1. Especificaciones del Plan Solar de Castilla y León
El dimensionamiento básico de una instalación de energía solar térmica se refiere a laselección de la superficie de captadores solares y del volumen de acumulación solar.
Para el dimensionado básico podrá utilizarse cualquiera de los métodos de cálculo acep-tados por proyectistas, fabricantes e instaladores, con preferencia, fundamentalmente, deuso 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 dediseño 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 inicialmen-te diseñada, el volumen de acumulación solar cumplirá:
50 ≤ V/A ≤ 80
ENERGÍA SOLAR TÉRMICA: MANUAL DEL PROYECTISTA57
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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 constantea 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 cargade consumo diaria (M).
Este conjunto de parámetros, hacen referencia únicamente a instalaciones de producciónde 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 estosparámetros de diseño, si bien el volumen de acumulación solar deberá cumplir lossiguientes requisitos:
DESFASE VOLUMEN DE ACUMULACIÓN SOLARPRODUCCIÓN / CONSUMO (litros por m2 de superficie captadora)
No existe desfase Entre 30 y 50
Desfases, habituales o periódicos,
no superiores a 1 díaEntre 50 y 80
Desfases, habituales o periódicos
superiores a 1 díaMayor de 80
En instalaciones solares térmicas que proporcionen cobertura, de manera conjunta, amás de una aplicación, suministro de agua caliente sanitaria o asimilados, climatizaciónde piscinas, instalaciones para calefacción y climatización, para procesos industriales oasimilados, así como el sector agrícola, ganadero, forestal y extractivo (minería), se debeconsiderar la parte proporcional de la superficie colectora total destinada a cada apli-cación, para calcular el volumen de acumulación solar que debe instalarse para cadauna de ellas.
El volumen del acumulador solar será el normalizado inmediatamente superior al resul-tante del cálculo anterior.
El dimensionado de las instalaciones solares deberá cumplir, de manera obligatoria, lassiguientes prestaciones mínimas, en Termias producidas por la instalación solar por uni-dad de superficie de captación solar instalada y año, en función de la aplicación a la cualla instalación solar va a proporcionar cobertura.
DIMENSIONADO DE LA SUPERFICIE DE CAPTACIÓN Y DEL VOLUMEN DE ACUMULACIÓN 58
IMPRIMIR ÍNDICE
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
radiante o de baja temperatura400
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 cli-matización de piscina), se particularizará la demanda energética concreta de la instalacióny la temperatura a la cual se requiere.
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.
DATOS CÁLCULOS
Demanda energéticaTemperatura de la redTemperatura demandada
Carga calorífica necesaria por mes
RadiaciónHoras útiles de sol
Intensidad radiante por mes
Intensidad radianteTemp. ambiente mediaTemp. de uso necesariaRendimiento del captador
Calor útil medio que se obtiene
con el captador por mes
Superficie captadora necesariaVolumen de acumulación solar
Según el Plan Solar de Castilla y León:
Los parámetros referentes a los factores de ganancia y pérdidas del captador debenser justificados a través del certificado de homologación del INTA u organismoreconocido por la legislación española.
ENERGÍA SOLAR TÉRMICA: MANUAL DEL PROYECTISTA59
IMPRIMIR ÍNDICE
Hay que elegir el captador solar, y una vez conocidas sus características, se puede dimen-sionar el campo de captadores y los demás elementos de la instalación.
El proyectista siempre será el responsable de la elección de los productos, equipos ymateriales que se van a utilizar en la instalación, así como de las posibles variantes quepuede adoptar éste para adaptarse a las características exigidas.
En la elección del captador solar pueden influir múltiples factores, tanto de carácter téc-nico como económico.
• Factores técnicos
El criterio básico y fundamental es el rendimiento y la temperatura de uso, así como lacalidad, tanto del colector, como del servicio prestado por la empresa suministradora (pla-zos de entrega, garantías, asistencia técnica, mantenimiento, reposición de piezas, etc.).
• Factores económicos
Los factores económicos influyen en la elección de los sistemas y productos, puestoque una instalación de energía solar se ejecuta, principalmente, para proporcionar unahorro de energía, con la consiguiente maximización de la amortización de la inversiónrealizada.
5.3.1. Rendimiento del captadorLa ecuación del rendimiento del captador es un dato suministrado por el fabricante delcaptador solar.
Según el Plan Solar de Castilla y León:
La memoria de diseño o proyecto incluirá todos los parámetros funcionales de la ins-talación 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.
DIMENSIONADO DE LA SUPERFICIE DE CAPTACIÓN Y DEL VOLUMEN DE ACUMULACIÓN 60
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El rendimiento de un captador es la relación entre la energía aportada al fluido calopor-tador y la energía solar que incide sobre el captador.
La ecuación del rendimiento puede ser escrita, simplificando la notación, de la siguientemanera:
C1 = FR · (τ · α) (Factor de Ganancia)
C2 = UL (Factor de Pérdidas)
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 quepermite utilizar la ecuación del rendimiento en función de la temperatura media del flui-do 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 coefi-ciente normalizado, U0, cuyo valor es 10 W/ m2 ºC, quedando los coeficientes de lasiguiente manera:
C1 = FR · (τ · α) (Factor de Ganancia)
C2 = UL / U0 (Factor de Pérdidas)
η = C1 - C2 · x
x =Tm - TaI
x =Tm - TaI
· U0
ENERGÍA SOLAR TÉRMICA: MANUAL DEL PROYECTISTA61
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Cuanto mayor sea el factor de ganancia de un captador y menor el factor de pérdidasmejor 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 ren-dimiento del captador A es mejor que el del captador B.
Captador B
Captador A
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 valoresque 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 instalarlos captadores solares.
DIMENSIONADO DE LA SUPERFICIE DE CAPTACIÓN Y DEL VOLUMEN DE ACUMULACIÓN 62
IMPRIMIR ÍNDICE
• La temperatura media del fluido en el captador, Tm. Se calcula como la media entrela temperatura del fluido a la entrada y a la salida del captador (ºC). A efectos prác-ticos 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).
I =E (kWh/m2 día) x 103
Horas útiles de sol
Radiación incidente sobre superficieinclinada. Punto 4.3.3.
Punto 4.3.4.
Mes Nº de E Horas útiles I Ta Tm η dedías del (kWh/m2 de sol (W/m2) (ºC) (ºC) cadames día) por día 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
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
Rendimiento del captadoren ese mes.
Radiación incidente sobresuperficie inclinada en ese mes
ENERGÍA SOLAR TÉRMICA: MANUAL DEL PROYECTISTA63
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Se estiman unas pérdidas globales de un 10% por distribución, intercambio y acumula-ción. 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 propor-cionado 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
Una vez seleccionado el mes más favorable se puede calcular la superficie de captación:
Según el Plan Solar de Castilla y León:
El cálculo de la superficie captadora se realizará de forma que se procure no supe-rar 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).
Superficie total de
captadores necesarios (m2)
Carga necesaria mes elegido
Calor útil captador mes elegido
Q
Qútil= =
Nº de captadores
necesarios
Superficie total
Superficie útil del captador=
DIMENSIONADO DE LA SUPERFICIE DE CAPTACIÓN Y DEL VOLUMEN DE ACUMULACIÓN 64
IMPRIMIR ÍNDICE
Hay que tener en cuenta que se deben cumplir las especificaciones dadas por el Plan Solarde Castilla y León.
Una vez calculado el número de captadores necesarios, se buscará la distribución másadecuada para que ésta sea homogénea y esté compuesta por baterías del mismo númerode elementos. En caso de que varíe el número de captadores, se volverán a hacer los cál-culos de nuevo con la superficie real del campo de captadores para obtener las prestacio-nes 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, enlitros tiene que cumplir:
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 elmercado, que más se aproxime a la carga de consumo diario medio de A.C.S. (M).
Según el Plan Solar de Castilla y León:
La superficie de captación se seleccionará de forma que, eligiendo adecuadamenteel número de captadores, resulte una distribución homogénea del campo de capta-dores, resultando baterías compuestas por el mismo número de elementos.
DESFASE VOLUMEN DE ACUMULACIÓN SOLARPRODUCCIÓN / CONSUMO (litros por m2 de superficie captadora)
No existe desfase Entre 30 y 50
Desfases, habituales o periódicos,
no superiores a 1 díaEntre 50 y 80
Desfases, habituales o periódicos
superiores a 1 díaMayor de 80
Según el Plan Solar de Castilla y León:
• Preferentemente, el sistema de acumulación solar estará constituido por un solodepósito, 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, asícomo la capacidad del mismo para poder soportar dichas cargas.
ENERGÍA SOLAR TÉRMICA: MANUAL DEL PROYECTISTA65
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5.7. Demanda energética de A.C.S.
La carga es la demanda térmica que la instalación debe aportar o satisfacer, es decir, elconsumo energético que, para el caso del A.C.S. es directamente proporcional al consu-mo 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 específicodel agua
(4,18 kJ/ºC kg)
Grados quehay quesuministraral agua (ºC)
Númerode días
del mes
Donde, m es la cantidad de agua diaria a calentar, cuyo valor, en aplicaciones con ocupa-ción 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, prác-ticamente, la latitud de la localidad.
5.8. Demanda energética de piscinas
Las necesidades energéticas de piscinas se calculan principalmente en función de las pér-didas térmicas en la pila de la piscina, calculándose de forma diferente si se trata de unapiscina 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 alcálculo de la diferencia entre las pérdidas (P) y la ganancia (H*) que recibe la superficiehorizontal 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 quesopla por encima de la capa de agua de la piscina. (Tabla 5.2).
• Pérdidas por evaporación desde la superficie del agua. Se produce continuamente ydepende del grado de humedad, de la temperatura del aire y para piscinas al airelibre, de la velocidad del viento. (Tabla 5.3).
• Pérdidas por conducción a través del fondo y de los laterales de la piscina, que sondespreciables frente a las pérdidas anteriores, y no se van a considerar.
• Pérdidas por arrastre y salpicaduras.
DIMENSIONADO DE LA SUPERFICIE DE CAPTACIÓN Y DEL VOLUMEN DE ACUMULACIÓN 66
IMPRIMIR ÍNDICE
Para la ganancia de piscinas al aire libre, hay que considerar que la irradiación que reci-be 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 elborde 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 sóloen función de las pérdidas energéticas, puesto que la ganancia solar en la cubeta de la pis-cina, 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 alaire libre considerando: viento nulo, temperatura ambiente de 24 ºC y humedad similar alas “zonas húmedas” (65 a 75%).
ENERGÍA SOLAR TÉRMICA: MANUAL DEL PROYECTISTA67
IMPRIMIR ÍNDICE
La energía total que debe aportar un captador solar será:
E = P A
Donde A es la superficie horizontal de la piscina en m2.
5.8.3. Tablas para el cálculo de pérdidas en piscinasA continuación se exponen tres tablas, que permiten conocer las pérdidas diarias porradiación, convección y evaporación respectivamente por cada metro cuadrado de pis-cina.
En todas las tablas se hace distinción entre si se utiliza o no manta térmica, ya que en elcaso de utilizarla las pérdidas disminuyen notablemente.
Nota: tºa (ºC) es la temperatura ambiente media durante las horas de sol.
Sin manta térmica Sin manta térmica Sin manta térmicaCon manta térmica Con manta térmica Con manta térmica
15 21 27
16 22 28
17 23 29
18 24 30
19 25 31
20 26 32
tº a (ºC) tº a (ºC) tº a (ºC)
14,69,614,19,213,58,9138,512,58,2127,8
11,47,510,87,110,36,79,76,39,15,98,55,5
7,95,17,34,76,74,263,85,43,44,72,9
Tabla 5.1: Pérdidas por radiación (MJ/m2). Fuente: CENSOLAR.
Grado de humedad
Muy seco
Seco
Medio
Húmedo
Muy Húmedo
Sin manta térmica
Con manta térmica
Sin manta térmica
Con manta térmica
Sin manta térmica
Con manta térmica
Sin manta térmica
Con manta térmica
Sin manta térmica
Con manta térmica
7,3 9,1 15,1 21,2
4,4 5,4 9,1 12,7
6,5 7,8 12,5 17,3
3,9 4,7 7,5 10,4
5,6 6,5 9,9 13,4
3,4 3,9 6 8
4,8 5,2 7,3 9,5
2,9 3,1 4,4 5,7
3,8 3,9 4,8 5,6
2,3 2,3 2,9 3,4
CONDICIONES DE VIENTONulo o muy débil Flojo Moderado Moderadamente Fuerte
Tabla 5.2: Pérdidas por convección (MJ/m2). Fuente: CENSOLAR.
DIMENSIONADO DE LA SUPERFICIE DE CAPTACIÓN Y DEL VOLUMEN DE ACUMULACIÓN 68
IMPRIMIR ÍNDICE
tº a (ºC)
15
16
17
18
19
20
21
22
23
24
25
26
27
28
29
30
31
32
Sin manta térmica
Con manta térmica
Sin manta térmica
Con manta térmica
Sin manta térmica
Con manta térmica
Sin manta térmica
Con manta térmica
Sin manta térmica
Con manta térmica
Sin manta térmica
Con manta térmica
Sin manta térmica
Con manta térmica
Sin manta térmica
Con manta térmica
Sin manta térmica
Con manta térmica
Sin manta térmica
Con manta térmica
Sin manta térmica
Con manta térmica
Sin manta térmica
Con manta térmica
Sin manta térmica
Con manta térmica
Sin manta térmica
Con manta térmica
Sin manta térmica
Con manta térmica
Sin manta térmica
Con manta térmica
Sin manta térmica
Con manta térmica
Sin manta térmica
Con manta térmica
11,3 16,3 20 25,1
6,2 8,9 11 13,7
10,5 15,2 18,7 23,3
5,7 8,2 10,1 12,6
9,7 14,1 17,3 21,6
5,2 7,5 9,2 11,5
8,9 12,9 15,9 19,9
4,7 6,8 8,3 10,4
8,2 11,8 14,5 18,1
4,2 6 7,4 9,3
7,4 10,7 13,1 16,4
3,7 5,3 6,5 8,2
6,6 9,5 11,8 14,7
3,2 4,6 5,7 7,1
5,8 8,4 10,4 13
2,7 3,9 4,8 6
5,1 7,3 9 11,2
2,2 3,2 3,9 4,9
4,3 6,2 7,6 9,5
1,7 2,4 3 3,7
3,5 5,1 6,2 7,8
1,2 1,7 2,1 2,6
2,7 3,9 4,8 6
0,7 1 1,2 1,5
1,9 2,8 3,5 4,3
0,2 0,3 0,3 0,4
1,2 1,7 2,1 2,6
-0,3 -0,4 -0,5 -0,7
0,4 0,6 0,7 0,9
-0,8 -1,2 -1,4 -1,8
-0,4 -0,6 -0,7 -0,9
-1,3 -1,9 -2,3 -2,9
-1,2 -1,7 -2,1 -2,6
-1,8 -2,6 -3,2 -4
-1,9 -2,8 -3,5 -4,3
-2,3 -3,3 -4,1 -5,1
CONDICIONES DE VIENTONulo o muy débil Flojo Moderado Moderadamente Fuerte
Tabla 5.3: Pérdidas por evaporación (MJ/m2). Fuente: CENSOLAR.
Aún cuando no haya una clasificación precisa, a efectos orientativos pueden considerar-se zonas de viento nulo o muy débil aquellas en que la velocidad media (media de las
ENERGÍA SOLAR TÉRMICA: MANUAL DEL PROYECTISTA69
IMPRIMIR ÍNDICE
velocidades en un periodo suficientemente grande) no supere los 3 m/s, viento flojo cuan-do la velocidad está comprendida entre los 3 y 5 m/s, viento moderado cuando está entre5 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 deberáutilizar para los cálculos, viento flojo, reservándose viento nulo o muy débil, únicamen-te para los casos en que exista certeza de que el efecto del viento puede despreciarse porcompleto.
El grado de humedad según la humedad relativa del aire en el mes de septiembre se cla-sifica 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 muyhúmeda.
En general puede elegirse como zona húmeda cualquiera del litoral marítimo y comozona media el resto, si bien hay regiones de las mesetas interiores que pueden clasificar-se como zonas secas.
5.8.4. Selección del captador solar
Para uso exclusivo de piscinas al aire libre se utilizarán captadores de materiales plásti-cos, 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 piscinasal aire libre, la inclinación de los captadores puede estar entre 30º y 35º, incluso colocar-se 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 24ºy 27 ºC.
Para piscinas cubiertas se seguirán las indicaciones del Plan Solar de Castilla y León.
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
DIMENSIONADO DE LA SUPERFICIE DE CAPTACIÓN Y DEL VOLUMEN DE ACUMULACIÓN 70
IMPRIMIR ÍNDICE
Según el Plan Solar de Castilla y León:
En el caso de climatización de piscinas, se seguirán las indicaciones del RITE en supunto ITE 10.2.1.2. sobre la temperatura del agua de la pileta, donde se incluye lasiguiente tabla dependiendo del uso principal.
Uso principal Temperatura del agua (ºC)
Público: Recreo 25
Chapoteo 24
Enseñanza 25
Entrenamiento 26
Competición 24
Privado 25 – 26
5.9. Demanda energética de calefacción por suelo radiante
Está comprobado que las personas instintivamente tienen sensación de bienestar cuandolos 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 consiguenlas condiciones de confort con menores temperaturas ambiente que con un sistema con-vencional.
Este sistema de calefacción está colocado bajo el suelo y se basa en una red de tubos porlos 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, sien-do esta temperatura menor que la de los clásicos radiadores.
Para calcular la carga de calefacción, puede seguirse cualesquiera de los siguientesmétodos.
En cualquier caso, una vez conocida la demanda calorífica de cada uno de los meses, secalculará el número de captadores necesarios para satisfacer esa demanda siguiendo lasindicaciones del apartado 5.5.
En aplicaciones de calefacción, en los que la demanda se produce en invierno, la inclina-ción de los colectores se escogerá, al menos, como 10º más que la latitud de la localidaden 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 necesa-rio para mantener la temperatura interior seleccionada depende de la diferencia de tem-peraturas entre el ambiente interior y el exterior.
ENERGÍA SOLAR TÉRMICA: MANUAL DEL PROYECTISTA71
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Así, la carga mensual de calefacción, Q, de una vivienda es proporcional al número degrados-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 edificioKg es el coeficiente global de pérdidas del edificio (dato proporcionado por elarquitecto)Zm son los grados-día en ese mes (los valores pueden extraerse de la Norma Básicade 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 NormaBásica de la Edificación NBE-CT-79 y el RITE, y para su implementación es necesariodisponer 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 ali-mentación.
Los pasos a seguir serán los siguientes:
1º) Calcular el coeficiente de transmisión de calor (Kg) de los cerramientos:
DIMENSIONADO DE LA SUPERFICIE DE CAPTACIÓN Y DEL VOLUMEN DE ACUMULACIÓN 72
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2º) Calcular las demandas caloríficas:
Q = Pérdidas de calor de un local (W).
A = Área del suelo (m2)
Ki = coeficiente de transmisión térmica de cada cerramiento ( ).
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 (tem-peratura de la calle). (ºC).
V = Volumen del aire del local. (m3).
Ce = Calor específico del aire, 0,24 ( ).
n = número de renovaciones de aire por hora.
pe = Peso específico del aire seco, 1,24 a 10 ºC y 1,205 a 20 ºC.
F = Suplementos que serán: 0,05 – 0,07 por orientación norte y 0,02/metro por últimasplantas del edificio.
En instalaciones de suelo radiante la temperatura superficial del suelo no debe superar los29 ºC.
Tsuelo = Tint +
Kg = 1
1
α1
ei
λi
1
α2+ +∑( )
q = Q
Asuelo
Q = ([∑ ∆Ti·Ki·Ai]+[∆Tint-ext·V·Ce·pe·n]) · (1+F) (Kcal/h)
Kcal
m2hºC
Kcal
KgºC
Kg
m3
Kg
m3
qαsuelo
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6Diseño delsistema de captación
Estadio Hispánico (León)
DISEÑO DEL SISTEMA DE CAPTACIÓN 74
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Diseño delsistema de captación6
6.1. Generalidades
Una vez conocida la superficie de captadores y el número de captadores necesarios, hayque estudiar la integración de los mismos en el edificio.
Habrá que considerar la orientación y la inclinación de los captadores, las posibles som-bras, la distancia mínima entre captadores, el anclaje de los mismos a la estructura deledificio y su conexionado.
Las dimensiones más
usuales de un captador
solar son:
• Alto: 2 m
• Ancho: 1 m
• Área: 2 m2
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 ymarca.
Alto
Ancho
Figura 6.1. Captador solar.
ENERGÍA SOLAR TÉRMICA: MANUAL DEL PROYECTISTA75
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Cuando se calcula la superficie captadora necesaria, se hace referencia a la superficie delabsorbedor, 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 radiaciónsolar, por lo que se orientarán hacia el sur geográfico (si nos encontramos en el hemis-ferio norte) y con una inclinación respecto de la horizontal 10º superior a la latitud dellugar.
Se ha de procurar que la radiación solar incida perpendicularmente sobre la superficie delcaptador al mediodía solar, si bien la inclinación elegida dependerá del uso previsto de lainstalación.
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, parala inclinación.
Figura 6.2: Orientación e inclinación de los captadores
Tabla 6.1. Inclinación de los captadores en función de la utilización
Utilización de la instalación Inclinación
Durante todo el año regularmente (Latitud) +/- 20º
Preferentemente durante el verano (Latitud -10º) +/- 10º
Preferentemente en invierno (Latitud +10º) +/- 10º
DISEÑO DEL SISTEMA DE CAPTACIÓN 76
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Es conveniente saber que el sur geográfico no coincide con el magnético dado por la brú-jula. 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, medirsu 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 geo-gráfico.
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 hora-rios, la longitud del lugar y otros parámetros: Para mostrarlo se va a explicar el cálculodel 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 sies hacia el oeste se sumará.
La ecuación del tiempo se muestra en la gráfica siguiente:
ENERGÍA SOLAR TÉRMICA: MANUAL DEL PROYECTISTA77
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Ecuación del tiempo
Según el Plan Solar de Castilla y León:
• En instalaciones integradas en cubiertas por consideraciones de integraciónarquitectónica o impacto visual no será necesario ajustarse a lo especificadoanteriormente en cuanto a orientación e inclinación.
Según el Plan Solar de Castilla y León:
• La instalación del campo de captadores se realizará de forma que se asegureque al mediodía solar del solsticio de invierno, no haya más de un 5% de lasuperficie útil de captación en sombra.
• Por razones justificadas (integración arquitectónica, superficie libre para la ubi-cación de captadores, etc.) podrá no cumplirse el requisito anterior, en cuyocaso se evaluará la reducción producida por las sombras en las prestacionesenergéticas de la instalación. En este caso se justificará el aumento de superfi-cie de captación.
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 darlos obstáculos próximos (edificios colindantes, árboles, otros captadores, chimeneas,etc.), por lo que hay que evitar que queden a su sombra.
Una determinación exacta de las posibles sombras se puede realizar conociendo la alturasolar y el azimut durante todo el año, y así comprobar si algún obstáculo puede ocultar elsol en algún momento a la instalación.
DISEÑO DEL SISTEMA DE CAPTACIÓN 78
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La distancia d, medida sobre la horizontal, entre una fila de captadores y un obstáculo, dealtura h, que pueda producir sombra sobre la instalación será igual o superior al valorobtenido por la expresión:
Siendo:
d la separación entre filas.
h la altura del obstáculo, o diferencia de altura entre la parte alta de una fila de captado-res y la parte baja de la siguiente.
k = L/tg (67º - latitud) un coeficiente adimensional cuyo valor se obtiene en la tabla 6.2a partir de la latitud del lugar.
La distancia horizontal entre la parte posterior de una fila de captadores y la parte baja dela siguiente debe ser igual o mayor que el valor obtenido mediante la expresión anterior.
d = h / tg (67º - latitud) = h x k
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 bajade la siguiente.
Latitud (º)
KTabla 6.2. Coeficiente de separación entre filas de captadores
29 37 39 41 43 45
k 1,280 1,732 1,881 2,050 2,246 2,475
ENERGÍA SOLAR TÉRMICA: MANUAL DEL PROYECTISTA79
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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 captadorespor 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 rendimien-to de la instalación, es preciso materializarlo mediante un sistema de anclaje y soporteadecuado.
El anclaje de los captadores a la estructura del edificio depende de su ubicación en cubier-ta, terraza o suelo, y de las fuerzas que actúan sobre él como consecuencia de las sobre-cargas del viento y nieve a que se encuentra sometido.
La estructura soporte de captadores ha de resistir, con los captadores instalados, las sobre-cargas de viento y nieve, de acuerdo con lo indicado en la norma básica de la edificaciónNBE-AE-88.
Como los captadores estarán aproximadamente orientados hacia el sur, las cargas de vien-to que pueden ser peligrosas serán las que vengan del norte, ya que suponen fuerzas detracción 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 super-ficie perpendicular a la dirección del mismo. Depende de la velocidad.
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 olugar sobre el que asiente.
• La capacidad del mismo para soportar las cargas transmitidas por la estructura.
DISEÑO DEL SISTEMA DE CAPTACIÓN 80
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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, permi-tirán las necesarias dilataciones térmicas, sin transmitir cargas que puedan afectar a laintegridad de los captadores o al circuito hidráulico.
Los puntos de sujeción del captador serán suficientes en número, teniendo el área deapoyo y posición relativa adecuadas, de forma que no se produzcan flexiones en el cap-tador superiores a las permitidas por el fabricante.
El diseño de la estructura se realizará para la orientación y el ángulo de inclinación espe-cificado 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 encaliente, pinturas orgánicas de zinc o tratamientos anticorrosivos equivalentes.
La realización de taladros en la estructura se llevará a cabo antes de proceder al galvani-zado o protección de la estructura. La tornillería y piezas auxiliares estarán protegidas porgalvanizado o zincado, o bien serán de acero inoxidable.
Los topes de sujeción de captadores y la propia estructura no arrojarán sombra sobre loscaptadores.
En el caso de instalaciones integradas en cubierta que hagan las veces de la cubierta deledificio, el diseño de la estructura y la estanqueidad entre captadores se ajustará a las exi-gencias de las Normas Básicas de la Edificación y a las técnicas usuales en la construc-ción de cubiertas.
Normas a tener en cuenta:
• Para no traspasar la cubierta plana de un edificio con el anclaje y evitar infiltracio-nes de agua, se construirán muretes, de hormigón armado con varilla metálica, quegaranticen la total sujeción. Su dimensión mínima será de 20 x 20 x 25 cm.
ENERGÍA SOLAR TÉRMICA: MANUAL DEL PROYECTISTA81
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• Para fijar la estructura en un tejado inclinado atravesando la cubierta es necesariocolocar faldones y collarines estancos.
• El sistema de fijación permitirá, si fuera necesario, el movimiento del captador deforma que no se transmitan esfuerzos de dilatación.
Foto 6.6:Anclaje sobretejado metálico(izquierda) y
sobre tejado defibrocemento
(derecha)
Foto 6.7:Anclajesobreterraza
Foto 6.8:Anclaje sobre
terraza ytejado
DISEÑO DEL SISTEMA DE CAPTACIÓN 82
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6.5. Conexionado de los captadores
En la práctica los colectores no se instalan nunca por separado, si no que se agrupan for-mando 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 enparalelo 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
Figura 6.9: Esquema de estructura soporte
ENERGÍA SOLAR TÉRMICA: MANUAL DEL PROYECTISTA83
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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 cau-dal unitario de diseño de cada colector por el número de éstos. En este tipo de conexióncada colector trabajará proporcionando el mismo salto térmico, que será idéntico al quede la batería al completo.
Si el acoplamiento se realiza en serie, el caudal de toda la batería será igual al de diseñode un único colector, es decir, por todos ellos circula el mismo caudal, obteniéndose unatemperatura de salida de la batería, en teoría, igual al salto térmico de un colector por elnúmero de éstos que conforman la propia batería.
Así, la diferencia fundamental entre ambos tipos de conexionado es la temperatura que seobtiene a la salida de la batería (mayor en serie) y el caudal que es calentado a esa tem-peratura (mayor en paralelo).
Por tanto, el conexionado de los captadores se revela como uno de los aspectos másimportantes 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
DISEÑO DEL SISTEMA DE CAPTACIÓN 84
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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 criteriosgenerales que establece el Plan Solar de Castilla y León.
En algunas ocasiones, la limitación de la superficie disponible, obligará al proyectista abuscar soluciones que le permitan ubicar el número de captadores necesarios, combinán-dolos en serie y en paralelo según la aplicación concreta de que se trate.
Según el Plan Solar de Castilla y León:
• Los captadores se instalarán en baterías constituidas por el mismo número decaptadores.
• 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 enserie-paralelo.
• El número de captadores que se pueden conectar en paralelo, tendrá en cuen-ta las limitaciones del fabricante, recomendándose no superar las 8 unidades.
• El número de captadores conexionados en serie pertenecientes a una mismabatería no será superior a cinco y el número de baterías conectadas en serie nopodrá ser mayor de dos.
• La conexión entre sí de las baterías de captadores asegurará igual recorridohidráulico en todos ellos debiendo quedar plasmado en el esquema de cone-xionado.
ENERGÍA SOLAR TÉRMICA: MANUAL DEL PROYECTISTA85
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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 debepermitir el acceso a los captadores, de forma que su desmontaje sea posible en caso deavería o degradación.
Para optimizar el funcionamiento de la instalación solar, se hace necesario regular el cau-dal a fin de que por cada batería circule el caudal de diseño de la misma, para lo cual lasolución más sencilla es realizar el retorno invertido.
Este sistema permite equilibrar hidráulicamente la instalación, de forma que la pérdida decarga del fluido en su recorrido por el campo de colectores siempre sea la misma, inde-pendientemente de la batería de captadores por la que circule.
DISEÑO DEL SISTEMA DE CAPTACIÓN 86
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En la figura 6.17 se observa que los tres recorridos entre A y B (en gris) tienen la mismalongitud desde que se bifurca el fluido hasta que se vuelve a juntar, produciéndose así unapérdida 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 grancantidad de captadores, ya que reduce el diámetro de las tuberías a montar, disminuyen-do así el coste de las mismas que se incrementa considerablemente según aumenta sudiámetro.
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Polideportivo Municipal Anduva (Miranda de Ebro - Burgos)
7Dimensionado y diseñodel resto de componentesy equipos
DIMENSIONADO Y DISEÑO DEL RESTO DE COMPONENTES Y EQUIPOS 88
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Dimensionado y diseño del resto de componentes y equipos7
7.1. Sala de máquinas
Se define como sala de máquinas el local o conjunto de locales donde se debe instalar lamaquinaria y demás elementos necesarios para la producción, intercambio, acumulacióne impulsión de frío y/o calor.
El proyectista de energía solar térmica se podrá encontrar una sala de máquinas ya cons-truida, con el sistema convencional existente o que no exista sala de máquinas. En el pri-mer caso, hay dos soluciones, bien utilizar la existente porque hay espacio suficiente parala colocación de los elementos necesarios, o bien realizar una nueva, lo más próxima posi-ble a la existente. Si es un edificio sin sala de máquinas habrá que construir una parapoder 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 requisitosmínimos de seguridad para las personas y los edificios donde se emplacen y entodo 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 con-cerniente a la adecuada protección frente a la humedad exterior y la previsiónde un eficaz sistema de desagüe.
• Las salas de máquinas no pueden utilizarse para fines diferentes a los de alojarequipos 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 com-bustibles.
ENERGÍA SOLAR TÉRMICA: MANUAL DEL PROYECTISTA89
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El sensor de la temperatura del acumulador del sistema de control se situará en la parteinferior del depósito, en una zona no influenciada por la circulación del circuito secun-dario 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 unaplaca deflectora en la parte interior a fin de que la velocidad residual no destruya la estra-tificación en el acumulador.
Las conexiones de entrada y salida se situarán de forma que se eviten caminos preferen-tes de circulación del fluido.
En depósitos horizontales las tomas de agua caliente y fría estarán situadas en extremosopuestos.
Cuando sea necesario que el sistema de acumulación esté formado por más de un depó-sito, éstos se conectarán en serie invertida en el circuito de consumo o en paralelo con loscircuitos primarios y secundarios equilibrados.
7.2. Diseño del sistema de acumulación
La situación de las tomas para conexiones de los depósitos acumuladores, serán las esta-blecidas en el esquema siguiente:
DIMENSIONADO Y DISEÑO DEL RESTO DE COMPONENTES Y EQUIPOS 90
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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 primariosy secundarios equilibrados
Es muy importante conocer las medidas de los depósitos acumuladores tanto si el edifi-cio es de nueva planta, como si ya está construido.
En los edificios aún sin construir, habrá que tener en cuenta las dimensiones de los depó-sitos acumuladores, tanto para poder introducir, y sacar en un futuro, los mismos, comopara 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 elnúmero de acumuladores necesarios o bien realizar las obras necesarias para lograr intro-ducir los acumuladores en la sala de máquinas. Si no hubiera espacio suficiente en la salade máquinas actual, habrá que construir una nueva o reformar y/o ampliar la existente.
ENERGÍA SOLAR TÉRMICA: MANUAL DEL PROYECTISTA91
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VOLUMEN (l) DIÁMETRO (mm) ALTURA (mm)
200 620 1240
300 620 1725
500 770 1730
600 770 1730
750 1060 1640
800 950 1840
1000 1060 2040
1500 1360 1850
2000 1360 2300
2500 1660 2035
3000 1660 2325
3500 1660 2610
4000 1910 2345
5000 1910 2750
6000 1750 3188
7000 1750 3515
8000 (horizontal) 1500 Longitud 4960
10000 (horizontal) 1500 Longitud 6120
12000 (horizontal) 1500 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 depiscinas al aire libre con captadores de materiales plásticos, es necesaria la incorporaciónde un intercambiador que permita tener dos circuitos independientes, para no mezclar elfluido que circula por los captadores (que lleva anticongelante como sistema de protec-ción 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, inde-pendiente o incorporado al acumulador.
• El intercambiador independiente será de placas de acero inoxidable o cobre ydeberá soportar las temperaturas y presiones máximas de trabajo de la instala-ción.
• El intercambiador incorporado al acumulador estará situado obligatoriamenteen la parte inferior del acumulador y podrá ser de tipo sumergido o de dobleenvolvente. El intercambiador sumergido podrá ser de serpentín o de haz tubu-lar y estará construido en cobre o acero inoxidable.
DIMENSIONADO Y DISEÑO DEL RESTO DE COMPONENTES Y EQUIPOS 92
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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 ope-raciones 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
• La potencia de diseño del intercambiador, P en watios, en función del área de cap-tación solar A en m2, cumplirá la condición: P ≥ 600 x A.
• Se dimensionarán, en instalaciones de agua caliente sanitaria, para las condicionesnominales, cumpliendo:
• Cuando la instalación solar proporcione cobertura, de manera conjunta, a más de unaaplicación:
- Si la energía solar se transfiere a cada aplicación individualmente, para cada unode los intercambiadores precisados para cada aplicación la potencia de diseño debe-rá cumplir P ≥ 600 x A para el área total de captación solar instalada.
Según el Plan Solar de Castilla y León:
En las instalaciones con intercambiador de calor independiente, la memoria de dise-ño o proyecto especificará:
• La potencia nominal.
• Los caudales de diseño.
• Los saltos de temperatura.
• La efectividad del intercambiador.
ENERGÍA SOLAR TÉRMICA: MANUAL DEL PROYECTISTA93
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- Si la energía solar se transfiere a más de una aplicación a la vez, la suma de laspotencias de diseño de los intercambiadores precisados para esas aplicaciones debe-rá 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 ladeseada en la aplicación considerada.
• En general los intercambiadores de instalaciones de energía solar se diseñan parauna pérdida de carga menor de 2 m.c.a.
La efectividad del intercambiador, valor adimensional que mide la trasferencia energéti-ca del intercambiador frente a lo máximo que se podría intercambiar en condiciones ide-ales, se define como:
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
Independientemente de la aplicación considerada, se cumplirá:
superficie útil de intercambio
superficie total de captación instalada
• Cuando la instalación solar proporcione cobertura, de manera conjunta, a más de unaaplicación y la energía solar es transferida a cada aplicación individualmente, cada
(Tfs - Tfe)
(Tce - Tfe)n =
Según el Plan Solar de Castilla y León:
En las instalaciones con intercambiador de calor incorporado en el acumulador, lamemoria de diseño o proyecto especificará:
• El tipo de intercambiador.
• La superficie útil de intercambio.
> 0,15
DIMENSIONADO Y DISEÑO DEL RESTO DE COMPONENTES Y EQUIPOS 94
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uno de los intercambiadores precisados cumplirá la condición anterior para el áreatotal de captación solar instalada.
• Cuando la instalación solar proporcione cobertura, de manera conjunta, a más deuna 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 paraesas aplicaciones cumplirá la condición anterior para el área total de captaciónsolar instalada.
• Cuando exista más de un acumulador solar destinado a una misma aplicación, si susrespectivos intercambiadores se conectan entre sí en paralelo, se sumarán sus super-ficies individuales de intercambio para cumplir esta condición.
En aplicaciones de agua caliente sanitaria con más de un acumulador solar, se permitiráel uso de intercambiadores de calor incorporados en los mismos cuando se utilicen menosde 4 depósitos (cuyo conexionado deberá ser obligatoriamente en paralelo con los circui-tos primario y de consumo equilibrados) o la suma de sus volúmenes individuales no seasuperior 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, lastuberías son las mismas que las utilizadas en otros usos de fontanería y calefaccióngeneral.
El material más utilizado es el cobre, aunque también se utilizan materiales plásticos,acero galvanizado (nunca en el circuito primario), aluminio, etc.
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 delfluido sea inferior a 2 m/s cuando la tubería discurra por locales habitados y a 3 m/s cuan-do el trazado sea al exterior o por locales no habitados.
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.
ENERGÍA SOLAR TÉRMICA: MANUAL DEL PROYECTISTA95
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Cuando se utilice aluminio en tuberías o accesorios, la velocidad del fluido será inferiora 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 entuberías 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 cual-quiera de las distintas baterías de captadores, no difiera en más del 20% del caudal dediseño.
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 cap-tador, según el fluido sea agua o una mezcla de agua con anticongelante.
• Se elegirá de acuerdo a lo establecido como recomendaciones por el fabricante delos captadores solares.
• En las instalaciones con captadores en serie, el valor del caudal de la instalación seobtiene aplicando el criterio anterior dividido por el número de baterías conectadasen serie dentro de un grupo.
A.C.S.
Resto de
aplicaciones
• Caudal primario y caudal secundario con una diferencia máximade un 10%.
• Caudal primario ≥ Caudal secundario.
Ajustar el caudal del circuito secundario a los saltos térmicos dediseño requeridos en los circuitos primario y secundario.
Aplicación
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 funcióndel caudal y la distancia a la sala de máquinas.
DIMENSIONADO Y DISEÑO DEL RESTO DE COMPONENTES Y EQUIPOS 96
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Distancia de captadores a la sala de máquinasMenos de 50 metros Más de 50 metros
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
Diámetro ext. de la tubería de cobre (mm)
Tabla 7.3: Diámetros mínimos recomendados para tuberías de cobre en instalaciones de energía solaren 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 lapresión y así proteger los componentes de la instalación.
La legislación exige la colocación de válvulas de seguridad en todos los circuitos some-tidos a presión y a variaciones de temperatura.
En cada zona de las baterías de captadores en que se hayan situado válvulas de corte seinstalarán válvulas de seguridad.
7.4.4. Otras válvulas
La elección de las válvulas se realizará, de acuerdo con la función que desempeñan
Según el Plan Solar de Castilla y León:
• La memoria de diseño o proyecto especificará el tipo y aplicación de estas vál-vulas y accesorios de la instalación, diámetros, formas de las conexiones y pre-sión nominal.
• El circuito primario y el circuito secundario (depósitos) deberán ir provistos deválvulas de seguridad taradas a una presión que garantice que en cualquierpunto del circuito no se superará la presión máxima de trabajo de los compo-nentes.
• 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.
ENERGÍA SOLAR TÉRMICA: MANUAL DEL PROYECTISTA97
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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 vál-vulas, 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 con-cebir, en fase de diseño, un circuito de por sí equilibrado.
Se montarán válvulas de corte, para facilitar la sustitución o reparación de componentessin necesidad de realizar el vaciado completo de la instalación, debiendo independizar lossiguientes 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 vál-vula 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 lainstalación.
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 delos captadores.
En los puntos altos de la salida de baterías de captadores se colocarán sistemas de purgaconstituidos por purgadores manuales o automáticos.
DIMENSIONADO Y DISEÑO DEL RESTO DE COMPONENTES Y EQUIPOS 98
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Se evitará el uso de purgadores automáticos cuando se prevea la formación de vapor enel circuito. Los purgadores automáticos deberán soportar, al menos, la temperatura deestancamiento 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 despla-zamiento del aire atrapado hacia los puntos altos.
Los trazados horizontales de tubería tendrán siempre una pendiente ascendente mínimadel 1% en el sentido de circulación.
7.5. BombasPara transportar el fluido caloportador desde los captadores hasta los acumuladores atra-vesando un intercambiador exterior o uno incorporado en el propio acumulador, y si fueranecesario hasta los puntos de consumo, se utilizan bombas de circulación o electrocircu-ladores.
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, intercam-biador, válvulas, tuberías etc.).
La pérdida de carga la facilita el fabricante para un solo captador solar y, en algunoscasos, para combinaciones típicas de captadores en función del conexionado y de lascaracterísticas del fluido. Si no se suministrara esta información sólo se podrán conocerlas 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 circula-ción: el caudal total, la presión y la potencia eléctrica.
• La bomba se debe seleccionar de forma que el caudal y la pérdida de carga dediseño se encuentren dentro de la zona de rendimiento óptimo especificado porel fabricante.
• El caudal nominal debe ser igual al caudal unitario del sistema primario mul-tiplicado por la superficie total de captadores.
• La presión de la bomba debe compensar todas las pérdidas de carga del circui-to correspondiente.
• La potencia eléctrica de la bomba no debe exceder del 2% de la potencia picode calor que puede proporcionar el sistema de captación.
ENERGÍA SOLAR TÉRMICA: MANUAL DEL PROYECTISTA99
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Las bombas de circulación podrán ser del tipo en línea, de rotor seco o húmedo, o de ban-cada. 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 laszonas más bajas del circuito.
• En instalaciones con superficie de captación superior a 100 m2, se montarán dosbombas idénticas en paralelo o una bomba doble, una de ellas de reserva, tanto enel circuito primario como en los distintos circuitos secundarios de las aplicacionesconsideradas. 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 dedesarmar las tuberías adyacentes.
• Todas las bombas estarán dotadas de tomas para la medición de presiones en aspi-ración 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 lasmezclas anticongelantes y en general con el fluido de trabajo utilizado.
• Las bombas serán resistentes a las averías producidas por efecto de las incrus-taciones calizas y a la presión máxima del circuito.
• En general, se utilizarán bombas con capacidad de regulación del caudal porvariación de la potencia consumida, salvo justificación técnica detallada de laelección de otro tipo de bombas.
• La bomba permitirá efectuar de forma simple la operación de desaireación opurga.
La elección de la bomba está determinada por el punto de funcionamiento del circuitohidráulico, el cual está configurado por las características de caudal y pérdida de carga dela instalación.
DIMENSIONADO Y DISEÑO DEL RESTO DE COMPONENTES Y EQUIPOS 100
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La curva característica de la bomba deberá estar lo más próxima posible a este punto, ysiempre por encima.
Figura 7.4: Curva característica de una bomba y de un circuito, yla obtención del punto de funcionamiento
Cuando se dispone de una bomba con selector de distintas velocidades de giro (númerode revoluciones), se tendrán distintas curvas características, con sentido decreciente cuan-to menor sean las revoluciones, lo cual permitirá ajustar mejor el caudal de la bomba alpunto de funcionamiento.
Figura 7.5: Curvas característica de una bomba en función del número de revoluciones
A mayor caudal a mover,menor resistencia se puedevencer.
A menor caudal a mover,mayor resistencia se puedevencer.
7.6. Vaso de expansión
Los circuitos cerrados de una instalación de energía solar térmica, necesitan un vaso deexpansión 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 sufi-ciente para admitir la expansión del fluido, por lo tanto debe ser como mínimo igual alaumento total del volumen de fluido de la instalación a la temperatura considerada.
ENERGÍA SOLAR TÉRMICA: MANUAL DEL PROYECTISTA101
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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 ins-talación.
• Los vasos de expansión se conectarán, preferentemente, a la aspiración de labomba pudiendo ser de tipo abierto o cerrado.
• El dimensionado del vaso se efectuará siguiendo las indicaciones de laInstrucción UNE 100.155. Los datos que sirven de base para la selección delvaso son los siguientes:
- Volumen total de agua en la instalación, en litros.
- Temperatura mínima de funcionamiento, para la cual se asumirá el valorde 4 ºC, a la que corresponde la máxima densidad.
- Temperatura máxima que pueda alcanzar el agua durante el funciona-miento de la instalación.
- Presiones mínima y máxima de servicio, en bar, cuando se trate de vasoscerrados.
- Volumen de expansión calculado, en litros.
• Los cálculos darán como resultado final el volumen total del vaso y, en caso devasos de expansión cerrados, la presión nominal PN, que son los datos quedefinen sus características de funcionamiento.
• La temperatura extrema del circuito primario será, como mínimo, la tempera-tura de estancamiento del captador.
• El volumen de dilatación será, como mínimo, igual al 4,3% del volumen totalde 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 expansiónabiertos. 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 seacapaz de absorber la expansión completa del fluido caloportador entre las tem-peraturas extremas de funcionamiento.
• La altura a la que se situarán los vasos de expansión abiertos será tal que ase-gure el no desbordamiento del fluido y la no introducción de aire en el circui-to primario.
DIMENSIONADO Y DISEÑO DEL RESTO DE COMPONENTES Y EQUIPOS 102
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La ubicación de estos vasos debe ser tal, que sea accesible para realizar las operacionesde llenado, adición de anticongelante y comprobación de niveles.
La capacidad mínima del depósito de expansión abierto se calculará mediante la expre-sión:
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 funciona-miento del sistema (Tabla 7.4. si es agua).
El lugar para el emplazamiento del vaso de expansión será aquel en el que, a cualquierrégimen de funcionamiento de la(s) bomba(s), exista una sobrepresión de al menos 0,15bar por encima de la presión atmosférica, de esta manera se asegura que no entre aire enel circuito.
Cuando el vaso de expansión está conectado en la aspiración de la bomba, la condiciónanterior se cumple situando el depósito 1,5 metros aproximadamente por encima delpunto geométricamente más elevado del circuito.
De acuerdo con la normativa vigente (UNE 100.155-88) la capacidad mínima del vaso deexpansión 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 deexpansión cerrados, ya que la mayoría de los edificios actuales tienen cubiertas planas otejados de poca inclinación, en los que es muy difícil o imposible montar un vaso deexpansión 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 corrosióne incrustación provocada por el agua de reposición.
ENERGÍA SOLAR TÉRMICA: MANUAL DEL PROYECTISTA103
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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 suscomponentes (captadores, intercambiador, tuberías).
K el coeficiente de dilatación del fluido de trabajo a su temperatura media.
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
La capacidad del vaso corregida por el efecto de la presión será:
Vdepósito = Vmin x
Siendo:
Vdepósito el volumen total del depósito.
pi la presión absoluta de altura manométrica = columna de fluido que soporte el depósi-to de expansión + presión atmosférica.
pf la presión absoluta máxima de trabajo = presión de tarado de la válvula de seguridaddel circuito + presión atmosférica.
pfpf - pi
Según el Plan Solar de Castilla y León:
• Los vasos de expansión cerrados cumplirán con el Reglamento de Recipientesa Presión y estarán debidamente timbrados.
• Los vasos de expansión cerrados se dimensionarán de forma que la presiónmínima en frío en el punto más alto del circuito no sea inferior a 1,5 kg/cm2 yla presión máxima en caliente en cualquier punto del circuito no supere la pre-sión máxima de trabajo de los componentes.
• La tubería de conexión del vaso de expansión cerrado no se aislará y tendrávolumen suficiente para enfriar el fluido antes de alcanzar el vaso. No se per-mitirá la inclusión de válvula de corte para aislar hidráulicamente el vaso deexpansión.
Temperatura (ºC)
Coef. K Dilatacióndel agua (%)
Tabla 7.4: Coeficiente de dilatación del agua en función de la temperatura
DIMENSIONADO Y DISEÑO DEL RESTO DE COMPONENTES Y EQUIPOS 104
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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 supe-rior a 40 ºC y estén situados en locales no calefactados.
Los componentes que vengan aislados de fábrica tendrán el nivel de aislamiento marca-do por la respectiva normativa o por el fabricante.
Los espesores mínimos de aislamiento para interiores, en mm, serán los indicados en latabla 7.5. Estos espesores son válidos para un material con conductividad térmica (λ) de0,040 W/m ºC, a 20 ºC. Si se emplean materiales con conductividad térmica distinta, elespesor 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 cir-cular)
Donde λ, en W/m ºC, es la conductividad térmica del material aislante a 20 ºC.
Según el Plan Solar de Castilla y León:
• La memoria de diseño o proyecto especificará, para las distintas tuberías uti-lizadas en la instalación, el tipo, conductividad y espesor del aislamientoempleado.
• Se especificará el tipo de protección exterior del aislamiento que, para trazadosal exterior, en particular, deberá resistir la acción de los rayos ultravioletas yotros agentes externos.
Temperatura del fluido (ºC)40 a 65 66 a 100 101 a 150
D ≤ 35 20 20 30
35 < D ≤ 60 20 30 40
60 < D ≤ 90 30 30 40
90 < D ≤ 140 30 40 50
140 < D 30 40 50
Diámetro exterior de latubería sin aislar (mm)
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 serincrementado, como mínimo, en 10 mm.
e = Di exp
λLn
Di + 2e (valor tabla 6.3) (mm)2 0,040 Di[ [( (
ENERGÍA SOLAR TÉRMICA: MANUAL DEL PROYECTISTA105
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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 sucomposición, calor específico y certificación favorable de un laboratorio acredi-tado.
En el caso de agua con adición de anticongelante hay que tener en cuenta las caracte-rísticas de la mezcla:
• Toxicidad. En general los anticongelantes son tóxicos por lo que hay que asegu-rar la imposibilidad de mezcla entre éstos y el agua de consumo. Se utilizará unintercambiador para la completa separación entre el circuito primario y el agua deconsumo.
• Viscosidad. La mezcla de anticongelante con agua tiene mayor viscosidad que elagua, por lo que habrá que tenerlo en cuenta en el cálculo de la pérdida de cargay la potencia de la bomba.
• Dilatación. La mezcla de anticongelante con agua tiene mayor dilatación que elagua, por lo que habrá que considerarlo en el cálculo del vaso de expansión.
• Estabilidad. La mayor parte de los anticongelantes se degradan a temperaturassuperiores a 120 ºC y pueden provocar productos corrosivos para el circuito.
• Calor específico. La mezcla de anticongelante con agua tiene un calor específicoinferior al del agua. Hay que tenerlo en cuenta en el cálculo del caudal y por lotanto en el dimensionado de las tuberías y de la bomba. En todo caso el calor espe-cífico no debe ser inferior a 0,7 kcal/kg ºC.
• Temperatura de ebullición. El anticongelante eleva ligeramente la temperatura deebullición 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, tenien-do en cuenta que debe ser capaz de soportar sin congelarse una temperatura 5 gradosmenor que la mínima histórica local registrada.
DIMENSIONADO Y DISEÑO DEL RESTO DE COMPONENTES Y EQUIPOS 106
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Temperatura mínima histórica (ºC)
Ávila -21 Segovia -17
Burgos -18 Soria -16
León -18 Valladolid -16
Palencia -14 Zamora -11
Salamanca -16
Figura 7.6.: Curvas de congelación de mezclas de agua con propilenglicol o con etilenglicol,en función de la concentración en peso de anticongelante.
Tabla 7.6.: Temperaturas mínimas históricas registradasen las capitales de provincia de Castilla y León
ENERGÍA SOLAR TÉRMICA: MANUAL DEL PROYECTISTA107
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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 contenidoen carbonato cálcico
Límite de dióxido de carbono libreMenor de 50 mg
contenido en el agua
7.9. Sistemas de protección contra heladas
Las instalaciones solares durante la noche están paradas porque no reciben energía delsol, estando expuestas a las condiciones climáticas del lugar. En las zonas con riesgo deheladas se utilizarán sistemas de protección adecuados para evitar el posible deterioro decualquier parte de la instalación.
Se consideran zonas con riesgo de heladas aquellas en las que se hayan registrado, algu-na 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 enfunción de las temperaturas mínimas históricas y las condiciones microclimáticas parti-culares del lugar de instalación. Se especificará, asimismo, el sistema de protecciónantiheladas 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, lacual figurará como operación obligatoria en el programa de mantenimiento.
• La instalación dispondrá de los sistemas necesarios para facilitar el llenado de la ins-talación y para asegurar que el anticongelante está perfectamente mezclado.
• El sistema de llenado no permitirá las pérdidas de concentración producidas porfugas 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 enmovimiento en todas las partes de la instalación expuestas a heladas.
• El sistema de control activará la circulación del circuito primario cuando la tempe-
Tabla 7.7: Límites de contenido en sales del fluido de trabajo
DIMENSIONADO Y DISEÑO DEL RESTO DE COMPONENTES Y EQUIPOS 108
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ratura detectada en captadores, alcance un valor ligeramente superior al de congela-ción 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 enninguna parte de la instalación expuesta a heladas.
• El sistema de control activará la electroválvula de drenaje cuando la temperaturadetectada en captadores, alcance un valor ligeramente superior al de congelación delagua (+4 ºC).
• El vaciado del circuito, se realizará a un tanque auxiliar de almacenamiento, debién-dose prever un sistema de llenado de captadores para recuperar el fluido, prestandoespecial atención al purgado del circuito tras sus rellenados.
• El diseño de los circuitos, permitirá el completo drenaje con el vaciado de todas laspartes de la instalación expuesta a heladas. El circuito debe permanecer vacío hastaque aumente la temperatura del captador.
• Este sistema está sólo permitido en instalaciones con un intercambiador de calorentre los captadores y el acumulador, para mantener en éste la presión de suminis-tro de agua caliente.
7.10. Temperaturas
La instalación solar debe estar diseñada y construida para soportar el amplio rango detemperaturas 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 nuloconsumo y de elevada radiación, como puede ocurrir en verano o por ausencia de losusuarios y por lo tanto ausencia de consumo.
La temperatura máxima de trabajo del circuito primario será siempre superior a la tem-peratura de estancamiento del captador, que corresponde a la máxima temperatura delfluido que se obtiene cuando, sometido a altos niveles de radiación y temperatura ambien-te y siendo la velocidad del viento despreciable, no existe circulación en el captador y sealcanzan condiciones casi estacionarias.
ENERGÍA SOLAR TÉRMICA: MANUAL DEL PROYECTISTA109
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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 alcan-cen valores perjudiciales para los materiales, para la durabilidad de los circuitos o paralos propios usuarios. Hay que tener en cuenta que en circuitos cerrados cuando la tempe-ratura 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 quepuedan alcanzarse y no debe producirse ninguna situación en la que el usuario tenga quetomar 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 200mg/l. expresados como contenido en carbonato cálcico), se realizarán las previsionesnecesarias 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 parafacilitar la limpieza de los circuitos.
Cuando la temperatura de agua caliente destinada a consumo pueda superar los 60 ºC lainstalación deberá disponer de un sistema automático de mezcla o cualquier otro disposi-tivo 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 loscircuitos primario y secundario, así como la máxima presión de red.
La instalación debe estar diseñada de forma que nunca se sobrepase la máxima presiónsoportada por todos los materiales.
Todos los circuitos deben ir equipados con válvulas de seguridad que garanticen que nose superan las presiones máximas de trabajo y que soporten la máxima temperatura a laque puedan estar sometidas. La válvula de seguridad estará tarada por debajo de la pre-sión que puede soportar el punto más débil de la instalación, que suele ser la membranadel vaso de expansión cerrado.
Para limitar la presión se puede hacer un vaciado parcial automático, donde se recoge elfluido caloportador que deberá ser llenado de nuevo. El sistema será el mismo que en elcaso de drenaje automático con recuperación de fluido para protección contra heladas
Los componentes y sistemas que no dispongan de certificado de timbre, deberán cumplirlo previsto en el Reglamento de Aparatos a Presión y, en cualquier caso, soportar el ensa-yo de resistencia a presión con 1,5 veces la presión máxima de trabajo, durante al menosuna hora, sin apreciarse ningún daño permanente o fuga en el circuito.
DIMENSIONADO Y DISEÑO DEL RESTO DE COMPONENTES Y EQUIPOS 110
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Cuando la instalación contenga algún material no metálico, el ensayo de presión del cir-cuito correspondiente debe realizarse a la temperatura máxima de trabajo y debe soportarlas presiones anteriores al menos durante una hora.
7.12. Equipos compactos
Los equipos compactos termosifónicos, aparte de las especificaciones que se han descri-to ya para las instalaciones, tienen otras particularidades.
Estas particularidades quedan recogidas en el Plan Solar bajo el epígrafe: Requisitos adi-cionales 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 pordebajo de la generatriz inferior del acumulador, debiendo justificarse el rendi-miento del equipo con el correspondiente ensayo de homologación expedidopor el INTA.
• El diseño del captador y su conexionado debe favorecer el funcionamiento portermosifón, por esta razón no se instalarán captadores con conductos horizon-tales o cambios complejos de dirección de los conductos horizontales o cam-bios complejos de dirección de los conductos internos.
• El diseño del cambiador de calor evitará caminos de circulación del fluido queimpliquen cambios de dirección que impidan el efecto termosifón.
• Todas las instalaciones dispondrán de un sistema antirretorno para evitar la cir-culación inversa.
• La construcción del circuito debe evitar restricciones internas, por esta razónno se instalarán filtros, válvulas u otros estrangulamientos al flujo.
• El trazado de tuberías deberá ser de la menor longitud posible, situando el acu-mulador cercano a los captadores.
• Deben evitarse en lo posible las tuberías horizontales y en todo caso montarlascon una pendiente ascendente de al menos 5% y siempre en sentido ascenden-te hacia el acumulador.
7.13. Sistema auxiliar
Para asegurar la continuidad en el suministro de agua caliente, las instalaciones de ener-gía solar deben disponer de un sistema de energía auxiliar.
ENERGÍA SOLAR TÉRMICA: MANUAL DEL PROYECTISTA111
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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 exis-tente:
• 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 con-vencional estará comprendido entre el 30% y el 100% de la carga de consumo diaria, esdecir, el depósito solar será 3 veces el convencional (aproximadamente).
La conexión del sistema auxiliar, salvo las excepciones que se indican, siempre se reali-zará en serie con la instalación solar (acumulador solar o intercambiador) y se ubicarádespués de ésta.
La conexión del sistema de energía auxiliar en paralelo con la instalación solar, estará per-mitida cuando se cumplan los siguientes requisitos:
• Cuando el sistema de energía auxiliar sea del tipo en línea, esté constituido por unoo varios calentadores instantáneos no modulantes o no sea posible regular la tempe-ratura de salida del agua.
• Cuando exista una preinstalación solar que impida o dificulte el conexionado enserie.
• Cuando el recorrido de tuberías de agua caliente desde el acumulador solar hasta elpunto de consumo más lejano sea superior a 15 metros lineales a través del sistemaauxiliar.
En todos estos casos, la conmutación de sistemas será fácilmente accesible, siendo obli-gatorio incorporar un indicador de la temperatura del acumulador solar, ubicado en suparte alta, fácilmente visible y accesible por el usuario.
Siempre se debe disponer un by-pass del agua de red al sistema auxiliar para garantizarel abastecimiento de A.C.S. en caso de paro de la instalación solar por avería, reparacióno mantenimiento.
DIMENSIONADO Y DISEÑO DEL RESTO DE COMPONENTES Y EQUIPOS 112
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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, parapoder realizar la limpieza de los mismos, antes de que el polvo o la suciedad afectena su buen funcionamiento.
En cuanto a la interferencia con otros elementos ya existentes se tendrá en cuenta losiguiente:
• El diseño global del sistema solar y su acoplamiento a la instalación de energíaconvencional previamente existente, tendrá en consideración las posibles interfe-rencias que se puedan ocasionar en los sistemas ya instalados de suministro deagua caliente, principalmente las relacionadas con variaciones que se puedanocasionar en el punto de trabajo de los sistemas de grupo de presión para sumi-nistro de agua, como consecuencia de variaciones grandes de longitud y desnivelen las acometidas de agua fría a los acumuladores solares y de estos a los con-vencionales.
• En la memoria de proyecto se harán las indicaciones/recomendaciones necesariaspara garantizar, en su caso, el suministro de agua caliente sanitaria, sin mermasen las condiciones de presión, temperatura o calidad del agua caliente suminis-trada.
Para cualquier climatización de piscina, cubierta o no, queda totalmente excluida lautilización de energía eléctrica para el calentamiento por efecto Joule y/o el calenta-miento directo del agua de la piscina por medio de una caldera, sin intercambiadorintermedio.
ENERGÍA SOLAR TÉRMICA: MANUAL DEL PROYECTISTA113
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Figura 7.8: Energías auxiliares permitidas para la climatización de piscinas
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8Sistemas deregulación y control
Polideportivo Municipal La Palomera - Instalación A (León)
SISTEMAS DE REGULACIÓN Y CONTROL 115
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Sistemas de regulacióny control8
8.1 Generalidades
El objetivo fundamental de los sistemas de regulación y control es optimizar el rendi-miento de la instalación y evitar que ésta alcance condiciones extremas que puedan pro-vocar averías.
Al igual que cualquier instalación convencional de A.C.S. o calefacción, una instalaciónsolar 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 regu-lación:
• 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 temperaturaambiente, menor será el rendimiento. Por ello habrá que tener en cuenta:
Temperatura de salida delcaptador lo más adaptada
posible al nivel de consumo
Temperatura de retornohacia el captador
lo más baja posible
REGULACIÓN
ENERGÍA SOLAR TÉRMICA: MANUAL DEL PROYECTISTA116
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Existen varios sistemas para la regulación de una instalación solar térmica, en cuanto a latemperatura y el caudal. Para escoger el adecuado en cada instalación es preciso compa-rar 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, lastemperaturas. 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 lavariable controlada y el punto de consigna. Pueden ser termostatos o reguladoresproporcionales.
• Actuador: Es el elemento que al recibir la señal de control actúa sobre la variable deoperación, 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 tempe-raturas en diferentes puntos de la instalación, de forma que se arranquen o paren las bom-bas y, cuando existan, se activen las válvulas de tres vías.
En sistemas de regulación complejos (grandes instalaciones), será necesario un soporteinformático con el programa correspondiente, capaz de centralizar los datos y organizarlas actuaciones. Esta solución, a pesar de encarecer el sistema, permite optimizar la ges-tión energética, obteniendo rendimientos más elevados, y telecontrolar el mantenimientode la instalación.
Según normativa (RITE – ITE 04):
• Los elementos de regulación y control deberán tener probada su aptitud a lafunción mediante la declaración del fabricante de que sus productos son con-formes a normas o reglas internacionales de reconocido prestigio.
SISTEMAS DE REGULACIÓN Y CONTROL 117
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Según normativa (RITE – ITE 10):
• El control de funcionamiento normal de las bombas será siempre de tipodiferencial y debe actuar en función de la diferencia entre la temperatura delfluido portador en la salida de la batería de captadores y la del depósito deacumulación.
• El sistema de control actuará y estará ajustado de manera que las bombas noestén en marcha cuando la diferencia de temperaturas sea menor que 2 ºC y noestén paradas cuando la diferencia sea mayor que 7 ºC. La diferencia de tem-peraturas entre los puntos de arranque y de parada del termostato diferencial noserá menor que 2 ºC.
8.3. Sistemas de regulación y control
Existen múltiples configuraciones de sistemas de regulación, aquí se verán algunas de lasmás típicas señalando tanto la utilización como algunas de sus ventajas e inconvenientes.
Además según el Plan Solar de Castilla y León:
• El sistema de control asegurará que en las instalaciones para agua sanitaria, enningún caso se alcancen temperaturas superiores a 50 ºC en los puntos de con-sumo, recomendándose el empleo de válvulas mezcladoras.
• El sistema de control asegurará, mediante la parada de las bombas, que en nin-gún caso se alcancen temperaturas superiores a las máximas soportadas por losmateriales, componentes o tratamientos del circuito secundario.
• En climatización de piscinas, el control de temperatura del agua se realizarámediante sonda de temperatura ubicada en el retorno del agua de la piscina alintercambiador de calor y un termostato de seguridad en la impulsión queenclave el sistema de generación de calor.
• Cuando la protección contra heladas se realice por arranque de la bomba ovaciado automático del circuito primario, el sistema de control asegurará queen ningún punto la temperatura del fluido caloportador, descienda por debajode una temperatura de cuatro grados superior a la congelación del fluido.
En cuanto las condiciones extremas que puedan provocar averías, son varios los sistemasde seguridad utilizados para controlar las temperaturas extremadamente altas o bajas, eli-giendo cada uno de ellos según las condiciones ambientales y de la propia instalación.
ENERGÍA SOLAR TÉRMICA: MANUAL DEL PROYECTISTA118
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Figura 8.1: Esquema de regulación por termostato
El termostato detecta si la temperatura en el captador solar es superior a un valor de con-signa fijado con anterioridad. En dicho caso se produce el arranque de la bomba de cir-culación.
El termostato debe montarse en la salida del captador, tan cerca del mismo como seaposible.
• 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 calopor-tador a la salida del captador con la temperatura del fluido en la parte inferior del acu-mulador. Cuando la diferencia entre ambas sea mayor que un valor ajustado en el ter-mostato diferencial, éste ordenará a la bomba que se ponga en funcionamiento.
8.3.1. Regulación por termostato
SISTEMAS DE REGULACIÓN Y CONTROL 119
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Figura 8.2: Regulación por termostato diferencial
• Utilización: Pequeñas instalaciones con distancias pequeñas entre los captadores yel acumulador.
• Ventajas: Regulación sencilla y muy económica.
• Inconvenientes: Mal comportamiento a carga parcial.
8.3.3. Regulación por termostato diferencial y válvula deconmutación
El termostato diferencial pone en funcionamiento la bomba de circulación, al alcanzarsela temperatura mínima de utilización del captador.
La válvula de conmutación se encuentra en ese momento con el circuito de by-pass abier-to, y cerrado el circuito al intercambiador.
Cuando la temperatura dada por la sonda situada en la tubería de retorno del captadorsupera en cierta cantidad la temperatura del fluido en el fondo del acumulador, la válvu-la motorizada permitirá el paso del fluido caloportador al intercambiador.
ENERGÍA SOLAR TÉRMICA: MANUAL DEL PROYECTISTA120
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• Utilización: Pequeñas y medianas instalaciones con distancias grandes entre loscaptadores y el acumulador.
• Ventajas: Regulación sencilla, mejor rendimiento, no se pierde energía del acumu-lador en las tuberías.
• Inconvenientes: Mal comportamiento a carga parcial, la bomba puede funcionarinútilmente, el captador alcanza temperaturas altas en la puesta en régimen.
8.3.4. Regulación por termostato diferencial y válvula mezcladoraprogresiva
El termostato diferencial conecta la bomba de circulación cuando hay suficiente radiaciónsolar. El fluido circula a través del by-pass de la válvula mezcladora. Cuando la tempera-tura de salida del captador es mayor que la del acumulador la válvula se abre progresiva-mente, circulando una parte del fluido a través del intercambiador. En este caso el circui-to de captadores trabaja a caudal constante.
Figura 8.3: Regulación por termostato diferencial y válvula de conmutación
SISTEMAS DE REGULACIÓN Y CONTROL 121
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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 cap-tadores y los acumuladores, y temperaturas altas en el acumulador.
• Ventajas: No se pierde energía del acumulador en las tuberías y buen comporta-miento a carga parcial.
• Inconvenientes: La bomba puede funcionar inútilmente, el rendimiento no esóptimo.
8.3.5. Regulación por termostato diferencial y válvula de by-passprogresiva
El regulador de temperatura diferencial compara la temperatura de salida de los captado-res con la del fluido en el fondo del acumulador. Si la primera supera a la última en unacantidad prefijada, se abre la válvula de by-pass. La bomba de circulación se pone en fun-cionamiento 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 abriríaprogresivamente, aumentando el caudal que circula por los mismos y manteniendo cons-tante la diferencia de temperaturas al valor regulado. Si la temperatura de los captadoresdisminuye, la válvula de by-pass se cierra.
ENERGÍA SOLAR TÉRMICA: MANUAL DEL PROYECTISTA122
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• Utilización: Medianas y grandes instalaciones con distancias pequeñas entre loscaptadores y los acumuladores, y temperaturas altas en el acumulador.
• Ventajas: Buen comportamiento a carga parcial, menor número de paradas de lasbombas.
• 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 lainstalación contra las temperaturas extremas, que se pueden activar a través de un controleficaz.
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 suprimetoda extracción de A.C.S.
Figura 8.5: Regulación por termostato diferencial y válvula de by-pass progresiva
SISTEMAS DE REGULACIÓN Y CONTROL 123
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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 con-trol activará una electroválvula de vertido de A.C.S., cuando la temperatura en loscaptadores 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 activaráun aerotermo en caso de que en los captadores se supere la temperatura máxima deconsiga.
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 encaso 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 reci-ben energía del sol, esto hace que en las zonas con posibilidad de heladas, sea preciso uti-lizar sistemas de protección contra la congelación del fluido, para evitar el deterioro delos componentes de la instalación.
Algunas soluciones utilizadas para evitar daños en la instalación mediante el sistema decontrol son:
• Recirculación del agua del acumulador y del circuito primario. El sistema de controlactivará la circulación del circuito primario cuando la temperatura detectada en cap-tadores, 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 casode no haber aportación solar durante mucho tiempo.
• Vaciado automático de los captadores. El sistema de control activará la electrovál-vula de drenaje cuando la temperatura detectada en captadores, alcance un valorligeramente superior al de congelación del agua (+4 ºC).
Utilización: Pequeñas instalaciones o grandes instalaciones si existe un depósito devaciado y posterior sistema de llenado.
Ventajas: Control sencillo.
Inconvenientes: Se favorece la corrosión.
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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 seencuentran al límite de su capacidad de almacenamiento energético, se hace necesarioproteger los depósitos acumuladores solares de los sobrecalentamientos, para lo cual seinstalan sistemas de control que paren las bombas cuando las temperaturas alcanzadas enla parte superior de los mismos superen 60 ºC.
ENERGÍA SOLAR TÉRMICA: MANUAL DEL PROYECTISTA124
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9Sistemas demedición energética
Residencia Juvenil Diego Torres y Villaroel (Peñaranda de Bracamonte - Salamanca)
SISTEMAS DE MEDICIÓN ENERGÉTICA 126
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Sistemas demedición energética9
9.1. GeneralidadesSu objeto es medir las prestaciones reales de las instalaciones solares a fin de comprobarsu correcto funcionamiento y regulación, así como lo acertado de su diseño según lashipótesis de cálculo consideradas.
La memoria de diseño o proyecto, especificará las características del sistema de mediciónenergética: sistema de adquisición de datos, elementos de medida, condiciones de fun-cionamiento, etc.
El sistema de monitorización se encargará de realizar la medida de parámetros funciona-les 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 demonitorización 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, parainstalaciones 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.
ENERGÍA SOLAR TÉRMICA: MANUAL DEL PROYECTISTA127
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Y además registrará, con la misma secuencia, el estado de funcionamiento de las bombasde circulación de primario y secundario, la actuación de las limitaciones por máxima omínima y el funcionamiento del sistema de energía auxiliar.
Según normativa (RITE – ITE 04):
• Los aparatos de medida irán situados en lugar visible y fácilmente accesiblepara 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 pres-taciones diarias de la instalación. Estos datos quedarán archivados en un registro históri-co de prestaciones.
En instalaciones con superficie de captación superior a 100 m2, el sistema de monitoriza-ción estará capacitado para la emisión de señales de alarma.
Las señales de alarma serán transmitidas por el equipo de monitorización al servicio téc-nico de mantenimiento responsable de la instalación, en el mismo instante de la inci-dencia.
Al menos se considerarán las siguientes alarmas del sistema:
• No funciona la protección de heladas mediante recirculación del circuito primario omediante drenaje con recuperación automática.
• No funciona/n la/s bomba/s de los circuito/s primario y/o secundario cuando se danlas respectivas órdenes lógicas de funcionamiento.
9.2. Medida de temperatura
La medida de las temperaturas del fluido de trabajo, se realizará mediante sondas deinmersión. Solo se permitirá la utilización de sondas de contacto para medir la tempera-tura de agua caliente a consumo, ubicándose a la salida del acumulador o sistema con-vencional. Se tendrá especial cuidado en asegurar una adecuada unión entre las sondas decontacto y la superficie metálica.
SISTEMAS DE MEDICIÓN ENERGÉTICA 128
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La ubicación de las sondas ha de realizarse de forma que detecten exactamente las tem-peraturas que se desean medir, instalándose los sensores en el interior de vainas, que seubicarán en la dirección del fluido y en sentido contrario al de circulación, y evitándoselas tuberías separadas de la salida de los captadores y las zonas de estancamiento en losdepósitos. Se situarán a una distancia máxima de 5 cm. del fluido cuya temperatura sepretende medir.
La diferencia de temperatura del fluido, se realizará mediante termopares emparejados otermómetros de resistencia (conectados en dos brazos de un circuito en puente), de formaque la señal de salida sea única en todos los casos.
Los sensores de temperaturas soportarán las máximas temperaturas previstas en el lugaren que se ubiquen.
Foto 9.1:Termómetro,sondas detemperatura,y vainas
9.3. Medida de caudal
La medida de caudales de líquidos se realizará mediante turbinas, medidores de flujomagnético, medidores de flujo de desplazamiento positivo o procedimientos gravimétri-cos, 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 sequieran utilizar, así:
• En instalaciones de A.C.S. el medidor de caudal, se ubicará en la tubería de agua fríade la red, antes de la entrada al acumulador solar.
• En instalaciones de piscinas se colocará normalmente a la salida de la depuradorade la piscina, antes del intercambiador del sistema solar.
• En instalaciones de calefacción por suelo radiante, el caudalímetro se situará en elretorno de calefacción al acumulador solar.
• En aplicaciones conjuntas, si solamente se quiere utilizar un contador, lo más senci-llo es colocarlo en el primario y si interesa conocer el caudal en cada una de las apli-caciones, habrá que colocar tantos como aplicaciones, y en la ubicación ya descrita.
ENERGÍA SOLAR TÉRMICA: MANUAL DEL PROYECTISTA129
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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 aplica-ción, para la eventual desconexión y mantenimiento del mismo.
Cuando exista un sistema de regulación exterior, el sistema de medida del caudal debeestar precintado y protegido contra intervenciones fraudulentas.
Foto 9.2:Medidorde 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 sepa-rado.
Existen dos tipos de equipos: Equipos compactos y controladores embebidos.
SISTEMAS DE MEDICIÓN ENERGÉTICA 130
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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 por-que 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 eintroducir un programa de configuración de las operaciones a realizar. Estos dispositivosson 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 sesitúe en la entrada del agua fría del acumulador solar y otra en la salida del aguacaliente del mismo (para aplicaciones únicas de A.C.S.).
• La energía aportada por el sistema auxiliar, si las sondas de temperatura se sitúan enla entrada y salida del sistema auxiliar.
En aplicaciones conjuntas, lo normal es medir la energía en el primario para sólo utili-zar un contador, pero así no se consideran las pérdidas que hay en intercambiador y acu-mulador, además de no poder discretizar el aporte energético solar real a cada una de lasaplicaciones.
El microprocesador podrá estar alimentado por la red eléctrica y mediante pilas o baterí-as que aseguren un funcionamiento mínimo de 6 meses.
El microprocesador multiplicará la diferencia de ambas temperaturas por el caudal ins-tantáneo de agua y su calor específico. La integración en el tiempo de estas cantidadesproporcionará la cantidad de energía aportada.
Foto 9.3:Medidorde energía
ENERGÍA SOLAR TÉRMICA: MANUAL DEL PROYECTISTA131
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9.5. Medida de la radiación solar
La medida de la radiación global se podrá realizar mediante piranómetro o célula cali-brada.
Foto 9.4:Piranómetro
Las características de los piranómetros estarán comprendidas dentro de las especificacio-nes 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 laradiación 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 deforma 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 elec-tromagnética, mediante malla exterior.
9.6. Sistema de adquisición de datos
Habrán de ser sistemas de medida analógica con posibilidad de recibir señales de 40-200mV 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 enel proceso directo de toma de datos o en el posterior de tratamiento de los mismos.
SISTEMAS DE MEDICIÓN ENERGÉTICA 132
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La impedancia de los sistemas de registro de datos deberá ser en general superior a 1000veces 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 sistemade adquisiciónde datos
Para grandes instalaciones se están empezando a utilizar los sistemas de adquisición ycontrol D.D.C. (Control Digital Directo), que captan las señales de campo de diversostipos, las elaboran en forma de programa software y en función del resultado de estos cál-culos activan una serie de salidas. Las entradas y salidas son independientes y es el pro-grama 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 desa-rrollar el producto, y no existen dos sistemas que emplean arquitecturas idénticas.
El lenguaje de programación es una de las claves para conseguir un adecuado funcio-namiento de las grandes instalaciones, debe ser potente, flexible y fácil de utilizar porun programador, se recomienda no utilizar lenguajes de programación especificos defabricantes y emplear lenguajes de programación estándares de mercado, como el len-guaje “C”.
Cuando esto no sea posible, será importante que el fabricante forme al usuario final o ges-tor de la instalación en ese lenguaje de programación, para poder obtener el máximo par-tido de la información aportada por el sistema y poder optimizar los programas de loscontroladores en base a dicha información.
El software base que utilice el puesto central de control remoto, es interesante que fun-cione bajo Windows de Microsoft, o que sus datos sean accesibles a hojas de cálculo tipoExcel, lo que posibilita la utilización de diversos programas de usuario, no necesaria-mente desarrollados por el mismo fabricante de los controladores.
ENERGÍA SOLAR TÉRMICA: MANUAL DEL PROYECTISTA133
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La evolución de los sistemas avanzados de control, sus variadas arquitecturas y, en defi-nitiva, las ventajas en gestión de los sistemas D.D.C. de control distribuido frente a lossistemas de control convencionales, se demuestran con claridad al observar los métodosmás habituales para el control y supervisión que pueden utilizarse en las instalaciones queincorporan 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.
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10Presupuesto delas instalaciones
Parque Municipal de Bomberos (Miranda de Ebro - Burgos)
PRESUPUESTO DE LAS INSTALACIONES 135
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Presupuesto delas instalaciones10
10.1. GeneralidadesUna parte muy importante en la realización de un buen proyecto, es la preparación de unpresupuesto ajustado a la realidad de los costes.
Un presupuesto mal confeccionado puede ocasionar muchos problemas a una empresainstaladora de energía solar. Por otra parte si la instalación está bien presupuestada, peromal proyectada o realizada, puede ser una fuente inagotable de costes adicionales.
Existen diversos documentos relacionados con el presupuesto, que influyen directamentesobre la cuantía de éste:
• Contrato de instalación: Debe especificar el precio total y los trabajos y materialesincluidos en el presupuesto.
• Memoria técnica: Tendrá mayor o menor complejidad, de acuerdo al volumen eco-nómico del proyecto. Un proyecto bien realizado, reduce costes, es más rentable ypor lo tanto más sencillo de vender.
• Manual de operación y mantenimiento: Es muy importante por las consecuenciaseconómicas 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 correspondeal contrato de mantenimiento.
Según el Plan Solar de Castilla y León:
• La garantía comprende la reparación o reposición, en su caso, de los compo-nentes y piezas que pudieran resultar defectuosas así como la mano de obraempleada en la reparación o reposición durante el plazo de vigencia de lagarantía.
• Quedan expresamente incluidos todos los demás gastos, tales como desplaza-mientos, medios de transporte, amortización de vehículos y herramientas, dis-ponibilidad de otros medios y eventuales portes de recogida y devolución delos equipos para su reparación en los talleres del fabricante.
• Asimismo, se deben incluir la mano de obra y materiales necesarios para efec-tuar los posteriores ajustes, reglajes y nueva puesta en marcha de la instalación.
ENERGÍA SOLAR TÉRMICA: MANUAL DEL PROYECTISTA136
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• Contrato de mantenimiento: Es muy importante para la empresa instaladora, ya quesi la instalación no se mantiene adecuadamente, puede tener problemas durante lagarantía, y suponer muchos gastos adicionales.
10.2. Tipos de presupuesto
Existen diferentes formas de realizar un presupuesto, pero básicamente se distinguen trestipos en función del tamaño y la complejidad de la instalación:
• Presupuesto por partida completa de obra: Se utiliza en grandes y medianas insta-laciones.
• Presupuesto por partidas globales: Se utiliza en medianas y pequeñas instalaciones.
• Presupuesto simplificado: Se utiliza en instalaciones muy pequeñas, normalmentecuando 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 instala-ciones, 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 dela obra de un edificio. La partida destinada a la instalación solar se subdivide a su vez ensubpartidas, cada una de las cuales incluye el total de los materiales, equipos, mano deobra y trabajos subcontratados (cuando los haya).
Cuando el proyectista tiene experiencia y datos de otras instalaciones, este sistema le per-mite calcular mejor los costes de mano de obra y de los materiales necesarios ya que cadauna de las subpartidas está bien definida.
El número de subpartidas es elegido por el proyectista y a cada una de ellas debe añadir-las tanto el beneficio industrial como el IVA.
Es importante incluir en el presupuesto los trabajos y materiales que van a cargo del usua-rio 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 condi-ciones de pago.
10.2.2. Presupuesto por partidas globales
Esta forma de realizar un presupuesto es sencilla para las pequeñas y medianas instala-ciones y, sobre todo, cuando el proyectista no tiene demasiada experiencia.
Consiste en que el presupuesto se divida en partidas globales de materiales y equipos ymano de obra total. Para el proyectista con experiencia tiene mayor dificultad, sin embar-go permite comparar fácilmente los costes de los equipos y de los materiales.
PRESUPUESTO DE LAS INSTALACIONES 137
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Además de cada una de las partidas mencionadas, no debe olvidarse de introducir unapartida correspondiente a las pruebas de funcionamiento, otra correspondiente al benefi-cio industrial y otra a los impuestos. También se puede incluir como otra partida los cos-tes 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 pre-supuesto simplificado.
En el caso concreto de los equipos compactos, al venir prácticamente todo incluido en unsolo equipo, este es el coste principal de la instalación.
La forma más sencilla de realizar este presupuesto es hacerlo de forma global, sin dife-renciar partidas o en todo caso utilizar el sistema de partidas globales, ya que sólo hay unequipo, algunos materiales y las labores principales del instalador están muy definidas(fijar el equipo, realizar las conexiones hidráulicas, llenarlo y ponerlo a punto) para poderevaluar correctamente la partida presupuestaria correspondiente a la mano de obra.
Hay que tener en cuenta si se requieren medios mecánicos para trasladar y colocar elequipo compacto en su ubicación, ya que la cuantía suele ser elevada y sería un errorimportante no incluirlo en una partida.
10.3. Costes normalizados de inversión, operación y mantenimien-to según el Plan Solar de Castilla y León
El Plan Solar de Castilla y León, propone unos costes normalizados de los diferentes ele-mentos 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 usua-rio, al poder contrastar el precio que le están ofertando por una determinada instalación.Estos costes pueden considerarse como los precios medios de instalaciones solares nor-malizadas 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 inver-sión considerado a los efectos del Plan Solar de Castilla y León para una instalación,caracterizada por unos componentes concretos, acorde a las condiciones de mate-riales, diseño y montaje detalladas en la instrucción técnica de la Dirección Generalde Industria, Energía y Minas citada en el Articulo 1º de la Orden de convocatoriadel Plan Solar (2002).
ENERGÍA SOLAR TÉRMICA: MANUAL DEL PROYECTISTA138
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• Coste Normalizado de Operación y mantenimiento (C.N.O.): Representa el valoranual del coste de operación y mantenimiento considerado a los efectos del PlanSolar de Castilla y León para una instalación caracterizada por unos componentesconcretos, acorde a las condiciones de operación y mantenimiento detalladas en lainstrucción técnica de la Dirección General de Industria, Energía y Minas citada enel 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., nicualquier 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” deuna instalación de energía solar térmica. Se distinguen dos líneas: equipos compactos yno compactos.
A continuación se reflejan los costes normalizados referentes a la convocatoria 2002 delPlan 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 lasiguiente:
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 parti-das características: 1) Colectores; 2) Estructura de soporte de colectores; 3) Tuberías, ais-lamientos, valvulería, sistemas de purga, expansión, etc.; 4) Acumuladores; 5)Intercambiadores; 6) Bombas; 7) Sistema eléctrico; 8) Sistema de control y monitoriza-ción; 9) Montaje, instalación, transporte, grúas, puesta en marcha etc.; 10) Operación ymantenimiento durante garantía y 11) Costes extraordinarios (obra civil y estructurasespeciales).
El C.N.I. será la suma de los costes unitarios de los 11 elementos característicos, ante-riormente enunciados.
PRESUPUESTO DE LAS INSTALACIONES 139
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Ubicación Coeficiente
Suelo 0,9
Terraza plana 1
Cubierta inclinada 1,1
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
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 normali-zado unitario multiplicado por la superficie de captación a instalar.
Finalmente el coste normalizado total para este elemento será corregido multiplicándolopor un coeficiente de dificultad, según la complicación de la ubicación a utilizar para ins-talar el campo de colectores, según se expresa en el siguiente cuadro.
2) Estructuras de soporte de colectores
Para este elemento se establece un coste normalizado unitario por unidad de superficie decaptación de 11 euros / m2.
El coste normalizado total para este elemento, será igual al producto del coste normali-zado 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 costetotal normalizado correspondiente a los colectores (sin aplicar el coeficiente de dificul-tad), según se indica en el siguiente cuadro.
ENERGÍA SOLAR TÉRMICA: MANUAL DEL PROYECTISTA140
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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 norma-lizados por cada uno de los acumuladores que se hallan instalado.
En caso de que sea instalado un acumulador de capacidad diferente a los aquí enumera-dos, a efectos de evaluar su coste normalizado se elegirá el inmediatamente superior dela tabla anterior
5) Intercambiadores
Para definir el coste normalizado de este elemento, se define un porcentaje sobre el costetotal normalizado correspondiente a los colectores (sin aplicar el coeficiente de dificul-tad), según se indica en el siguiente cuadro.
El coste normalizado total de esta partida, será igual al producto del coste normalizadototal correspondiente a los colectores (sin aplicar el coeficiente de dificultad), multiplica-do por el porcentaje indicado en la tabla anterior.
4) Acumuladores
En función del volumen de acumulación instalado, se consideran unos costes normaliza-dos por acumulador.
PRESUPUESTO DE LAS INSTALACIONES 141
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Superficie instalada (m2)Mayor que Menor o igual que 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
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 normalizadototal correspondiente a los colectores (sin aplicar el coeficiente de dificultad), multiplica-do por el porcentaje indicado en el cuadro anterior.
6) Bombas
Para definir el coste normalizado de este elemento, se define un porcentaje sobre el costetotal normalizado correspondiente a los colectores (sin aplicar el coeficiente de dificul-tad), según se indica en el siguiente cuadro.
El coste normalizado total de esta partida, será igual al producto del coste normalizadototal correspondiente a los colectores (sin aplicar el coeficiente de dificultad), multiplica-do por el porcentaje indicado en el cuadro anterior.
ENERGÍA SOLAR TÉRMICA: MANUAL DEL PROYECTISTA142
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7) Sistema eléctrico
Para definir el coste normalizado de este elemento, se define un porcentaje sobre el costetotal normalizado correspondiente a los colectores (sin aplicar el coeficiente de dificul-tad), 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
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 normalizadototal correspondiente a los colectores (sin aplicar el coeficiente de dificultad), multiplica-do 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 costetotal normalizado correspondiente a los colectores (sin aplicar el coeficiente de dificul-tad), según se indica en el siguiente cuadro.
El coste normalizado total de esta partida, será igual al producto del coste normalizado
PRESUPUESTO DE LAS INSTALACIONES 143
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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 normalizadototal correspondiente a los colectores (sin aplicar el coeficiente de dificultad), multiplica-do 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 costetotal normalizado correspondiente a los colectores (sin aplicar el coeficiente de dificul-tad), 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
total correspondiente a los colectores (sin aplicar el coeficiente de dificultad), multiplica-do 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 costetotal normalizado correspondiente a los colectores (sin aplicar el coeficiente de dificul-tad), según se indica en el siguiente cuadro.
ENERGÍA SOLAR TÉRMICA: MANUAL DEL PROYECTISTA144
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El coste normalizado total de esta partida, será igual al producto del coste normalizadototal correspondiente a los colectores (sin aplicar el coeficiente de dificultad), multiplica-do 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 correspon-dientes a:
• Obra civil de carácter especial
- Construcción y/o modificación de casetas de salas de máquinas para albergar losacumuladores solares.
- Ubicación de depósitos en cubierta.
• Estructuras de carácter especial.
- Estructuras en cubierta para ubicar los colectores, como consecuencia de la bajaresistencia de la cubierta existente.
- Estructuras definidas a efectos de mejorar la integración del campo de colecto-res en el entorno y/o edificio.
Para la inclusión de estos conceptos en el C.N.I., será preciso un informe detallado en elque se contemplen los costes de mano de obra, materiales y tiempos de las partidas uni-tarias características de la labor a realizar.
El valor máximo de inversión para estos elementos extraordinarios será del 15% de lasuma 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 unporcentaje sobre el C.N.I. total de la instalación (Línea IA “Equipos compactos”) y elcoste total normalizado correspondiente a los colectores (sin aplicar el coeficiente de difi-cultad) (Línea IB “Equipos no compactos”), según se indica en el siguiente cuadro.
PRESUPUESTO DE LAS INSTALACIONES 145
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Superficie instalada (m2)Mayor que Menor o igual que 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 delC.N.I. (para la línea IA “Equipos compactos”), multiplicado por 0,6, o el coste normali-zado total correspondiente a los colectores (sin aplicar el coeficiente de dificultad) (parala línea IB “Equipos no compactos”); multiplicado por los porcentajes indicados en elcuadro anterior.
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IConversiónAnexo
de unidades
Residencia Juvenil Gil de Siloé (Burgos)
CONVERSIÓN DE UNIDADES 147
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Múltiplo Prefijo Símbolo
1.000.000.000 (109) Giga G
1.000.000 (106) Mega M
1.000 (103) kilo k
100 (102) hecto h
10 (101) deca da
0,1 (10-1) deci d
0,01 (10-2) centi c
0,001 (10-3) mili m
0,000001 (10-6) micro µ
Magnitud Unidad Símbolo
Longitud metro m
Masa gramo g
Tiempo segundo s
Temperatura kelvin K
Conversiónde unidadesI
Múltiplos y submultiplos
Unidades fundamentales
Unidades de temperatura
Las unidades más comunes para medir la temperatura son:
• Grados Centígrados (ºC)
• Grados Kelvin (K)
• Grados Fahrenheit (ºF)
ENERGÍA SOLAR TÉRMICA: MANUAL DEL PROYECTISTA148
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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)
Grado Centígrado (ºC) Grado Fahrenheit (ºF)
ºC =ºF - 32
x 100180
ºF =ºC x 180
+ 32100
Figura A.1.: Punto de congelación y de ebullición del agua a una presión de 1 atmósfera,para las distintas escalas de temperatura descritas
Ebullición del agua
Congelación del agua
Cero absoluto
100 ºC
0 ºC
-273 ºC
373 K
273 K
0 K
212 ºF
32 ºF
-460 ºF
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)
CONVERSIÓN DE UNIDADES 149
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Para pasar de a Multiplicar por
Atmósfera (atm) Bar 1,01325
Atmósfera (atm) mm de mercurio 760
Atmósfera (atm) Kg/m2 10.332
Atmósfera (atm) Pascal 101.325
Atmósfera (atm) Libra/pulgada2 14.696
Atmósfera (atm) m. c. a. 10,33
Bar Atmósfera (atm) 0,987
mm de mercurio Atmósfera (atm) 1,316 10-3
Kg/m2 Atmósfera (atm) 9,679 10-5
Pascal Atmósfera (atm) 9,869 10-6
libra/pulgada2 Atmósfera (atm) 6,805 10-5
m. c. a. Atmósfera (atm) 0,0968
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
ENERGÍA SOLAR TÉRMICA: MANUAL DEL PROYECTISTA150
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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 Multiplicar por
kcal/h Watio 1,162
kcal/h J/h 4,187
Watio kcal/h 0,860
J/h kcal/h 0,240
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IIGlosarioAnexo
Albergue Juvenil Villamanín (Villamanín - León)
GLOSARIO 152
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GlosarioIIAbsorbedor 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 queincide sobre ella. La energía no absorbida se transmite o refleja, dando lugar a los facto-res 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 mayorparte 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 suentorno.
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 superficiehorizontal o a nivel.
Antireflectante: Tratamiento que se aplica sobre la superficie de los cuerpos en los quese desea reducir las pérdidas por reflexión.
Aporte solar, factor de: Porcentaje de la energía total demandada, cubierta por la energíasolar.
Arquitectura solar o Bioclimática: Conjunto de soluciones arquitectónicas que permitenla captación, almacenamiento y distribución de la energía solar que incide sobre el edifi-cio, mediante la combinación de paredes opacas y transparentes, de la masa térmica deledificio, de la circulación natural del aire y de captadores solares, teniendo en cuenta lascondiciones climatológicas locales.
Calor específico: Cantidad de calor necesaria para elevar la temperatura de la unidad demasa 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.
ENERGÍA SOLAR TÉRMICA: MANUAL DEL PROYECTISTA153
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Captador: Dispositivo destinado a captar la radiación solar incidente para convertirla engeneral, 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 acondi-cionamiento o calefacción.
Conducción, transferencia de calor por: Transferencia de calor a través de un mediomaterial sin desplazamiento de materia.
Conductancia térmica: Cantidad de calor transmitida en la unidad de tiempo a través dela 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 dedesplazamiento de materia, esta puede ser natural o forzada mediante un sistemamecánico.
Cubierta:Material o materiales transparentes que recubren la abertura del captador y queexpuestos 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 reco-gida y la incidente (disponible) sobre el captador.
Efectividad, eficiencia o rendimiento del intercambiador de calor: Relación entre latransferencia real de calor y el máximo teórico que se lograría en un intercambiador infi-nitamente grande.
Emisividad, emitancia o factor de emisión: Relación entre la radiación energética emi-tida por una superficie real y la emitida por un radiador ideal (cuerpo negro) a igual tem-peratura.
Fluido caloportador: aire, agua u otro fluido que pasa a través del captador solar ó queestá 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 super-ficies o medios correspondientes.
Forma de un edificio, factor de: Relación entre la superficie exterior de un edificio y elvolumen encerrado por ella.
Ganancia solar directa: Radiación solar directa que pasando a través de áreas acristala-das contribuye al calentamiento del espacio interior.
Ganancia solar indirecta: Transferencia de energía solar del espacio a calentar, a travésde un captador unido a dicho espacio, mediante un medio transmisor de calor. Ejemplosde estos captadores son los muros o techos de almacenamiento térmico.
Ganancias internas: Energía disipada en el interior del espacio a calentar por las perso-nas o las máquinas en funcionamiento que lo ocupan. Esta energía contribuye a disminuirlos requerimientos de calentamiento del espacio.
GLOSARIO 154
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Heliostato: Sistema que comprende un dispositivo absorbente o reflectante. Orientable deforma tal que la radiación directa incidente es absorbida o reflejada en este último casoen 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 materialesque indica la cantidad de energía que tienen que absorber para incrementar su temperatu-ra 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 intercam-biador de calor.
Intercambiador o cambiador de calor: Dispositivo que transfiere el calor de una sustan-cia a otra, sin mezclarlas.
Invernadero, efecto: Efecto que se produce en un dispositivo parcialmente cerrado por unvidrio, al comportarse como transparente a la radiación solar de onda corta y como opacoa 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 unidadde tiempo. Se trata de una densidad de potencia.
Microclima: Conjunto de condiciones climáticas que afectan a un área geográfica muyreducida 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 cap-tar 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 sucalor durante la noche al interior de la habitación.
Orientación: Angulo de desviación respecto al sur geográfico de una superficie. El surreal no debe confundirse con el magnético, del que se diferencia por efecto de la decli-nación 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 elagua es neutra, si es mayor de 7 es básica y si es menor de 7, ácida. Si es ácida da lugara corrosión.
Radiación: Emisión y propagación de energía bajo la forma de ondas o de partículassubatómicas.
ENERGÍA SOLAR TÉRMICA: MANUAL DEL PROYECTISTA155
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Radiación difusa: Parte de la radiación solar incidente que procede de todas las direc-ciones después de su difusión en la atmósfera y eventuales reflexiones en la superficieterrestre.
Radiación directa: Parte de la radiación solar incidente que no sufre ningún cambio dedirección.
Radiación infrarroja: Radiación invisible electromagnética de longitud de onda superioral intervalo correspondiente a la luz visible.
Radiación, transmisión de calor por: Radiación electromagnética que transmite calordesde un objeto a otro, sin necesidad de medio material entre ambos, y sin calentamien-to del espacio comprendido entre ellos.
Radiación ultravioleta: Radiación invisible electromagnética de longitud de onda infe-rior al intervalo correspondiente a la luz visible. Esta parte de la radiación solar, intervie-ne en los procesos de deterioro de las superficies expuestas al sol.
Reflectividad, reflectancia o factor de reflexión: Relación entre la radiación reflejadapor 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 unasuperficie.
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 com-pletar la demanda energética total.
Sistema de circuito abierto: Sistema que puede intercambiar tanto energía como materiacon el exterior. El fluido del sistema es renovado constantemente.
Sistema de circuito cerrado: Sistema que tan solo puede intercambiar energía con elexterior. El fluido del sistema esta así obligado a recircular.
Sistema solar activo: Sistema que utiliza captadores solares para transferir una parte dela energía solar incidente sobre el edificio, a un fluido portador del calor. La energía tér-mica 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 unadébil emitancia para las radiaciones infrarrojas del absorbedor.
b) Cubiertas que reflejan los rayos infrarrojos de gran longitud de onda.
GLOSARIO 156
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Termosifón, efecto: Circulación convectiva de un fluido en el interior de un sistema cerra-do, cuando el fluido caliente asciende por su menor densidad siendo reemplazado por elfluido frío del mismo sistema.
Termostato: Dispositivo sensible a la temperatura que controla la parada y puesta en mar-cha del sistema de suministro de calor.
Transmitancia o factor de transmisión: Relación entre la radiación que atraviesa unmaterial y la radiación incidente sobre dicho material.
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IIISimbologíaAnexo
Residencia Juvenil Arturo Duperier (Avila)
SIMBOLOGÍA 158
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SimbologíaIIISímbolo 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
ENERGÍA SOLAR TÉRMICA: MANUAL DEL PROYECTISTA159
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Símbolo Descripción
Contador
Intercambiador de calor
Bomba circuladora
Válvula de tres vías
Vaso de expansión cerrado
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IVBibliografíaAnexo
Campo Municipal de Futbol de Bayas (Miranda de Ebro - Burgos)
BIBLIOGRAFÍA 161
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ENERGÍA SOLAR TÉRMICA: MANUAL DEL PROYECTISTA162
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•MARTÍN SECO, DAVID. “Diseño y construcción de una instalación de ensayo desistemas 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 sola-res térmicas para producción de agua caliente”. INTA, 1991.
•MEZQUITA GÓMEZ, BLANCO SOLÁ. “Especificaciones técnicas de diseño ymontaje 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 BajaTemperatura 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 pormedio de captadores planos”, 1989.
• SOLÍS CAMBA, GÓMEZ REY. “Cálculo de sistemas solares para calentamientode agua”. Ministerio de Industria y Energía, 1992.
• UNIVEX SOLAR ESPAÑA. “Heliotermotécnica. Técnicas de captación y utiliza-ción 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 ener-gético” Oficina de publicaciones de las comunidades europeas. Luxemburgo, 2001.
• “Solar thermal by design”. Renewable Energy World, 1998.
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VDireccionesAnexo
de interés
Residencia Juvenil Gaya Nuño (Soria)
DIRECCIONES DE INTERÉS 164
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Direccionesde interésV
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 AMBIENTERigoberto Cortejoso, 14 47071 Valladolid.Tel.: 983 41 99 88. Fax: 983 41 99 66
• ENTE PÚBLICO REGIONAL DE LA ENERGÍA DE CASTILLA Y LEÓN - ERENEdificio EREN. Avda. Reyes Leoneses, 11 24008 León.Tel.: 987 84 93 93. Fax: 987 84 93 90http://www.jcyl.es/jcyl-client/jcyl/cict/eren Correo E.: [email protected]
A.V.2. Entidades Públicas, Centros de Investigación yUniversidades
• COMISIÓN EUROPEA - Dirección General de Energía y Transportes (TREN)Rue de la Loi, 200 B – 1049 Bruselas.Tel.: + 32 2 299 11 11http://europa.eu.int/comm/dgs/energy_transport/index_en
• FEDERACIÓN EUROPEA DE AGENCIAS REGIONALES DE ENERGÍA Y MEDIO AMBIENTE -FEDARENERue de Beau – Site, 11 B-1000 Bruselas.Tel.: + 32 2 646 82 10. Fax: + 32 2 646 89 75http://www.fedarene.org
ENERGÍA SOLAR TÉRMICA: MANUAL DEL PROYECTISTA165
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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 Y TECNOLÓGICAS -CIEMAT
Avda. Complutense, 22 28040 Madrid.
Tel.: 91 346 60 95. Fax: 91 346 64 34
http://www.ciemat.es
• 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]
DIRECCIONES DE INTERÉS 166
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• LABORATORIO DE CALIBRACIÓN Y CONTROL ELÉCTRICO Y ELECTRÓNICO DE CASTILLAY 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 LAFABRICACIÓN - 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]
ENERGÍA SOLAR TÉRMICA: MANUAL DEL PROYECTISTA167
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• CONSEJO RECTOR DE CENTROS TECNOLÓGICOS DE CASTILLA Y LEÓN (AGENCIA DE
DESARROLLO ECONÓMICO) JUNTA DE CASTILLA Y LEÓNDuque de la Victoria, 23 47001 Valladolid.Tel.: 983 41 14 20. Fax: 983 41 49 70
A.V.3. Otras direcciones de interés
• PORTALENERGÍAhttp://www.portalenergía.com
• PORTALSOLARhttp://www.portalsolar.com
• REVISTA DE ENERGÍA RENOVABLEShttp://www.energiasrenovables-larevista.es
• LA GUÍA DE LA ENERGÍAhttp://www.energuia.com
Relación de instaladores y fabricantes en Castilla y Leóndisponibles en:
http://www.jcyl.es/jcyl-client/jcyl/cict/eren
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VIMétodoAnexo
F-Chart
Polideportivo Municipal La Palomera - Instalación B (León)
MÉTODO F-CHART 169
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MétodoF-ChartVI
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 contri-bución a la aportación del calor total necesario para combatir las cargas térmicas.
Este método es lo suficientemente exacto, para largas estimaciones, no debiendo aplicar-se por ejemplo para estimaciones de tipo diario.
Se puede aplicar para determinar el rendimiento o factor de cobertura solar (f) en insta-laciones de calentamiento mediante captadores solares planos en cualquier tipo de edifi-cio.
Se utilizan datos meteorológicos medios mensuales.
Está preparado para su implantación en ordenador, pudiendo obtener para un dimensio-nado de la superficie de captación, cual va a ser la cobertura solar.
f = 1,029 D1 – 0,065 D2 – 0,245 D12 + 0,0018 D2
2 + 0,0215 D13
El orden de cálculo es el siguiente:
1. Valoración de la carga o energía calorífica necesaria para el calentamiento de agua des-tinada 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. deeste manual.
ENERGÍA SOLAR TÉRMICA: MANUAL DEL PROYECTISTA170
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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 captadorplano y la carga calorífica total de calentamiento durante un mes.
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 absorbi-da 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 enfunción 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 transparentesen 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 calculasegún la fórmula:
Donde:
Sc es la superficie captadora necesaria.
FRUL es la pendiente de la curva característica del captador expresada en funciónde te-ta.
Vmin es la más pequeña de las velocidades de capacidad calorífica de los fluidos que cir-culan por el intercambiador en W (normalmente es el producto del caudal del circuito pri-mario, m, multiplicado por el calor específico del fluido caloportador que contiene anti-congelante, Ce).
( )
D1 =Energía absorbida por el captador
=Sc x F´R (τα) x RI x η
Carga calorífica mensual Qa
F´R =1
FR
1 +Sc x FRUL
x 1 - 1
Vmin EI[ ]
MÉTODO F-CHART 171
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( )K1 =Kg acumulación
75 x m2 captador
EI es la eficiencia del intercambiador, depende del intercambiador que se haya escogidopara la potencia térmica calculada.
1 2 5 10 20 50 100
1,0
0,8
0,6
0,4
0,2
0
0,1
0,2
0,3
0,5
0,6
0,70,8
0,9
0,4
EI(Para depósitos mp = ms)
EI x Vmin
SC x m x Ce
F´ R/FR
m x CeFR UL
A.VI.3. Cálculo del parámetro D2
El parámetro D2 expresa la relación entre las pérdidas de energía en el captador, para unadeterminada temperatura, y la carga calorífica de calentamiento durante un mes.
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 tempe-ratura 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:
D2 =Sc x F´R UL x (100-ta) x ∆ tiempo
x K1 x K2Qa
-0,25
ENERGÍA SOLAR TÉRMICA: MANUAL DEL PROYECTISTA172
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K2 es un factor de corrección para A.C.S. que relaciona la temperatura mínima delagua caliente sanitaria, la temperatura del agua de red y la temperatura ambientemedia 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 D2
2 + 0,0215 D13
1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18
3,0
2,5
2,0
1,5
1,0
0,5
0
D1
D2
f = 0,1
f = 0,2
f = 0,3
f = 0,4
f = 0,5
f = 0,6
f = 0,7
f = 0,8
f = 0,9
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.
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Cobertura anual =Qu necesaria
Qa necesaria
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
1
∑12
1
MÉTODO F-CHART 173
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