Guía práctica de una instalación de energía solar térmica

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07/05/2007
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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.

 

Instalaciones de colectores planos para captación de energía solar térmica.

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 a 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 recorre 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 de gas 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.

Esquema de funcionamiento de un sistema de acumulador, captadores para agua caliente sanitaria.

- 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 m2 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.

 

Esquema de funcionamiento con circulación forzada.

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. (agua caliente sanitaria) 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.

Colectores solares con depósito integrado.

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 agua caliente sanitaria (ACS)

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. + 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.

Instalación con tubios de vacío.

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.

 

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