Guía práctica de una instalación de energía solar térmica
Bioconstrucción
Energía
Guía práctica de una instalación de energía solar térmica
Las instalaciones de energía solar térmica pueden formar parte de cualquier vivienda, sea rural o urbana.
La
circulación del fluido calentado por el sol se puede producir por
circulación natural (caso de los sistemas termosifónicos, en el esquema
superior) o por circulación forzada, utilizando una pequeña bomba
(esquema inferior). Fuente: Disol.
Los colectores planos con acumulador incorporado son los más habituales en aplicaciones domésticas.
Los
colectores de vacío tienen un mayor rendimiento porque sus pérdidas de
calor son menores y pueden funcionar en orientaciones e inclinaciones
no ideales.
Mayo, 2007.
Las instalaciones de energía solar térmica son elementos cada vez más
presentes en el paisaje construido y son promovidas por normativas como
las ordenanzas solares o el reciente Código Técnico de la Edificación.
Esta guía se presenta como un texto completo y práctico en el que se
desarrollan las características más importantes de una instalación de
energía solar térmica en una vivienda. El objetivo es hacer un poco más
conocidos estos sistemas, tanto para aquellas personas que ya
encuentran los sistemas solares en su nuevo hogar como para quienes se
plantean incorporar en sus viviendas esta energía limpia.
Fundamentos de la energía solar térmica y tipos de sistema
Los
sistemas de energía solar térmica utilizan los rayos solares para
obtener agua caliente. Unas placas especiales, denominadas colectores,
concentran y acumulan el calor del Sol, y lo transmiten a un fluido que
queremos calentar. Este fluido puede ser bien el agua potable de la
casa o bien el sistema hidráulico de calefacción de la vivienda. En cuanto a la generación de agua caliente para usos sanitarios, hay dos tipos de instalaciones:
•
las de circuito abierto, donde el agua de consumo pasa directamente por
los colectores solares. Este sistema reduce costos y es más eficiente
(energéticamente hablando), pero presenta problemas en zonas con
temperaturas por debajo del punto de congelación del agua, así como en
zonas con alta concentración de sales que acaban obstruyendo los
paneles. Los inconvenientes son la dificultad para emplear materiales
que no contaminen el agua, el riesgo de vaporización y congelación, el
funcionamiento a la presión de la red con peligro en los colectores, el
no poder emplear anticongelante, el mayor riesgo de corrosión (aire en
el agua), las posibles incrustaciones calcáreas. También están
sometidos más restricciones legales.
• las de
circuito cerrado, donde el agua de consumo no pasa directamente por los
colectores solares. Este sistema es el más común. Se utiliza un líquido
anticongelante que atraviesa los tubos dentro de los colectores y se
calienta por la acción de la radiación solar. El líquido caliente
atraviesa el circuito hidráulico primario hasta llegar al acumulador,
en el interior del cual se produce un intercambio de calor entre el
circuito primario y el secundario, es decir, entre el líquido
anticongelante calentado en las placas solares y el agua que vamos a
usar nosotros. En caso de que el agua contenida en el acumulador no
alcance la temperatura de uso deseada, entra en funcionamiento
automáticamente el sistema auxiliar - caldera o resistencia eléctrica -
que se encarga de generar el calor complementario. Todo el proceso es
automático y vigilado por el sistema de control.
Los sistemas
también pueden clasificarse en función del tipo de circulación del
fluido. Así, la circulación del fluido se consigue por:
•
Circulación natural, es el caso de un sistema termosifónico En este
caso el depósito debe colocarse en un nivel superior a los colectores
para permitir la convección por diferencia de temperatura. Para
facilitar el movimiento del agua tiene que haber una diferencia
suficiente de temperatura entre el colector y el acumulador y una
altura entre el acumulador y los colectores mayor de 30 centímetros.
Para evitar el riesgo de temperaturas elevadas en el depósito este se
diseña con volúmenes mayores de 70 l/m2 de colector. Los factores
positivos de este sistema son de carácter económico y de simplicidad de
instalación, porque los equipos termosifónicos no consumen energía
eléctrica, ya que funcionan sin bomba. Esta característica ayuda a
disminuir el consumo energético de la vivienda y convierte a los
equipos en autónomos que siguen funcionando aunque el sistema eléctrico
falle. El hecho de ser autónomo hace muy atractiva su aplicación en
aquellos lugares remotos donde no llega la red eléctrica. Los
factores negativos son de carácter estético y de resistencia del
tejado, porque el depósito tiene que estar encima de los paneles. La circulación natural reduce también un poco el rendimiento del sistema solar .
•
Circulación forzada, es el caso de un sistema con electrocirculador
Esta instalación evita los defectos propios de los sistemas de
circulación natural. Como inconvenientes se encuentran las necesidades
de energía eléctrica y de regulación y control de la circulación.
Cuando el intercambiador está a una altura inferior a los colectores,
el electrocirculador es imprescindible. Hay que incluir además una
válvula antirretorno para evitar el posible efecto termosifónico
nocturno. Los factores positivos de este sistema son de carácter
estético y de rendimiento del sistema. Es posible colocar el acumulador
en el interior de la vivienda, y entonces el tejado no tiene que
soportar el peso del acumulador (que puede ser de hasta 300 - 500 Kg.
). La circulación forzada ofrece un rendimiento superior al de un
sistema de circulación natural, porque el fluido anticongelante circula
de manera más rápida que el agua. Los factores negativos son de
carácter económico y de gestión del sistema: la inversión inicial es
más alta y también el sistema utiliza energía para el funcionamiento de
la bomba. Sin embargo, este uso de energía va a ser compensado por una
mayor producción de agua caliente en comparación con el sistema
precedente.
Especialmente populares son los equipos domésticos
compactos, compuestos típicamente por un depósito de unos 150 litros de
capacidad y dos colectores de aproximadamente 1 metro cuadrado cada
uno. Estos equipos, disponibles tanto con circuito abierto como
cerrado, pueden suministrar el 90% de las necesidades de agua caliente
anual para una familia de 4 personas, dependiendo de la radiación y el
uso de agua que se realice. Cualquiera de estos sistemas de
energía solar térmica doméstica evita la emisión de hasta 4.5 toneladas
de emisiones de gases nocivos para la atmósfera. El tiempo aproximado
de retorno energético (tiempo necesario para ahorrar la energía
empleada en fabricar el aparato) es de un año y medio aproximadamente.
Los colectores. Tipos y principio de funcionamiento
Los
colectores solares más empleados a nivel doméstico son los colectores
planos, seguidos cada vez más por los colectores solares de vacío. Un
panel solar plano se compone de una caja con aislamiento en el fondo y
en los costados y sobre este aislamiento se monta la placa absorbedora,
una plancha metálica a la que se encuentran soldados los tubos por los
que circula el líquido a calentar. Los tubos que entran y salen del
costado de la placa permiten que se pueda conectar el sistema a la
instalación de agua. La carcasa, normalmente metálica, es la estructura
que rodea el aislamiento posterior y soporta el vidrio, y debe ser
totalmente estanca para evitar pérdidas de calor. La tapa frontal es de
vidrio templado resistente a impactos y a las oscilaciones térmicas o
bien de determinados plásticos. El principio de un panel solar es
utilizar la energía solar al permitir el paso de los rayos del sol a
través de esta tapa hasta la placa absorbedora, donde los rayos de luz
(de onda corta) son transformados en calor. El líquido anticongelante
especial circula dentro de la placa absorbedora y, como se ha dicho
anteriormente, se convierte en el medio de transporte del calor desde
la placa hasta el depósito. Los colectores solares de tubos de vacío
incluyen una innovación: se ha hecho el vacío en el espacio que queda
entre el cristal protector y la superficie absorbente. Con este cambio
se consigue eliminar las pérdidas por convección interna, porque
internamente no hay aire que pueda transferirlas, y aumentar así la
temperatura de trabajo y el rendimiento de la instalación. La forma
de estos captadores no es plana, sino cilíndrica, porque permite
efectuar mejor el vacío en su interior. Además, los colectores de tubos
de vacío integran concentradores cilíndrico-parabólicos con los que se
consigue mejorar el rendimiento durante las estaciones en que los rayos
solares no inciden en el ángulo óptimo. También permiten adaptarse
mejor a aquellos casos en que no es posible una instalación en la
inclinación o dirección ideal, donde los paneles planos tendrían muy
poco rendimiento. Esta propiedad hace que los captadores de tubos de
vacío puedan integrarse aún mejor en la arquitectura. En general, los colectores deben estar homologados y presentar las garantías pertinentes.
Otros componentes de la instalación solar térmica
Depósito de agua caliente
La
función del depósito es conservar caliente el agua producida por los
paneles solares durante un tiempo limitado, normalmente entre 1 y 4
días en el caso de sistemas pequeños. Un buen depósito debe tener
una alta capacidad calorífica, un volumen adecuado, responder de manera
rápida a la demanda, integrarse bien en el edificio, ser accesible
económicamente, ser seguro, y tener larga duración. Suelen tener
forma cilíndrica lo cual facilita el fenómeno de estratificación. Se
construyen en acero, acero inoxidable, aluminio, fibra de vidrio
reforzado y plásticos. El tamaño del depósito deberá ser de 30 a 60
litros por m2 de panel solar en sistemas pequeños. En este tipo de
sistemas no es factible conservar la producción de agua caliente del
verano para el invierno, por cuyo motivo solamente se habla de
depósitos con capacidad diaria. En el caso de que se desee instalar
un depósito mixto para A.C.S. y calefacción, se necesita hacer el
cálculo considerando de 50 a 75 litros por m2 de panel solar. Para sistemas unifamiliares es posible utilizar la siguiente regla: 50 litros de depósito por persona + 50 litros Es decir que, en la gran mayoría de los casos, el depósito estaría en aproximadamente 200-300 litros.
Bombas o electrocirculadores
Estos
elementos facilitan el transporte del fluido caloportador desde los
colectores hasta el almacenamiento y luego al punto de consumo. Son
accionados por un motor eléctrico que suministra al fluido la energía
necesaria para transportarlo por el circuito a una determinada presión.
Hay tres tipos de electrocirculadores centrífugos: •
Rotor sumergido – Son silenciosos, requieren un bajo mantenimiento y se
montan en línea con la tubería y el eje horizontal. • Monobloc – Con el eje en cualquier posición. • Acoplamiento motor – Electrocirculador de ejes distintos, son más ruidosos. Con
el paso del tiempo, en las tuberías se producen precipitaciones y
corrosión, por lo que la pérdida de carga aumenta con el tiempo. Además
los cálculos se realizan como si en la instalación sólo hubiese agua,
mientras que muchas veces se añade anticongelante, por esta razón en la
práctica la bomba que se elige debe estar un poco sobredimensionada Las
bombas suelen tener varias velocidades y el fabricante lo indica en sus
gráficas. Lo aconsejable es que se trabaje en una velocidad intermedia
para así poder subir o bajar la velocidad si nos hemos quedado cortos o
bien si hemos sobredimensionado la bomba, respectivamente. El
circuito va precedido de un filtro para evitar que entren impurezas
procedentes de las soldaduras y del resto de la instalación hasta la
llegada a la bomba.
Válvulas y otros componentes
Para
evitar que el líquido anticongelante circule en la dirección opuesta
cuando el sistema está apagado, se monta una válvula de paso de sentido
único o una electro-válvula. Esta válvula antirretorno evita retrocesos
del fluido caloportador desde el colector a la bomba causados por la
convección natural. Si se escoge una válvula de paso único, es
aconsejable montarla en una parte horizontal del tubo y nunca en el
fondo, ya que partículas de suciedad podrían interferir en el
funcionamiento de la válvula. La experiencia ha demostrado que es
recomendable comprar una válvula de buena calidad. La solución con una
válvula electromotriz que se abre en paralelo con el arranque de la
bomba, es más segura que una válvula de paso sin retorno. Otro
elemento muy importante del sistema es el vaso de expansión que absorbe
las dilataciones del agua en las instalaciones de agua caliente
sanitaria. Cuando crece la presión en la instalación debido a la
dilatación del fluido caloportador (aumento de temperatura), el fluido
sobrante entra en el vaso y empuja la membrana. El gas utilizado
(nitrógeno, que no oxida ni estropea la membrana) se comprime, evitando
así variaciones de presión en el circuito.
Las instalaciones
también disponen de un purgador que extrae el aire que se pueda formar
dentro de las conducciones, así como de un grifo mezclador a la salida
del acumulador para permitir la mezcla de agua fría con la procedente
del colector, para evitar el riesgo de quemaduras en momentos en que el
colector alcance temperaturas muy elevadas.
Líquido anticongelante
Un
líquido ideal para transportar el calor en una instalación solar
térmica debería ser anticongelante, no hervir, no corroer, ser
atóxico, tener una alta capacidad calorífica y un gran coeficiente de
transmisión de calor, no se debe gastar y debe ser económicamente
accesible. Este líquido ideal "no existe", lo más cerca que se ha
llegado a los parámetros ideales es un porcentaje del 60% de agua y un
40% de glicol (Etilenglicol o Propilenglicol). Para que el período
de garantía de la instalación siga vigente solamente debe emplearse el
líquido recomendado por el fabricante, pues de lo contrario
experimentando con otros líquidos se corre el riesgo de cargar con
grandes costos en reparaciones del sistema por parte del instalador o
usuario.
Aislamiento
El
aislamiento de colectores y conducciones, incorporado por el
fabricante, es necesario para reducir tanto como sea posible las
pérdidas de calor y mantener la temperatura del agua calentada por el
sol. Pero por otro lado, los tubos suelen ponerse muy calientes,
especialmente si el sistema está parado, por lo que es necesario que el
aislamiento de los tubos pueda soportar temperaturas de hasta 150º C.
Orientación e inclinación de los captadores
Los
colectores se deben situar de tal forma que a lo largo del período de
utilización el equipo solar aproveche día a día el máximo posible de la
radiación incidente. Por ello, preferentemente se orientarán hacia el
Sur geográfico, no hacia el Sur magnético (definido mediante una
brújula). Para localizarlo se observará, por ejemplo, la dirección de
la sombra proyectada por una varilla vertical a las doce horas o
mediodía solar. En la práctica, desviaciones de un 15% hacia el SE o
SW, con respecto a la orientación Sur preferente, no afectan al
rendimiento ni a la energía térmica útil aportada por el equipo solar. Además
de la orientación, el ángulo de inclinación que forman los colectores
con el plano horizontal es un factor importante en la eficacia del
equipo solar. Los colectores deberían inclinarse de modo que los rayos
del Sol incidan perpendicularmente en su superficie al mediodía solar.
El ángulo de inclinación de los colectores dependerá del uso del equipo solar: • Utilización a lo largo de todo el año (A.C.S.): ángulo de inclinación igual a la latitud geográfica. •
Empleo preferentemente durante el invierno (calefacción): ángulo de
inclinación igual a la latitud geográfica + 10º. •
Uso preferente durante el periodo de verano (calentamiento de agua de
piscinas descubiertas): ángulo de inclinación igual a la latitud
geográfica - 10º. • Variaciones de ± 10º con
respecto al ángulo de inclinación óptimo prácticamente no afectan al
rendimiento y a la energía térmica útil aportada por el equipo solar.
En
una cubierta plana, sin sombras y sin limitaciones de tipo estético,
normalmente se podrá adoptar la inclinación y orientación ideal, al
igual que en instalaciones en jardines o similares. Otra posibilidad es
la integración de paneles en pérgolas con el doble objetivo de generar
energía y aprovechar un espacio sombreado. Por otro lado, en
algunos casos, como el de los tejados a dos aguas, los criterios de
integración arquitectónica que no permiten mantener la orientación e
inclinación ideal de los captadores, con lo que las pérdidas se
deberían compensar incrementando la superficie de colectores. Sin
embargo, las desviaciones de orientación e inclinación superiores a las
especificadas no representan variaciones de rendimiento exageradas, y
menos aún en el caso de los colectores de vacío, que ya incluso se
colocan en vertical. Finalmente, respecto a la situación de los
colectores en cubiertas, conviene asegurarse de que la cubierta o
soporte será capaz de sostener el peso de los colectores, o de los
colectores y el depósito en el caso de los sistemas termosifónicos.
Conexión con la instalación de A.C.S.
El
sistema de captación de energía solar térmica se integra normalmente
dentro de una instalación convencional de agua caliente, que sigue
siendo necesaria en los momentos en los que no es posible proveer toda
la energía necesaria tan sólo con el sol. Los dos sistemas deben
acoplarse de modo que en el funcionamiento de la instalación se dé
prioridad al aporte del sistema solar frente al equipo auxiliar, que
debe funcionar sólo como apoyo, ya sea éste un calentador, una caldera
de ACS y calefacción, un termo eléctrico, o una resistencia. La regulación del paso a la energía auxiliar puede ser automática o manual, según las dimensiones del sistema. Por
otro lado, es importante que la entrada de agua caliente aportada por
el equipo activo de apoyo, se produzca por la parte superior del
acumulador, para permitir que la zona inferior permanezca más fría y
quede así preparada para recibir la aportación de calor cuando salga el
sol (es el llamado fenómeno de estratificación).
Estrategias de control de sistemas de energía solar para agua caliente sanitaria y calefacción
El
control inteligente de instalaciones de energía solar térmica debe
disponer de protección contra sobrecalentamientos, control automático
del caudal en los paneles solares e indicación extensiva de alarmas. El
control diferencial de temperatura que se recomienda utilizar en
sistemas unifamiliares debe funcionar automáticamente, debe ser
programable por el usuario y además debe controlar el funcionamiento de
la caldera de apoyo (eléctrica, de gasóleo, de gas) o sistema eléctrico
auxiliar de tal manera que siempre sea la energía solar la predominante. Cuando
el depósito de agua se encuentra por debajo de los paneles solares y el
sistema no es autocirculante, es necesario intercalar una bomba de
circulación. El termostato diferencial tiene la misión de arrancar la
bomba cuando la temperatura en los paneles solares es mayor que en el
depósito, y parar la bomba cuando la temperatura en el panel y en el
depósito es la misma. Para conseguir esto, el termostato diferencial
tiene 2 sensores térmicos, uno montado en la parte superior del último
panel solar y el otro montado en la parte inferior del depósito, cerca
del serpentín.
Como mínimo el sistema de control debe incluir
las siguientes indicaciones e informaciones accesibles al usuario a
través de su pantalla: • Temperatura en los paneles solares. • Temperatura en la parte superior del depósito de agua caliente. • Temperatura en la parte inferior del depósito de agua caliente. •
Horario de programación diaria y semanal (timer) de actuación del apoyo
eléctrico, de caldera de gas o de gasóleo. • Programación de las temperaturas de agua caliente sanitaria y calefacción. • Activación manual o automática de la bomba de circulación. • Alarmas: fallo de sondas de medición en paneles, en la parte superior e inferior del depósito. •
Control automático e indicación de la velocidad de la bomba de
circulación primaria en función de la temperatura de los paneles
solares. • Control automático e indicación de
enfriamiento de los paneles solares y del depósito en caso de
producción excesiva o bajo consumo de agua caliente.
Así, el
control debe tener 3 sondas de medición de temperaturas: una se instala
en el panel solar (sonda 1), la otra en la parte superior del depósito
de agua caliente (sonda 2), y la última se instala en la parte inferior
del mismo depósito o entrada de agua fría (sonda 3).
Cálculo de amortización de un sistema de energía solar para producción de agua caliente sanitaria y calefacción
Muchas
veces las acciones medioambientalmente positivas no son valoradas hasta
que aparece en perspectiva un ahorro o beneficio económico. El
dimensionamiento de la instalación (y con ello su coste) depende de los
usos para los que se querrá utilizar la energía solar (A.C.S., A.C.S. y
calefacción, otros), la temperatura habitual del agua fría que deberá
ser calentada, la disponibilidad de sol, la orientación e inclinación
disponibles, etc. Es recomendable consultar al instalador o tratar de
conocer los parámetros que se han utilizado para calcular las
necesidades de captadores de la instalación solar térmica. En el
caso de querer calcular el período de recuperación de la inversión en
una instalación solar térmica para A.C.S. y calefacción, se realiza en
primer lugar un análisis del almacenamiento de calor que se requiere
para satisfacer las demandas caloríficas del edificio durante el
periodo nublado más largo previsto, según registros de datos
meteorológicos, suponiendo que la carga de calefacción tuviera que
provenir totalmente de la energía solar. La carga de calefacción del
edificio determinará el tamaño del colector y el número de unidades de
almacenamiento necesarias. Por otro lado, se considera el análisis del
tiempo solar y los costes de combustible que se ahorran. Este ahorro
se debe incluir en el cálculo porque al disponer de energía solar, el
mantenimiento y consumo de la caldera o quemador de apoyo de energía
fósil se reduce considerablemente porque se puede mantener
completamente apagado durante 7 u 8 meses del año. En cambio, no se
debe incluir en el cálculo de amortización el coste de un acumulador de
agua caliente porque siempre se recomienda instalar un acumulador de
agua caliente, también en el caso de calderas con quemadores de energía
fósil. La amortización del sistema solar es inversamente
proporcional al consumo, es decir, cuanta más agua caliente se consuma,
más rápido se amortiza la inversión, y es importante recordar que del
20 al 25 % del gasto anual de una vivienda se emplea en la producción
de agua caliente. El resultado de los cálculos habitualmente es un
período de amortización por debajo de 5 años, aunque, naturalmente, el
ahorro energético como contribución a la reducción de la contaminación
ambiental todavía no se contempla como un parámetro de ahorro económico. La
vida útil de los sistemas de captación solar térmica es de 20 años,
tras los cuales necesitarían una actualización para su funcionamiento a
pleno rendimiento.
Una instalación solar térmica puede proveer
de agua caliente doméstica, pero también es altamente eficiente como
fuente de energía para calefacción con sistemas radiantes como zócalos
o suelos radiantes, en los que incluso puede proveer de refrigeración
radiante si se incluye una bomba de calor. Las instalaciones
pueden ser individuales o comunitarias, que aún resultan más
eficientes. Cabe destacar, finalmente, la necesidad de un buen control
y mantenimiento de la instalación, para garantizar su buen
funcionamiento y el aprovechamiento máximo de la energía limpia en
detrimento de la fósil. Una instalación solar térmica permite cubrir el
65 – 70 % del consumo anual de energía para agua caliente, tan sólo por
aprovechar la energía no contaminante e inagotable del sol.
Mapa
Green Fan