Agua Caliente Sanitaria

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AGUA CALIENTE SANITARIA: INSTALACIÓN SOLAR TÉRMICA
DESCRIPCIÓN
La producción de agua caliente sanitaria (ACS) es una de las aplicaciones de la
energía solar térmica que resulta más extendida y rentable. A causa de la relativa
constancia de la demanda de agua caliente sanitaria, la instalación solar está en
servicio durante todos los meses del año, hecho que permite amortizarla más
rápidamente que en el caso de aplicaciones de calefacción, en que el sistema sólo se
utiliza durante los meses de invierno.
Según la sección HE4 del Documento Básico de Ahorro de Energía define en su
apartado 3.2.1, una instalación solar térmica está constituida por un conjunto de
componentes encargados de realizar las funciones de captar la radiación solar,
transformarla directamente en energía térmica cediéndola a un fluido de trabajo y,
por último almacenar dicha energía térmica de forma eficiente, bien en el mismo
fluido de trabajo de los captadores, o bien transferirla a otro, para poder utilizarla
después en los puntos de consumo. Dicho sistema se complementa con una
producción de energía térmica por sistema convencional auxiliar que puede o no
estar integrada dentro de la misma instalación.
El segundo párrafo de este apartado 3.2.1 enumera los sistemas que conforman la
instalación solar térmica para ACS:
•
Un sistema de captación formado por los captadores solares, encargado de
transformar la radiación solar incidente en energía térmica de forma que se
calienta el fluido de trabajo que circula por ellos;
•
Un sistema de acumulación constituido por uno o varios depósitos que
almacenan el agua caliente hasta que se precisa su uso;
•
Un circuito hidráulico constituido por tuberías, bombas, válvulas, etc., que se
encarga de establecer el movimiento del fluido caliente hasta el sistema de
acumulación;
•
Un sistema de intercambio que realiza la transferencia de energía térmica
captada desde el circuito de captadores, o circuito primario, al agua caliente
que se consume;
•
Un sistema de regulación y control que se encarga por un lado de asegurar el
correcto funcionamiento del equipo para proporcionar la máxima energía
solar térmica posible y, por otro, actúa como protección frente a la acción de
múltiples factores como sobrecalentamientos del sistema, riesgos de
congelaciones, etc;
•
Adicionalmente, se dispone de un equipo de energía convencional auxiliar que
se utiliza para complementar la contribución solar suministrando la energía
necesaria para cubrir la demanda prevista, garantizando la continuidad del
suministro de agua caliente en los casos de escasa radiación solar o demanda
superior al previsto.
-1–
Documento procedente de ATECOS, http://www.atecos.es
Un esquema de un tipo de instalación para ACS por medio de la energía solar térmica
se puede observar en la Figura 1:
Figura 1. Sistema de ACS por energía solar térmica con dos acumuladores, el acumulador solar
y el acumulador de la caldera, separados por un intercambiador (FENERCOM, 2008)
PROPIEDADES Y CARACTERISTICAS
El principio de funcionamiento se basa en la captación de energía solar por medio de
unos captadores que emplean un fluido portador de calor (caloportador) para su
transmisión a los acumuladores a baja temperatura (<60 ºC). Los captadores solares,
conectados entre sí, transfieren la energía mediante un intercambiador a un sistema
de acumulación, constituido por uno o más depósitos que almacenan el agua
caliente. Mediante los depósitos del sistema de acumulación se controla la
disponibilidad de ACS según la demanda.
VENTAJAS E INCONVENIENTES
Ventajas
•
La utilización de los paneles solares para calentar agua supone, un importante
ahorro económico.
•
El generar energía térmica sin combustión supone, desde el punto de vista
ambiental, un proceso limpio y exento de cualquier contaminación.
•
Alta rentabilidad económica. Vida útil media de 20 años.
•
No hay dependencia energética de terceros.
•
Alto rendimiento de transformación, hasta un 65 % de radiación en energía
calorífica.
Inconvenientes
•
Requiere una gran superficie de la placa colectora en las instalaciones solares
térmicas (0,6 - 1 m2/persona para agua caliente).
-2–
•
Elevados costes de instalación, aunque existen ayudas y subvenciones para la
implantación de energías renovables que son actualizadas y publicadas
periódicamente en los boletines oficiales.
•
Mantenimiento
•
Riesgo de heladas
•
Riesgo de sobrecalentamiento cuando no hay suficiente consumo
DISEÑO, CONSTRUCCIÓN Y/O APLICACIÓN
La contribución solar mínima de agua caliente sanitaría aplicable se desarrolla en el
documento básico HE ahorro de energía en su sección HE4.
Para la aplicación de esa sección debe seguirse la secuencia que se expone a
continuación:
•
obtención de la contribución solar mínima según el apartado 2.1 de la sección
HE4;
•
cumplimiento de las condiciones de diseño y dimensionado del apartado 3 de
la sección HE4;
•
cumplimiento de las condiciones de mantenimiento del apartado 4 de la
sección HE4.
En la memoria del proyecto se establecerá el método de cálculo, especificando, al
menos en base mensual, los valores medios diarios de la demanda de energía y de la
contribución solar. Asimismo el método de cálculo incluirá las prestaciones globales
anuales definidas por:
•
la demanda de energía térmica;
•
la energía solar térmica aportada;
•
las fracciones solares mensuales y anual;
•
el rendimiento medio anual.
DISEÑO Y DIMENSIONADO DE UNA INSTALACIÓN SOLAR TÉRMICA
Se han de tener en cuenta:
•
Orientación e inclinación de los captadores.
•
Cálculo de la demanda de energía térmica para la producción del agua
caliente. Los factores que influyen en esta demanda son el consumo de agua
caliente, la temperatura de uso del agua caliente y la temperatura de entrada
de agua fría de la red.
-3–
•
•
Diseño de la instalación:
o
El dimensionado básico de una instalación solar para la producción de
agua caliente sanitaria consiste en determinar la superficie de
captación y el volumen de acumulación. Este cálculo se realiza
generalmente en función de la fracción solar o porcentaje de
cobertura de la demanda que se pretende conseguir con la instalación
solar.
o
Dimensionado básico. Método f-chart: El f-chart es un método de
cálculo que se encuentra ampliamente informatizado, la mayoría de
programas que se encuentran en el mercado para el diseño de
instalaciones solares están basados en este procedimiento.
o
Método orientativo a partir del rendimiento medio. El método de
cálculo utilizando el rendimiento medio es el procedimiento más
sencillo para calcular el área de captación
o
Dimensionado del volumen de acumulación
o
Dimensionado del intercambiador
o
Vaso de expansión
o
Bomba de circulación
Sombras en una instalación solar. Para obtener el máximo aprovechamiento
de un sistema de energía solar se deberá tener en cuenta las posibles zonas
de sombra que se puedan producir sobre los captadores a lo largo de todo el
día.
SISTEMAS DE UNA INSTALACIÓN SOLAR TÉRMICA
Los subsistemas que conforman los componentes de la instalación solar térmica para
agua caliente son los siguientes:
•
Un subsistema de captación formado por los captadores solares, encargado de
transformar la radiación solar incidente en energía térmica de forma que se
calienta el fluido de trabajo que circula por ellos.
Los tipos de captadores más utilizados son los planos de cubierta vidriada, los
de vacío y los sin cubierta. Estos últimos no están permitidos por el CTE para
su aplicación en ACS o en piscina cubierta, a no ser que cumplan con la norma
UNE-EN 12975 y posean un rendimiento mayor o igual al 40%.
De forma general se distinguen tres tipos de captadores solares: planos y de
vacío. El tipo más utilizado, tanto para la producción de ACS como para usos
industriales, es el colector solar plano, del cual existen muchas variantes.
-4–
En un captador solar plano se distinguen los siguientes elementos:
o Cubierta transparente. Es la encargada de retener el calor y de aislar
el captador de las condiciones ambientales exteriores.
o Absorbedor. Es el elemento donde se produce la conversión de la
radiación solar en energía térmica. Está formado por una superficie
plana adherida a un circuito hidráulico a través del cual circula el
fluido caloportador.
o Carcasa. Es el elemento, junto con la cubierta, que constituyen el
contenedor del resto de los componentes del captador.
o Aislamiento. Tiene la misión de reducir las pérdidas térmicas del
equipo. Está formado normalmente por espumas sintéticas
(poliuretano, fibra de vidrio...).
•
un subsistema de acumulación constituido por uno o varios depósitos que
almacenan el agua caliente hasta que se precisa su uso.
Los acumuladores para ACS y las partes de acumuladores combinados que
estén en contacto con agua potable, deberán cumplir los requisitos de la
norma UNE EN 12897.
•
un circuito hidráulico constituido por tuberías, bombas, válvulas, etc., que se
encarga de establecer el movimiento del fluido caliente hasta el sistema de
acumulación.
•
un subsistema de intercambio que realiza la transferencia de energía térmica
captada desde el circuito de captadores, o circuito primario, al agua caliente
que se consume.
Dentro de los intercambiadores de calor se distingue entre intercambiadores
incorporados al acumulador e intercambiadores externos.
•
Un subsistema de regulación y control que se encarga por un lado de asegurar
el correcto funcionamiento del equipo para proporcionar la máxima energía
solar térmica posible y, por otro, actúa como protección frente a la acción de
múltiples factores como sobrecalentamientos del sistema, riesgos de
congelaciones, etc.
•
adicionalmente, se dispone de un equipo de energía convencional auxiliar que
se utiliza para complementar la contribución solar suministrando la energía
necesaria para cubrir la demanda prevista, garantizando la continuidad del
suministro de agua caliente en los casos de escasa radiación solar o demanda
superior al previsto.
INSTALACIONES SOLARES TÉRMICAS
Las instalaciones solares térmicas se pueden clasificar atendiendo a diversos
criterios:
-5–
•
•
Según la forma de transmitir el calor al consumo :
o
Instalaciones de circuito directo o abierto. Serán aquellas instalaciones
donde el fluido caloportador de los captadores, se acumula de forma
directa en el depósito donde se produce una estratificación debida a la
diferencia de densidades entre el fluido caliente y frío. Así el fluido
caliente pasa a través del sistema de apoyo para su posterior uso en el
consumo final, si bien, estas instalaciones no están permitidas por el
CTE, ni aparecen recogidas en el pliego de condiciones térmicas de
energía solar del IDAE del año 2009.
o
Instalaciones de circuito indirecto o cerrado. Son aquellas
instalaciones en las que existen dos circuitos diferenciados
interconectados a través de un sistema de intercambio de calor. Están
formados por un circuito primario cerrado y un circuito secundario
seguido por el sistema de apoyo.
Según el método para hacer circular el fluido por la instalación:
o
Instalaciones por termosifón o compactos: estos sistemas están
basados en la diferencia de densidades del fluido caloportador debido
a su diferencia de temperaturas. Esta diferencia de densidades es la
fuerza motora que impulsa, por convección libre, el fluido sin
necesidad de una bomba. Estos equipos compactos presentan menor
mantenimiento debido al menor número de elementos de la
instalación. En cambio el rendimiento de la instalación es inferior
debido al menor control sobre los parámetros de funcionamiento.
o
Instalaciones de circulación forzada. En estos sistemas como fuerza
motora del fluido se utiliza una bomba. Estos equipos se instalan en el
circuito primario. Esta configuración es la más compleja ya que tiene
mayor número de elementos, siendo el rendimiento de la instalación
mayor debido a que se fijan las condiciones de temperatura y caudal
con las que se quiere que trabaje la instalación.
Como criterio de clasificación sirve la recogida por el IDAE en su publicación
Instalaciones de Energía Solar Térmica. Pliego de Condiciones Técnicas de
Instalaciones de Baja Temperatura:
•
El principio de circulación.
•
El sistema de transferencia de calor.
•
El sistema de expansión.
•
El sistema de energía auxiliar.
•
La aplicación.
Por el principio de circulación se clasificarán en:
•
Instalaciones por termosifón o circulación natural
-6–
•
Instalaciones por circulación forzada
Por el sistema de transferencia de calor:
•
Instalaciones de transferencia directa sin intercambiador de calor
•
Instalación con intercambiador de calor en el acumulador solar
o Sumergido
o De doble envolvente
•
Instalaciones con intercambiador de calor independiente
Por el sistema de expansión:
•
Sistema abierto
•
Sistema cerrado
Por el sistema de aporte de energía auxiliar:
•
Sistema de energía auxiliar en el acumulador solar
•
Sistema de energía auxiliar en acumulador secundario individual
•
Sistema de energía auxiliar en acumulador secundario centralizado
•
Sistema de energía auxiliar en acumuladores secundarios distribuidos
•
Sistema de energía auxiliar en línea centralizado
•
Sistema de energía auxiliar en línea distribuido
•
Sistema de energía auxiliar en paralelo
Por su aplicación:
•
Instalaciones para calentamiento de agua sanitaria
•
Instalaciones para usos industriales
•
Instalaciones para calefacción
•
Instalaciones para refrigeración
•
Instalaciones para climatización de piscinas
•
Instalaciones de uso combinado
•
Instalaciones de precalentamiento
-7–
En la Figura 2 aparecen diferentes
recomendadas según el tipo de aplicación:
configuraciones
de
instalaciones
Figura 2. Esquemas generales de instalación aplicados a ACS. (IDAE, 2009)
INSTALACIONES SOLARES EN LA EDIFICACIÓN
Las instalaciones solares forman parte de la categoría de sistemas solares de
calentamiento a medida o por elementos. Los componentes de la instalación se
ensayan de forma separada y los resultados se integran en una evaluación del sistema
completo.
Así, este tipo de instalaciones permite posibilidades de combinación casi ilimitadas.
Sin bien los factores limitantes son las condiciones establecidas por el CTE y la lógica
de la construcción, existiendo unos esquemas tipo, como son los siguientes:
•
Acumulación solar centralizada, sistema de energía auxiliar centralizado.
•
Acumulación solar centralizada, sistema de energía auxiliar individual.
•
Acumulación solar distribuida, sistema de energía auxiliar individual.
•
Acumulación solar mixta, acumulador centralizado complementado con otros
individuales.
•
Acumulación solar centralizada y calentamiento de piscina cubierta.
Se ha de recordar que los componentes de la instalación se agrupan en tres
subsistemas principales:
•
Captación.
•
Intercambio y acumulación.
-8–
•
Energía convencional auxiliar.
También existen los sistemas solares prefabricados, denominados en el apartado
3.2.1 de la Sección HE 4 del DB HE, que se producen bajo condiciones que se
presumen uniformes y son ofrecidos a la venta como equipos completos y listos para
instalar, bajo un solo nombre comercial. Pueden ser compactos o partidos y, por otro
lado constituir un sistema integrado o bien un conjunto y configuración uniforme de
componentes.
EJEMPLOS DE APLICACIÓN
La producción de agua caliente sanitaria (ACS) es con diferencia la principal
aplicación de la energía solar térmica, debido a las bajas temperaturas de
preparación y a la homogeneidad de su consumo a lo largo del año, lo que hace que
las instalaciones de energía solar térmica presenten buenos rendimientos para la
producción de agua caliente sanitaria y que también resulte interesante a nivel
económico a la hora de disminuir los costes energéticos de una instalación.
Otras aplicaciones de la energía solar térmica es la climatización de piscinas, donde
su uso estacional coincide con los meses de mayor radiación solar, obteniéndose las
temperaturas necesarias con instalaciones sencillas.
Se debe tener en cuenta que aunque la potencia nominal de captación sea inferior a
la de calentamiento del vaso, siempre puede haber excedentes de energía y es
necesario disponer de un sistema de acumulación además del propio de la piscina.
Esto también es válido para otras actividades que presenten un consumo regular a lo
largo del año de agua caliente a baja temperatura, como puede ser una lavandería,
donde se pueden alimentar las lavadoras con agua caliente procedente de la
instalación solar en lugar de realizar todo el calentamiento en las propias lavadoras,
y también en cocinas, donde existe una demanda de agua caliente en los lavavajillas.
En instalaciones destinadas a hoteles, restaurantes u hospitales hay que tener en
cuenta a la hora de diseñar la instalación las normas relativas a la prevención de la
legionela. Ésta indica que la temperatura del agua en el circuito de agua fría ha de
ser inferior a 20ºC y en el circuito de agua caliente superior a 50ºC, pudiendo
soportar este circuito temperaturas de hasta 70ºC. Otra alternativa es el empleo de
depósitos de acumulación de inercia, de los que no se consume directamente, sino
mediante un intercambiador evitando el riesgo.
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Eficiencia Energética
sanitaria en albergue, Ficha nº 18. Colección Fichas Técnicas: Tecnologías de Ahorro
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Tecnologías de Ahorro y Eficiencia Energética
sanitaria en bloque de apartamentos, Ficha nº 39. Colección Fichas Técnicas:
Agencia Valenciana de la Energía (AVEN). Instalación solar combinada para agua
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Agencia Valenciana de la Energía (AVEN). Instalación solar térmica para ACS y
calefacción por suelo radiante, Ficha nº 51. Colección Fichas Técnicas: Tecnologías
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familiar, Ficha nº 55. Colección Fichas Técnicas: Tecnologías de Ahorro y Eficiencia
Energética
Agencia Valenciana de la Energía (AVEN). Instalación solar térmica para un
establecimiento hotelero, Ficha nº 57. Colección Fichas Técnicas: Tecnologías de
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