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INSTALACIONES SOLARES TRMICAS
INTRODUCCIN
La energa solar trmica consiste en el aprovechamiento de la
energa procedente del Sol para transferirla a unmedio portador de
calor, generalmente agua o aire.La nueva normativa del Cdigo Tcnico
de la Edificacin exige una aportacin mnima que provenga del
aprovechamiento de la energa solar trmica para la disminucin de
la utilizacin de energas convencionales, laaportacin afectar a
todos aquellos edificios que tengan que suministrar ACS, sea cual
sea su uso, y esa aportacindepender de la zona climtica en la que
se encuentre el edificio.
Definiremos la energa solar trmicao energa termosolarcomo el
aprovechamiento de la energa del Solpara generar calor mediante el
uso de colectores o paneles solares trmicos. Esta energa solar se
encarga de calentar elagua u otro tipo de fluidos a temperaturas
que podrn oscilar entre 40 y 50, no debiendo superar los 80.
Este agua caliente se podr usar posteriormente para cocinar o
para la produccin de agua caliente destinada alconsumo de agua
domstico (ACS), ya sea agua caliente sanitaria o calefaccin.
La principal aplicacin de la energa solar trmica es la produccin
de Agua Caliente Sanitaria (ACS) para elsector domstico y de
servicios. El agua caliente sanitaria se usa a una temperatura de
45 C, temperatura a la que se
puede llegar fcilmente con captadores solares planos que pueden
alcanzar como temperatura media 80 C. Se
considera que el porcentaje de cubrimiento del ACS anual es
aproximadamente del 60 %; se habla de este porcentaje, yno
superior, para que en la poca de mayor radiacin solar no sobre
energa. La energa aportada por los captadoresdebe ser tal que en
los meses ms favorables aporte el 100 %. El resto de las
necesidades que no aportan los captadoresse obtiene de un sistema
auxiliar, que habitualmente suele ser gasleo, gas o energa
elctrica. Con este porcentaje decubrimiento los periodos de
amortizacin son reducidos.
La energa solar trmica puede ser un complemento al sistema de
calefaccin, sobre todo para sistemas queutilicen agua de aporte a
menos de 60 C.
Para calefaccin con aporte solar, el sistema que mejor funciona
es el de suelo radiante (circuito de tuberas porel suelo), ya que
la temperatura del fluido que circula a travs de este circuito es
de unos 45 C, fcilmente alcanzablemediante captadores solares. Otro
sistema utilizado es el de fan-coil o aerotermos.
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Un sistema solar trmico para uso domestico consta de:
1) Captador2) Interacumulador3) Caldera4) Estacin solar5)
Consumo del agua (ducha)
El funcionamiento de la captacin de energasolar trmica se basa
en lo siguiente: el primer paso escaptar los rayos solares mediante
colectores o panelessolares, despus a travs de este panel hacemos
pasaragua u otro fluido de caractersticas similares, de estamanera
una parte del calor absorbido por el panel solar estransferido al
agua y de esta forma ya puede serdirectamente usada o almacenada
para que hagamos uso
de l cuando lo necesitemos.
Consta de:
Sistema de captacin: formado por los elementos que reciben la
radiacin solar y la transmiten al fluido quelos recorre (agua y
anticongelante). Existen dos tipos fundamentales: los colectores
planos y los colectores de tubos devaco.
Sistema de intercambio y acumulacin: como el consumo de ACS no
siempre va a coincidir con losinstantes de mayor radiacin solar,
tendremos que acumular el agua calentada para poder consumirla
cuandonecesitemos. Entre los colectores y el acumulador o en el
interior de ste, colocaremos un intercambiador, que traspaseel
calor del fluido que circula por los paneles al agua contenido en
el acumulador. Estos fluidos no se pueden mezclaren ningn caso ya
que el primero est compuesto por agua y anticongelante y por tanto
no es potable. Denominaremos
circuito primario al que est recorrido por el fluido que se
calienta en los paneles y circuito secundario al que esrecorrido
por el ACS.
Sistema de regulacin y control: est constituido por una serie de
elementos que permiten el correctofuncionamiento de la instalacin y
aumentan su rendimiento; podemos destacar termostatos, sondas de
temperatura,termmetros, circuladores, etc. Como mnimo, en toda
instalacin solar existir un termostato diferencial que mida la
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temperatura del fluido en el colector y del ACS en el
acumulador, y que arranque la bomba del primario cuando
latemperatura del primero sea superior a la del ACS.
Sistema de apoyo: toda instalacin de ACS debe disponer de un
sistema de apoyo auxiliar, que caliente elagua hasta la temperatura
elegida cuando la radiacin solar sea insuficiente. En la mayora de
los casos tanto eninstalaciones en viviendas unifamiliares, como en
edificios de viviendas, las instalaciones solares se disean
para
proporcionar a las viviendas entre el 60-80 % del agua caliente
demandada, aunque en zonas con gran insolacin a lolargo del ao, el
porcentaje de aporte suele ser superior.
La energa solar trmica es idnea para la produccin de agua
caliente. Instalando 2 m2 de
paneles solares en la vivienda se pueden suministrar un 60 % de
las necesidades de agua caliente
sanitaria de la familia
Ventajas de la Energa Solar Trmica
Se pueden enumerar toda una serie de ventajas que nos aporta un
sistema solar trmico, empezando por laseconmicas, pues para unas
mismas necesidades que el sistema convencional precisar consumir
menos combustible, loque representar para el usuario un menor gasto
anual. Podemos continuar resaltando las ventajas
medioambientales,
puesto que la generacin de energa con sistemas convencionales
posee unos costes ambientales muy importantes(emisiones de CO2,
cambio climtico, vertidos, residuos nucleares, lluvia cida, etc.)
en relacin con los sistemassolares. Como trmino medio, un m2 de
captador solar trmico es capaz de evitar cada ao la emisin a la
atmsfera deuna tonelada de CO2. Y por ltimo, la larga vida til de
las instalaciones solares, superiores a 25 aos, con unmantenimiento
que, si bien es necesario hacer, es de mucha menor entidad que en
el caso de los sistemasconvencionales.
Para edificios de viviendas se suelen instalar de media entre
1,5 y 2 m2 por vivienda dependiendo deparmetros tales como la
superficie disponible, la zona geogrfica, etc. La inversin
necesaria por cada metro cuadradode superficie de captacin est
entre los 600 y los 900, siendo los costes de operacin y
mantenimiento muy bajos.El periodo de amortizacin depende del tipo
de energa convencional que sustituya: 10-12 aos en el caso del gas,
y 5-6aos en el caso de energa elctrica.
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SISTEMA DE CAPTACIN
Los paneles solares operan mejor si son colocados en un lugar
donde reciban luz solar plena. Pueden colocarseen el techo de una
casa u oficina, sobre una estructura de soporte, montados en la
fachada o sobre el terreno. Es
preferible evitar los lugares que reciben sombra (vegetacin,
nieve, otros edificios, elementos constructivos, otrosmdulos,
etc.), al menos durante las horas centrales del da, ya que la
sombra afectar a su rendimiento.
Debido al cambio de posicin del Sol durante el ao, la inclinacin
ideal de los paneles vara en funcin de lalatitud en la cual nos
encontremos. Normalmente se utilizan 45 en trmica y 30 en
fotovoltaica, pero la inclinacinpuede variar en funcin de la
aplicacin, criterios de uso e integracin arquitectnica. En
cualquier caso esrecomendable una inclinacin superior a los 15,
para permitir que el agua de lluvia se escurra. La inclinacin
debeaumentarse en los lugares donde nieve con frecuencia.
Del mismo modo, el sistema solar tendr un mayor rendimiento si
los paneles solares estn orientados en ladireccin sur.
Aunque hay varios tipos de colectores o captadores solares, los
ms utilizados son:
-Captadores planos: Son los de uso ms extendido, entreotros
motivos por su menor coste en comparacin con otroscolectores.
Bsicamente estn formados por un serpentn o parrilla de
tubos generalmente de cobre, por los que se hace pasar un
fluido(agua+anticongelante). Este circuito est contenido en una
carcasa quea su vez se asla para evitar al mximo la prdida de
energa trmica.El colector posee una cubierta de vidrio que provoca
el efectoinvernadero, es decir, permite que entre la radiacin solar
pero no ladeja volver al exterior. Estos colectores tambin llevan
en su interioruna placa absorbedora de metal ennegrecido que tiene
la propiedad de absorber radiacin solar en gran cantidad yemitirla
lentamente en forma de calor hacia la parrilla de tubos. Finalmente
una junta logra la estanqueidad delconjunto, evitando la entrada de
agua en el interior
-Captadores compactos por termosifn:Se componen de un colector
plano y un depsito de agua calienteque se encuentra en la parte
superior del colector.El lquido solar es transportado al depsito
mediante circulacin
propia, transmitiendo el calor solar al agua sanitaria a travs
de un intercambiador de calor. Este sistema no poseebomba ni
regulacin automtica, ya que la circulacin se produce por la
diferencia de densidad del lquido solar, que seencuentra a distinta
temperatura en el flujo de ida y en el de retorno. El resultado es
un sistema sumamente eficaz, querequiere poco mantenimiento.
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-Captadores de tubos de vaco: Funcionan con tubos de vaco que
pueden alcanzar mayor rendimiento quelos colectores planos pues se
reducen las prdidas de calor que se producen por conveccin y
conduccin entre lasuperficie captadora y el cristal exterior a
travs del aire existente entre ellos.
Estos captadores estn formados por un nmero determinado de tubos
independientes, que se pueden colocaruno a uno acoplndolos
hidrulicamente a dos colectores independientes o a un nico colector
coaxial.
El agua que proviene del intercambiador llega al captador y pasa
a travs del colector de retorno a los distintostubos, en stos el
agua se va calentando y al final del recorrido vuelve por el
colector de ida hacia la instalacin.
Conexin de los captadores
Los paneles se pueden conectar entre s de tres formas: en serie,
en paralelo o mixto.
En la conexin en serie el agua atraviesa todos los colectores
para realizar un ciclo, adquiriendo mayortemperatura. Los
inconvenientes que se presentan son que el agua debe vencer una
resistencia mayor para atravesar los
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circuitos. Adems en cada colector la temperatura del agua ira en
aumento hasta llegar al ltimo colector donde seproduciran muchas
prdidas de calor.
La conexin en paralelo es mucho ms efectiva puesto que la
resistencia al paso del agua es mucho menor.Incluso si un colector
dejara de funcionar los dems no se veran afectados.
Orientacin e inclinacin de los captadores
Los colectores solares deben tener una orientacin e inclinacin
adecuada para poder recibir los rayos solaresen forma
perpendicular.
Por ejemplo, si la latitud del lugar es de 38,5 los resultados
son los siguientes:
En verano 18,5 En invierno 48,5 Todo el ao 34,65
SISTEMA DE INTERCAMBIO Y ACUMULACION
Ya hemos visto una configuracin habitual para instalaciones
solares trmicas de produccin de ACS y entreotros elementos destaca
el interacumulador, lugar donde adems de transferir la energa
trmica del fluido del primarioal del secundario (ACS) se acumula
este a una temperatura adecuada (aproximadamente 60 C).
En acumulaciones elevadas ( 2.000 litros) es mejor cambiar la
configuracin del sistema por otra en la que elintercambiador sea
exterior al acumulador, tal y como se muestra en la siguiente
figura:
El principio de funcionamiento es a grosso modo el siguiente:
mediante un termostato o mejor una central deregulacin se controlan
simultneamente las temperaturas del agua en el acumulador y en el
punto ms caliente de los
colectores (parte alta); cuando en los paneles tengamos una
temperatura mayor que en el acumulador las bombasfuncionarn, y en
caso contrario, permanecern en reposo.
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SISTEMA DE CONTROL Y REGULACIN
Como ya sabes, el circulador del primario es el encargado de
mover el agua caliente del panel hacia elinteracumulador, para que
all ceda su calor al agua de consumo. Sin embargo Qu condiciones
crees que tendremosque poner al circulador para que arranque?
Bastar simplemente con que la temperatura en el colector sea
superior a ladel agua del acumulador?
Queda descartada la posibilidad de arrancar la bomba si T
colector< Tacumulador, pues entonces enfriaramos el
aguaacumulada y el panel solar trabajara como un radiador.
Para que sea posible incrementar la temperatura del agua en el
acumulador debe cumplirse que Tcolector>Tacumulador, pero adems
con una margen aproximado de 5 C, ya que en caso contrario la
energa aportada por elcolector puede ser menor que la gastada por
el circulador, o lo que es lo mismo, gastamos ms que lo que
ahorramos.Para realizar ese control utilizaremos un termostato
diferencial, cuyas sondas se colocarn en la salida del
ltimocolector de cada fila y en la parte inferior del acumulador
respectivamente.
SISTEMA AUXILIAR DE APOYO
Como se ha dicho anteriormente, toda instalacin de energa solar
trmica debe disponer de un sistema deenerga convencional auxiliar
para asegurar la continuidad del abastecimiento de ACS.
Este sistema, compuesto por cualquiera de los mtodos de
produccin de ACS vistos anteriormente, debe ser
capaz de producir toda la cantidad de ACS que fuese necesaria,
en caso de que el aporte solar sea nulo. Si la energa deapoyo fuese
de origen elctrico, la cobertura solar mnima aumenta, o lo que es
lo mismo, se penaliza su uso.En la siguiente figura se muestra una
instalacin de produccin de ACS solar con apoyo de una caldera
de
acumulacin, que puede ser de gas o gasleo, pudiendo tambin
emplearse una caldera instantnea, mixta o no.Cuando se abre un
grifo de ACS, el agua caliente que sale del acumulador de apoyo es
repuesta por la misma cantidadde agua, que proviene del acumulador
solar. Si el agua del acumulador solar est a la temperatura de
consumo o a unamayor, la caldera de apoyo no arrancar; en caso
contrario la caldera encender para finalizar elcalentamiento del
agua, debiendo aportar slo una parte de energa.
En general, la caldera auxiliar arrancar siempre que la
temperatura en el acumulador de apoyo no est a latemperatura de
consumo, lo cual se detecta mediante la central de regulacin o un
simple termostato de inmersincolocado en el acumulador.
Anteriormente, era habitual conectar la caldera de apoyo al
mismo acumulador solar, el cual dispona de doble
serpentn, esto est actualmente prohibido ya que en algunos casos
se poda producir el arranque de la caldera auxiliarsin ser
necesario.
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El grfico muestra el porcentaje de la energa necesaria para el
calentamiento de agua que se cubre con energa solar en
una instalacin media, por meses y el porcentaje total anual.
Se puede apreciar como en los meses de ms baja radiacin (enero,
febrero, noviembre y diciembre) no se llega a cubrir el60 % de las
necesidades de energa, mientras que en los meses de verano se
alcanza prcticamente el 100 % de las mismas. As, elobjetivo con el
que se disean las instalaciones trmicas es cubrir un mnimo de un 60
% de las necesidades energticas anuales
dependiendo de la zona geogrfica. Pretender cubrir por encima de
un 60 % o 70 % anual requerira colocar un campo solar muygrande,
por lo que resultara un costo sumamente elevado que no se llegara a
amortizar nunca, adems de provocar en los meses
de mayor radiacin, como son los de verano, un excedente de
produccin que no se podra utilizar y que provocara problemas
desobrecalentamiento en toda la instalacin. Por este motivo las
instalaciones que mejor funcionan y antes se rentabilizan son las
que
necesitan ACS para todo el ao, calefaccin (mejor por suelo
radiante) para invierno y cuentan con piscina para verano o
incluso
todo el ao.