Lec. 9 Energía Solar Térmica. Instalaciones ACS y otras Master en Ingeniería Química Curso 2007/08 Energías Renovables en Ingeniería Química Lec. 9 Energía Solar Térmica. Instalaciones ACS y otras Mariano Alarcón García 2007

Índice Subsistemas en instalaciones de ESTBT Tipos de instalaciones Subsistema de captación Fluido térmico Ubicación de colectores Subsistema de almacenamiento Subsistema de consumo Sistema hidráulico Sistema de apoyo Radiadores y sistemas de energía radiante Tipos de instalaciones Circulación natural Circulación forzada Proyectos ESTBT Energía Solar Térmica. Instalaciones ACS y otras

Instalaciones de Energía Solar Térmica de Baja Temperatura: Subsistemas Captación Colector Fluido Térmico Disposición de los Colectores Almacenamiento: Indispensable como en cualquier otra energía renovable. La energía térmica absorbida por el fluido térmico en el colector se almacena en forma de energía sensible en un depósito, que también requiere de ciertos elementos para su operación y control. Depósitos Circuito de consumo: contiene distintos elementos: apoyo energético, intercambiadores, bombas, tuberías, vasos de expansión, válvulas, purgadores, etc. sistemas de control, sensores, termostato, etc. Energía Solar Térmica. Instalaciones ACS y otras

Instalación por Elementos Elementos básicos: Colectores solares. Intercambiador de calor. Depósito de almacenamiento. Sistema de control. Energía Solar Térmica. Instalaciones ACS y otras

Subsistema de Captación Está formado por Colector Solar Generalmente Plano Cubierta de vidrio Sin seguimiento solar Capta radiación directa y difusa Fluido Térmico Circuitos Abiertos o Cerrados (1ario y 2ario)CTE – HE4 Agua (2ario) o Mezclas de agua con glicoles Circulación natural y forzada En instalaciones que cuenten con más de 10 m2 de captación correspondiendo a un solo circuito primario, éste será de circulación forzada (CTE – HE4). Energía Solar Térmica. Instalaciones ACS y otras

Subsistema de Captación Fluido térmico El fluido en general es agua, en el primario suele llevar un anticongelante pH a 20 °C entre 5 y 9 y contenido en sales limitado (CTE – HE4). Son típicos: Etilen glicol Propilen glicol Punto de fusión Energía Solar Térmica. Instalaciones ACS y otras

Subsistema de Captación Fluido térmico Anticongelantes típicos: Etilen glicol Propilen glicol Calor específico Punto de fusión Energía Solar Térmica. Instalaciones ACS y otras

Subsistema de captación Conexiones Actualmente no permitido Conexiones en paralelo Conexión en serie En aplicaciones exclusivamente de ACS, se podrán conectar en serie hasta 10 m2 en las zonas climáticas I y II, 8 m2 en la zona climática III y 6 m2 en las zonas climáticas IV y V (3 colectores máximas) Energía Solar Térmica. Instalaciones ACS y otras

Subsistema de captación Inclinación de los colectores planos Se acepta que la inclinación óptima, β, de una batería de colectores para un funcionamiento anual de la instalación es igual a la latitud del lugar donde se va a ubicar la instalación β = ϕ Si el funcionamiento va a ser estacional la normativa recomienda: β = ϕ + 10 si funcionará predominantemente en invierno β = ϕ - 10 si funcionará predominantemente en verano Energía Solar Térmica. Instalaciones ACS y otras

Subsistema de captación Distancia entre colectores Debe evitarse que la sombra proyectada por una fila cubra la de atrás La distancia mínima entre colectores para evitar el sombreado es: donde h es la altura solar. El criterio aceptado es que una batería no proyecte sombra sobre la siguiente en el mediodía del solsticio de invierno (21 de diciembre). La altura solar en el mediodía solar de cada día vale (, latitud; , declinación): h = 90 - ϕ + δ En Cartagena (=37,5º, h=29,05º), para colectores en los que =, d  1,87 a Energía Solar Térmica. Instalaciones ACS y otras

Subsistema de captación Distancia entre colectores En aplicaciones con escasez de espacio puede no ser conveniente ceñirse al criterio expuesto. En ese caso la gráfica adjunta de ASHRAE, da el factor de sombreado de una fila de colectores sobre la siguiente, que corrige las prestaciones anuales de un colector parcialmente sombreado respecto a uno sin sombras: n: número de filas de colectores Fsombra: calculado con el gráfico Energía Solar Térmica. Instalaciones ACS y otras

Subsistema de captación Distancia entre colectores (CTE – HE4) Pérdidas máximas Para el caso general, por este concepto son del 10 % para superposición del 20 % para integración arquitectónica del 40 %. Teniendo en cuenta el azimut de la instalación podemos determinar el máximo y mínimo de la inclinación Energía Solar Térmica. Instalaciones ACS y otras

Subsistema de captación Distancia entre colectores (CTE – HE4) (2) Si no es posible identificarlos, las pérdidas son superiores a las permitidas y la instalación estará fuera de los límites. Si ambas curvas se intersectan, se obtienen los valores para latitud (φ) = 41º y se corrigen en función de la diferencia entre la latitud del lugar en cuestión y la de 41º, de acuerdo a las siguientes fórmulas: inclinación máxima = inclinación (φ = 41º) – (41º - latitud); inclinación mínima = inclinación (φ = 41º) – (41º- latitud); siendo 5º su valor mínimo. En casos cerca del límite y como instrumento de verificación, se utilizará la siguiente fórmula (γ y β en grados sexagesimales) : Pérdidas (%) = 100 ⋅ 1,2·10−4·(β − βopt)2 + 3,5·10−5γ2 para 15° < β< 90° Pérdidas (%) = 100 ⋅ 1,2·10−4·(β − βopt)2 para β < 15° Energía Solar Térmica. Instalaciones ACS y otras

Subsistema de almacenamiento Necesario para salvar la aleatoridad y no uniformidad de la energía solar Fluido de almacenamiento generalmente distinto del de absorción de energía térmica Materiales permitidos (CTE – HE4): acero vitrificado con protección catódica acero con un tratamiento que asegure la resistencia a temperatura y corrosión con un sistema de protección catódica acero inoxidable adecuado al tipo de agua y temperatura de trabajo cobre no metálicos que soporten la temperatura máxima del circuito y esté autorizada su utilización por las compañías de suministro de agua potable acero negro (sólo en circuitos cerrados, cuando el agua de consumo pertenezca a un circuito terciario) Es uno de los puntos más débiles de la instalación ), causa de numerosas averías, entre otras, por corrosión  ánodos de sacrificio Son muy importantes los fenómenos de estratificación térmica Se ubicarán en lugares adecuados que permitan su sustitución por envejecimiento o averías. Energía Solar Térmica. Instalaciones ACS y otras

Subsistema de almacenamiento Dimensionado Para satisfacer la demanda de 1 o 2 días: 50 ÷ 100 l/m2 La acumulación debe ser acorde con la demanda al no ser ésta simultánea con la generación (CTE – HE4) Para la aplicación de ACS, el área total de los captadores tendrá un valor tal que se cumpla la condición 50 < V/A 180 A: suma de las áreas de los captadores [m²]; V: volumen del depósito de acumulación solar [l]. Preferentemente, estará constituido por un solo depósito; será de configuración vertical y estará ubicado en zonas interiores. Podrá fraccionarse en dos o más depósitos; se conectarán, preferentemente, en serie invertida en el circuito de consumo ó en paralelo con los circuitos primarios y secundarios equilibrados. Energía Solar Térmica. Instalaciones ACS y otras

Subsistema de almacenamiento Tipos Acumulador sin intercambiador 1. Ánodo de sacrificio 4. entrada agua fría 5. entrada he 6. salida he Intercamulador con un serpentín Instalaciones pequeñas y medianas Energía Solar Térmica. Instalaciones ACS y otras

Subsistema de almacenamiento Tipos (2) Intercamulador con doble serpentín ACS y calefacción Circuito agua fría y caliente Intercamulador con serpentín y dos zonas Energía Solar Térmica. Instalaciones ACS y otras

Subsistema de consumo Está formado por: Sistema de energía de apoyo Sistema hidráulico Si hay calefacción Radiadores Suelo radiante Distribuidores Tubo PEX (polietileno reticulado), Polibutileno, etc. Aislamiento de poliestireno con o sin tetones Cinta perimetral aislamiento Fijadores Contadores de agua y de energía térmica Sistema de control Energía Solar Térmica. Instalaciones ACS y otras

Subsistema de consumo Sistema hidráulico Es el encargado de llevar el fluido caloportador (la energía) a los puntos de consumo. Está compuesto por toda una serie de dispositivos que se enumeran a continuación: De forma general Sistemas de bombeo (circuladores) Depósitos de expansión Intercambiador Válvulas de apertura y cierre Válvulas de seguridad (una por fila de colectores, CTE – HE4)) Válvulas antirretorno Válvulas termostáticas de mezcla (tres vías) Sistemas de equilibrado – detentores y otros Válvulas termostáticas Aislamiento Purgadores de aire Energía Solar Térmica. Instalaciones ACS y otras

Sistema hidráulico Equipo de bombeo Energía Solar Térmica. Instalaciones ACS y otras

Sistema hidráulico Intercambiadores Los intercambiadores son utilizados para realizar el intercambio de calor entre el primario y el secundario de la instalación. A veces están integrados en el propio sistema de almacenamiento (interacumuladores) En instalaciones con diversas aplicaciones suele existir uno para cada una de ellas En instalaciones multivivienda (plurifamiliares) son necesarios para transmitir calor a las instalaciones de cada vivienda. Energía Solar Térmica. Instalaciones ACS y otras

Sistema hidráulico Intercambiadores (2) Los intercambiadores más utilizados en este tipo de aplicaciones son los intercambiadores de placas. Las razones fundamentales son: Gran compacidad Intercambiadores relativamente pequeños y gran superficie de intercambio de calor Altos coeficientes de transferencia de calor Energía Solar Térmica. Instalaciones ACS y otras

Sistema hidráulico Depósitos de expansión Elemento común a instalaciones convencionales Tabla de elección de depósitos de expansión VASOFLEX, para temperatura media del agua de 80ºC Energía Solar Térmica. Instalaciones ACS y otras

Sistema hidráulico Válvulería Válvulas termostáticas Regulan el caudal que pasa por la instalación en función de la temperatura deseada. Algunos ejemplos de las utilizadas en radiadores En instalaciones de suelo radiante, se puede combinar termostatos en los locales a calefactar y válvulas termostáticas que modifican el caudal en función de la temperatura de dichos locales Energía Solar Térmica. Instalaciones ACS y otras

Sistema hidráulico Válvulería (2) Válvulas de apertura y cierre (de corte) se suelen colocar antes y después de cada elemento permiten aislar los distintos elementos respecto al resto de la instalación para poder hacer operaciones de mantenimiento. Válvulas de seguridad con o sin manómetro Sistemas de equilibrado. Detentores y otras válvulas permiten el equilibrado hidráulico del circuito Energía Solar Térmica. Instalaciones ACS y otras

Sistema hidráulico Válvulería (3) Válvulas antirretorno Se colocan para garantizar el sentido del fluido , salvo que el equipo sea por circulación natural. Válvulas tres vías Son válvulas accionadas por un servomotor que se suelen utilizar para mezclar dos corrientes a diferente temperatura. La mezcla se hace para conseguir una temperatura de consigna. Energía Solar Térmica. Instalaciones ACS y otras

Sistema hidráulico Aislamiento de tuberías Los conductos de la instalación tienen que ser aislados térmicamente para evitar pérdidas de calor. En aplicaciones solares deben ser resistentes a la UV y aguantar a la intemperie. Datos técnicos comerciales Resistentes -57ºC<T<+125ºC (en corta utilización, hasta 175ºC) Conductividad a 20ºC: 0,037 W/mK Garantías hasta 5 años, excepto recubrimiento exterior Energía Solar Térmica. Instalaciones ACS y otras

Subsistema de consumo Sistemas de apoyo Los más utilizados son las resistencias y las calderas de gas (GN o GLP) o de gasóleo Las resistencias eléctricas se utilizan en instalaciones unifamiliares; mantienen el acumulador a una temperatura de consigna. Las calderas se pueden disponer en serie o en paralelo con el circuito solar. Energía Solar Térmica. Instalaciones ACS y otras

Subsistema de consumo Emisores de calor. Radiadores Los radiadores utilizados en instalaciones de calefacción pueden ser de diversos materiales – lo más habitual: acero inoxidable aluminio Pueden ser de convección natural o forzada (fancoils) Energía Solar Térmica. Instalaciones ACS y otras

Subsistema de consumo Calefacción con suelo radiante Existen diversas configuraciones 1 serpentín doble serpertín espiral Energía Solar Térmica. Instalaciones ACS y otras

Subsistema de consumo Contadores de energía En determinadas aplicaciones puede ser necesario medir la energía consumida por los usuarios (clientes) de la instalación. Para ello se utilizan los contadores de energía, formados por caudalímetro + termo-resistencias que permiten medir la ΔT Los hay de diversos tipos: Depende del número de variables que sean capaces de medir. Registran la información según sean configurados. Permitiendo su volcado periódico a un ordenador o estar permanentemente conectados a éste (depende del tipo). Algunos permiten cálculo de tarifas, valores máximos y mínimos, etc. Energía Solar Térmica. Instalaciones ACS y otras

Subsistema de consumo Sistema de control Objetivo Puesta en marcha y parada de las bombas de circulación para conseguir el máximo aprovechamiento de la radiación solar Se hace detectando y comparando temperaturas en diferentes puntos de la instalación y en función de ellos se controla y se actúa sobre el sistema (se suele ajustar para incrementos entre 3 y 6ºC, a veces hasta 10 ºC) En instalaciones pequeñas y medianas se basan en la utilización de termostatos : Sondas de temperaturas en la parte baja del depósito y a la salida de los colectores arrancan la bomba cuando la ΔT es mayor de un determinado valor. El sistema de apoyo se pone en marcha cuando el termostato detecta una temperatura insuficiente en el depósito de acumulación. Energía Solar Térmica. Instalaciones ACS y otras

Diseño de Instalaciones con Colectores Planos Sistema de control (2) En grandes instalaciones, cuando tenemos primario y secundario se suele plantear un precalentamiento del primario antes de comenzar el intercambio Cuando en S1 se detecta una temperatura próxima a S2, pero por debajo de un incremento de temperatura T1, el termostato “T1” pone en marcha a bomba B1. Cuando S3 detecta una temperatura superior a T2 respecto de la sonda S4, el termostato pone en marcha la bomba B2, comenzando la etapa de intercambio y acumulación de la energía solar captada. En instalaciones grandes incluyen además contadores de energía, caudalímetros, medidores de radiación, etc. Energía Solar Térmica. Instalaciones ACS y otras

Instalaciones de circulación natural Equipos Termosifón Su principal aplicación es instalaciones de Agua Caliente Sanitaria (ACS) Es necesario que el depósito acumulador esté por encima de los colectores Ubicación de todo el sistema hidráulico en el lugar donde está la batería de colectores Suelen ser instalaciones de cobre y el agua del primario ha de ser de buena calidad Aplicabilidad restringida a zonas con altos niveles de radiación () Hay que tener en cuenta la estratificación del agua caliente generada en el acumulador Energía Solar Térmica. Instalaciones ACS y otras

Instalaciones de circulación natural Equipos Termosifón (2) También son llamados equipos compactos Pueden ser en circuito abierto o cerrado Energía Solar Térmica. Instalaciones ACS y otras

Instalaciones de circulación forzada A.C.S. Circuito único A.C.S. Controlador Electro válvula Bomba circuladora Intercambiador de Calor Energía Solar Térmica. Instalaciones ACS y otras

Instalaciones de circulación forzada A.C.S. y Calefacción Doble circuito y doble depósito A.C.S. Calefacción Controlador Electro válvula Bomba circuladora Intercambiador de Calor Energía Solar Térmica. Instalaciones ACS y otras

Instalaciones de circulación forzada A. C. S Instalaciones de circulación forzada A.C.S., Climatización de Piscina y Calefacción Triple circuito La piscina hace de depósito acumulador Controlador A.C.S. Calefacción Electro válvula Bomba circuladora Intercambiador de Calor Piscina Energía Solar Térmica. Instalaciones ACS y otras

Instalaciones de ESTBT Instalación de ACS/calefacción con acumulador común y con acumulador individualizado Energía Solar Térmica. Instalaciones ACS y otras

Proyecto de instalaciones ESTBT En el proyecto hay que incluir un esquema e la instalación solar, de la instalación de BT y los planos correspondientes a la disposición de los colectores y de la instalación hidráulica en la sala de máquinas. Energía Solar Térmica. Instalaciones ACS y otras

Instalaciones de ESTBT Instalación de ACS, calefacción y piscina Energía Solar Térmica. Instalaciones ACS y otras

Subsistema de consumo Simbología Algunos símbolos utilizados en la representaciones de ESTBT Energía Solar Térmica. Instalaciones ACS y otras

Diseño de instalaciones ESTBT Pasos a seguir Conocida la edificación: identificación de los parámetros geométricos y de las restricciones técnicas de ésta: Ubicación (latitud) Orientación e inclinación factibles Separación entre filas de colectores Cálculo de cargas (Calefacción vs ACS) Superficie óptima de colectores (diseño simplificado vs. diseño óptimo económico) Diseño hidráulico (primario y secundario si lo hay) Interconexión entre los colectores (de 5 a 9 en paralelo y con retorno invertido, nunca más de 3 o 4 en serie) Diseño eléctrico Eleboración de proyecto si es necesario, si no esquema de la instalación con informe técnico Presupuesto Energía Solar Térmica. Instalaciones ACS y otras

Diseño de instalaciones ESTBT Subsistema de consumo y acumulación Elementos a calcular: Sistema de apoyo: Caldera de gas natural / glp (dimensionado de la instalación de combustible) Caldera de gasóleo o fuel (dimensionado de la instalación de combustible) Resistencias eléctricas Sistema hidráulico Radiadores, “fancoils”, suelo radiante (caso de calefacción) Depósito de acumulación (50  100 l/m2) Energía Solar Térmica. Instalaciones ACS y otras

Diseño de instalaciones ESTBT Diseño hidráulico Elementos a calcular: Longitud y diámetro de las tuberías (función de pérdida de carga máxima y de los caudales, para su obtención se necesita conocer la demanda térmica) Selección de las bombas de circulación (necesario conocer el caudal de agua circulante y la pérdida de carga que tenemos que vencer) Vaso de expansión (función del volumen de agua en la instalación y de las propiedades físico - químicas del fluido) Intercambiador de calor si no utilizamos “inter-acumulador” (programas comerciales, o métodos MDLMT o NTU) Aislamiento (programas comerciales o métodos al uso) Otros dispositivos y equipos de la instalación: Válvulas, contadores, purgadores de aire, etc. Energía Solar Térmica. Instalaciones ACS y otras

Dimensionamiento de instalaciones de ESTBT Aporte solar y energía de apoyo En las instalaciones de energía solar el carácter aleatorio y cíclico de la irradiación obliga a recurrir a sistemas de apoyo energético complementario. Es preciso considerar dos vectores energía solar energía de apoyo En sistemas ESTBT sea cual sea la superficie de captación instalada siempre se requerirá, aunque sea puntualmente, el concurso de una energía de apoyo. A mayor superficie de captación menor será el requerimiento de energía de apoyo, pero aumenta considerablemente la inversión y el espacio requerido  en sistemas ESTBT el dimensionamiento y los aspectos económicos están estrechamente relacionados Se llama aporte solar a la proporción Energía Solar Térmica. Instalaciones ACS y otras

Dimensionamiento de instalaciones de ACS Método simplificado Se utilizará el llamado Método simplificado Cálculo de la demanda de ACS Estimación del consumo Consumo doméstico (Q), 40  70 l/(persona  día) Caudales en edificios institucionales limitados a 0.04 l/s Utilización de válvulas temporizadoras y mezcladores termostáticos  = 1 kg/l c = 4,18 kJ/(kgK) T = Tconsumo - Tred Energía Solar Térmica. Instalaciones ACS y otras

Dimensionamiento de instalaciones de ACS Caudales y consumos orientativos Caudales de aparatos de consumo / Consumos orientativos, litros por utilización del servicio Energía Solar Térmica. Instalaciones ACS y otras

Dimensionamiento de instalaciones de ACS Caudales y consumos orientativos (2) Consumos medios de ACS, l/persona /Consumo diario en hoteles l/(persona  día) Si no se conoce el nº de personas que habitará la vivienda, considerar 1,5 personas / habitación Importante tener en cuenta el porcentaje de ocupación Energía Solar Térmica. Instalaciones ACS y otras

Dimensionamiento de instalaciones de ACS Características generales del sistema Elección del sistema Termosifón o forzado Elección de la inclinación óptima latitud (funcionamiento anual) latitud - 15 º si funcionamiento en verano latitud + 15 º si funcionamiento en invierno Cálculo de la Energía Aprovechable (Correcciones)  1,05, zona de montaña o muy limpia de nubes Considerar si hay obstáculos que generen sombra  0,94 no toda la radiación diaria es aprovechada (si G > 200 W/m2)  (1,14 - 0,085  ) cuando no tenemos orientación sur  ()/ ()n = 0,94 los rayos no son perpendiculares a la superficie Energía Solar Térmica. Instalaciones ACS y otras

Dimensionamiento de instalaciones de ACS Cálculo de la superficie de captación Intensidad útil y rendimiento del colector Utilización de un valor medio del rendimiento obtenido con Ts: temperatura media de consumo Ta: temperatura media diaria I: irradiación diaria media mensual / horas de sol del día medio (W/m2) Energía útil Superficie de colectores Energía Solar Térmica. Instalaciones ACS y otras

Dimensionamiento de Instalaciones ESTBT Método del F-Chart El método permite el diseño de sistemas con calefacción y generación de ACS Cálculo de la carga térmica correspondiente a ACS y calefacción, esta última mediante alguno de los métodos descritos anteriormente: Grados día Función de Transferencia Otros métodos simplificados Se determina el factor de aporte mensual (y anual) a partir de los datos del colector y de irradiación media mensual Análisis de distintas posibles superficies solución Cálculo del factor de aporte Cálculo del beneficio/amortización Solución = máximo beneficio / mínima amortización Energía Solar Térmica. Instalaciones ACS y otras

Método F-Chart Cálculo del Factor de Aporte El factor de aporte mensual, f, es función de los adimensionales A: área de colectores L: carga térmica mensual : irradiación media mensual normal al colector El factor de aporte mensual vale f = 1,029 Y - 0,065 X - 0,245 Y2 + 0,0018 X2 + 0,0215 Y3 para 0 < X < 18 y 0 < Y < 3 El factor de aporte anual (F) es: Energía Solar Térmica. Instalaciones ACS y otras

Método F-Chart Influencia de diversos factores Se fijan tres factores: Caudal de fluido: 0,015 l/(s·m2); una variación en el mismo no es significativa Capacidad del acumulador 75 l/m2; si su capacidad, CA, es diferente, corregimos con ( 37,5 < CA < 300 l) Existencia de un intercambiador (entre circuito 1ario y 2ario) Para tener en cuenta que la radiación incidente no es perpendicular Energía Solar Térmica. Instalaciones ACS y otras

Método F-Chart Utilizaciones individuales F-Chart fue concebido para instalaciones combinadas calefacción-ACS, representando esta última un 20% aprox. de la carga total. Si la instalación sólo es para generación de ACS Siendo tr la temperatura del agua de red y tc la temperatura suministro del agua caliente Si tenemos calefacción tenemos que corregir Energía Solar Térmica. Instalaciones ACS y otras