Componentes de las instalaciones solares
térmicas
En este documento se analizan las principales características
físicas y funcionales de los distintos componentes
de una instalación solar térmica para agua caliente
sanitaria.
CAPTADOR
Los parámetros fundamentales que caracterizan su funcionamiento
son los factores de ganancia y de pérdidas que conforman
su rendimiento térmico. También deben considerarse
otros factores importantes que caracterizan al captador solar:
- Durabilidad.
- Facilidad de montaje y transporte.
- Fiabilidad, garantía y servicio posventa del fabricante.
La disponibilidad de ensayos de rendimiento y durabilidad
por entidades reconocidas, así como de certificados
de homologación, proporciona una mayor fiabilidad del
producto. En algunos países, ya se han realizado disposiciones
normativas sobre la fabricación, rendimientos y ensayos
sobre colectores solares.
Además de la homologación, existen requisitos
a cumplir por los captadores en la Especificaciones Técnicas.
En líneas generales, estos pueden ser:
1. El material de la cubierta transparente
debe ser vidrio normal o templado (para evitar degradaciones)
y de espesor no inferior a 3 mm (para evitar roturas).
2. Distancia entre el absorbedor y la cubierta
transparente de entre 2 y 4 cm.
3. El material del absorbedor será
metálico de cobre. Con esto se pretende evitar el uso
indiscriminado de materiales plásticos.
4. El captador llevará un orificio
de ventilación de diámetro no inferior a 4 mm
situado en la parte inferior para que puedan eliminarse las
acumulaciones de agua. Esto debe hacerse de manera que no
afecte al aislamiento.
5. No podrán utilizarse captadores
de más de un vidrio. La utilización de más
de una cubierta encarece los captadores y no aporta mayores
beneficios.
6. La carcasa da rigidez al conjunto y debe
evitar la presencia del agua en el interior.
Este es uno de los mayores problemas, ya que se pueden producir
condensaciones bajo el cristal, empapar el aislamiento y corroer
el absorbedor.
Vidrio de espesor > 3mm. y transmisividad > 0.8
Absorbedor metálico de cobre
Separación entre 2 y 4 cm.
Orificio de drenaje y ventilación (diámetro
> 4 mm)
Pérdida de carga del circuito hidráulico <
1 mca para 1l/mm2
Durabilidad y fiabilidad.
La durabilidad de los captadores solares es un factor decisivo
en la selección de estos, máxime si se pretende
que duren, como mínimo, 20 años. Hoy en día,
se dispone de información y experiencia suficientes
sobre el tema y existen en el mercado captadores plenamente
fiables. En tiempos pasados, las fallas de muchas instalaciones
tuvieron su origen en captadores mal construidos o mal instalados;
puede ocurrir, por tanto, que instalaciones con captadores
plenamente fiables fallen si el diseño o montaje no
es correcto.
Las principales causas de falla de los captadores pueden
ser:
- Entrada de agua en el interior del captador
- Degradación del tratamiento del absorbedor (que puede
evitarse utilizando láminas de cobre).
- Corrosión del absorbedor (idem anterior)
- Degradación y rotura de la cubierta
- Degradación de los materiales aislantes
- Degradación del material de las juntas, sellos y
uniones
ACUMULADOR
Son del mismo tipo que los utilizados para producción
de agua caliente sanitaria en sistemas convencionales.
Diseño
El diseño de los depósitos debe tener en cuenta
los siguientes aspectos:
- Forma y disposición del depósito.
- Resistencia del conjunto a la máxima presión
y temperatura.
- Tratamiento interno de materiales en contacto con agua sanitaria.
- Aislamiento y protección para evitar pérdidas
de calor.
- Situación de conexiones de entrada y salida.
- Medidas para favorecer la estratificación y evitar
la mezcla de agua fría con caliente.
- Previsión de corrosiones y degradaciones.
Los principales problemas encontrados en el funcionamiento
de los depósitos acumuladores de agua caliente son:
- Mermas de rendimiento por excesivas pérdidas de
calor, generadas por un aislamiento defectuoso o por flujo
inverso durante la noche.
- Pérdidas de rendimiento por la aparición de
caminos preferentes del fluido, motivadas por un diseño
defectuoso de las conexiones de entrada y salida.
- Degradación del tratamiento de protección
interior y perforación del tanque por corrosiones de
las paredes internas.
Corrosiones y degradaciones
Los principales problemas de corrosión se producen
por efecto del exceso de temperatura, la aparición
de pares galvánicos y por el oxígeno y sales
disueltos en el agua.
El exceso de temperatura es difícil de prever en instalaciones
por termosifón, por lo que se recomienda utilizar diseños
superiores a 70 u 80 litros por metro cuadrado de captador.
Funcionamiento
Los factores que más influyen en el funcionamiento
de un acumulador solar son los siguientes:
Estratificación
Es la distribución vertical de temperaturas del agua
caliente que favorece el rendimiento. Se aumenta la estratificación
utilizando depósitos verticales y evitando las mezclas
en el interior durante el proceso de calentamiento.
Circulación interior
Ha de prestarse especial atención en el diseño
de las conexiones de entrada y salida del acumulador.
Pérdidas de calor
Deben aislarse adecuadamente.
Mezcla
Se produce por la alta velocidad del agua al entrar y/o salir
del depósito y siempre perjudica las prestaciones de
la instalación.
INTERCAMBIADOR
Se utilizan para evitar incrustaciones calcáreas en
captadores, para eliminar posibles problemas de corrosión,
para permitir el uso de anticongelante como sistema anti-helada
o para usar colectores con presión de trabajo inferior
a la red.
Tipos de intercambiadores
Los habitualmente utilizados, incorporados al acumulador
son:
- Intercambiadores sumergidos en el interior del depósito,
serpentín, horquilla y anular.
- Intercambiadores de calor constituidos por una doble envolvente
del depósito.
Caracterización funcional
Los intercambiadores de calor quedan caracterizados por la
potencia térmica, su efectividad (o rendimiento térmico)
y la pérdida de carga. Para los intercambiadores incorporados
en el depósito, los factores de potencia térmica
y rendimiento se suelen utilizar de forma global y transformado
en metros cuadrados de superficie útil de intercambio.
La superficie útil de intercambio representa la superficie
total del intercambiador que está en contacto con el
agua del acumulador. Para definir un parámetro que
permita comparar distintos diseños, se suele referir
por metro cuadrado de superficie de captación. Valores
normalmente utilizados suelen estar comprendidos entre 0,25
y 0,40.
BOMBA CIRCULADORA
La bomba circuladora se utiliza en las instalaciones de circulación
forzada para producir el movimiento de fluido entre captadores
y acumulador.
Condiciones de funcionamiento
Las bombas se caracterizan por las condiciones de funcionamiento
representadas, para un determinado fluido de trabajo, por
el caudal volumétrico y la altura de impulsión
o manométrica.
Instalación
Las bombas en línea se instalarán con el eje
de rotación horizontal y con espacio suficiente para
que el conjunto motor-rodete pueda ser fácilmente desmontado.
Las tuberías conectadas a las bombas en línea
se soportarán en correspondencia de las inmediaciones
de las bombas. El diámetro de las tuberías de
acoplamiento no podrá ser nunca inferior al diámetro
de la boca de aspiración de la bomba. Las válvulas
de retención se situarán en la tubería
de impulsión de la bomba.
COMPONENTES DEL CIRCUITO HIDRAULICO
Para el diseño del circuito hidráulico deben
tenerse en cuenta las acciones a las que va a estar sometido
el mismo, y las condiciones más desfavorables que se
pueden presentar para, una vez definido el tipo de fluido
de trabajo que se va a utilizar, determinar los componentes
y materiales más adecuados.
No debe olvidarse que al haber en una instalación
de energía solar elementos del circuito hidráulico,
como son los captadores, intercambiadores de calor, acumuladores,
etc., construidos de materiales diferentes, los que se deben
usar en los circuitos deben ser compatibles con aquellos y
también con el fluido de trabajo. Si esto no es posible,
deben tomarse precauciones, tanto en lo que respecta al ensamblaje
de los elementos entre sí, como al tratamiento del
fluido.
Tuberías
Montaje. Se instalarán lo más próximas
posible a los paramentos, dejando el espacio necesario para
manipular el aislamiento, válvulas, etc. La instalación
de las tuberías de cobre se realizará teniendo
en cuenta las mismas normas que en cualquier obra de fontanería.
Las conexiones de los equipos a redes de tuberías
se harán siempre de forma que la tubería no
transmita ningún esfuerzo mecánico al equipo,
debido al propio peso, ni el equipo a la tubería, debido
a vibraciones. Las conexiones deberán ser fácilmente
desmontables por medios de acoplamientos por bridas o roscadas,
a fin de facilitar el acceso al equipo en caso de sustitución
o reparación. Los elementos accesorios del equipo,
como válvulas de regulación, instrumentos de
medida y control, etc. deberán instalarse antes de
la parte desmontable de la unión hacia la red de distribución.
En los circuitos cerrados se crean puntos altos debido al
trazado del circuito (finales de columnas y conexiones de
unidades terminales) o a las pendientes mencionadas en el
apartado anterior. Para eliminar el aire del circuito, de
forma manual o automática, se colocará en todos
los puntos altos un purgador. Los purgadores automáticos
serán del tipo de flotador, adecuados para la presión
del circuito. Los purgadores deberán ser accesibles
y debe ser visible la salida de la mezcla aire-agua.
Las dilataciones que sufren las tuberías al variar
la temperatura del fluido deben compensarse a fin de evitar
roturas en los puntos más débiles, que suelen
ser las uniones entre tuberías y equipos, donde suelen
concentrarse los esfuerzos de dilatación y contracción.
En los trazados de tuberías de gran longitud, horizontales
o verticales, se compensarán los movimientos de tuberías
mediante dilatadores axiales.
Aislamiento
Las tuberías, depósitos y accesorios hidráulicos
de una instalación solar térmica mantienen temperaturas
superiores al ambiente durante el funcionamiento, perdiendo
calor por conducción a través de las uniones
del sistema a tierra y por convección y radiación
al ambiente. Las pérdidas por radiación son,
en general, pequeñas y las de convección las
más importantes. Las pérdidas de calor son causa
importante de reducción del rendimiento y obligan a
aislar la instalación con el fin de minimizarlas. Para
los sistemas pequeños son aconsejables, técnica
y económicamente, los depósitos aislados en
fábrica con espuma de poliuretano y protección
final metálica o de material plástico.
Expansión y seguridad
Para absorber la dilatación del agua en el circuito
primari,o se emplean los siguientes procedimientos:
- En sistemas cerrados, se utilizan vasos de expansión
de membrana presurizados por nitrógeno o aire.
- En sistemas abiertos se utilizan vasos de expansión
del tipo abiertos, instalados en lugar elevado y que pueden
servir como sistema de alimentación y como purga de
aire.
Es de gran importancia el montaje de válvulas de seguridad
en los circuitos presurizados.
Valvulería
Las válvulas se identifican por las siguientes características
funcionales:
- Caudal, dependiente de la superficie libre de paso.
- Pérdida de presión a obturador abierto, dependiente
de la forma del paso del fluido.
- Hermeticidad de la válvula a obturador cerrado o
presión diferencial máxima, que depende del
tipo de cierre y de los materiales empleados.
- Presión máxima de servicio, que depende del
material del cuerpo de válvula, las dimensiones y el
espesor del material.
- El tipo y diámetro de las conexiones, por rosca,
bridas o soldadura.
La elección de las válvulas se realizará,
de acuerdo con la función que desempeñan y las
condiciones extremas de funcionamiento (presión y temperatura):
- Aislamiento: válvulas de esfera.
- Equilibrado de circuitos: válvulas de asiento.
- Vaciado: válvulas de esfera o macho.
- Llenado: válvulas de esfera.
- Purga de aire: válvulas de esfera o de macho.
- Seguridad: válvulas de resorte.
- Retención: válvulas de disco o de placeta.
No se permitirá el uso de las válvulas de compuerta.
Se hará un uso limitado de las válvulas para
el equilibrado de los circuitos, debiéndose concebir
circuitos de por sí equilibrado en la fase de diseño.
OTROS ELEMENTOS
Purga de aire
Debe prestarse especial atención a impedir la formación
de bolsas de aire atrapadas en el circuito que impidan la
circulación. En este sentido hay que tener en cuenta:
- Evitar la formación de sifones.
- Situar purgadores de aire en las zonas altas.
- Montar las bombas en tramos verticales, de forma que se
impida la formación de bolsas de aire en el interior
de las mismas.
- No bajar la velocidad de circulación de tuberías
de 0,6 m/sg.
- En los circuitos cerrados, montar el vaso de expansión
a la entrada de la bomba.
- Mantener una presión mínima el punto más
alto de 1,5 Kg/cm2.
Vaciado
Deben situarse conducciones de drenaje en los puntos más
bajos de la instalación, de forma que se posibilite
el vaciado total o parcial de las zonas que se configuren
en la instalación.
Llenado
Los sistemas cerrados deben incorporar un sistema de llenado
automático o manual que permita llenar el circuito
y mantenerlo presurizado. El llenado es conveniente realizarlo
por la parte inferior del circuito, de forma que se evite
la formación de bolsas de aire retenidas durante el
llenado. Los sistemas que requieren anticongelante deben incluir
un sistema que permita el relleno manual del anticongelante.
EQUIPOS DE MEDIDA
Los elementos de medida que incorpora una instalación
proporcionan la información suficiente para que el
usuario conozca el estado de funcionamiento de la instalación.
Los más utilizados en las pequeñas instalaciones
solares son:
- Manómetro de esfera con escala graduada de 0 a 4
ó 6 kg/cm2, que permite medir la presión del
circuito cerrado para verificar el llenado del circuito y
el funcionamiento del sistema de expansión.
- Termómetro de esfera con escala graduada de 0 a
60, 80 ó 120 ºC para medir la temperatura en circuitos
y/o en acumulador.
Cada vez son más utilizados lo termómetros
analógicos o digitales que permiten medir a distancia
y con mayor precisión.
EQUIPOS DE ENERGÍA AUXILIAR
El sistema de energía auxiliar debe ser diseñado
y calculado para abastecer la demanda completa de agua caliente
y, en ese sentido, debe considerarse como un sistema convencional
de calentamiento de agua. Su acoplamiento a una instalación
solar exige la toma en consideración de los siguientes
aspectos:
- La temperatura de salida del acumulador solar puede variar
en un amplio margen.
- El sistema de calentamiento auxiliar no debe interferir
el proceso de aprovechamiento de la radiación solar.
- Debe optimizarse el acoplamiento para conseguir el máximo
rendimiento del conjunto.
Para ello es necesario que el agua, en el sentido de circulación,
se caliente primero en el acumulador solar y después
pase por el sistema auxiliar antes de ser consumida.
EQUIPOS DE REGULACIÓN Y CONTROL
En instalaciones con circulación forzada, se utiliza
el control diferencial de temperaturas para activar la bomba
en función de las temperaturas de salida de colectores
y del acumulador. En ningún caso las bombas estarán
en marcha con diferencias de temperaturas menores de 2°C
ni paradas con diferencias superiores a 7°C. El sistema
de control incluirá señalizaciones luminosas
de la alimentación del sistema del funcionamiento de
bombas. El rango de temperatura ambiente de funcionamiento
del sistema de control será, como mínimo, entre
-10 y 50°C.
En el diseño de la instalación debe cuidarse
la ubicación de sondas de forma que se detecten exactamente
las temperaturas que se desean, instalándose los sensores
en el interior de vainas y evitándose las tuberías
separadas de la salida de los captadores y las zonas de estancamiento
en los depósitos.
