La conexión de los diferentes componentes de la instalación solar se realiza con tuberías, hasta formar los circuitos hidráulicos necesarios.

Normalmente, los materiales utilizados para las tuberías del circuito primario son cobre, acero negro y materiales plásticos

Se pueden usar sin problemas las tuberías de polietileno reticulado, siempre que el fabricante garantice su uso por encima de los 120º C.

El acero galvanizado no debe usarse en circuitos primarios (de los colectores al almacenamiento) debido al fuerte deterioro que la protección de zinc sufre con temperaturas superiores a 65º C.

En general, la velocidad del fluido no ha de ser superior a 1,5 ó 2 m/s en el circuito primario.

Puede seleccionarse un diámetro de las tuberías de forma que la velocidad de circulación del fluido sea inferior a 2 m/s cuando la tubería discurra por locales habitados y a 3 m/s cuando el trazado sea al exterior o por locales no habitados.

Cuando se utilice acero en tuberías o accesorios, el pH del fluido de trabajo deberá estar comprendido entre 5 y 9.

El dimensionado de las tuberías se realizará de forma que la pérdida de carga unitaria en tuberías nunca sea superior a 40 mm de columna de agua por metro lineal.

La pérdida de carga total del circuito no debe superar los 7 m de columna de agua.

La pérdida de carga máxima es aplicable al circuito primario y al secundario. Si fuese mayor, estaríamos obligados a elegir el diámetro inmediatamente superior de tubería.

Para el calentamiento de piscinas se utilizan tuberías de PVC, que pueden tener grandes diámetros sin un sobrecoste importante.

Todas las redes de tuberías deben diseñarse de tal manera que puedan vaciarse de forma parcial y total, a través de un elemento que tenga un diámetro nominal mínimo de 20 mm.

Para la selección de una tubería se deben tener en cuenta los siguientes aspectos:

1º Compatibilidad con el fluido:

Los materiales a emplear para circuitos de ACS podrán ser:

• Metálicos:

– Acero galvanizado, UNE-EN 10.255 serie M (solo en agua fría).
– Acero inoxidable, UNE-EN 10.312, series 1 y 2.
– Cobre, UNE-EN 1.057.

• Termoplásticos:

– Policloruro de vinilo no plastificado (PVC), UNE-EN 1.452.
– Policloruro de vinilo clorado (PVC-C), UNEEN ISO 15.877.
– Polietileno (PE), UNE-EN 12.201.
– Polietileno reticulado (PE-X), UNE-EN ISO 15.875.
– Polibutileno (PB), UNE-EN ISO 15.876.
– Polipropileno (PP) UNE-EN ISO 15.874.
– Multicapa polímero/aluminio/polietileno (PE-RT), UNE 53.960 EX.
– Multicapa polímero/aluminio/polietileno (PE-X), UNE 53.961 EX.

Quedan prohibidos expresamente los tubos de aluminio y aquellos cuya composición contenga plomo.

2º Presión de trabajo:

Se debe garantizar en todos los puntos de consumo una presión mínima de 1 bar y una máxima de 5 bares; por lo que se puede tomar 5 bares como presión para la selección de la serie.

Si bien las válvulas de seguridad de los depósitos suelen estar taradas a 8 bares ésta es una presión de diseño más adecuada.

3º Temperatura de trabajo:

Las tuberías para ACS y calefacción deben mantenerse estables con las temperaturas de trabajo de la instalación, esporádicamente ser capaces de alcanzar temperaturas cercanas a los 95 °C y seguir resistiendo con una esperanza de vida de al menos 50 años.

4º Pérdida de carga:

Cuando un líquido circula por el interior de un tubo recto su presión disminuye linealmente a lo largo del mismo, aunque esté en posición horizontal. Esa caída de presión se llama pérdida de carga.

Válvulas, estrechamientos, codos, cambios de dirección, derivaciones, etc. ocasionan pérdidas de carga locales o singulares que también se deben tener en cuenta.

Hay que determinar la pérdida de carga total, que es la suma de la pérdida de carga lineal y de las pérdidas de carga singulares.

5º Tamaño de la tubería:

Para calcular el tamaño de la tubería partimos del dato del caudal.

Debemos determinar el diámetro mínimo de la tubería (es decir el más económico) sin que la pérdida de carga supere un límite razonable, para no vernos obligados a usar un grupo de bombeo de mayor potencia con el consiguiente derroche de energía.

Sabemos por experiencia que la velocidad máxima recomendada para la circulación del fluido es de aproximadamente 1,5 m/s si lo hace en forma continua (circuitos primarios) y de 2,5 m/s si lo hace a intervalos (circuitos secundarios de consumo).

También se recomienda (o se exige) que la pérdida de carga por cada metro lineal de tubo no supere los 40 mm ca.

Estas 2 condiciones imponen un límite inferior al diámetro de la tubería.

Es habitual partir de un diámetro estimado en base a la experiencia en instalaciones análogas y verificar que la elección implica valores de pérdida de carga y velocidad inferiores a los máximos recomendados.

De no ser así, habría que repetir la verificación para un diámetro inmediatamente superior.

Si por el contrario, podemos seleccionar un diámetro inferior al inicial, ahorraremos en material; sobre todo si el circuito tiene una longitud considerable.

Como primera aproximación, podemos recurrir a la siguiente fórmula:

D = j C 0,35

Siendo:

D diámetro en cm
C caudal en m3/h
j 2,2 para tuberías metálicas y 2,4 para tuberías plásticas.

La estimación inicial, cualquiera sea el método empleado, debe ser verificada haciendo uso de tablas o ábacos de pérdida de carga.

Hay tablas y ábacos específicos para cada tipo de material (cobre, acero, plásticos) que permiten determinar la pérdida de carga por rozamiento y la velocidad del fluido en los tubos.

Este contenido fue extraído del Manual Técnico Comercial de Energía Solar Térmica y forma parte del e-learning Solar.

Todo lo que necesitas es Sol. Todo lo que necesitas es Sopelia.

El correcto diseño de una instalación solar térmica pasa por prever todas las circunstancias que puedan dañarla y aplicar estrategias que puedan evitar que se produzcan averías que acorten su vida útil.

Hay básicamente 5 aspectos a tener en cuenta:

I-Protección contra heladas:

El método de protección dependerá del fluido caloportador utilizado y de las condiciones meteorológicas propias del lugar de la instalación.

No basta con proteger solamente a los colectores. También deben protegerse las tuberías exteriores.
Como sistemas de protección anti-heladas podrían utilizarse:

1. Mezclas anticongelantes: es la solución más usada para proteger a la instalación del peligro de congelación.

2. Recirculación de agua de los circuitos: este sistema es adecuado para zonas climáticas en las que los períodos de baja temperatura sean de corta duración.

3. Drenaje automático con recuperación de fluido: este sistema requiere utilizar un intercambiador de calor entre los captadores y el acumulador para mantener en éste la presión de suministro de agua caliente. No se aconseja esta solución en caso de que el absorbedor del colector sea de aluminio.

4. Drenaje al exterior (sólo para sistemas solares prefabricados): este sistema no está permitido en los sistemas solares a medida.

5. Paro total de la instalación durante el invierno: esta solución es aconsejable para instalaciones que solo se utilizan en verano y habrá que tener en cuenta que los circuitos vacíos están sometidos a mayores riesgos de corrosión.

6. Calentamiento de los colectores por medio de una resistencia eléctrica.

7. Colectores capaces de soportar la congelación: hay en el mercado colectores que tienen una elasticidad suficiente para soportar el aumento de volumen debido a la congelación.

8. Introducción en el circuito del absorbedor de cápsulas elásticas y estancas que contienen aire o nitrógeno. Al aumentar la presión debido a la congelación, éstas se comprimen evitando las averías por rotura.

II-Protección contra sobrecalentamientos:

Un exceso de calor en los sistemas solares térmicos se produce cuando existe demasiada captación solar en relación al consumo que se hace de la energía obtenida. Cuando esto ocurre, los colectores retienen el calor que no se ha evacuado y elevan su temperatura hasta niveles que pueden ser peligrosos para la instalación.

Se estima que una temperatura del fluido caloportador superior a los 90 ºC empieza a ser peligrosa para la instalación.

El problema surge cuando, por las causas ya comentadas, la temperatura sube demasiado en los colectores y el fluido caloportador que circula en el interior del circuito primario comienza a hervir, a dilatarse y a emitir vapor.

Tanto la dilatación como sobretodo la vaporización elevan la presión dentro del circuito primario.

Por otro lado, cuando el fluido caloportador empieza a hervir en el circuito primario, se producen incrustaciones de cal en las superficies de los distintos componentes que van deteriorando el equipo.

En el sobrecalentamiento de los colectores pueden presentarse 3 casos:

1. Circuito cerrado con vaso de expansión al aire libre: el vapor producido va al exterior. Esto puede originar incrustación y riesgo de vaciado de parte del circuito, obligando a su rellenado antes de su puesta en servicio.

2. Circuito abierto (el agua de consumo pasa por los colectores): si la presión de ebullición supera a la de red, el vapor producido descargará en la red contaminando el agua.

3. Circuito cerrado y vaso de expansión cerrado: al elevarse la temperatura, la presión sube y la válvula de seguridad se abrirá al llegar a un cierto valor predeterminado.

El riesgo de sobrecalentamiento en el almacenamiento es menor y puede decirse que solamente podría producirse si la instalación cuenta con colectores de elevado rendimiento (p.e.: colectores de tubo de vacío) y carece de mecanismo de disipación.

Cuando las aguas sean duras (contenido en sales de calcio entre 100 y 200 mg/l) se tomarán las precauciones necesarias para que la temperatura de trabajo de cualquier punto del circuito de consumo no sea superior a 60 °C, sin perjuicio de la aplicación de los requerimientos necesarios contra la legionella.

En cualquier caso, se dispondrán los medios necesarios para facilitar la limpieza de los circuitos.

Además de los elementos de seguridad hay otros mecanismos para evitar los peligros de sobrecalentamiento:

• Usar un fluido orgánico con punto de ebullición alto.

• Ángulo de inclinación de los colectores superior al óptimo para captar la radiación solar preferentemente en invierno. Con ello se consigue que los rayos más perpendiculares del verano caigan con mayor inclinación sobre el colector y se aprovechen menos.

• Exceso de calor vertido en la piscina.

• Aleros. Mediante la disposición de aleros estratégicamente dispuestos es posible reducir la radiación solar que soportan los colectores solares en verano.

• Cubrir los colectores con fundas.

• Disipadores de calor. Estos dispositivos hacen circular el líquido sobrecalentado por unos conductos para que se disipe su calor en el aire.
Algunos dirigen todo el flujo sobrecalentado del circuito primario a una unidad donde el calor es disipado con ayuda de ventiladores (aerotermos).
Otros en cambio son estructuras que se colocan en cada colector o batería de colectores y que disipan solo el calor generado por la unidad sobre la que están. Este tipo de disipador funciona por gravedad, sin componentes electrónicos y se activa por medio de válvulas termostáticas. Tiene la ventaja de que sigue funcionando ante un corte en el suministro eléctrico.

III-Resistencia a presión:

En el caso de sistemas cerrados, se tendrá en cuenta la máxima presión de trabajo de todos los componentes. El componente que tenga la menor presión máxima de trabajo es el que fijará la pauta para toda la instalación.

En caso de sistemas de consumo abiertos con conexión a la red, se tendrá en cuenta la máxima presión de la misma para verificar que todos los componentes del circuito de consumo soportan dicha presión.

IV-Prevención de flujo inverso:

La instalación del sistema deberá asegurar que no se produzcan pérdidas energéticas relevantes debidas a flujos inversos no intencionados en ningún circuito hidráulico del sistema.

La circulación natural que produce el flujo inverso se puede favorecer cuando el acumulador se encuentra por debajo del colector, por lo que habrá que tomar, en esos casos, las precauciones oportunas para evitarlo.

En sistemas con circulación forzada se aconseja utilizar una válvula anti-retorno para evitar flujos inversos.

V-Prevención de la legionelosis:

Se deberá cumplir que la temperatura del agua en el circuito de distribución de agua caliente no sea inferior a 50 °C en el punto más alejado y previo a la mezcla necesaria para la protección contra quemaduras o en la tubería de retorno al acumulador. La instalación permitirá que el agua alcance una temperatura de 70°C. En consecuencia, no se admite la presencia de componentes de acero galvanizado.

Este contenido fue extraído del Manual Técnico Comercial de Energía Solar Térmica y forma parte del e-learning Solar.

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La solución propuesta deberá cumplir, por orden de importancia:

– Que sea suficientemente segura.
– Que su costo sea lo más bajo posible.
– Rapidez y sencillez en el montaje.

Un método muy utilizado actualmente es el anclaje mediante taco químico.

Las estructuras son de distintos materiales. Los más utilizados son aluminio y acero inoxidable.

Los fabricantes suelen vender el colector con su estructura, aunque siempre se podrá diseñar una estructura propia.

No es aconsejable traspasar con el anclaje la cubierta del edificio (puede ocasionar filtraciones).

En el caso de grandes instalaciones, se puede realizar un pre-montaje en taller para que el montaje en cubierta sea más rápido y económico.

En zonas cercanas a la costa, la estructura deberá estar galvanizada por inmersión en caliente.

La tornillería debería ser de acero inoxidable o material resistente a la corrosión.

El tipo de anclaje se hará en función de:

1) Las fuerzas del viento que deba soportar. Si el colector está orientado al Sur (nos encontramos en el hemisferio Norte), el viento que representa un riesgo es el proveniente del Norte (es a la inversa si nos encontramos en el hemisferio Sur), que ejercerá fuerza de tracción sobre los anclajes. El viento Sur ejercerá fuerza de compresión, no tan peligrosa. La fuerza del viento sobre una superficie es:

f = P . S . sen2α
f = Peso para contrarrestar la fuerza del viento.
P = carga del viento (Kg/m2).
S = superficie colector (m2).
sen2α= seno del ángulo de inclinación.

La fuerza del viento se descompone en f1, que incide perpendicularmente a la superficie del colector y en f2, que lo hace paralelamente.

La fuerza f1 es al final la que cuenta y la que se obtiene de la fórmula anterior.

2) La orientación e inclinación de los colectores. Los colectores se orientan hacia el Ecuador. Normalmente, si estamos en el hemisferio Sur se orientan hacia el Norte y viceversa. Desviaciones de hasta un 20% respecto de la orientación óptima no afectan de manera relevante el rendimiento y la energía térmica aportados por la instalación.

El ángulo de inclinación de los colectores dependerá del uso del equipo solar. Inclinaciones orientativas:

• 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.

3) La superficie colectora debe estar libre de sombras. En el día más desfavorable del período de utilización, la instalación no debe tener más del 5% de superficie útil de captación cubierta por sombras.

La determinación de sombras proyectadas se efectúa en la práctica observando el entorno desde el punto medio de la arista inferior del colector, tomando como referencia la línea Norte-Sur.

Haciendo un barrido angular a ambos lados se intentará localizar obstáculos próximos con una altura angular superior a los 15º / 25º.

Una determinación más exacta de posibles sombras puede realizarse utilizando software de dimensionado de instalaciones basado en métodos de simulación.

4) La distancia mínima entre colectores. La separación entre filas de colectores debe establecerse de forma que al mediodía solar del día más desfavorable (altura solar mínima) del período de utilización, la sombra de la arista superior de una fila se proyectará, como máximo, sobre la arista inferior de la fila siguiente.

La fórmula de distancia mínima entre colectores es:

DT = L (senα / tan H + cosα)
H es la altura solar mínima, que es:
H = (90º – latitud lugar) – 23.5º
L es la altura del colector

Si las filas de colectores se dispusieran sobre una superficie no horizontal, la expresión se convertiría en:

DT = L ((sen(α – β) / tan(H + β) + cos(α – β))

α sigue siendo el ángulo de inclinación del colector respecto de la horizontal.
β es el ángulo de inclinación de la cubierta respecto de la horizontal. Se toma positivo si el sentido del ángulo de inclinación de la cubierta coincide con el del colector y con valor negativo en caso contrario.

5) Finalmente, deben realizarse los cálculos para asegurarse de que la cubierta o soporte será capaz de sostener el peso de los colectores, y el del depósito en el caso de los sistemas termosifónicos y compactos.

El área I+D+I de Sopelia ha desarrollado Solar Layout, la app para móviles que permite situar de manera óptima colectores y módulos en el lugar de instalación.

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En Internet podemos encontrar herramientas de libre uso para el dimensionado de instalaciones solares básicas o de baja complejidad y para la estimación de determinados componentes o accesorios.

El equipo de investigación de Sopelia ha realizado una búsqueda y testeo exhaustivos a partir del cual se ha creado una nueva sección en la web corporativa, denominada Herramientas Solares Gratuitas.

Las herramientas seleccionadas fueron clasificadas en 4 categorías.

Hoy analizaremos la tercera de ellas: Solar Térmica.

En la primera categoría ya analizamos herramientas para obtener datos acerca del recurso solar y de las demás variables a considerar en la estimación de la potencia que proporcionará la instalación solar en nuestra localización.

En la segunda categoría hemos analizado herramientas para calcular la “carga”, es decir, la demanda energética a satisfacer.

Ahora vamos a analizar herramientas para dimensionar un sistema solar térmico y otras para estimar componentes individuales de un sistema.

El orden de las herramientas no es aleatorio. Hemos dado prioridad a las más intuitivas, las más universales y las que se pueden utilizar online sin necesidad de descarga.

Para esta tercera categoría nuestra selección es la siguiente:

1) Calculadora Solar Térmica

Herramienta de cálculo aproximado a partir de la que se obtiene automáticamente el presupuesto, datos de producción y estudio de rendimiento de la instalación.

A pie de página se puede encontrar una Guía de Navegación y los Manuales.

2) Simulación para el Pre-diseño de una Instalación Solar Térmica

Aplicación online basada en el software TSOL que permite simular una instalación de energía solar para aporte a ACS y ACS + calefacción.

Disponible en idiomas alemán, inglés, español y francés.

3) Cálculo de la Fracción Solar

Programa de descarga gratuita desarrollado por el IDAE (Instituto para la Diversificación y el Ahorro de la Energía) y ASIT (la Asociación Solar de la Industria Térmica) que permite definir una amplia variedad de instalaciones solares introduciendo un mínimo de parámetros del proyecto, asociados a cada configuración del sistema, y de esta manera, obtener la cobertura solar que ese sistema proporciona sobre la demanda de energía para ACS y piscina.

4) Cálculo del Vaso de Expansión Solar

Herramienta desarrollada para calcular el volumen del vaso de expansión solar.

Se deben introducir los valores de Volumen (total circuito, colectores solares, tuberías), Temperatura máxima del sistema (ºC), Concentración de glicol (%), Altura entre el vaso de expansión y el punto más alto de la instalación (valor mínimo 1 Bar) y Presión tarado de la válvula de seguridad.

5) Cálculo Grosor Aislamiento Tuberías

Calculadora que permite estimar el grosor del aislamiento mínimo y más económico de las tuberías de agua.

Se deben introducir las variables Grado y Tamaño de Tubería, Material de Aislamiento, Humedad y Temperatura (Interna y Ambiente).

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Ya hemos hablado de los colectores solares térmicos planos y de los de tubo de vacío.

Dentro de los colectores sin concentración se encuentran también los colectores de aire.

Son de tipo plano y su principal característica es tener como fluido caloportador el aire.

No tienen una temperatura máxima límite (los procesos convectivos tienen una menor influencia en el aire) y trabajan mejor en condiciones de circulación normal, pero en contraposición poseen una baja capacidad calorífica y el proceso de transferencia de calor entre placa y fluido no es bueno.

Su aplicación principal es la calefacción.

Exteriormente no es posible distinguir un colector de aire de uno plano de agua.

Es en el absorbedor donde se encuentran las mayores diferencias. El mismo presenta una forma rugosa y carece de la clásica parilla de conductos de los colectores de agua. El aire circula libremente por la superficie del absorbedor recogiendo el calor que éste transforma.

Al ser una tecnología poco difundida hasta ahora, no existe un modelo estandarizado de colector solar de aire, realizando cada fabricante su propio modelo.

También existen los colectores solares térmicos cónicos o esféricos.

Su principal característica es que constituyen simultáneamente la unidad de captación y de almacenamiento.

Su superficie de captación es cónica o esférica con una cubierta de vidrio de la misma geometría. Con esta forma se consigue que la superficie iluminada a lo largo del día, en ausencia de sombra, sea constante.

Su instalación es sencilla, pero presentan problemas de estratificación del agua y la superficie útil de captación es pequeña.

Su aplicación principal es la producción de agua caliente sanitaria en viviendas unifamiliares y en climas muy benignos, ya que la gran superficie de almacenamiento, expuesta a la intemperie, propicia grandes pérdidas de energía.

Por último, dentro de los colectores sin concentración, encontramos los colectores solares para climatización de piscinas exteriores.

Son de caucho, polipropileno o polietileno; e incorporan en su proceso de fabricación sustancias que los protegen de la tendencia natural de los plásticos a degradarse bajo la acción de los rayos ultravioletas.

También llevan otros aditivos para protegerlos de los agentes químicos empleados en la purificación del agua de las piscinas. Tienen una aceptable resistencia a las posibles heladas nocturnas.

Se usan principalmente para calentar el agua de las piscinas y así poder prolongar su uso durante varios meses más.

Estos colectores no cuentan con cubierta, ni con carcasa ni con material aislante. Están constituidos por la placa captadora desnuda. Esto es así porque la temperatura de trabajo en ningún caso va a superar los 30º C y a esta baja temperatura las pérdidas por radiación y conducción son muy pequeñas, permitiendo prescindir de cubiertas y aislamientos.

No es necesario utilizar ningún tipo de intercambiador de calor ni acumulador, porque circula el agua de la piscina directamente por los colectores.

Necesitan un bastidor porque generalmente no son rígidos, pero también pueden colocarse directamente sobre un tejado, cubierta, pérgola o incluso, sobre el suelo. Al ser flexibles absorben las irregularidades de la superficie sobre la que descansan.

Estos equipos gozan de una vida útil aproximada de 10 años. Necesitan poco mantenimiento y hay poco riesgo de corrosión, ya que son sintéticos.

El segundo gran grupo es el de los colectores solares con concentración.

Su uso más habitual no es a nivel doméstico sino en centrales termoeléctricas e instalaciones que trabajan a media y alta temperatura.

Estos colectores concentran la radiación solar que recibe la superficie captadora en un elemento receptor de superficie muy reducida (un punto, una línea).

Al ser el receptor más pequeño y la radiación concentrada, permite una mejor absorción de la energía solar.

Son capaces de proporcionar temperaturas por encima de los 300ºC con buenos rendimientos.

Las centrales de colectores de concentración generan vapor a alta temperatura con destino a procesos industriales y para producir energía eléctrica.

Hay colectores de concentración de varios tipos (torre, cilindro-parabólico, motor Stirling).

Pero todos ellos tienen en común que exigen estar dotados, para ser eficientes, de un sistema de seguimiento que les permita permanecer constantemente situados en la mejor posición para recibir los rayos del Sol a lo largo del día.

Uno de los inconvenientes de la mayoría de los colectores de concentración (y en especial del cilíndrico-parabólico) es que sólo aprovechan la radiación directa del Sol, es decir, que sólo aprovechan los rayos solares que realmente inciden sobre su superficie. No son capaces, por el contrario, de captar la radiación solar difusa.

Por ello, no resultan convenientes en zonas climáticas que, aunque reciben una aceptable cantidad de radiación solar, son relativamente nubosas. Sólo resultan realmente eficaces en zonas auténticamente soleadas.

Este contenido fue extraído del Manual Técnico Comercial de Energía Solar Térmica y forma parte del e-learning Solar.

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