manual de energia solar termica

1

Manual

Energía solar térmica e instalaciones asociadas

Manual deenergía solar térmica

e instalaciones asociadas

Facultad de ArquitecturaUniversidad ORT

Decano: Arq. Gastón BoeroSecretaria Docente: Arq. Graziella Blengio

Manual

Energía solar térmica e instalaciones asociadas2

ISBN: 978-9974-8130-5-2Impreso en Imprenta GrafinelDiseño gráfico: D+B ProduccionesDeposito legal: 346860

Esta publicación es entregada en forma gratuita, como material didácticode apoyo a carreras y cursos dictados por la Universidad ORT Uruguay.

Toda referencia a marcas registradas es propiedad de las compañíasrespectivas.

Junio 2009.

3

Manual


SOL “El astro Rey”

Evaluación del recurso solar.Radiación Solar.Asoleamiento, principios fundamentales.El norte magnético y el norte geográfico

Capítulo 1

Manual


5

Manual


El cálculo de la energía solarincidente en cada lugar y en lascondiciones específicas de la obraque recibirá el calentador solar esimprescindible en el análisis deviabilidad técnica y económica de suimplantación.

Tal análisis de disponibilidades similar para cualquier fuente deenergía, renovable o no. Porejemplo: si una industria decidesustituir la vieja caldera eléctrica porun modelo más reciente a gas natu-ral, parece obvio que la primerapreocupación será con la garantíade suministro de gas en su plantaindustrial. Si no existen gasoductoso expectativa de extensión de la redpara la región, esa propuesta seráinmediatamente descartada

Felizmente en el territorio de laRepública Oriental del Uruguay elSol es bastante generoso y brilladurante todo el año, nuestra latitudcercana a la del trópico deCapricornio nos favorece tanto en ladistribución de las horas de asoleodurante el año, como en el ángulode incidencia del sol.

Sin embargo, la garantía de sudisponibilidad es un punto críticopara esa fuente energéticaintermitente, que alterna días ynoches, períodos soleados ylluviosos o nublados. Aún cuandosea bastante perceptivo que unproyecto solar en lugares pocosoleados exigirá un área decolectores superior o laespecificación de modelos máseficientes que un proyecto similarpor instalarse en un lugar mássoleado, hace falta la herramientapráctica que haga posiblecuantificar aquella percepción.

En este contexto, este capítulose divide en varias partes. Sepresentan los fundamentos de laradiación solar y su característicaespectral, que es definitiva en laselección de los mejores materialespor utilizar en la fabricación decolectores solares. Luego, se trata lageometría solar ya que elmovimiento relativo Sol - Tierrainfluye sobremanera en la decisiónreferida a la mejor posición de loscolectores en la obra, caracterizadapor los ángulos de inclinación y

EVALUACIÓN DEL RECURSO SOLAR

Manual


orientación de la instalación solar. Enel anexo correspondiente se trata losmodelos de estimación de laradiación solar para los ángulos dela instalación estudiados en lasegunda parte.

Esos modelos son importantessiempre que los datos de radiaciónsolar, disponibles en los AtlasSolarimétricos, se refierensolamente al número medio dehoras de insolación en cada mes del

año o de la radiación solar incidenteen el plano horizontal, también enpromedio mensual. Sin embargo,conforme será visto en ese capítulo,los colectores deben estar siempreinclinados en relación a la horizon-tal y, en el dimensionado desistemas de calentamiento solarpara finalidad de baño y piscina,muchas veces son necesariasinformaciones sobre la radiaciónsolar en promedios horarios, porejemplo.

Todos los cuerpos emitenradiación electromagnética comoconsecuencia de su energía internaque, en condiciones de equilibrio,es proporcional a la temperatura delcuerpo. Esa energía emitida ocurreen un amplio intervalo de longitudesde onda que va desde 10-1 hasta 104

μm, así como es mostrado en lafigura 1.1. Las longitudes más cortas

están asociadas con los rayos gama,rayos X y la radiación ultravioleta,mientras las microondas tienenlongitudes de onda larga. Valoresintermedios de longitud de onda (en-tre 0,1 y 100 μm) corresponden a laradiación térmica que puededetectarse como calor o luz. Estepequeño rango contiene lasradiaciones de interés en este libro.

PARTE 1.1.UNA VISIÓN MÁS DETALLADADE LA RADIACIÓN SOLAR

7

Manual


Figura 1.1 – El espectro electromagnético Adaptado de Incropera – De Witt

La radiación emitida por el Sol,una forma de radiación térmica, estáen el intervalo de longitudes de ondaentre 0,1 y 3,0 μm, conocida comobanda solar. Del total de la energíacontenida en esas longitudes deonda, el 7% está en la región delultravioleta, el 46,8% en la visible yel resto en la banda del infrarrojocercano, conforme es mostrado en lafigura 1.2. La radiación emitida porcuerpos a 100oC ó más, 1000oC porejemplo, ocurre en la región delinfrarrojo, entre 0.7 y 100μm. Laregión de longitudes de ondasuperiores a 3,0 μm se conoce comobanda de emisión.

La descripción de la radiaciónsolar tiene como base su naturalezaespectral y direccional, y puede

[Las radiaciones decalor que provienen delsol son de “onda corta”o banda solar, lasradiaciones de calor delos cuerpos a “bajatemperatura” son radia-ciones de onda larga obanda de emisión estehecho es muy importantepara la comprensión de laforma de captación delcalor del sol en un panelcolector solar cerrado]

Manual


entenderse como una distribucióncontinua y no-uniforme de varioscomponentes monocromáticos, queexplica la variación de la intensidadde radiación en función de lalongitud de onda. Su naturaleza

direccional puede simplificarseadmitiendo que la radiación esemitida de modo uniforme en todaslas direcciones, es decir, ladistribución y la superficie emisorason perfectamente difusas.

Figura 1.2 – Parte del espectro electromagnético que corresponde a la banda solar

1.1.1. El Cuerpo Negro

El cuerpo negro es unasuperficie ideal, utilizada comoreferencia para evaluación de laspropiedades radiantes de superfi-cies reales. Un cuerpo negropresenta las siguientes caracte-rísticas:

Absorbe toda la radiaciónincidente sobre élNinguna superficie puede emitirmás energía que un cuerpo negroEs un emisor difuso

Para entender talescaracterísticas, el cuerpo negropuede ser representado por unaesfera hueca y que presenta unapequeña abertura por dondepasa un rayo con determinadalongitud de onda. Se verificafácilmente que ese rayo sufrirámúltiples reflexiones en el interiorde la esfera, pero la probabilidadde que encuentre el pequeñoagujero para salida es prácti-camente nula. Por lo tanto, el

9

Manual


cuerpo negro es un absorbedor ideal,pues absorbe toda la radiaciónincidente sobre él, independien-temente de la longitud de onda ydel ángulo de incidencia de laradiación.

En consecuencia, el cuerponegro siempre tendrá la máximatemperatura de equilibrio en

Poder Emisivo del Cuerpo negroEl poder emisivo espectral (E )

de un cuerpo negro se define comola tasa por la cual la radiación delongitud de onda se emite en todaslas direcciones en el espaciohemisférico de una superficie, porunidad de área de esa superficie ypor unidad de intervalo de longitudde onda (d ) alrededor de .

La distribución espectral delpoder emisivo de un cuerpo negro(E ,n) se expresa a través de la Leyde Planck, la figura 1.3 representagráficamente la distribución dePlanck, demostrando que ladistribución espectral del poderemisivo del cuerpo negro presentaun punto máximo para unadeterminada longitud de onda, quees dependiente de su temperatura.

Esta relación se conoce comoLey del Desplazamiento de Wien ymuestra que, en la medida que latemperatura del cuerpo negroaumenta, el poder emisivo espectral

comparación con los cuerpos reales.Y, así, es posible afirmar que

ninguna superficie emitirá másenergía que un cuerpo negro,siendo, por lo tanto, denominadoemisor ideal. Como esa emisiónocurre uniformemente en todas lasdirecciones, el cuerpo negrotambién se conoce como emisordifuso

máximo se desplaza hacia laizquierda, es decir, para valorescorrespondientes a menoreslongitudes de onda.

Cabe destacar que el orden demagnitud del poder emisivo máximodel cuerpo negro a 5777K, esaproximadamente 105 superior aldel cuerpo negro a 150°C.

Figura 1.3. Poder emisivo espectral de un cuerpo negroen función de la longitud de onda.

λ

λ λ

λ

λ

Manual


1.1.2. Temperatura Efectiva del Sol - Tsol

El Sol es una esfera de 695.000Km. de radio y masa de 1,989 x 1030

Kg., cuya distancia media de laTierra es 1,5x1011 metros. Su com-posición química es básicamente dehidrógeno y helio, en lasproporciones de 92,1 y 7,8%,respectivamente.

La energía solar se genera enel núcleo del Sol, a través dereacciones de fusión nuclear cuando

cuatro protones de hidrógeno setransforman en un átomo de helio,liberando gran cantidad de energía,en esta región, la temperatura delSol llega a 15 millones de gradosCelsius. La figura 1.4 ilustra lasprincipales características del sol.

Para cálculos simplificados deingeniería, es común adoptar parala temperatura del Sol el valoraproximado de 6000K.

Figura 1.4. Estructura esquemática del Sol

Constante solar

“Para unadistancia media en-tre la Tierra y el Sol,su valor más actual,recomendado porDuffie y Beckmann[1991], es 1367 W/m2.”

11

Manual


1.1.3.Radiación Solar

La irradiación espectral (G )se define de modo análogo al poderemisivo espectral, considerando laenergía incidente sobre unasuperficie, es decir, es la tasa por lacual la radiación de determinadalongitud de onda incide sobre unasuperficie, por unidad de área de lasuperficie y por unidad de intervalod de longitud de onda alrededorde . Si este valor se integra paratodas los longitudes de onda y todaslas direcciones, se obtiene lairradiación total hemisférica (G).

Al aplicar ese concepto a laradiación solar, se define como laenergía incidente por unidad detiempo y área, en una superficieinstalada fuera de la atmósfera dela Tierra, para recibir los rayossolares con incidencia normal. Parauna distancia media entre la Tierray el Sol, su valor más actual,recomendado por Duffie yBeckmann [1991], es 1367 W/m2.

Esa constante corresponde aun valor máximo de la irradiaciónsolar, pues se mide antes que ocurracualquier tipo de atenuación pornubes, aerosoles, polución o

absorción por los propios elementosque forman parte de la atmósferaterrestre. Sin embargo, al atravesarla atmósfera terrestre, condicionesclimáticas y locales introducenmodificaciones en la intensidad yespectro de la radiación, además demodificar su dirección original,conforme muestra la figura 1.5. en lasiguiente página.

λ

λλ

λ

Manual


BALANCE DE ENERGÍA

De esa forma, la irradiaciónsolar incidente sobre los colectoressolares se descompone en dosfracciones, así como se muestra enla figura 1.6

Radiación solar directa (Gb)definida como la fracción de lairradiación solar que atraviesa laatmósfera terrestre sin sufrir ningunamodificación en su dirección origi-nal.

Radiación difusa (Gd) serefiere a la componente de lairradiación solar que, al atravesar laatmósfera, se esparce por aerosoles,polvo o se refleja por los elementosde esa atmósfera. La parte de laradiación que llega al colectorproveniente de la emisión y reflexiónde su alrededor, caracterizada porla vegetación y construcciones ci-viles, también se incluye en sucomponente difusa, denominadacomúnmente albedo

Figura 1.5 – Radiación solar global y sus componentes

13

Manual


Figura 1.6 representación de la descomposición de la radiación solar global en sus componentes directa ydifusa

De esa forma, se define lairradiación solar instantánea Gincidente sobre el plano de interésy expresa en W/m2, como la sumade sus componentes en la forma

DB GGG += (1.4)

La irradiación solar instan-tánea que incide sobre la superficieterrestre varía durante el día desdecero W/m2 a la salida del sol, unvalor máximo hacia el medio día yotra vez cero cuando el sol se pone.La irradiancia solar máxima que seproduce hacia el medio día, puedeser igual o mayor que 1 000 W/m2

cuando la componente difusa esmínima y el lugar geográficopropicio.

Por ejemplo, si observamos losgraficos 1.7 y 1.7b la trayectoria dela curva que indica la radiacióndirecta del sol recibida por un planohorizontal en Montevideo durante elmes de diciembre, podemosobservar que la irradiancia máximafue cercana a 1050 W/m2. Para elmismo día y en una superficiecaptadora inclinada 35° el valor esde 995 W/m2. En el mes de Juniose puede leer en el plano inclinadouna irradiación de 750W/m2.

Manual


(Nota, la irradiación presentada es calculada según modelo analítico, considerando un cielo limpio uniforme)

Figura 1.7 Irradiancia media horaria para Montevideo mes de Junio (w/m2)

[Los paneles solares son capaces de absorver tanto la energíadirecta como la radiación difusa con lo qué en un dia nublado peroluminoso se obtiene un aporte de energía que si bien no es suficientepara lograr un aumento de temperatura importante permite sumarenergía al sistema.]

Figura 1.7b Irradiancia media horaria para Montevideo mes de Diciembre (w/m2)

PLANO HORIZONTAL

INCLINADA

PLANO HORIZONTAL

INCLINADA 35O

15

Manual


PARTE 1. 2ASOLEAMIENTO DE PRINCIPIOSFUNDAMENTALES

El mejor aprovechamiento delrecurso solar es uno de los requisitospara garantizar el buen funciona-miento de la instalación y menorinversión en la implantación delsistema, además de un mayorahorro al final del mes. La instalacióncorrecta y optimizada de una bateríade colectores solares exige unadefinición previa de las inclina-ciones y orientaciones más adecua-das, que varían en función de laposición geográfica de la localidaden estudio y del perfil de consumode agua caliente.

Como será discutido acontinuación, la posición correcta de

los colectores solares tiene comoobjetivo ofrecer:

Mayor período diario deinsolación sobre la batería decolectores;

Mayor captación de laradiación solar en determinadasépocas del año o en promediosanuales, dependiendo del tipo deaplicación requerida o departicularidades del uso final delagua caliente

En este estudio, se incluirá unabreve revisión sobre coordenadasgeográficas, movimiento relativo entrela Tierra y el Sol y estaciones del año.

Las coordenadas terrestrespermiten la ubicación de un puntosobre la superficie terrestre o sualrededor, permitiendo calcular losvalores involucrados en el estudiode la geometría solar para la ciudado región específica de interés.

1.2.1. Coordenadas Geográficas:Latitud, Longitud y Altitud

Latitud Geográfica ( )corresponde a la posición angular enrelación a la línea del Ecuador,considerada latitud cero. Cadaparalelo trazado en relación al planodel Ecuador corresponde a unalatitud constante: positiva, si se traza

φ

Manual


al Norte y negativa, si está al sur delEcuador, mostrado en la Figura 1.8.Los Trópicos de Cáncer y deCapricornio corresponden a las lati-

tudes de 23o 27’ al Norte y al Sur,respectivamente, abarcando laregión tropical.

Longitud geográfica (L) es elángulo medido a lo largo del Ecua-dor de la Tierra, teniendo su origenen el meridiano de Greenwich(referencia) y extremidad en elmeridiano local, como mostrado enla Figura 1.9. En la ConferenciaInternacional Meridiana se definió suvariación de 0o a 180o (oeste deGreenwich) y de 0o a –180o (este deGreenwich). La Longitud es muyimportante en la determinación delos husos horarios y de la hora solar,el Uruguay se encuentra mascercano al meridiano 60° sin em-bargo nuestra hora legal estáreferida al meridiano 45° para tenerun mejor aprovechamiento de la luzsolar, eso significa 3horas al Oestede Greenwich.

Figura 1.8 - Ubicación de Sudamérica en relación a los paralelos y meridianos

Altitud (Z) equivale a ladistancia vertical medida entre elpunto de interés y el nivel medio delmar. Por ejemplo, las estacionesclimatológicas de Belo Horizonte ySalvador están a 850 y 4 metrossobre el nivel del mar,respectivamente.

Figura 1.9 - Ubicación de Uruguay en relación almeridiano de Greenwich.

17

Manual


Delimitación de los países en la región

Manual


2.2.2. Los Movimientos de la Tierra y lasEstaciones del Año

Los movimientos de la Tierraalrededor de su propio eje conperíodo de aproximadamente 24 hs,mostrados en las figuras 1.11 y1.12, pueden ser sucintamentedescritos como:

Movimiento de rotación 24horas

Movimiento de translaciónalrededor del Sol, en una órbitaelíptica cuyo período orbital es de365,256 días

Figura 1.11 Movimientos de la tierra, rotación de la Tierra.

Figura 1.12 Movimientos de la tierra, traslación de la Tierra.

19

Manual


El ángulo formado entre la ver-tical al plano de la órbita y el ejeNorte – Sur, mostrado en la figura1.12 es 23 grados con 27 minutos,es decir, 23,45º. Se definen asíregiones y épocas del año conmayor nivel de incidencia de laradiación solar. En el caso específicodel Hemisferio Sur, los solsticios yequinoccios son aproximadamente:

Solsticio de Verano:22 de diciembre

Equinoccio de Otoño:21 de marzo

Solsticio de Invierno:21 de junio

Equinoccio de Primavera:23 de septiembre

Mas adelante se explica lamanera de obtener por métodosgráficos la posición relativa delsol(acimut y altura) para cualquierdía del año, sin embargo en los

puntos que siguen podemoscomprender la importancia de laorientación correcta de los equipossolares.

1.2.3. Ángulos de la Instalación SolarLos ángulos de la instalación

solar están asociados a la inclinacióny orientación de los colectores

solares. Este último se conoce comoángulo azimutal de superficie.

Manual


Ángulo de inclinación delcolector ( ): es el ángulo formadopor el plano inclinado del colectorsolar y el plano horizontal, comomostrado en la Figura 1.14.

Profesionales de las áreas deIngeniería Civil y Arquitecturacomúnmente expresan la inclina-ción de los tejados en porcentaje,conocida como pendiente. Como loscálculos involucrados en la Geome-tría Solar exigen que la inclinaciónesté expresa en grado o radián, esnecesario cuidado especial paraevitar errores en la comunicación deesa información. A estos efectos sepresenta una tabla para conversiónde pendientes en % a inclinación engrados

También se pueden usarcálculos por trigonometría paramayor exactitud. Analizemos elsiguiente ejemplo.

La pendiente del techoinformada en el proyecto es del30%, esto significa que, para undesplazamiento de 100 cm en la

horizontal, el punto de contacto conel tejado sube lo correspondiente a30 cm. De acuerdo con losconceptos de la Trigonometría, severifica que la altura de 30 cm.

Fig: 1.14

21

Manual


corresponde al cateto opuesto alángulo de inclinación del tejado (ß)y el desplazamiento horizontal de100 cm. al cateto adyacente.

Ángulo azimutal de superficie(ys): corresponde al ángulo formadoentre la dirección norte-sur y laproyección en el plano horizontal dela recta normal a la superficie delcolector solar y utilizando elvocabulario para energía solar

Por lo tanto, es posible escribirque la pendiente del 30% esequivalente a un ángulo de 16,7o.

Tan ß = cateto opuesto / cateto adyacenteTan ß = 30/100

ß = 16,7º

según norma UNIT-ISO 9488:1999tomaremos la medida angular parael hemisferio sur a contar desde elnorte con valores negativos durantela mañana (dirección al este) ypositivos para las horas de la tarde(dirección al oeste).

En el caso de un tejado librede obstrucciones se intentarásiempre ubicar el captador solar“mirando al norte” es decir con unángulo acimutal de 0°

La importancia de ese ángulose verifica en todos los cálculos delProyecto Solar.

Manual


1.2.4. Norte Magnético y Norte Geográfico

En este punto, es necesarioenfatizar el concepto de desviaciónmagnética. Para determinación delNorte Geográfico es necesarioaplicar una corrección que varíalocalmente cerca de 9’ por año.

A los efectos prácticos de laubicación fehaciente del polo nortegeográfico o “solar” se brindan acontinuación cuatro formassimplificadas para su obtención.

Cartografía del lugarEn general, todos los mapas

geográficos tienen indicado en laspropias láminas la orientacióngeográfica marcando mediante unsímbolo hacia donde apunta el

norte, el mismo es válido para laorientación de los paneles. Esimportante destacar que el métodono tiene una precisión absoluta yque los márgenes de errordependerán de la adecuada lecturade los gráficos y de las referenciasdel lugar que se puedan tomar, asípor ejemplo en una ciudad será masfácil reconocer “líneas” de referenciaque me permitan ubicar el norte, porejemplo la alineación de unafachada, o la alineación de una calle.

En internet existen tambiénprogramas disponibles quemuestran imágenes satelitales detodo el planeta y se indica laorientación correspondiente.

23

Manual


Método de la sombra máscorta

El método de la sombra máscorta consiste en clavar una varillade metal, madera, aluminio o elmaterial que sea, en forma verticalen el terreno, es muy importanteverificar la verticalidad de la varilla,si la misma estuviera inclinada noserá fiable la medición. Luego derealizada la operación es necesariomarcar en el suelo la sombraarrojada por el sol. La posición dela sombra más corta indicará en elsentido opuesto la orientación delnorte geográfico. Indudablemente elgrado de error de este métodopuede llegar a ser grande si no sehace con cuidado ya que basta unapequeña inclinación de la varillacomo para inducir a un error,además en el verano cuando el soldescribe un recorrido relativamentealto la sombra arrojada por la varillapuede llegar a ser muy corta lo que

dificultaría aún más la determinaciónde cuál es la sombra que efectiva-mente es más corta.

Sin embargo este métodopuede dar una idea muy cercana enla ubicación del norte geográficoaún sin contar con ningún tipo deinstrumental

Lectura con brújula ycorrección magnética

La orientación de un edificio ode un sistema de paneles colectoressolares se puede determinartambién por medio de una brújula.Debe recordarse que esteinstrumento señala la dirección delNorte magnético mientras que losdiagramas están referidos al nortegeográfico la diferencia entre ambasdirecciones, para nuestro país, espequeña pero no despreciable. Alos efectos de poder calcular dichacorrección se brinda la siguientetabla:

Debido a que estos valores sonvariables a lo largo de los años enla bibliografía del manual sepueden encontrar direcciones de

páginas web que permiten en formasencilla el cálculo adecuado dedicha corrección

Manual


Método de la hora legal-so-lar

El método de la hora legal-so-lar se utiliza para ubicar el nortegeográfico de un lugar comocomplemento del método ya vistocomo método de la varilla. La horalegal se establece de acuerdo a unaconvención internacional deacuerdo a la ubicación geográficadel lugar y tomando como referenciael meridiano de Greenwich. Nuestropaís se encuentra con respecto a lahora legal GMT -3 es decir, nuestrosrelojes marcan tres horas menosque el famoso Big Ben de la ciudad

de Londres. La hora localcorresponde en realidad con laubicación relativa del sol para unlugar determinado así todas lasubicaciones geográficas que seencuentren en el mismo meridianotendrán la misma hora local.

De esta manera el métodoconsiste en obtener la sombra deuna varilla vertical a la hora local 12,en ese momento la direcciónopuesta a la sombra de la varillaestará indicando el punto cardinalNorte. En el anexo uno de estemanual se explica la metodologíautilizada para el cálculo de la horasolar u hora legal.

1.2.5. Ángulos SolaresLos ángulos solares son

fundamentales para el cálculo de laestimación de la radiación solar quellega al plano del colector, ademásde permitir la evaluación previa deeventuales problemas de sombraque pueden ocurrir en la obra enestudio.

Esos ángulos son: ángulohorario, cenital, de altitud solar,ángulo azimutal del Sol y el ángulode incidencia de la radiación directa.

Ángulo horario ( ): corres-ponde al desplazamiento angulardel Sol en relación al meridiano lo-cal, como resultado de movimientode rotación de la Tierra, mostrado enla Figura 1.16. Ese desplazamientoes de 150/hora, pues la Tierracompleta 360° en 24 horas. Almediodía solar el ángulo horario esnulo, los signos positivo y negativose refieren a los períodos de la tardey de la mañana, respectivamente.

[la orientación del colector solar es siemprereferenciada al Norte Geográfico y no al NorteMagnético, indicado por las brújulas]

ω

25

Manual


Ángulo cenital ( z): es elángulo formado entre la vertical a unobservador local y el rayo de lacomponente directa de la radiación

Figura 1.16 - Angulo horario

El ángulo cenital varía entre 0º y 90º, en el Uruguay debido a nuestralatitud el ángulo cenital nunca llega a ser 0° o sea a estar en el cenit

Figura 1.17

solar, mostrado en la Figura 1.17.Cuando el Sol está en el meridianodel lugar , es decir, exactamentesobre el observador.

θ

Manual


Ángulo de altitud solar ( s):es el ángulo formado entre la hori-zontal y la dirección del Sol, es decir,el ángulo de altitud solarcorresponde al complemento delángulo cenital, como muestra laFigura 1.18.

Figura 1.18

Ángulo de incidencia de laradiación directa ( ): es el ánguloformado entre la normal a lasuperficie y la recta determinada por

la dirección de la radiación solardirecta, como muestra la figura 1.19.Su variación es: 0º = = 90º.

Figura 1.19

α

θθ

27

Manual


El ángulo de incidencia de laradiación directa sobre una superficie

con determinada orientación einclinación se calcula por la ecuación:

1.2.6. Proyección estereográfica derecorridos del Sol.

Las proyecciones estereo-gráficas son uno de los métodosgráficos utilizados para el estudiodel asoleamiento en edificios,mediante el uso de lasmismas se puedenrepresentar losrecorridos aparentes delsol y a partir de la lecturade las cartas solaresrealizadas con estemétodo se puedeobtener con muchafacilidad y un buen gradode precisión los ángulossolares que sonfundamentales en laorientación adecuada delos paneles colectores yde las instalaciones deaprovechamiento de laenergía solar. Utilizandolos mismos trazados esposible determinar lainfluencia de las obstrucciones quese pueden presentar, permitiendo

establecer qué días y qué horasreciben asoleamiento los colectores.Estos gráficos son además muyútiles cuando se necesita una

herramienta rápida de evaluaciónde asoleamiento en fachadas o en

Figura 1.20

Manual


techos inclinados transformándoseen una ayuda muy importante parael diseño e instalación de proyectosespeciales.

La utilización es muy sencillay consiste en ubicar en el gráfico laposición del sol en el gráfico, a estosefectos se grafican recorridos dealgunas fechas quecubren todo el año, 22 dedic, 21 de enero, 21 defebrero, 21 de marzo, 21de abril, 21 de mayo, 21de junio, y asísucesivamente. Luego deubicado el día se buscasobre esa curva laposición relativa del solbuscando la horacorrespondiente en laslíneas “perpendiculares”a los recorridos. Una vezubicado el punto quesimboliza la ubicaciónrelativa del sol conrespecto al observador selee la altura angular en los

círculos concéntricos y se une dichaubicación con el centro del gráfico(punto P) y se lee en forma gráfica elacimut de la posición del sol para lafecha determinada. En el ejemplo dela figura 1.21 el acimut y la altura delsol será de -30° y 25°respectivamente para el día 21 dejunio a las 10hs

Figura 1.21

29

Manual


1.2.7. Criterios de inclinación de lospaneles según cada proyecto.

Es evidente que la mejorinclinación para una batería decolectores solares sería aquella quepermitiera “llevar” esos mismoscolectores hacia donde está el Solen cada día del año. De esa forma,se compensarían la latitud local y ladeclinación solar.

Sin embargo, en las insta-laciones de calentamiento solar deagua sería muy complejo alterar lainclinación de una batería decolectores en el transcurso del año.Habría innumerables problemascon relación a las tuberías dealimentación y retorno de aguacaliente que conectan los colectoresal tanque térmico donde debeevitarse la formación de sifones, lainclusión de partes móviles en elsistema, que aumentarían los degastos con mantenimiento y lapropia ubicación arquitectónica delos colectores en los tejados yfachadas.

Por ello, se recomienda ladefinición de una inclinación fija( fija). En la mayoría de lasaplicaciones residenciales, ese

valor coincidirá con la propiainclinación del tejado.

Cuando exista la posibilidadde definición previa de esainclinación, como soporte alproyecto arquitectónico, elproyectista podrá utilizar diferentescriterios para la selección del mejorángulo de inclinación de loscolectores solares, que pueden ser:

Criterio 1 – Promedio anual:En este caso, la media aritméticacalculada a partir de lasinclinaciones óptimas en losrespectivos solsticios de verano einvierno, coincide con la propialatitud de la localidad de interés, esdecir:

Criterio 2 – Facilidad delInvierno: Este criterio muchas vecesse aplica debido a la mayordemanda de agua caliente en elperíodo de inverno. En este caso, serecomienda:

Donde es la latitud local.β ϕ

Manual


Criterio 3 – Períodoscríticos de insolación: Cuandosea necesario minimizar lacontribución del calentamientoauxiliar para mantener la fracciónsolar o incrementarla, debeinclinarse los colectores solares paramaximizar la captación de energíaen ese período.

Criterio 4 – Períodos depunta de demanda de aguacaliente: Como, por ejemplo, elagua caliente requerida porestablecimientos de hospedaje enperiodos de temporada alta

coincidentes con climas fríos ocálidos, el proyecto solar deberáconsiderar esa especificidad.

Más adelante en este manualse tratarán los conceptos teóricosque permiten calcular la energía so-lar incidente en determinada ciudady bajo las condiciones particularesde cada obra.

A continuación se presentanalgunas obras de calentamiento so-lar con comentarios generales sobrela calidad del posiciona-miento decolectores.

Obra 1 Instalación de los Colectoresen Plano Inclinado

Evaluaciones generales

La instalación de loscolectores solares en unplano inclinado permiteoptimizar el ángulo deinclinación y orientaciónpara cada ciudad.

En este caso, elarquitecto tiene queparticipar desde el primermomento de la decisiónpor la utilización decalentadores solares en laedificación.

Fuente GREEN

31

Manual


Obra 2 Instalación Solar Residencial Evaluaciones generales

En este caso,probablemente la decisiónpor utilizar calentadoressolares sea posterior alproyecto o construcción dela casa. Por ello, la insercióndel calentamiento solar enla vivienda presentó granimpacto visual, muchasveces indeseable parapropietarios y arquitectos.

Sin embargo, en el caso de la Obra 2, es necesario subrayar otro fac-tor: la gran proximidad entre los colectores a pesar de la gran área de tejadodisponible.

Fuente: Agencia Energía

Manual


33

Manual


Capítulo 2

COLECTORES SOLARES YLOS PRINCIPIOS DE LATRANSFERENCIA DE CALOR

Mecanismo de la transferencia de CalorPropiedades ópticasEl colector solar planoEficiencia. Balance térmicoColectores de tubo de vacío

Manual


35

Manual


Calor es la forma de energíaque fluye debido a una diferencia detemperatura desde un punto demayor a un punto de menortemperatura. El calor, o energía

2.1 MECANISMOS DE TRANSFERENCIADE CALOR

térmica, puede transmitirse de tresformas distintas. Estos tresmecanismos son la conducción, laconvección y la radiación.

La conducción es el meca-nismo por el cual el calor se transmitedentro de un medio sólido, dentro deun fluido en reposo o entre doscuerpos que están en contacto físico.

La rapidez con que el calor setransmite a través de un cuerpo esdirectamente proporcional a ladiferencia de temperatura y al áreade la superficie que atraviesa. Parael caso de conducción de calor enestado estacionario a través de unapared plana perpendicular a un ejex se tiene la siguiente expresión:

CONDUCCIÓN

dondeqx es la rapidez de

conducción de calor en el sentidodel eje x

kes la conductividad térmicadel material

A es el áreaT2 – T1 es la diferencia de

temperatura entre dos puntosseparados por una distancia L.

Manual


La convección es la forma depropagación de calor de un lugar aotro por el movimiento de unasustancia. Es un mecanismocaracterístico de transferencia entreun sólido y un fluido que está encontacto. Si el fluido es obligado amoverse pro un ventilador o unabomba el proceso se llama deconvección forzada. Pero si lasustancia se mueve a causa dediferencias de densidad, se hablade un fenómeno de convecciónnatural.

CONVECCIÓNLa rapidez de la transferencia

de calor por convección sigue lasiguiente ecuación:

donde:hc es el coeficiente de

transferencia de calor porconvección

A es el área normal a ladirección de transferencia de calor

Ts es la temperatura de lasuperficie

es la temperatura del fluido

Entre dos placas paralelas separadas por aire se produce una situacióncomo la que se muestra en la siguiente figura

37

Manual


RADIACIÓNEs el mecanismo de

transferencia de calor basado en laabsorción y emisión de ondaselectromagnéticas. Cuando estasinciden sobre un cuerpo que no estransparente a ellas, son absorbidasy su energía transformada en calor.Por otra parte, todo cuerpo cuyatemperatura es superior a 0 K (-273.15ºC) emite ondas electromag-néticas, perdiendo calor.

El flujo de energía (E) emitidapor este mecanismo depende de latemperatura del cuerpo y sigue laexpresión

donde:E es la cantidad de energía

emitida por unidad de tiempo ysuperficie

es la emisividad de lasuperficie

es la constante de StefanBoltzman

T es la temperatura absolutadel cuerpo

La radiación es el únicomecanismo de transferencia decalor que no requiere de un mediomaterial, ya que las ondaselectromagnéticas se propagan enel vacío. Es la forma por la cual laenergía térmica llega desde el Sol ala Tierra.

εεεεε

σσσσσ

Manual


Figura 2.3

En palabras, se tiene:

Así, se define la absortanciaespectral ( ) como la fracción de laenergía irradiada que es absorbidapor la superficie de interés para unadeterminada longitud de onda,expresada como:

La reflectancia espectral ( )es dada por la porción de energíairradiada que es reflejada por lasuperficie para una determinadalongitud de onda, es decir:

(2.2b)(2.2a)

2.2 PROPIEDADES ÓPTICASEl comportamiento térmico de

un colector solar está asociado a laspropiedades ópticas del vidrio y dela placa absorbedora a saber:transmitancia ( ), reflectancia ( ) yabsortancia ( ) que pueden definirsepara cada longitud de onda(espectral), para cada ángulo de

incidencia (direccional) o integradasa todas las (total) o todos losángulos (hemisférica).

La irradiación incidente sobreuna superficie puede absorberse,reflejarse y/o transmitirse, según lailustración de la Figura 2.3.

ατ ρ

αλ

ρλ

λ

39

Manual


Y, por fin, de modo análogo, latransmitancia espectral ( ) estádefinida como la porción de energíairradiada que es transmitida a travésde un medio semitransparente, enuna determinada longitud de onda,en la forma:

(2.2c)

Esas magnitudes puedenintegrarse para todas las longitudesde onda, obteniéndose así, laspropiedades totales y hemisféricascorrespondientes. Por simplicidadde nomenclatura, en estos casosserán omitidos los términos total yhemisférico, es decir:

La absortancia ( ) está definidacomo la fracción de irradiación totalabsorbida por una superficie, esdecir:

De modo análogo, se define lareflectancia ( ) y la transmitancia ( )en la forma:

(2.3a)

(2.3b)

(2.3c)

Nota: También es usual nombrara como absortividad, comoreflectividad y como transmisividad

Volviendo a la Figura 2.3, elbalance de energía para la radiaciónincidente sobre la superficie encuestión es dado por las siguientesexpresiones:

Para las propiedadesespectrales:

(2.4a)

Para las propiedades totales:

(2.4b)

λτ

α

τρ

ααααατττττ

ρρρρρ

Manual


2.3 EL COLECTOR SOLAR PLANO

El colector solar, que tiene porfunción la captación de la energíasolar, está considerado el “corazón”de los sistemas. El tipo mástradicional es el colector solar planocon cubierta transparente, cuyoesquema se muestra a continuación:

Figura 2.1 Imagen del colector plano desmontado

Básicamente, el colector solarplano está constituido por:

- Caja externa: generalmentefabricada en perfiles de aluminio,chapa plegada o material plásticoque sirve de soporte a todo elconjunto.

- Aislamiento térmico: mini-miza las pérdidas de calor alambiente. Está en contacto con lacaja externa, revistiéndola. Losmateriales aislantes más usados

son la lana de vidrio y la espuma depoliuretano.

- Parrilla de tubos: formada porun haz de tubos verticalesinterconectados a través de dostubos colectores. Normalmente sonhechos en cobre, debido a su altaconductividad térmica y resistenciaa la corrosión.

- Placa absorbedora (aletas):parte responsable de la absorción ytransferencia de energía solar haciael fluido de trabajo. Las aletasmetálicas, en aluminio o cobre, sonpintadas de negro mate o recibentratamiento especial para mejorar laabsorción de la energía solar.

- Cobertura transparente:generalmente de vidrio opolicarbonato, que permite el pasajede radiación solar y minimiza laspérdidas de calor por convección yradiación al ambiente.

- Junta: colocada entre la cajaexterna y la cobertura transparentepara evitar que ingrese agua delluvia al sistema o que escape airecaliente.

41

Manual


2.4 EFICIENCIA. BALANCE TÉRMICO

En un colector solar es de granimportancia maximizar la energíaincidente a transferirse al agua y

minimizar todas las pérdidastérmicas. La Figura 2.2 evidenciatales flujos de energía

Figura 2.2 – Diagrama esquemático de los flujos de energía en un colector solar.Fuente : Adaptado de ADEME

En otras palabras, se deseamaximizar la eficiencia térmica ( )de los colectores solares, que estádefinida como la razón entre la tasade transferencia de calor hacia elagua denominado calor útil, y la tasade energía solar incidente en el plandel colector, es decir:

(2.5)

Donde:G: irradiación solar global

instantánea incidente en el plano delcolector expresada en W/m2;

A ext: área externa del colector,en m2;

Q útil: Calor útil absorbido porel agua, en W.

Cuando el sistema está enrégimen

(2.6)

η

Manual


El calor absorbido es

(2.7)

dondeA: área de la placa colectora

(m2)G: radiación global incidente

en el plano del colector (W/ m2) c: transmitancia de la cobertura

transparente p: absortancia de la placa

colectora

El calor perdido es la suma delas pérdidas por la base, loslaterales y principalmente por laparte superior del colector. Así,

(2.8)

El calor perdido por la partesuperior lo hace por mecanismos deconvección y radiación. En cambiopor la base y las partes laterales elpaso limitante de la pérdida de calores la conducción a través de laaislación térmica.

Admitiendo que la fuerzamotriz responsable de las pérdidasde calor es la diferencia detemperatura entre la placa (Tp) y elambiente (Tamb) se puede escribir

(2.9)

siendo UL el coeficiente globalde pérdidas de calor, que incluye laspérdidas por la parte superior, basey laterales.

Sustituyendo las expresiones(2.7) y (2.9) en la (2.6) se obtiene lasiguiente expresión para el calor útil

(2.10)

Sustituyendo en (2.5) yreordenando términos se obtiene lasiguiente expresión para laeficiencia térmica del colector

(2.11)

Como la temperatura de laplaca es difícil de calcular o medir,se prefiere usar una expresión quetenga como variable la temperaturamedia (Tm) o de entrada (Ti) del fluidoque circula por el colector. Para lograruna ecuación de eficiencia más útil,es necesario incluir un Factor deRemoción (o de eficacia) FR. Estefactor sería igual a 1 si el transportede calor desde la placa al fluido notuviera ninguna resistencia y latemperatura de placa y fluido fueraniguales.

α

τ

43

Manual


La expresión de eficienciaqueda entonces de la siguienteforma

(2.12)

Manual


2.4.1 FACTORES QUE INCIDEN EN LAEFICIENCIA DE UN COLECTOR

LA CUBIERTA TRANSPA-RENTE

En la selección de cubiertastransparentes se tratan de buscar lasde mayor transmitancia, quecorresponden a las de menoresabsortancia y reflectancia para laslongitudes de onda de la radiaciónsolar.

LA PLACA ABSORBEDORA

El tratamiento de la superficiede la placa absorbedora tienemucha importancia en la reducciónde las pérdidas ópticas

Como el objetivo esincrementar la energía absorbidapor la placa en la banda solar, seemplean pinturas con altaabsortividad en esa región delespectro. Como se pretendetambién minimizar la energíaemitida por la misma placa, ahoraen la llamada banda de emisión,se deben buscar pinturas queemitan menos energía en ese rangode longitudes de onda ( > 3 m)

Efecto de la Emisividad. Su-perficies selectivas

La radiación espectral emitidapor una superficie real no obedecea la distribución espectral de uncuerpo negro. Así, la emisividadespectral de una superficie real ( )es definida como la razón entre supoder emisivo espectral y el poderemisivo de un cuerpo negro, ambosa la misma temperatura y longitudde onda, en la forma:

(2.13)

De modo similar la emisividadtotal hemisférica de la superficie real( ) puede definirse por la razón en-tre los poderes emisivosintegrados para todos laslongitudes de onda y direccionestomados a la misma temperatura, esdecir:

(2.14)

λ μ

ε

λ

45

Manual


Se puede considerar que laabsortividad y emisividad de unmaterial para determinada longitudde onda sean iguales (Ley deKirchhoff). Así, un material de altaabsortividad en determinadalongitud de onda, presentarátambién alta emisividad.

Pero para las longitudes deonda del espectro solar loimportante es el valor deabsortividad y para la banda deemisión es la emisividad. Unapintura negra común presenta elvalor de ambas propiedadeselevadas y constantes para todas laslongitudes de onda. Una pinturaselectiva, en cambio, tendráabsortividad y emisividad elevadapara longitudes de onda menores a3 m y bajas para mayores. Laselectividad de una pintura,recubrimiento o tratamiento químicose determina por la razón:

(2.15)

μ λ

Manual


Tipos de tubos de vacío

a) Simples (all glass).Formados por dos tubos de

vidrio concéntricos separados poruna cámara al vacío (presión delorden de 0,001 atmósferas). Sobre

la parte exterior del tubo interno sedeposita un recubrimiento selectivo.el agua está en contacto con la parteinterna del tubo interior.

47

Manual


b) De flujo directo por tubos de cobre.

Los tubos pueden disponersede forma concéntrica o en «U».

El líquido del circuito primariocircula por dentro de tubos de cobreen contacto con un absorbedoraislado del ambiente por un tubo alvacío.

Manual


c) Tubo con bulbo de cobre(heat pipe)

Están formados por un tubo decobre cerrado que contiene unlíquido y su vapor. Este tubo decobre se coloca dentro de un tubode vidrio con cámara de vacío.

Cuando recibe calor donde seencuentra el líquido, éste seevapora. El vapor alcanza la partesuperior en contacto con el líquidodel circuito primario (frío) y condensaentregando calor latente.

49

Manual


Manual


51

Manual


Capítulo 3

Características ConstructivasGeometría y Forma de operaciónBalance de Energía

TANQUES TERMICOS Y LOSPRINCIPIOS DE LATRANFERENCIA DE CALOR

Manual


53

Manual


INTRODUCCIÓN

En los Capítulos anterioresfueron estudiados los fenómenosrelativos a la radiación solar y loscolectores que componen elsubsistema CAPTACIÓN de unainstalación de calentamiento solar.

El presente capítulo trata delsubsistema ACUMULACIÓN, cuyoprincipal componente es el tanquetérmico, también conocido portanque acumulador.

Debido al carácter intrínseca-mente intermitente de la radiaciónsolar que intercala días y noches,períodos soleados y nublados, entoda instalación solar se debeprever una fuente complementariade energía, como electricidad y gas,que garantizará el calentamientoauxiliar en los períodos sin lainsolación mínima requerida o aúncuando ocurra un incremento even-tual del consumo de agua caliente.

3.1. Tanques TérmicosLa legionella es una bacteria

que prolifera en el agua caliente, sedebe evitar tener en el tanquetemperaturas de entre 20° y 50°

Los tanques térmicos deacumulación del agua caliente eninstalaciones de calentamiento so-lar son dimensionados paragarantizar la demanda diaria de

agua caliente del consumidor finala la temperatura requerida por laaplicación. De esa forma, como serávisto más adelante, el dimen-sionado de la instalación solarexigirá la definición de una relaciónentre volumen de agua almacenada,área de colectores y fuentecomplementaria de energía.

Manual


Estudios recientes realizadosen Inglaterra y disponibles en (http://www.bsee.co.uk/news/fullstory.php/aid/3618/Managing_the_risk_from_Leg ionna i res_d isease_ .h tml )establecen los cuidados básicos enel almacenamiento de agua(caliente y fría). Tales criterios, quetienen en vista evitar la proliferaciónde bacterias como la Legionella,son enumerados a continuación:

1 El volumen almacenado deagua caliente y fría debe reducirsea lo mínimo necesario. Los tanquesdeben cerrarse para prevenir laentrada de material orgánico.

2 Aislamiento de los compo-nentes para que las temperaturaspermanezcan fuera del rango crítico

de crecimiento de las bacterias, en-tre 20 y 50oC.

3 Para la Legionella, el rangoexcelente de crecimiento está entre35 y 46oC, siendo destruidainstantáneamente en temperaturasmayores que 70oC. Para valoresmayores que 55oC, esa bacteriasobrevive como máximo entre 5 y 6horas, según Jaye et al [2001] en unestudio nacional realizado en NuevaZelanda.

4 Empleo de materialesmetálicos e inorgánicos en lasconexiones y accesorios de lastuberías

5Limpieza regular de laspartes vulnerables del sistema

La legionella es una bacteria que prolifera en elagua caliente, se debe evitar tener en el tanquetemperaturas de entre 20° y 50°

55

Manual


3.1.2. Características Constructivas de losTanques Térmicos

Como se muestra en la Figura3.1, los tanques térmicos estánconstituidos por un cuerpo interno

aislado térmicamente, recubiertopor una protección externa contra laintemperie.

Figura 3.1 Tanque térmico y sus componentes principales

El cuerpo interno por estaren contacto directo con el agua,generalmente es fabricado conmateriales resistentes a la corrosión,como cobre, acero inoxidable yacero con tratamiento vitrificado oesmaltado. También estándisponibles en el mercado brasileñotanques hechos en fibra de vidrio ypolipropileno. En todos los casosdeberá tenerse en cuenta lasregulaciones nacionales en cuantoa los depósitos de agua sanitaria.

Además de ello, su cuerpointerno debe soportar las

variaciones de presión queocurran debido a las fluctuacionesen la red de abastecimiento. Cuantomayor sea la presión de trabajoprevista, mayor será el espesor dela pared del cuerpo interno.

La correcta aislación térmicade un tanque acumulador de aguacaliente es muy importante en eldesempeño del sistema, losrecorridos de cañerías a laintemperie sin la debida aislacióntérmica también producen pérdidasimportantes al sistema por ellodeben ser aisladas adecuadamente.Siempre que sea posible es

Manual


preferible que la red de aguacaliente además de aislada circulepor el interior de las construcciones.

La función del aislamientotérmico es minimizar latransferencia de calor del agua alambiente. De esta forma, de manerasemejante a la que ocurre en lasplacas colectoras, el aislamientodebe ofrecer alta resistencia al pasodel calor. Generalmente losmateriales más usados son elpoliuretano expandido, la lana devidrio y la lana de roca.

En este punto, se debedestacar que, cuanto menor es elvolumen de agua almacenada enel tanque menor será su constantede tiempo térmica. Tal fenómenocrea el siguiente criterio técnico:

Una relación mayor superficie-volumen (S/V) implica mayorespérdidas térmicas por unidad devolúmen a través de las paredes deltanque térmico, por lo tanto, debeaislarse mejor.

Por lo tanto los tanques conmenor volumen de agua deberáncontar con mayor espesor deaislante térmico en relación atanques de mayor porte.

El uso del poliuretano estalargamente difundido en los países

de la región en los que la fabricacióny comercialización de calentadoressolares de agua ha alcanzadoniveles relativamente importantes,como es el caso del Brasil, en dondeel espesor normalmente utilizado esde aproximadamente 50 mm paraun tanque de 100 litros y 20 mm para

La correcta aisla-ción térmica de untanque acumulador deagua caliente es muyimportante en el desem-peño del sistema, losrecorridos de cañerías ala intemperie sin ladebida aislación térmicatambién producen pér-didas importantes alsistema por ello debenser aisladas adecua-damente. Siempre quesea posible es preferibleque la red de aguacaliente además deaislada circule por el in-terior de las construc-ciones.

57

Manual


un tanque de 1000 litros. Elpoliuretano expandido confiere aúnmayor resistencia mecánica altanque justificando así su usointensivo.

El cuerpo externo tiene lafinalidad de proteger el aislante dedaños provenientes de laintemperie, transporte, instalación,etc. En los tanques con cuerpointerno metálico, esa protecciónnormalmente es hecha de chapasde aluminio, acero galvanizado oacero al carbono pintado.

En el sistema de calentamientoauxiliar eléctrico, una o másresistencias eléctricas blindadas soninsertadas en el interior del cuerpointerno del tanque. El accionamientode esas resistencias puedecontrolarse automáticamente pormedio de un termostato, omanualmente, por el propio usuario.En los sistemas en qué elcalentamiento auxiliar es externo alpropio sistema se usarán tanquesacumuladores sin resistencias.

Manual


3.1.3. Tipos de Tanques TérmicosLos tanques térmicos pueden clasificarse usualmente de dos maneras:

En cuanto a su posicionamiento físico los tanques son clasificadosen horizontal y vertical, como se muestra en la Figura 3.3.

Figura 3.3. Tanques Térmicos.

(b) verticales(a) horizontales

En cuanto a su funcionamiento pueden operar en desnivel o ennivel con tanque de agua fría, según se muestra en la Figura 3.4.

(a) desnivel (b) nivelFigura 3.4. Funcionamiento de tanques Térmicos.

59

Manual


3.2. Balance de Energía en el Tanque

Los tanques acumuladores deagua caliente que se utilizan en unsistema de paneles colectoressolares están calculados para utilizarun volumen de agua adecuado a lasnecesidades del lugar, sedimensionan de acuerdo a lafracción solar necesaria para elproyecto, cantidad de litros de aguacaliente demandada entre otros.

El calor que ingresa al tanqueproveniente del sistema colector,depende de la superficie derecolección solar de la adecuadaorientación de los captadores de lairradiación del lugar de latemperatura del aire, viento etc.

El balance energético en eltanque depende de la energía queentra al mismo procedente de loscolectores, de la energía que salehacia el consumo y de la energíaque se pierde del propio tanque. Espor eso que la aislación térmica deltanque resulta ser clave en laeficiencia del sistema ya que si eltanque no tiene aislamientosuficiente gran parte de energíacaptada por los colectores sedisipará sin ser sin llegar a serutilizada. A los efectos de lainstalación propiamente dicha esfundamental respetar los

lineamientos del proyecto solar yaque no es conveniente modificar elequilibrio entre demanda de aguacaliente, superficie de captación ytanque acumulador.

En el anexo 3 de este manualse brinda una metodología para elcálculo del balance térmico de untanque acumulador de aguacaliente.

Acortar los reco-rridos de las cañerías deagua caliente al máximocuando estos sean a laintemperie, revisar laaislación de las mismasy adecuar los diámetrosa un buen serviciosanitario pero con elmenor diámetro posiblepara mejorar el rendi-miento de todo elsistema.

Manual


3.2.1 Consideraciones sobre la tasa deentrada de energía en el tanque térmico

Como la energía transferida alinterior del tanque proviene de loscolectores solares, la condiciónideal sería aquella en que toda laenergía generada en los colectoresfuese integralmente transferida alinterior del tanque. Sin embargo, enprevisión de las pérdidas de caloren las tuberías existentes entre elcolector y el tanque, pérdidas quenecesitan ser minimizadas, serecomienda aislar esas tuberías.Los aislamientos de polietilenoexpandido con espesores igual omayores de 10mm son muyrecomendados. A su vez hay quecuidar que en el diseño hidráulicode la instalación se utilicen losmenores diámetros posibles en lared, a los efectos de reducir laspérdidas térmicas. Cuánto menorsea el volumen de agua calientedentro de las cañerías, menoresserán las pérdidas térmicas.

Otro factor relevante en elproceso de entrada de energía enel tanque es la estratificación de latemperatura del agua almacenada.La formación de capas (estratos) delagua dentro del tanque se debe a

la relación de la densidad del aguacon su temperatura. El agua máscaliente (menos densa) tiende aocupar la parte superior del tanquemientras la más fría (más densa)ocupará la parte inferior.

El desempeño del sistema decalentamiento solar depende de latemperatura del agua en la entradadel colector. Cuanto más baja es estatemperatura, mayor es eldesempeño final de la instalaciónsolar. De ese modo, la estratificacióndel tanque beneficia el desempeñotérmico del sistema decalentamiento solar.

61

Manual


Capítulo 4

Determinación del Perfil de ConsumoEvaluación del Volumen AlmacenadoDeterminación del Área Colectora.

MÉTODOS DEDIMENSIONAMIENTO

Manual


63

Manual


DIMENSIONADO DE INSTALACIONES DECALENTAMIENTO SOLAR DE AGUA

El dimensionado adecuado deun SCS (sistema de calentamientosolar) no es una tarea sencilla, exigeel conocimiento previo de loshábitos de consumo de aguacaliente por los usuarios finales,hacer un análisis sensato del tipo deedificación donde se instalarán loscolectores solares, disponibilidadde radiación solar en lascondiciones específicas de la obra,factores climáticos locales ydesempeño térmico de losproductos, entre otros.

Como en todo proyecto laetapa del relevamiento denecesidades es fundamental en eltrabajo y verificar que las mismas semantienen al momento de realizar lainstalación es responsabilidad dequién realiza la puesta en obra.

Este capítulo trata de laevaluación de la demanda de aguacaliente y de la energía requeridapara el dimensionado básico delsistema (volumen de aguaalmacenado y cantidad decolectores solares necesarios). Taldimensionado es muy importantepara definición del desempeño

térmico de largo plazo de lainstalación solar y el respectivoanálisis económico.

Para facilitar este estudio, sedetalla en la Figura 4.1, el paso apaso del dimensionado deinstalaciones de calentamiento so-lar.

La visita técnica, caracterizadacomo Paso 1 del Dimensionadoevidencia la necesidad deidentificarse con las expectativas delinteresado o usuario final en cuantoal nivel de comodidad y economíaesperado con el uso del SCS,precisado a través de cuestionarios,investigación de hábitos, etc. En esaoportunidad también se practicauna evaluación de los lugaresdisponibles en el sitio, para laubicación futura de los componentesde una instalación solar.

Manual


Como en todo proyecto la etapa del relevamientode necesidades es fundamental en el trabajo y verificarque las mismas se mantienen al momento de realizarla instalación es responsabilidad de quién realiza lapuesta en obra.

4.1. Demanda diaria de agua caliente

Para dimensionar la necesidadde agua caliente de los usuarioscaracterizada por el volumen diariode agua caliente y temperatura deoperación requerida es importante

tener conocimiento previo deestándares de consumo en funcióndel tipo de edificación, usos finalesy el sector económico de destino:residencial, industrial y de servicios

Figura 4.1 - etapas para la resolución adecuada de una instalación de calentamiento solar.

65

Manual


Dimensionado Detallado

El dimensionado de lademanda de agua caliente es hechoen base a informaciones generalesobtenidas a partir de:

Normas de Instalaciones;

Investigación de hábitos de losusuarios potenciales;

Observación, sensibilidad ybuen sentido;

Experiencia.

Fuente: Centro GREEN, PUCMG-Belo Horizonte, Brasil

Las Tablas 4.1, 4.2 y 4.3 ,informan sobre temperaturas deoperación, consumos específicos ycaudales de agua vinculados amáquinas o equipamiento deconsumo de agua caliente. Deningún modo se pretende sugerirque los valores correspondientes aesta información sean los quedeberían adoptarse para eldimensionado de todo sistema decalentamiento de agua con energíasolar, son valores de referencia yaque como en todo cálculo hay queponderar los hábitos de uso.

Tabla 4.1- Temperaturas de operación indicadas para diferentesaplicaciones

Manual


Otra referencia para eldimensionado del agua calientesanitaria(A.C.S.), puede ser lainformación correspondiente al cau-dal y capacidad de los equipos de

uso final en el sector residencial,además del tiempo y frecuencia desu utilización. La Tabla 4.3 presentavalores típicos para distintosprogramas.

En el cálculo de la cantidad de agua caliente sani-taria es fundamental tener en cuenta el sentido común, laexperiencia y los datos reales de consumos si los hubiera.

Tabla 4.2- Consumos específicos para diferentes aplicaciones

Fuente: Centro GREEN, PUCMG-Belo Horizonte Brasil

67

Manual


Tabla 4.3 .-Fuente manual IDAE 2002 (España)

Manual


Tabla 4.4 – Caudal de agua caliente de equipos de uso final

El dimensionado de lademanda de agua caliente enedificaciones residenciales colec-tivasdebe seguir las consi-deracioneshechas anteriormente, pero serecomienda que la inclusión de unfactor de simultaneidad (f) según el

Tabla 4.5 - Factor de simultaneidad para habitaciones colectivas

número de departamentos. Este fac-tor toma en consideración el hecho queno todos los departa-mentos esténocupados, además de la granflexibilidad con relación al número dehabitantes en cada departamento y alhábito de consumo de agua caliente.

Edificios residenciales

Fuente: Instituto Catalão de Energía

Vtotal = Vdpto x f (4.2)

DondeVtotal: Consumo diario total de

agua caliente (litros/día)Vdpto : Consumo diario de agua

caliente por departamento (litros/día)

69

Manual


4.2. Demanda de Agua Caliente en Mediosde Hospedaje

El dimensionado de lademanda diaria de agua caliente enmedios de hospedaje debeevaluarse de la misma forma que enel sector residencial. Los principalespuntos de utilización de aguacaliente en medios de hospedajeson las duchas, cocina y lavandería.

El perfil de demanda de aguacaliente varía según la comodidadofrecida al huésped lo que estádirectamente vinculado al númerode estrellas del medio dehospedaje. Además de esto, sedebe considerar una importantemagnitud que es el factor deocupación de los medios dehospedaje que ocasiona grandes

variaciones estacionales deocupación y consecuentemente deconsumo de agua caliente.

De esta forma se recomiendadimensionar un sistema decalentamiento solar para medios dehospedaje que atiendan elpromedio de consumo anual y no lademanda de pico que puede sermucho mayor que el consumomedio anual.

La Tabla 4.6 muestra algunosnúmeros que pueden tomarse comoreferencia presentándose elconsumo de agua calienteincluyéndose las necesidades debaño, cocina y lavandería.

Tabla 4.6 - Consumo de agua caliente evaluado en el sector hotelero

Fuente: ADEME – Agence de l’Environnement et de la Maîtrise de l’Energie,[2002]

Manual


4.3 Estudio de Casos: Comparación entrelas diferentes formas de dimensionado

Una familia compuesta por 2adultos y 2 adolescentes, vive en undepartamento en que el calefón serásustituido/complementado por elcalentador solar. Calcule lademanda diaria de agua caliente,considerándose un baño diario porpersona que vive en eldepartamento con duraciónaproximada de 10 minutos.

Solución:De acuerdo a la Tabla 4.3,

cada baño consume 72 litros por día(una ducha de diez minutos). Paralos 4 habitantes de esa vivienda, lademanda diaria de agua calientepara baño es de 288 litros. Estecriterio parte de la base que todoslos días hay 40 minutos de duchafuncionando y ningún uso en el restode las instalaciones, se podría tomarcomo criterio extremo.

De acuerdo a la Tabla 4.2, lademanda diaria es de 240 litros.Este valor es promedial y toma encuenta criterios de simultaneidad deuso, no necesariamente las 4duchas diarias serán de 10 minutos,puede pasar que algún día de lasemana algún integrante de la fa-milia utilice los servicios de un club

y por lo tanto no haga uso de sudotación de A.C.S. además en estaestimación e incluye uso de aguacaliente en la cocina.

En el cálculo que se realicetendrá que ponderarse el criterio deobservación, sensibilidad y buensentido que se explicaban alprincipio del capítulo y laexperiencia.

Además del volumen de aguacaliente consumido es importanteque se conozca el perfil de talconsumo. Por ejemplo, en losvestuarios de una determinada in-dustria, el consumo de agua calienteestará intrínsecamente asociado alhorario de cambio de turnos de susempleados. Si en esa industria, haycambio de turno a las 23:00h y alas 7:00h de la mañana, toda el aguausada en los baños deberá sergenerada el día anterior yalmacenado durante toda la noche.

En el sector residencial, loshorarios de baño son muy variablesdependiendo de los hábitospersonales y aún el día de lasemana.

71

Manual


EjemploA modo de ejemplo, se

presenta a continuación laestimación del consumo de aguacaliente para satisfacer elrequerimiento correspondiente auna familia de nivel socioeconómicoA en el que se han considerado losvalores recomendados en las Tablas4.2 y 4.3.

Destacamos que, las planillasautomatizadas para este cálculoforman parte de este texto y son

suministradas con él en forma dearchivos digitales bajo formato de lahoja de cálculo.

El relleno de las tablas acontinuación auxilia eldimensionado de una instalación decalentamiento solar.

Paso 2.1 – Según suexperiencia, estime el número depersonas que viven por residenciao edificación:

Obs. Para ejemplificar el relleno de las planillas siguientes fue elegidala familia del Estudio de Caso 4.1.

Paso 2.2 – A los efectos de uncálculo en el que sea difícil estimarcaudales de consumo certeros,frecuencias de uso y otrosparámetros que son imprescindiblesen el cálculo grifo a grifo se puedetomar el parámetro la tabla 4.4, queestablece:

Viviendas multifamiliares – 30lts/p/dia (fuente IDAE)

Tenemos 5 personas x 30 lts(ACS a 60°)= 150 lts

O se puede tomar el criterio dela tabla 4.1

Residencia/ Apto sistema indi-

vidual – 45 lts/p/dia (fuente GREEN)Tenemos 5 personas x 45 lts

(ACS a 60°) = 225 lts.

Paso 2.3 – Decisión deproyecto.

En esta etapa se puederealizar también un cálculodetallado de consumo conestimación de tiempos y frecuenciasde uso de los distintos aparatos opasar a la etapa siguiente. En estecaso tomaremos la opción de 225 ltspor tratarse de una vivienda de fajasocio-económica A.

Manual


4.4 Demanda diaria de energía

La energía necesaria paracalentar este volumen de agua al fi-nal del mes (Lmes), cualquiera que

sea la forma de calentamientoelegida es dada por la 1ª Ley de laTermodinámica en la forma:

(4.1)

Donde: :es la densidad del agua considerada igual a 1000kg/m3

Vmes:volumen de agua caliente requerido por mes, en litroscp:calor específico del agua a presión constante igual a 4,18 kJ/kg-CTbaño y Tamb : temperatura del agua caliente para baño y la temperaturaambiente, respectivamente.1000 y 3600: constantes de la ecuación 4.1 son utilizadas para conversiónde unidades.

4.5. Cálculo Simplificado del Área deColectores

El área total de colectoressolares necesaria para atender lademanda de energía estimada porla ecuación 4.1 es definida por lascondiciones climáticas deinstalación de los colectores en laobra, y seguro por las característicasoperativas y de proyecto del modeloseleccionado.

Para un pre-dimensionamiento

rápido, el número de colectores y,consecuentemente, el área colectoratotal, puede ser determinada a partirde la siguiente estimación 70 l/m2solo válida para colectores planos

El cálculo ajustado de lainstalación se explica en el siguientecapítulo, Método de la Planilla -F, oCarta –F ( F-Chart de Duffie yBeckmann)

ρ

73

Manual


Capítulo 5

Metodología de Cálculo Ábaco deDeterminación de la Fracción Solar

MÉTODO DE LA CARTA-F

Manual


75

Manual


Una pregunta muy frecuentehecha por las personas quepretenden sustituir el sistema decalentamiento eléctrico de agua porel sistema solar es: Por fin, ¿cuál seráel ahorro que tendré en mi cuentamensual de energía eléctrica?

El ahorro por lograr dependedel estándar de consumo de cadaresidencia: hábitos de las personasque viven, electrodomésticosusados, frecuencia de su utilizacióny tarifas aplicadas por el proveedorde energía eléctrica.

Por ejemplo, una residencia declase A donde se utilizacalentamiento eléctrico para aguacaliente en duchas de elevado cau-dal, en baños de larga duración, enbañeras de hidromasaje, en lacocina y lavandería la cuenta deenergía eléctrica al final del mes esmuy elevada. Sin embargo ese valortambién es proveniente del uso delaire acondicionado o calefacción entodos los dormitorios y salas, dehornos eléctricos y de microondas,de refrigeradores y congeladoresde diferentes capacidades, etc. eneste caso, aunque el consumo deagua caliente sea alto, el impacto enla cuenta mensual de energía

eléctrica proveniente delcalentamiento solar podrá serrelativamente menor al logrado enuna residencia de la clase D, quedispone sólo de una televisión yrefrigerador pequeño y laparticipación de la ducha en lacuenta de energía es mucho mássignificativa que en el primer caso.

De una forma general, sepuede afirmar que en la sustituciónde sistemas convencionales por losde calentamiento de agua porenergía solar, el ahorro logrado sehace cada vez más importante ydecisivo.

Para la evaluación del ahorrode energía eléctrica lograda con lautilización del calentamiento solar enlas condiciones específicas de cadaobra, se utiliza internacionalmente,el Método de la Carta F. Este métodoevalúa la contribución de la energíasolar en la demanda total de energíaeléctrica para calentamiento deagua, conocida como fracción solar.

9.1. El Método de la Carta – F

Este método fue desarrolladopor Beckmann y otros [1977] sobrela base de la compilación y

CARTA-F

Manual


consolidación de los resultados devarias simulaciones matemáticas yevaluaciones de condicionesoperativas reales de instalacionesde calentamiento solar. El métodopermite evaluar el desempeñotérmico de esas instalaciones amediano y largo plazo, a partir de lainformación obtenida en los temasanteriores, como:

a) Curva de eficienciatérmica instantánea

b) Factor de corrección delángulo de incidencia - Kta

c) Capacidad volumétrica deltanque térmico

La fracción solar fi para undeterminado mes del año esdefinida como la razón entre la

Beckmann y otros [1977]propusieron dos parámetrosadimensionales y empíricos X e Y, asaber:

Donde cada magnitud esdefinida en el cuadro que sigue acontinuación:

energía suministrada por el sistemade calentamiento solar (Qsolar) y lademanda mensual de energía (Li),y es calculada mediante la ecuación4.1, es decir:

(5.1)

(5.2)

(5.3)

77

Manual


Tabla 5.1 – definición de magnitudes para el método de la carta F.

** Duffie y Beckman [1991] recomiendan cuando esa información no estuviere disponible, adoptar elvalor de 0,96* FR (tcap)n, es decir, 96% del valor medido experimentalmente.

Manual


Evaluándose cuidadosamentelas ecuaciones 5.1 y 5.2, se constataque el parámetro X está relacionadoa las pérdidas térmicas del colectorsolar, mientras el parámetro Ydepende de la energía solarabsorbida por la placa. Por lo tanto,se concluye que en el dimensionadode una instalación de calentamientosolar se debe buscar valores de Xcada vez menores, mientras losvalores de Y siempre deben sermaximizados.

La determinación de lafracción solar F puede hacerse porel ábaco de la figura 5.1, presentadaa continuación, o de la siguienteecuación empírica, propuesta porKlein:

La adopción de este modelodebe considerar las condicionesanotadas a continuación, citadas porDuffie y Beckmann

0,6 < FR ( c p)n < 0,9

5 < FRAC < 120 m2

2,1 < UL < 8,3 W/m2°C

30 < < 90°

83 < (UA)h < 667 W/°C

Tabla 9.2 - Rango de Parámetros de Proyectos Usadosen el Desarrollo de la Carta - F

La ecuación 5.4 puede representarse gráficamente en la forma:

Fracción Solar

Figura 9.1 - Ábaco para Determinación de la Fracción Solar - F

ατ

β

79

Manual


Factor de Corrección Xc1

El Modelo de la Carta-F fuedesarrollado considerándose unarelación de 75 litros de agua calientealmacenada por m2 de áreacolectora. Sin embargo, paradeterminados proyectos ycondiciones operativas esta relaciónpuede variar. Así entonces

colectores más eficientes podrántener valores mas altos, proyectosque pretendan satisfacernecesidades de ACS solo eninvierno tendrán valores mas bajos.

Para estos casos, Duffie yBeckman [1991] propusieroncorregir el valor adimensional X,aplicando la siguiente ecuación:

Factor de Corrección Xc2

Las fórmulas vistasanteriormente son validas para unatemperatura de referencia de 100°.

Como las mismas la mayoría de lasveces son menores en los proyectosde ACS se hace necesario realizarla siguiente corrección al valoradimensional X.

En donde:Tred: temperatura en la cual el

agua es admitida de la red pública;Tf,min: temperatura mínima

deseable de agua caliente.

Así, la ecuación 5.4 deberecalcularse para incluir las doscorrecciones propuestas.

(5.5)

(5.6)

Manual


Fracción Solar Anual F

La fracción solar anual F estádefinida como la razón entre la sumade las contribuciones mensuales del

calentamiento solar y la demandaanual de energía que seríanecesaria para proveer el mismonivel de comodidad. Es dada por laecuación:

Planilla de Simulación – Carta F

Estudio caso 5.1:Aplicación del método de la CARTA-F, para el cálculo del aporte solar o

fracción solar.

81

Manual


El hotel del ejemplo estáubicado en Montevideo, y sesupone una orientación de panelesexactamente al norte por lo tanto enorientación de colector se indica 0°

En los datos de la instalaciónse observan celdas pintadas de azul

y otras de amarillo, los datos debeningresarse en las amarillas. Por lotanto para determinar el volumennecesario de ACS pasaremos a lapestaña “demanda de ACS” en laparte correspondiente a “hotel 3estrellas”

Allí ingresando dotación deagua (la planilla está precargada conlas recomendaciones de I D A E) lacantidad de camas y el porcentajede ocupación estimado se obtiene

el cálculo de ACS.

En la pestaña “datos radiación yclima” ingresamos los datos del lugar(precargado datos de clima de mvdo)

El paso siguiente será cargarla información relativa atemperaturas de funcionamiento yde cálculo del sistema. Para elloentraremos a la pestaña “Instalacióny cálculos” para ingresar la

temperatura de cálculo que se usaráen la fórmula de fracción solar y latemperatura de uso del ACS delsistema para cálculo de tanque dereserva de ACS.

Manual


Supongamos una temperaturade calculo y de baño iguales, lo queresta ahora es dimensionar cantidadde paneles características técnicas etc.

A estos efectos hay que teneren cuenta las condiciones de cálculode la validéz del modelo como lainclinación entre 30 y 60°, los valores

de los colectores relación entre supcaptadora/litros de agua entre otros.

Para el ejemplo se dimensionóel sistema con 56 colectores de 1.42m2cada uno y se obtiene una fracción so-lar media de 38.9, o sea el sistema so-lar producirá el 38.9% de la energíanecesaria para calentar agua

83

Manual


Capítulo 6

TermosifónPrincipios de FuncionamientoDesafíos y Soluciones de InstalaciónCirculación Forzada

INSTALACIONES DE PEQUEÑOPORTE

Manual


85

Manual


Se estima que, al menos, el90% de los sistemas decalentamiento solar instalados en losdiferentes países de la región, sonsistemas de circulación natural otermosifón, que ofrecen alconsumidor bajo costo, eficiencia yconfiabilidad. Como ya fue dichoanteriormente, con relación a lacirculación del agua, vale recordarque, dividimos los sistemas decalentamiento solar en doscategorías. En los sistemasforzados, una motobomba esresponsable de la circulación delagua, que sale del tanque dealmacenamiento (TA), pasa por loscolectores y vuelve al tanque. Y enlos sistemas por termosifón esacirculación ocurre de manera natu-ral.

Además de eso, un sistemaoperando con base en el principiodel termosifón puede ser del tipointegrado acoplado (o compacto) oconvencional.

En un sistema integrado el

6.1 CIRCULACIÓN NATURAL (TERMOSIFÓN)

INTRODUCCIÓN

tanque y el colector constituyen lamisma pieza, como se aprecia en lafigura 6.1, en la mayoría de las vecesellos son formados por tubospintados de negro y colocados enuna caja con aislamiento térmico yuna cubierta transparente. El mayorproblema de los sistemasintegrados es que buena parte dela energía captada durante el día esperdida en la noche. La figura 6.2presenta otros modelos de sistemasintegrados, incluso un modelo paracamping (derecha).

Figura 6.1 – SCAES del tipo integrado, el pequeñotanque en su cabecera mantiene el nivel y lo conectacon el suministro de la red.

Manual


(Fuente: laboratorio GREEN PUC Minas; Bello Horizonte-Brasil)

(Fuente: archivo técnico del CER-UNI; Lima-Perú)Figura 6.2 – Sistemas integrados de calentamiento solar.

Los sistemas integrados sufrenelevada pérdida de calor en lanoche, y por causa de ello fuedesarrollado el sistemaconvencional con la separación en-tre colectores y tanques. La Figura6.3 muestra un diseño retirado de laprimera patente norteamericana conesa configuración, de 1910, dondese puede observar distintamente eltanque de almacenamiento y elcolector.

Figura 6.3. Sistema “Night and Day” patentadoen 1910 por el norteamericano William Bailey. Esefue el primer sistema con la configuraciónconvencional de tanque y colectores separados.

87

Manual


Desde entonces, esa ha sido laconfiguración básica de los sistemasde calentamiento solar portermosifón. Una pequeña variaciónde esos sistemas dio origen a loque llamamos de sistemascompactos o acoplados. En esecaso, a pesar de existir la separación

física entre tanque y colectores, loscomponentes quedan muycercanos y muchas veces soncomercializados como un paqueteo “monobloque”. La figura 6.4muestra algunos ejemplos desistemas compactos.

Figura 6.4 – Sistemas de calentamiento solar compactos (o acoplados).

Manual


El presente capítulo no detallala instalación de sistemascompactos o acoplados, ya que elprocedimiento se trata de unasimplificación que será presentadacon los sistemas convencionales.

A pesar que las instalacionessolares de tamaño pequeño quefuncionan por termosifón sonrelativamente simples, existenalgunas complicaciones. Primero,difícilmente un equipo de ingenieríaestará involucrado en el proyecto yejecución de la instalación.Normalmente o un técnico (quepuede ser el propio instalador) o elvendedor será el responsable dellevantamiento de datos y definición

Debe tenerse mucho mas cuidado en la instalaciónde un kit solar que funcione por termosifón que con unoque funcione por bombas.

El sistema termosifón es prácticamente inmune a lasfallas de circulación, si está bien instalado.

de parámetros en relación a lainstalación, como dimensionado yposicionamiento de loscomponentes. Segundo, en elmomento de realizar la instalación,más cuidados deben observarse enel termosifón que en una instalacióncon bomba. Pero si fuese instaladode modo apropiado el sistematermosifón es prácticamente inmunea fallas de circulación.

Así, queda claro que, elentrenamiento y la capacitación deesos profesionales son muyimportantes para el éxito de lasinstalaciones en cuanto a laadquisición de un buen calentadorsolar.

89

Manual


6.1.1. Principios de Funcionamiento

A pesar de parecer comomágica la forma como el sistemanaturalmente promueve lacirculación del agua, el principio deltermosifón es muy simple. Todoempieza con el cambio de ladensidad del agua que ocurrecuando hay una variación en sutemperatura. Para temperaturasmayores que 4oC, a medida que latemperatura del agua sube, sudensidad disminuye, tal como semuestra en la figura 6.5.

Figura 6.5. Variación de la densidad del agua conrelación al aumento de la temperatura

Ello quiere decir que, amedida que el agua es calentada,ella queda más “ligera” con relaciónal agua más fría. Por ello, en un

tanque de almacenamiento, el aguacaliente siempre está en la partemás alta. En la verdad, el aguacaliente está flotando sobre el aguamás fría, como también un flotadorlleno de aire lo hace sobre el aguaporque el aire dentro de el es menosdenso que el agua.

Ahora vamos a imaginar unainstalación hidráulica como la de lafigura 6.6.

Figura 6.6 – Instalación hidráulica en “U” concolumnas a la misma temperatura.

La presión ejercida por lascolumnas de agua A y B, que estánparadas sobre el punto C se llamade presión estática. La fórmula parala presión estática manométrica1

dice que la presión ejercida es iguala la aceleración de la gravedadmultiplicada por la densidad del

1 La presión manométrica es la presión ejercida por la columna descontándose la presiónatmosférica. Si tomamos en cuenta la presión atmosférica, tenemos la llamada presión absoluta.

Manual


fluido (en el caso, agua) y por laaltura de la columna, es decir:

(6.1)

Donde:P: es la presión manométrica

estática en pascales : es la densidad del fluido en

kg/m3g: es la aceleración de la

gravedad (aproximadamente 9,8 m/s2)

h: es altura de la columna enmetros.

Si entonces consideramos laspresiones ejercidas por lascolumnas A y B, podemos ver queellas son iguales, pues lasdensidades son las mismas y laaltura h también es la misma. Enesas condiciones las dos columnassiguen en equilibrio y con la mismaaltura.

Vamos a imaginar ahora queempezamos a proveer energía parala columna A, como se muestra enla figura6.7

Figura 6.7 – Columna A recibiendo energía paracalentamiento.

El agua en el interior de la co-lumna A empezará a calentarse.Pero, como se puede notar en elgráfico de la Figura 6.6, si el aguaestá más caliente su densidaddisminuye. Al observar la ecuación6.1, se nota que al disminuir ladensidad del agua, se reduce lapresión que la columna ejerce. Elloquiere decir que la disminución dela densidad lleva a una reducción dela presión de la columna A. Como latemperatura de la columna B nocambió, surge una diferencia depresión.

La columna A ahora ejercemenor presión y así es empujadapor la columna B, hasta que unanueva situación de equilibrio seaestablecida (Figura 6.8).

ρ

91

Manual


Figura 6.8. Diferencia de altura en las columnasgenerada por el calentamiento de la columna A.

Si ahora incluimos un tanque yhacemos un circuito cerrado comoen la Figura 6.9, el efecto causará unflujo continuo del agua en el sentidodel tanque a la columna B y despuésa la columna A, donde el agua escalentada y empujada de vuelta altanque. Es exactamente así quefunciona un calentador solar portermosifón.

Figura 6.9. Circulación por termosifón en un circuitocerrado

El efecto termosifón en circuitoshidráulicos no es usado sólo porsistemas de calentamiento solar.Existen muchas otras aplicacionesen la ingeniería térmica que se valende esa diferencia de densidad paragenerar la circulación del fluido enel transporte de calor. Por ejemplo,los sistemas de enfriamiento dereactores nucleares utilizan esemismo fenómeno para evitar susobrecalentamiento. Otro ejemploocurre en los calentadores de aguapor leña, también llamados de“serpentina”. En ese caso, el aguacaliente dentro de la serpentina enel fogón a leña fluye a un tanque quequeda arriba del fogón.

Visto el principio básico defuncionamiento, se puede entoncesrealizar algunos cálculos básicospara mejor comprensión delfenómeno aplicado a los sistemasde calentamiento solar. Imagine quetenemos un sistema como el de laFigura 6.10.

Manual


Figura 6.10. Sistema de calentamiento solar operando en circuito por termosifón.

Imagine que toda el agua enel tanque y en la tubería del tramo 1está a 20oC y que el agua en el tramo2 y en los colectores está a 60oC.Podemos ver que aquí tenemos denuevo las columnas A y B. Usandola ecuación 6.1 y sabiendo que laaltura h es igual a 2,0 metros y laaceleración de la gravedad es igualaproxima-damente a 9,8 m/s2,podemos calcular la presión

manométrica ejercida por cada co-lumna en el punto más bajo delsistema (C). Falta saber la densidaddel agua a 20oC y a 60oC. Mirandoen el gráfico de la Figura 6.5podemos ver que las densidadesvalen aproxima-damente 998 y 983kg/m3, respectivamente, para elagua a 20oC y a 60oC.

Entonces tenemos:

COLUMNA A (agua caliente)

COLUMNA B (agua fría)

La diferencia de presión entonces es igual a19.561 - 19.267 = 294 Pa

93

Manual


Ello es el equivalente a cercade 30 mm(2)de columna de agua.Eso mismo, ¡milímetros! Es decir,una pequeña motobomba puedeproducir fácilmente 2 ó 3 metros decolumna de agua de presiónmanométrica, o cerca de 100 vecesel valor que encontramos. Se puede

2 1 mm H2O ( a 20o C) es igual a aproximadamente 9,78 pascales 1kg/cm2 es aproximadamente 10.33m.c.a..

concluir entonces que, la fuerzamotriz del termosifón es pequeña.Pequeña, pero suficiente parapromover una buena circulación enun sistema bien instalado. Para ello,basta respetar las limitaciones ydesafíos del termosifón.

Un instalador deseaincrementar la fuerza que la columnade agua fría ejerce en la circulaciónde un sistema termosifón. Para ello,el propone el aumento de la co-lumna de agua fría en 1,0 m.Llamaremos esa extensión de la

Estudio de Caso 6.1.

columna de h1. ¿Cuál es el efectodel aumento en la fuerza motriz deltermosifón?

Al principio, se fija un punto,aquí denominado “C” en la partemás baja del sistema.

La fuerza motriz de un termosifón proviene de ladiferencia de temperaturas, para mantener en el circuitouna temperatura adecuada de funcionamiento eficaz serecomienda utilizar para paneles de hasta 8m2 tubos de¾” de diámetro interior.

La presión ejercida por la columna de agua fría es:

La presión ejercida por la columna del lado del agua caliente es:

La diferencia de presión será:

Como se puede notar, esaalternativa no resulta en el aumento

de la fuerza motriz del termosifón.

Manual


6.1.2. Los tres desafíos del termosifón

a)Pérdida de Carga en el Sistema

Ya fue demostrado que lafuerza motriz del termosifón espequeña. Ello quiere decir que, sidesea un flujo de agua adecuadodurante un día normal y operacióndel sistema, no se puede usar tubosde diámetro muy pequeño, ni

tramos de tubería muy largos y/ocon exceso de curvas y conexiones.Normalmente se usan tubos de 22mm (3/4") en instalaciones de hasta8 m2 y 28 mm para instalacionesarriba de ello, hasta un límite de 12m2.

Esa regla se refiere a la tubería del sistema decalentamiento solar y no de la tubería de distribución

de agua caliente en la casa.

Más atención:

Arriba de 12 m2, la solución esdividir el sistema en dos ó mássistemas separados. Pero es claroque, si el sistema es muy grande,digamos con 400 m2, no se debeinstalar un gran número depequeños sistemas. Lo mejor en esecaso es hacer una única instalacióncon bomba.

No existe una fórmula mágicapara el dimensionado de la tuberíade un sistema termosifón, pues elsistema aún tendrá flujo de aguaaunque la pérdida de presión(pérdida de carga) en la tubería sea

alta. La diferencia es que eltermosifón pasa a operar atemperaturas cada vez más altaspara compensar la pérdida depresión. Ello porque la única formade que el sistema incremente sufuerza motriz es incrementando latemperatura del agua en el colector,lo que aumenta la diferencia dedensidad entre el agua fría y el aguacaliente, y por consecuencia, incre-menta la fuerza motriz. Pero laeficiencia de los colectores y de todoel sistema baja con el aumento dela temperatura. Un sistemaoperando normalmente trabaja conuna diferencia de temperatura decerca de 10 a 15oC entre la entrada

95

Manual


y salida de los colectores.Diferencias de temperaturas dehasta 20oC no presentan grandesproblemas en la eficiencia delsistema, pero arriba de ello yaempieza a existir considerableperjuicio. Si la diferencia detemperatura en la entrada y en lasalida del colector fuere 35oC ómayor, se puede concluir queexiste un problema de circulaciónen el sistema.

La diferencia detemperatura entre laentrada y salida delcolector es indicadordel funcionamientoadecuado, si la mismaes mayor a 35°podemos decir quehay un problema.Un síntoma de ese tipo de

problema es un sistema que, al fi-nal del día, sin que el agua haya sidousada durante el período, presentauna pequeña cantidad de agua muycaliente en el tope del TA mientrasel resto es agua fría. Ello quiere decirque en el sistema circula poca aguaa una temperatura muy alta. Y elloocurre por causa de uno o más delos siguientes motivos: el diámetrode la tubería es muy pequeño, haymuchas curvas en la interconexióncolectores / tanque dealmacenamiento, los tramos rectosson muy largos, hay algún bloqueoen la tubería.

Para evitar esos problemas, sedebe seguir algunas reglasprácticas en el dimensionado de lastuberías. Para ello se puede usar elconcepto de “longitud equivalentede tubería”. La idea es calcular lasconexiones como equivalentes detramos de tubos rectos. En el anexo

4 de este manual se presenta unatabla con las longitudesequivalentes para tuberías dediferentes diámetros (En eltermosifón normalmente se utilizantubos de 22mm y 28mm)

En la tabla, se puede observarque, un codo de 90o y 22 mm tieneuna longitud equivalente a 1,2metro, ello quiere decir que, esaconexión produce la misma pérdidade carga que un tramo recto con 1,2m de largo. Así, “se convierten” lasconexiones en tramos rectos.

Manual



Cálculo de longitud equivalente

En una instalación, se deseacalcular el longitud equivalente delas conexiones y la longitud equi-valente total. Las conexiones son las

Observándose la tabla 6.1, se puede calcular:

siguientes: 4 codos de 90o /22 mm,2 codos de 45o/22 mm, 2 válvulasesclusas abiertas/22 mm y 15 met-ros de tubos rectos/22 mm

Se concluye entonces que, lalongitud equivalente en tramos rec-tos de tubos de 22 mm de esainstalación sería 21,2 m.

Falta saber cual sería elmáximo recomendado en términosde longitud equivalente paradiferentes instalaciones. Las Tablas6.2 y 6.3 muestran esos valoresmáximos recomendados, según elvolumen por calentarse diariamentey también la altura entre el tope delos colectores y el fondo del tanque(que llamaremos de ahora enadelante sólo de distancia tope/fondo). Esas tablas fuerondesarrolladas basadas encolectores con inclinación de 18o y

datos para la ciudad de São Paulo(SP). Se adoptó un máximo generalde 25 metros de longitudequivalente, pues en sistemas contuberías muy largas la eficiencia seráperjudicada por causa de pérdidasde calor en la tubería, aunque hayaun buen flujo de agua. Por regla,debería haber una recomendacióndiferente para cada lugar, pues lacirculación promovida por eltermosifón depende de la cantidadde radiación solar disponible y otrascondiciones climáticas. Sin em-bargo, es fácil notar que ello no seríanada práctico. Es posible que unsistema atienda las necesidades deagua caliente, aunque esté instaladofuera de las recomendaciones

97

Manual


presentadas. La diferencia es que laeficiencia del sistema puedeterminar extremadamente

perjudicada, y lo que está siendohecho con 6 m2, por ejemplo, podríahacerse con sólo 4 m2.

Tabla 6.2. Largos Equivalentes Máximos para Instalaciones con Colectores de 2 m x 1 m.

Tabla 6.3. Largos Equivalentes Máximos para Instalaciones con Colectores de 1 m x 1 m.

Manual


- Las tablas anteriores fuerondesarrolladas para sistemas conaislamiento térmico mínimo de 10mm de polietileno expandido en latubería.

- Los largos no son largosreales y sí largos equivalentes.

- NR = no recomendado.

Por ejemplo, un sistema de 500litros con distancia tope / fondo de10 cm y operando con colectores 2x 1, debe tener un longitudequivalente máximo total de 13 met-ros en tubos 22mm. Una instalación,aún en condiciones favorables,tendría por lo menos, 2 codos de90o, dos codos de 45o y dosválvulas esfèricas abiertas. Sólo ahítendríamos un longitud equivalentede 3,9 m para 22 mm.

Nos queda entonces, un largomáximo de 9,1 metros para lostramos rectos. Seguramente esposible hacer esa instalación, a noser que la distancia entre loscolectores y el TA sea muy grande.

Y vale recordar también que, eluso de muchos codos para desviar depiezas del tejado o pilares, osimplemente porque el instalador haceun trabajo malhecho, rápidamente re-duce el largo de tramos rectos que“sobra”, pues cada codo de 90o usa1,2 m del total permitido.

Por último, es importanteobservar que podemos cambiartramos de 22 mm por 28 mm parareducir la pérdida de carga total.Para un mismo caudal, en régimenturbulento, un tubo de 28 mm llevaa una pérdida de carga cerca de 3,0veces menor que un tubo de 22 mm.Así, si los colectores no pudieranestar más cerca del TA, y si lalongitud equivalente total fuera muyalta, se puede usar ese artificio. Peroes necesario contar las conexionesde 28 mm apropiadamente, segúnla tabla 6.1. Tras sumar lasconexiones y tramos rectos de 28mm, se divide el valor final por 3,0para “convertir” el resultado a 22mm. Veamos un ejemplo.


Uso de tramos de 22 y 28 mm para reducción de pérdida de carga

Una instalación tiene 16 met-ros de tramos rectos, 4 codos de 90o,4 codos de 45o y dos válvulasesféricas. Y todas las piezas tienen22 mm. Con miedo de que lapérdida de carga total sea excesiva,

el proyectista decide cambiar latubería de alimentación entre el TAy las placas por tubos y conexionesde 28 mm. ¿Cuál sería el longitudequivalente final en tubos de 22 mmconsiderándose que el tramo de

99

Manual


alimentación tiene 9 m de tubos rec-tos, 2 codos de 90o, 2 codos de 45o

y una válvula?

Primero, se calcula el longitudequivalente antes del cambio atubos de 28 mm.

Si se utilizaran solamentepiezas de 22 mm, se tendría unalongitud equivalente de tubos rectosde 22 mm igual a 23,2 m.

A continuación, se calcula lalongitud equivalente del tramo dealimentación que queremosconvertir a 28 mm.

La longitud equivalente en 28mm de esa parte sería entonces de

13,7 m. Y para convertir ese valor a22 mm, tenemos:

m de longitud equivalente de 22 mm.

Ahora, se suma lo que sobróde piezas de 22 mm, es decir, el re-torno de los colectores al TA.

Manual


El total del tramo en 22 mmahora es de 10,6 m. Sumando esenúmero a los tramos de 28 mm (yaconvertidos en equivalentes de 22mm), se tiene un total general de10,6 + 4,6 = 15,2 m. Ese valor esbien menor que los 23,2 m que sólolos tubos y conexiones de 22 mmfuesen utilizados.

Pero atención: la técnica deusar tramos de 28 mm en el lugarde tubos de 22 mm es válidasiempre y cuando se observen dosrequisitos importantes:

- lo ideal es realizar el cambiodando preferencia a la tubería dealimentación de los colectores,donde el agua está más fría. Elloporque los tubos de 28 mm pierdenmás calor que los tubos de 22 mm;

- en la tubería de 28 mm elaislamiento térmico, que ya es muyimportante en la tubería de 22 mm,es aún más importante. Si lainstalación quedara sin elaislamiento, es probable que los

beneficios sean “anulados”, debidoa la pérdida de calor en la tubería

b. Sifones y Acumulación deAire en la Tubería

Además de no poder tener unalongitud equivalente muy alta, eltermosifón tampoco puede tenerpuntos donde aire y/o vapor deagua puedan quedar atrapados,pues el sistema no tiene fuerza paraempujar burbujas, que puedencrecer a punto de interrumpir lacirculación dentro de los tubos. Esoexplica por qué algunas veces lainstalación funciona por algunosdías y después se para. En esoscasos, lo más común es llamar alinstalador para que realice elmantenimiento. Él llega, retira el airedel sistema y por algunos días todofunciona perfectamente, ¡Hasta quela instalación vuelva a “trabarse”!Ello ocurre porque la burbuja seforma lentamente, hasta crecer losuficiente para interrumpircompletamente el flujo. La únicasolución en ese caso es eliminar el

101

Manual


punto de acumulación de burbujas,que muchas veces no es tan visible

como en la figura 6.11.

Aunque no haya entrada deaire directamente en el sistema,siempre habrá acumulación en esospuntos, pues la propia aguapresenta un poco de aire disuelto.Es decir, la propia agua “trae” aire aesos puntos de sifón. Teóricamente,si existe una respiración oeliminador de aire en ese punto, lainstalación puede operar sinproblemas, incluso con el punto desifón, porque el aire no quedaríaretenido. Muchas veces el instaladorno percibe que existe un sifón y lomejor es verificar siempre los tramos

de la instalación con un pequeñonivel

No siempre un sifón en lostubos detiene la circulación. Si el airetiene cómo salir (¡siempre haciaarriba!), no habrá acumulación. Lafigura 6.12 muestra un sistema conun sifón en la alimentación. Allí nohay ningún problema de circulación,porque cualquier burbuja de aireregresaría al TA o subiría por loscolectores para, una vez más, llegaral TA, de donde ese aire saldría através de la respiración.

Punto de acumulación deburbujas

Figura 6.11. Ejemplo de sifón que causa la interrupción del flujo en sistemas termosifón.

Figura 6.12. Ejemplo de sifón que no causaacumulación de burbujas

Manual


c. Distancia Tope/Fondo (Tp)

Fueron vistos dos de los másimportantes cuidados en lainstalación por termosifón. Ahora hayque analizar una instalación típica,

Figura 6.13. Instalación por termosifón con medidas principales

con algunas de sus dimensionescaracterísticas. Es común que lasrecomendaciones básicas en lasinstalaciones por termosifón sean enrelación a esas medidas.

La primera medida es la alturaentre el tanque y el reservatoriotérmico. Esa distancia determina lapresión de trabajo del TA y de loscolectores. Al aumentar esa altura, seaumenta la presión en loscolectores. Sin embargo, en relacióna la circulación del termosifón, nadacambia, pues la presión se aplicaráen las dos columnas (figura 6.9) y elefecto se anularía. Por lo tanto, esaaltura tiene importancia solamenteen la definición de la presión detrabajo del tanque y en la formacomo realizaremos la conexiónhidráulica caja de agua-TA. ¡En

términos de termosifón, nadacambia!

Mientras la distancia entre eltanque de agua y el TA no afecta elrendimiento del termosifón, ladistancia tope/fondo (TP) es muyimportante. Esa distancia ayuda enla circulación del sistema, pues,cuanto mayor es su largo, mayorserá el largo de las columnas deagua caliente y agua fría. Cuantomayor son las columnas, mayor esla fuerza generada en la circulacióndel termosifón. Por ello, es posibleobservar en la tabla 6.2 que cuanto

CAJA DEAGUA

TANQUEACUMULADOR

COLECTOR

H1> 0,15 m.0,2 < H2 <4,0 m.H2 > 0,1m. x D1

__ _

103

Manual


mayor es esa distancia, mayor seráel longitud equivalente máxima detubería permitida.

Sin embargo, está claro quecuanto mayor es esa distancia,mayor será también la pérdida decalor, pues más largo será el caminodel agua. Además, la instalaciónserá más cara, simplemente porquese utilizarán más tubos.

La distancia TP no ayudasolamente la circulación del agua,sino también tiene un papel crucialen el combate a lo que se llamacirculación inversa, que es lacirculación de agua por loscolectores en el período nocturno yque provoca el enfriamiento delagua. Es resultado del mismofenómeno que promueve lacirculación durante el día. Por lanoche, los colectores se enfrían y,como consecuencia, se enfría elagua en su interior. El agua más fría

causa un diferencial de presión enel sentido inverso, provocando unacirculación en sentido contrario,resultando en el enfriamiento delagua que estaba en el tanque. En lamayoría de los casos, ese efecto esmuy pequeño justamente porque lasinstalaciones preservan la distanciaTP con valores correctos.

Un investigador australiano,Graham Morrison3, realizó estudiospara analizar el efecto de la distanciaTP en el volumen de aguarecirculado en un sistema conconsumo diario de 200 litros.Observó que, si la distancia TP fueranula, el agua se enfriaría en una tasade aproximadamente 1 litro por hora- que causaría pérdidas de un 8%de la energía recolectada en untanque de 200 litros durante unanoche. Con una distancia tope/fondoigual a 10 cm, el flujo reverso sereducía a la mitad. Con 20 cm dedistancia, el flujo se reducía a

3Morrison, G.L., Reverse circulation in termosyphon solar water heaters, Solar Energy, vol. 36, num. 4,pg. 377-379, 1986.

Muchas veces, la primera idea en la cabeza de las per-sonas sobre cómo combatir la circulación inversa es colocaruna válvula de retención en la tubería, impidiendo el flujoreverso. Es necesario recordar que el termosifón es unfenómeno débil y que la presión generada durante el día nosería suficiente para abrir una válvula de retención común. Esdecir, el sistema simplemente no funcionaría.

Manual


solamente 0,3 litro por hora. Es decir,la altura correcta entre el tope de loscolectores y el fondo del tanque nosolamente garantiza una buenacirculación durante el día, sinotambién bloquea la circulaciónreversa durante la noche. Lo ideal esmantener esa altura entre 25 y 30 cm.

Existe una prueba sencillapara verificar si una instalaciónpresenta circulación reversa enexceso. Basta acompañar latemperatura del agua en la tuberíade retorno de los colectores al TAdespués de la puesta del sol. Si elagua estuviera caliente y no hubieramás sol, es posible concluir que elagua caliente presente en ese tramoes, en realidad, agua que estáregresando del TA en dirección a loscolectores, donde se enfriará. Lasolución para el problema esaumentar la altura tope/fondo.

Una instalaciónque funciona portermosifón NO DEBEtener válvulas deretención.

Por último, es necesariodestacar que el aislamiento de lastuberías no sólo evita las pérdidasde calor sino también ayuda en lacirculación del termosifón. Sin elaislamiento, en la medida en que sepierde el calor en la tubería de re-torno de los colectores al TA, el aguaqueda más densa (más «pesada»)y disminuye la diferencia de presiónentre la columna fría y la columnacaliente, que perjudica la circulación.

105

Manual


Figura 6.14. Dimensiones en una instalación convencional por termosifón típica (vista lateral).

6.1.3. Soluciones en las Instalaciones entermosifón

El termosifón es un sistemaextremamente confiable si se siguenlas recomendaciones básicaspresentadas anteriormente. Larealidad es que no es muy fácilencontrar un techo con alturasuficiente para abrigar colectores,acumulador y tanque de agua.

Por ejemplo, puede evaluarseel caso de una instalaciónconvencional (figura 6.14). Si elcolector tiene 2 m de largo y está

instalado sobre un techo con un 30%de declive (o aproximadamente 17o

de inclinación), la proyección verti-cal de ese colector seráaproximadamente 60 cm. Si ladistancia tope/fondo es 20 cm, TAtiene un diámetro de 60 cm, eldesnivel entre el fondo de la caja yel tope del tanque es 20cm y la alturadel tanque de agua es 50 cm, laaltura total será 60+20+60+20+50= 210 cm (2,1 metros).

CAJA DEAGUA

TANQUEACUMULADOR

COLECTOR

50 cm.

20 cm.

60 cm.

20 cm.

60 cm.

Manual


Figura 6.15 – Instalación con mini-colectores (izquierda) y con colectores invertidos (derecha). (Fuentes:laboratorio GREEN PUC Minas, Bello Horizonte.Brasil).

En la práctica, pocos son lostechos que presentan dimensionessuficientes para una instalacióncomo esa, pero existen algunasalternativas para esquivar elproblema.

Uso de mini-colectores ocolectores invertidos:

La primera alternativa para lareducción de la altura total delsistema es reducir el largo delcolector. Existen colectores menores,llamados mini-colectores que,generalmente, presentanaproximadamente 1,0 m de largopor 1,0 m de ancho. En el ejemploanterior, la sustitución por mini-colectores ofrecería una reducciónde 30 cm en la altura total necesaria.

Los colectores invertidosparten del mismo principio, peropresentan un ancho superior al del

mini-colector. Cabe recordar que elcolector invertido no es solamente uncolector “acostado”, pues suserpentina tiene que adaptarse paraquedar en la dirección correcta delflujo de agua, con los pequeñostubos de ascensión siempre haciaarriba. Existe un detalle más: esasolución presenta losinconvenientes de aumentar ladistancia recorrida por la tubería enla instalación y reducir la fuerzamotriz del termosifón. Por ejemplo,para 8 m2 de colectores de 2 x 1m,el ancho de la batería sería 4 m. Concolectores de 1 x 2 m, el ancho totalsube a 8 metros. En el caso deinstalaciones mayores, como las de1.000 litros, la aplicación de esaalternativa se torna bastante difícil,pues casi siempre el largo total dela tubería de interconexión de loscolectores sobrepasará los valoresmáximos recomendados.

107

Manual


Figura 6.16 – Instalación de mini colectores en larga batería (Fuentes: acervo Soletrol)

Uso de torres:

Las torres son solucionesarquitectónicas para la “falta dealtura” del techo. Esa opción essencilla y relativamente barata, peropresenta un mayor impacto entérminos de estética de laconstrucción. Por otro lado, muchasveces la torre ya está prevista en elproyecto arquitectónico o existe eldeseo de los propietarios enconstruirla para aumentar la presiónde trabajo de la red hidráulica de laresidencia.

La torre puede ser construidapara recibir solamente la caja deagua o puede abrigar también eltanque de almacenamiento. Cuandosea técnicamente posible, lo mejores utilizarla solamente para la cajade agua pues, de esa forma, setiene libertad para instalar el tanquede almacenamiento más próximo alos colectores y la torre puede sermás baja.

El punto negativo de esasolución es el potencial paraformación de sombra sobre loscolectores y, por ese motivo, laposición de la torre en relación a loscolectores debe ser bien evaluadaantes de su construcción.

Manual


Figura 6.17 - Instalaciones con torre. (Fotos: laboratorio GREEN PUC Minas, Bello Horizonte.Brasil)

Uso de tanques en nivel o híbridos:

Otra solución para reducir laaltura total del termosifón es lautilización de un tanque dealmacenamiento en nivel. En ese

caso, en vez que la caja de aguaesté sobre el TA, los doscomponentes pueden instalarse enel mismo nivel.

Figura 6.18 – Tanque de agua y TA. Instalación convencional

TANQUEACUMULADOR

TANQUEDE AGUA

50 cm.

20 cm.

60 cm.

109

Manual


Figura 6.19 – Tanque de agua y TA. Instalación en nivel

Sin embargo el inconvenientees que existe la posibilidad de malfuncionamiento en regiones dondeocurre falta de suministro de aguadurante el día. En ese caso, si hayconsumo de agua caliente duranteel día, no habrá reposición y el niveldel agua en el TA bajará. A partir del

momento en que el nivel de aguabaja a un punto inferior al de retornode agua caliente proveniente de loscolectores, el agua para de circularen el sistema. Además, lainstalación hidráulica entre el TA y lacaja de agua exige algunoscuidados adicionales.

En este modelo de instalación,la fuerza motriz del sistema serealiza a través de la acción de unamotobomba y se recomienda su

6.2. Circulación Forzadautilización en sistemas de medianoy gran porte o cuando no secumplen los parámetros parainstalación del termosifón.

El sistema de calentamientosolar por circulación forzada sedistingue del sistema termosifón,pues además de los colectores,tanques y tuberías de interconexión,presenta también una motobomba,un controlador diferencial de

6.2.1. Principios de Funcionamientotemperatura o sistema de comandosimilar y un tablero de comando.

Por no necesitar respetar lasalturas tope/fondo y demásparticularidades de una instalaciónen termosifón, el sistema por

TANQUEACUMULADORTANQUE DE

AGUA

60 CM.

Manual


circulación forzada funcionabásicamente por la acción de dosequipos: motobomba y controladordiferencial de temperatura.

La motobomba estádimensionada para ofrecerle alfluido una energía capaz de vencerlas pérdidas de carga impuestas portuberías, conexiones y demásaccesorios existentes entre tanque ycolector. El controlador diferencial de

temperatura tiene como funcióncomandar la motobombapermitiendo su accionamientocuando la diferencia de temperaturaregistrada entre el sensor 1 ubicadoen el colector y el sensor 2 ubicadoen el tanque es superior a 5°C y ladesactiva cuando ese diferencial es2°C. Cabe destacar que tales valoresson solamente para orientación ydeben definirse según laconfiguración del sistema.

Figura 6.20.- Instalación típica de un sistema en circulación forzada

Como ha sido dicho antes,veremos este tipo de instalacióncon más detalles en los próximos

capítulos, que tratarán exclu-sivamente de sistemas concirculación forzada.

TANQUEACUMULADOR

TANQUEDE AGUA

SIFON

SALIDA PARACONSUMO

SENSOR 2

BOMBAHIDRAULICA

SENSOR 1

CUADRO DECOMANDO

111

Manual


Capítulo 7

Circulación Forzada Etapas del ProyectoEjecutivo.Asociación entre Colectores y TanquesEquilibrio Hidráulico

INSTALACIONES DEMEDIANO Y GRAN PORTE

Manual


113

Manual


INTRODUCCIÓNEl calentamiento solar, además

de ofrecer diversos beneficiossociales y ambientales, representaun factor económico significativo.Para que el calentamiento solarconquiste credibilidad es necesarioque los fabricantes busquenincesantemente la calidad y losavances tecnológicos, que lasempresas del sector trabajenorganizadamente y que existan, sedifundan y se apliquen normastécnicas y reglamentacionesmunicipales y nacionales. En nuestraregión, la experiencia brasileñaresulta muy valiosa porque hapermitido ganar la confianza en elsegmento de mediano y gran porte,donde cada vez más los hoteles,moteles, industrias, hospitales,escuelas, edificios residenciales,clubes y gimnasios usan elcalentamiento solar como una buenasolución para el agua caliente parabaño

De acuerdo con lo presentadoen los capítulos anteriores, la

utilización de materias primas decalidad, como cobre, aceroinoxidables, aluminio y polímerosespeciales, puede ofrecer una vidaútil prolongada a los equipos, sinembargo, no es suficiente paragarantizar el funcionamiento de unsistema de calentamiento solar. Paraello, deben observarse factores deigual importancia, tales comoproyecto, instalación y mante-nimiento, para lograr el ahorro deenergía y financiero deseados.

Un sistema de calentamientosolar de mediano porte (SCS – MP)y gran porte (SCS – GP) puedencaracterizarse como instalacionescon grado significativo de exigenciatécnica por agregar innumerablesvariables, que no se restringensolamente a la correcta instalaciónde colectores solares y tanquestérmicos.

En este capítulo se tratarán lostemas referentes a la etapa inicial de

Un proyecto de calentamiento solar se debería caracterizarcomo una obra de ingeniería, por lo tanto, debería registrarse en losColegios profesionales o institución ad hoc del país del que se trate,y elaborado por un profesional técnicamente capacitado y habilitado.

Manual


implantación de un sistema decalentamiento solar, correspon-diente a las etapas de proyecto,

planificación e infraestructura deinstalaciones de mediano y granporte.

115

Manual


7.1. Diagrama de implantación de unSCS-MP/GP

El diagrama presentado acontinuación muestra, paso a paso,las etapas de un proyecto deimplantación de un SCS-MP/GP. Las

etapas de planificación y proyectoejecutivo, que se destacarán en estecapítulo están entre las etapas 1 y 4y se detallarán a continuación.

Manual


7.2. Proyecto EjecutivoProyectar un sistema de

calentamiento solar, como el propionombre lo dice, significa reproducirel sistema que será instalado,determinando sus necesidades yparticularidades, de la misma formaque ocurre cuando se pretendeconstruir un edificio o una casa. Unproyecto ejecutivo de calentamientosolar debe respetar las normastécnicas aplicables, contener laespecificación de todos los equiposy accesorios hidráulicos necesarios,además de las informaciones parala perfecta comprensión delinstalador hidráulico.

La elaboración de un proyectoejecutivo de calentamiento solarpuede dividirse en las siguientesetapas:

- Tanque de almacenamiento:proyecto detallado y asociaciónhidráulica;

- Colectores solares: definicióndel modelo y forma de integración ala obra;

- Hidráulica: dimensionado detuberías, conexiones, bombas ydemás accesorios;

Comando y control: definicióndel sistema de comando, carga ymonitoreo de la instalación;

7.2.1. Tanque de almacenamiento

Instalaciones de mediano ygran porte demandan elalmacenamiento de grandesvolúmenes de agua caliente, quenormalmente no ocurre en un solo

tanque de almacenamiento. De esaforma, existen básicamente dosformas de asociar tanques térmicosen una instalación. Ellas son:

Interconexión Hidráulica - Tanques Térmicos

117

Manual


a. Asociación en Paralelo

Ese tipo de asociación serecomienda para la interconexión deun número pequeño de tanques,

pues grandes asociaciones enparalelo pueden tornarse inviablestécnica y económicamente, como semuestra a continuación.

Figura 7.2. Asociación en paralelo de dos tanquestérmicos

Figura 7.3. Asociación en paralelo de tres tanquestérmicos

Para la asociación presentadaen la Figura 7.2:

Por tratarse de una asociaciónen paralelo, las temperaturas T1 yT2 deben ser iguales.

Para que ocurra eso, los tramosde tubería para interconexiónhidráulica entre los tanques térmicosdeben obedecer a los siguientesparámetros: a1 = a2; b1 = b2; c1 = c2 yd1 = d2. Esa igualdad entre lostramos de tubería garantizará unaecualización del flujo de entrada ysalida de agua de los tanques

térmicos y, consecuentemente, elequilibrio hidráulico entre ellos.

Para la asociación presentadaen la Figura 7.3:

De la misma forma que en elcaso anterior, las temperaturas T1, T2y T3 deben ser equivalentes, asícomo las distancias entre los tramosde tubería deben permaneceridénticas para que garantizar elequilibrio hidráulico entre lostanques.

salida para consumo / alimentación a los colectores

entrada de agua fría / retorno de los colectores

salida para consumo / alimentación a los colectores

entrada de agua fría / retorno de los colectores

Manual


Como pude observarse, elnúmero de conexiones hidráulicas,tuberías y la dificultad de montajeaumentan en la medida queaumenta el número de tanquesasociados. Por ello, interconexionesen paralelo se utilizan solamente encasos muy específicos.

b. Asociación en Serie

Ese tipo de asociación es lamás utilizada en la interconexión detanques medianos y grandes porfavorecer la estratificación térmicadel agua y por la facilidad deinstalación. Sin embargo, para elcorrecto funcionamiento de unainstalación con tal configuración,deben tomarse algunos cuidados:

Figura 7.4. Asociación en serie de dos tanques térmicos

Los diámetros de las tuberíasde ingreso y de salida de agua enambos tanques debendimensionarse de forma queatiendan el “consumo máximo” dela instalación.

La salida de agua a loscolectores deberá realizarse deltanque 1 (tanque más frío) y el re-torno en el tanque 2 (tanque máscaliente).

Asociación entre tanques ysistema de apoyo

Es muy común la asociaciónentre tanques térmicos y sistemas deapoyo como calderas, generadoras

de agua caliente o calentadores depaso en instalaciones solares degran porte. Las dos formas másutilizadas para interconexión entrelos equipos se presentan acontinuación.

a. Circulación forzada conretorno al tanque

Ese tipo de asociación es másutilizado en sistemas en los cualeslas resistencias eléctricas del tanquese sustituyen por calentadores depaso. En ese caso, el termostato,ubicado en el tanque dealmacenamiento comandará elfuncionamiento de la bomba.

entrada deagua fria

salida paraconsumo

Temperatura T2 > T1

119

Manual


Figura 7..5. Circulación forzada - asociación entre tanques térmicos y calentadores de paso

b. Instalación en serie con lasalida de consumo

Ese tipo de asociación tambiénpude realizarse, sin embargo, elnúmero de calentadores debe serdimensionado para dar abasto alcaudal máximo de consumo, pues

deben suministrar agua calienteinstantáneamente. Otro puntoimportante por observarse en esetipo de instalación es si la presióndel agua que circula por elcalentador será suficiente paraactivarlo o si será necesario instalarun sistema presurizador.

Figura 7.6. Instalación en serie con salida de consumo

La asociación entre tanquestérmicos y calderas o generadorasde agua caliente también pude

realizarse analizando, caso porcaso, cual es la mejor forma deinterconexión.

bombahidráulica

calentadora gas

entrada deagua fria

calentadora gas

entrada deagua fria

salida paraconsumo

Manual


c. Asociación entre tanquede almacenamiento y sistema depresurización

En instalaciones donde el cau-dal de agua en los puntos deconsumo no es satisfactorio, seutiliza un sistema para aumentar lapresión de trabajo de la red dedistribución hidráulica. Elpresurizador, al instalarsecorrectamente, funciona sinpresentar perjuicios al sistema decalentamiento solar, sin embargo, esimportante observar los siguientesaspectos:

- Las redes de distribuciónhidráulica de agua fría y calientedeben presurizarse igualmente,evitando diferencias de presión y,consecuentemente, dificultades enla mezcla del agua en los puntos deconsumo.

- No se permite la utilización derespiro. Debe instalarse un conjuntode válvulas para sistemas de altapresión.

Verificar siempre lasespecificaciones de instalaciónsuministradas por el fabricante delequipo.

Figura 7.7- Asociación entre tanque de almacenamiento y sistema de presurización

TANQUEDE AGUA

SALIDA PARACONSUMO

PRESURIZADOR

ENTRADA DEAGUA FRIA

AGUA FRIA AGUA CALIENTE

PUNTO DECONSUMO

TANQUEACUMULADOR

121

Manual


7.2.2. Colectores Solares

Con el número de colectoresnecesarios para la instalación, debedeterminarse la forma como ellos seintegrarán a la obra. Para ello, esnecesario saber cual es laorientación e inclinación de loscolectores, la forma como seasociarán y fijarán, si existensombras entre baterías, entre otrasparticularidades que se presentarána continuación.

a. Geometría

Los colectores solaresutilizados en obras medianas ygrandes, generalmente, son los

mismos utilizados en obrasresidenciales. No obstante, algunosfabricantes producen colectores conáreas superiores a las comercialesy con características constructivasdiferenciadas para situacionesespeciales de suministro einstalación.

De la misma forma que en lostanques térmicos, los colectoressolares también pueden serverticales u horizontales. Cabe alproyectista determinar quégeometría de colectores será la másadecuada a la instalación.

Figura 7.8 - Colector vertical Figura 7.9 - Colector horizontal

Manual


b. Orientación e inclinación

De acuerdo con lo presentadoen capítulos anteriores, laorientación e inclinación de loscolectores solares debendeterminarse de forma que puedancaptar el máximo de la radiaciónsolar disponible.

Orientación

Así como en cualquierinstalación de calentamiento solar,los colectores deben estarorientados hacia el norte geográfico,permitiéndose desvíos de hasta 30°hacia el este u oeste, sin necesidadde compensación de árearecolectora.

Inclinación

Como ha sido vistoanteriormente, la inclinación de loscolectores se determina a partir dela localidad donde se instalarán. Esevalor se calcula a través del valor, enmódulo, de la latitud. Como reglabásica se toma ese valor eninstalaciones con demanda similar entodas las épocas del año, la latitud +10° para las que privilegian losmeses de invierno y la latitud -10ºpara las que privilegian los mesesde verano. Pero cabe recordar quees necesario un análisis de lademanda de agua caliente de la

instalación en el transcurso del añopara definición del ángulo queofrecerá el mejor rendimiento alsistema.

c. Soporte Metálico

La adecuación perfecta de loscolectores solares en grandes ymedianas instalaciones normal-mente ocurre a través del uso desoportes metálicos, garantizando laorientación e inclinación deseablespara mayor captación de energía delsistema.

Al definir un modelo de soporteque se ajuste a los colectores y alárea disponible para instalación,deben observarse los siguientesaspectos:

Verificar si la estructura del lo-cal donde se instalarán soportará elpeso total del conjunto (soportesmetálicos, colectores solares yaccesorios hidráulicos);

El soporte deberá soportar lascargas de viento de la localidaddonde se instalará;

Ser resistente a intemperies yoxidación;

Ser de fácil montaje;

Seguir las especificaciones demontaje de los colectoressuministrada por el fabricante.

123

Manual


Figura 7.10 – Ejemplo de un soporte metálico con elementos sujetadores del colector

d. Sombra y distancia entrebaterías de colectores

Después de determinar losvalores de orientación e inclinaciónde los colectores solares, esimportante verificar cual es ladistancia mínima entre las bateríasde colectores para evitar o minimizarla sombra que podrá ocurrir entreellas o en razón de otros obstáculoscomo construcciones vecinas,árboles, etc.

Un criterio habitualmenteusado para calcular la distancia d,medida sobre la horizontal, quesepara a un colector de un obstáculode altura h es tomar un valor quegarantice que el panel no reciba

sombras entre dos horas antes y doshoras después del mediodía delsolsticio de invierno.

Aproximadamente, la distanciad se puede obtener con la siguientefórmula

d = h / tan (61º - latitud)

donde 1/ tan (61º - latitud) esun coeficiente adimensionalllamado k

En la siguiente tabla semuestran valores de k para distintaslatitudes

Manual


Figura 7.11 - Distancia mínima entre colectores

La distancia ideal entrebaterías debe considerar, ademásde los efectos de sombra, unespacio suficiente para que serealicen mantenimientos y limpiezade los colectores.

Cabe recordar que estaecuación es solamente paraorientación y el análisis de distanciasentre baterías debe desarrollarse deforma cuidadosa para cadaproyecto, con los métodosestereográficos ya vistos.

Obviamente un panel solar que reciba sombra nofunciona, por lo tanto es crucial en la instalaciónestudiar y cuidar la orientación, las obstrucciones y lacantidad de horas de asoleamiento recibido evitandosombras arrojadas por los propios paneles y por losedificios circundantes. Para casos en que no seasencillo analizar estos factores se recomienda el métodode trazados estereográficos.

e. Asociación entre baterías

La eficiencia de una serie decolectores está directamentevinculada a la forma como ellos seasocian. La asociación entre bateríases uno de los pasos másimportantes de una instalación decalentamiento solar, pues a ella estárelacionada la temperatura que sepretende conseguir, el caudal deoperación del sistema y, conse-cuentemente, el dimensionado delas tuberías y demás accesorios.

125

Manual


Las asociaciones entre lasbaterías de colectores pueden ser enserie, en paralelo o serie- paralelo(mixta); siendo la tercera la másutilizada por permitir mayor númerode configuraciones.

e.1. Asociación en Paralelo

En la asociación en paralelo, elaumento de temperaturaproporcionado al fluido circulante esel mismo, motivo por el cual latemperatura de salida del fluido dela batería 1 (T1) es igual a latemperatura de salida del fluido dela batería 2 (T2).

Figura 7.12 - Asociación en paralelo de una batería de 5 colectores solares

Figura 7.13 - Asociación en paralelo de dos baterías de 5 colectores solares

Manual


e.2 Asociación en Serie

En la interconexión en serie, latemperatura del fluído de entrada de

una batería es igual a la temperaturadel fluido de salida de la bateríaanterior.

Figura 7.14 - Asociación en serie de dos baterías de 4 colectores solares

e.3 Asociación en Serie-Paralelo (Mixta)

Es el tipo de asociación másutilizado en medianas y grandesobras, pues cuando existenlimitaciones de área física para

instalación de los colectores, debencombinarse los dos modelos deasociación (serie y paralelo) paraconseguir precisar el número decolectores necesarios a lainstalación.

Figura 7.15 - Asociación mixta: tres baterías en paralelo combinadas con dos baterías en serie

T2>T1

127

Manual


Las instalaciones hidráulicasde calentamiento solar se dividenen: circuito primario, entre el tanquede almacenamiento y los colectores

7.2.3. Hidráulica

y secundario, correspondiente alcircuito hidráulico ubicado entre eltanque y los puntos de consumo.

a. Fluido de trabajo

El fluido de trabajo en elcircuito primario es, en la granmayoría de los casos, el agua quecircula directamente por el interiorde los colectores. Debe verificarsesiempre la composición físico-química y la temperatura deoperación del agua para identificarsu compatibilidad con losmateriales de la instalación pordonde circulará.

En algunas instalacionespueden utilizarse fluidos térmicos y

realizarse el calentamiento de formaindirecta, a través de intercambia-dores de calor.

b. Equilibrio hidráulico

La eficiencia de una batería decolectores, como ha sido vistoanteriormente, está relacionada a suasociación y al caudal del fluido detrabajo. De esa forma, se adopta elprincipio del retorno invertido, con elobjetivo de equilibrar el caudal en-tre las baterías de colectores. Ese

Figura 7.16 - Instalación hidráulica de un sistema de calentamiento solar

PUNTO DECONSUMO

CIRCUITO PRIMARIO CIRCUITO SECUNDARIO

ENTRADA DE AGUADE LA RED

TANQUEACUMULADOR

Manual


principio permite equilibrarhidráulicamente la instalación, deforma que la pérdida de carga en elrecorrido del fluido de trabajo seasiempre la misma, independientede la batería de colectores por lacual circule.

Los diámetros de los tramos detuberías deberán dimensionarse deacuerdo con el caudal que circula enellos. El dimensionado correcto deldiámetro de las tuberías podrá

reducir sensiblemente los costos dela instalación.

En las ilustraciones siguienteses posible observar la forma correctade interconexión entre baterías decolectores utilizando el principio deretorno invertido, donde todos lostramos (en rojo), entre los puntos A yB, presentan la misma distancia y laforma incorrecta, donde el fluidorecorrerá distancias diferentes encada batería que circule.

Figura 7.17 – Equilibrio hidráulico de baterías de colectores

correcto incorrecto

distancia A - B (batería 2) = 3 trechosdistancia A - B (batería 2) = 2 trechos

129

Manual


c. Caudal del fluido detrabajo

El valor del caudal total deoperación (Qo) del circuito primariose calcula en función de laasociación de las baterías decolectores solares. Se adopta, parael cálculo, el valor del caudal depruebas de eficiencia de loscolectores solares para baño (72

litros por hora por m²)*, y debetambién determinarse el área útil (Au)de la(s) batería(s) de colectoresinterconectados en paralelo querecibe el fluido de trabajodirectamente de la bombahidráulica;

Au = N° de colectores x Áreaútil del colector x N° de filas decolectores (7.2)

Figura 7.18 - Cálculo del área útil

Estudio de Caso 7.1

Considerando la siguienteinterconexión hidráulica y el área útilde cada colector igual a 1,63 m².

¿Cuál será el caudal de operación(Qo) del sistema ?

Au = 4 x 1,63m² x 1 = 6,52 m²Q0 = Au x 72 l/h.m²

Qo = 6,52 m² x 72 l/h.m²Qo = 469,4 litros/hora

Manual


Estudio de Caso 7.2:

Considerando la siguienteinterconexión hidráulica y el área útilde cada colector igual a 2m². ¿Cuál

será el caudal de operación (Qo) delsistema?

Qo = Au x 72 l/h.m² Qo = 20 m² x 72 l/h.m²

Qo = 1440 l/h

Fila 1

Fila 2

Bombahidráulica

131

Manual



Considerando la siguienteinterconexión hidráulica y cadacolector solar con área de 2m². ¿Cuál

será el caudal de operación (Qo) delsistema ?

d. Tuberías

Las tuberías utilizadas eninstalaciones solares pueden ser decobre u otro material que soporte laspresiones y temperaturas deoperación del sistema. Los caños deacero galvanizado no serecomiendan para temperaturassuperiores a 60ºC. En Brasil

Au = 4 x 2m² x 3 = 24 m²

Qo = Au x 72 l/h.m² Qo = 24 m² x 72 l/h.m²

Qo = 1728 l/h

actualmente, las tuberías en cobreson las más utilizadas por sufacilidad de instalación, resistenciaa la intemperie y altas temperaturas,además de cumplir las necesidadesrequeridas por una instalación solar.Los tubos en cobre utilizados eninstalaciones de calentamiento so-lar son de la Clase E, con diámetrosque varían entre 15 y 104 mm.

Manual


En Uruguay son másdifundidos los caños de polipropi-leno y polietileno reticulado.

De acuerdo con la norma NBR5626-98, la velocidad máxima del

agua en las tuberías no debesobrepasar 3 m/s. La tabla siguientepresenta los caudales máximospermitidos para los diámetroscomerciales de tuberías en cobre.

Tabla 7.2. Caudales máximos en tubos de cobre

e. Bomba Hidráulica

Las bombas hidráulicasutilizadas en medianas y grandesinstalaciones generalmente son detipo centrífuga con rotor en bronce,acero inoxidable u otro material quesoporte la temperatura y laspropiedades físico-químicas delfluido que se bombeará.

En instalaciones de mayorporte, se recomienda la instalaciónde una bomba reserva,garantizando el funcionamientocontinuo del sistema en el caso demantenimiento o falla de la bombaprincipal.

e.1 Dimensionado

Elegir la bomba hidráulicaideal y determinar el punto defuncionamiento de la instalación sedefine por el caudal de operación dela instalación y las pérdidas decarga del sistema.

Figura 7.19 - Bomba hidráulica

133

Manual


Para determinación de laspérdidas de carga totales de unsistema de calentamiento solardeben considerarse los siguientespasos:

Se calcula la pérdida de cargade tuberías y accesorios hidráulicosen la succión de la bomba (Ha);

Se calcula la pérdida de cargade tuberías y accesorios hidráulicosen la impulsión de la bomba (Hr);

Se calcula la pérdida de cargaen los colectores (Hc);

Se suma Ha, Hr, Hc y seobtiene la altura manométrica (HMAN)de la instalación.


Calcule la bomba hidráulicapara la instalación propuesta acontinuación, considerando tuberíasde cobre, 24 colectores con área útilde 2m²:

El primer paso es realizar elesbozo de la instalación en unarepresentación isométrica,identificando todas las cotas yconexiones hidráulicas.

Cálculo del Caudal de operación (Qo)

Au = 4 x 2m² x 3 = 24 m²Qo = Au x 72 l/h.m²Qo = 1728 l/h ó 1,73 m³/h

TANQUEACUMULADOR

Bombahidráulica

Colectores

Manual


Definición del diámetro de la tubería de interconexión entre tanquede almacenamiento y colectores

Según la Tabla 7.2, para cau-dal de 1728 l/h se utiliza una tuberíade 22 mm

Suponga que en la instalación

propuesta existieran las conexionesy accesorios en las cantidades ydimensiones presentadas acontinuación.

Cálculo de la altura de succión (Ha)

De acuerdo con el ábaco de Fair-Whipple-Hsiao (Anexo 4) para:

Caudal = 0,48 l/s (1728 l/h) y diámetro = 3/4" se obtiene:Pérdida de carga unitaria (Ju) = 0,15 m/m y velocidad de 1,5 m/sEntonces:Ha = 7,5 m * 0,15 m/mHa = 1,13 m

135

Manual


Según el ábaco de Fair-Whipple-Hsiao (Anexo 4) para:

Caudal = 0,48 l/s (1728 l/h) y Diámetro = 3/4", se obtiene:Pérdida de carga unitaria (Ju) = 0,15 m/m y velocidad de 1,5 m/s

EntoncesHr = 82,1 m * 0,15 m/mHr = 12,32 m

Cálculo de la pérdida de carga en los colectores (Hc)

El valor de la pérdida de carga por colector debe informarlo elfabricante. Para este ejemplo se considerará el valor de 0,022 mca porcolector.

Entonces:Hc = 0,022 mca * 24 colectoresHc = 0,53 mca

Altura manométrica de la instalación (HMAN)

HMAN = Ha + Hr + HcHMAN = 1,13 + 12,32 + 0,53HMAN = 13,98 m

Cálculo de la altura de impulsión (Hr)

Con los valores de caudal yaltura manométrica es posibledeterminar el punto de operación dela instalación y seleccionar la bombahidráulica que mejor atenderá a lasnecesidades del sistema.

La bomba ideal para lainstalación es aquella en la cual lacurva característica de la bomba

está lo más próximo posible delpunto de operación del sistema.Cuando la curva no coincideexactamente con el punto deoperación, debe optarse por labomba por sobre ese punto.

Manual


De esa forma, la bomba que mejor se aplica al ejemplo propuesto esla bomba B.

7.2.4 Aislamiento térmicoLas tuberías, conexiones,

registros y válvulas de unainstalación por donde circulenfluidos con temperaturas superioresa 40° C deben ser aisladostérmicamente. El aislamiento detuberías externas, que estén

sometidas a los efectos de los rayosultravioletas e intemperies, debe serprotegido con material que soportelas condiciones en las cualestrabajará para garantizarle una vidaprolongada al aislamiento.

7.20 – Aislamiento térmico interno 7.21 – Aislamiento térmico con protección UV

137

Manual


Bajo ningún concepto seinstalará o se permitirá su instalaciónde cañerías del sistema sin ladebida aislación térmica

Los espesores mínimos

recomendados para aislamiento detuberías de cobre, con polietilenoexpandido (conductividad térmicade 0,035 kcal/mh°C), están en latabla 7.3.

Tabla 7.3 Espesor de aislamiento

Bajo ningún concepto se instalará o sepermitirá la instalación de cañerías delsistema sin la debida aislación térmica

Cabe destacar que la tablaanterior es solamente paraorientación y el espesor delaislamiento debe ser determinado

de acuerdo con la ubicación de lainstalación y características delaislamiento.

7.2.5 Sistema de protecciónanticongelamiento

Por no recibir radiación solardurante la noche, el fluido detrabajo permanece parado y, por lo

tanto, expuesto a las condicionesclimáticas del lugar de la instalación.En regiones con riesgo de heladas,

Manual


se utilizan sistemas de proteccióncon el objetivo de evitar daños alsistema.

Para identificar la necesidadde uso de proteccionesanticongelamiento, debe evaluarseel historial de las condicionesclimatológicas de la región. Siexisten registros de temperaturaspróximas a 5°C, será indispensableutilizar algún tipo de sistema deprotección anticongelamiento.

Los sistemas anticongela-miento más utilizados son:

Recirculación de agua – esesistema hará circular, a través deuna bomba hidráulica, el agua deltanque de almacenamiento cuandola temperatura del sensor, ubicado

en los colectores solares marquevalores próximos a 5° C.

Válvula eléctrica de drenaje –a través de una válvula eléctrica conun termostato, el agua existente enlos colectores se drena cuando latemperatura en los colectores llegaa valores próximos a 5° C.

Fluido anticongelamiento – através de la mezcla de agua y unlíquido anticongelante, se crea unasolución que reduce la temperaturade congelamiento del fluido detrabajo. Para que el sistema funcionecorrectamente, es necesario verificarsi la solución está en lasproporciones ideales definidas porel fabricante del fluido y si nocomprometerá los accesorios de lainstalación.

Con respecto al la protección anticongelamiento esimportante tener este aspecto en cuenta en todomomento pero prestar especial atención en instalacionesrurales

7.2.6 TemperaturasUna instalación de

calentamiento solar debeproyectarse para soportar unaamplia variación de temperaturas,que van desde las que presentan

riesgo de congelamiento hastaaquellas próximas a la ebullición delagua.

Las diversas formas deprotección del sistema contra los

139

Manual


riesgos de congelamiento setrataron en el ítem anterior. Sin em-bargo cabe destacar quetemperaturas elevadas tambiénpueden perjudicar la durabilidad deaccesorios y equipos instalados.

Las altas temperaturas severifican en los casos de sobre-dimensionamiento de la instalacióndonde el área recolectora y elvolumen almacenados son muysuperiores a la necesidad real deconsumo.

En esas hipótesis, para evitardaños a la instalación decalentamiento solar, es importanteutilizar materiales y equipos quesoporten la temperatura deoperación del sistema, así como lautilización de protecciones que nopermitan, por ejemplo, elfuncionamiento de la bomba decirculación cuando el sistema lleguea temperaturas próximas a la deebullición del agua.

7.2.7 PresiónDe la misma forma que el

tanque de almacenamiento y loscolectores solares, las tuberías yaccesorios hidráulicos debendimensionarse para soportar

presiones 1,5 vez superiores a lasque se someterán durante elfuncionamiento del sistema decalentamiento solar.

7.2.8 Cuadro de comando- El cuadro de comando de una

instalación solar tiene la función decontrolar todos los equiposeléctricos y electrónicos de lainstalación y es, en la mayoría de loscasos, compuesto por:

Controlador diferencial detemperatura: con la función decomando de operación de la bombade circulación de los colectores;

Interruptores de selección: conla función del accionamiento manualo automático de la bomba decirculación de los colectores ydemás equipos;

Disyuntores, contactores yrelés de sobrecarga: tienen lafunción de protección yaccionamiento del sistema;

Manual


Controles para el sistema deapoyo.

- El cuadro de comando puedetambién contener algunos equipospara control y seguimiento delrendimiento de la instalación, talescomo:

Contador de horas, cuyafunción es determinar el período deoperación de un equipo.

Programador horario paradeterminación de los períodos defuncionamiento de la instalación;

Demás sistemas deseguimiento, como medidores deradiación solar, medidores de cau-dal, sensores de temperaturaauxiliares, hidrómetros, etc.

7.2.9 Calentamiento IndirectoEn los casos en que no sea

posible implantar un sistema decalentamiento solar convencional,como en algunos casos de procesosindustriales, calentamiento de

ambientes, protección anticon-gelamiento con fluidos especiales,entre otros, se utiliza el sistema decalentamiento indirecto a través deintercambiadores de calor.

Figura 7.22. Representación esquemática de un sistema de calentamiento solar con intercambiador de calor

intercambiadorde calor

bombahidráulica 2

bombahidráulica 1

baso deexpansión

entrada deagua fría

punto deconsumo

Tanqueacumulador

141

Manual


Capítulo 8

Interpretación del Proyecto EjecutivoAlmacenamiento y Transporte deEquiposEPPs y Herramientas AccesoriosMantenimiento Preventivo y Correctivo

INSTALACIÓN,MANTENIMIENTO YSEGURIDAD

Manual


143

Manual


INTRODUCCIÓNUn sistema de calentamiento

solar, para alcanzar los beneficiosesperados, se basa en algunasdirectrices: proyecto ejecutivo,instalación y mantenimiento. En esecontexto el instalador hidráulicopresenta un papel fundamental,pues es su responsabilidad seguirel proyecto idealizado por elproyectista identificando posiblesinterferencias y modificaciones du-rante la implantación y a través deuna instalación de calidad, minimi-zar mantenimientos correctivos.

En este capitulo se tratarán lostemas referentes a la etapa deinstalación y mantenimiento de unsistema de calentamiento solar parauso sanitario.

El instalador deberá seguirrigurosamente el proyecto ejecutivode la instalación y debe comunicarlesiempre al proyectista en caso hayanecesidad de modificaciones en elproyecto original.

8.1 Interpretación del proyecto ejecutivo

Para definición de lospróximos pasos de la planificaciónde instalación del sistema decalentamiento solar, es necesariointerpretar el proyecto ejecutivo que,entre otras informaciones deberácontener:

-Diagrama de flujo defuncionamiento;

-Ubicación de equipos;-Alturas y cotas de colectores

solares y tanques térmicos;-Isométrico de instalación de

los tanques térmicos;

-Bases de fijación de lossoportes metálicos y de los tanquestérmicos;En una instalación solar esmuy importante respetar las alturasde proyecto, especialmente eninstalaciones por termosifón.

-Detalle de soportes metálicos-Cortes;-Posibles interferencias con la

edificación existente o enconstrucción;

-Trazado de la tubería;-Lista de materiales eléctricos

e hidráulicos;

Manual


- Detalle del sistema de controly monitoreo;

- Accesorios e indicación demontaje;

El diagrama de flujo de lainstalación debe presentar, de formaesquemática, como será el

- Demás informacionesnecesarias para la perfectainterpretación e instalación delsistema

En una instalación solar es muy importanterespetar las alturas de proyecto, especialmente eninstalaciones por termosifón.

funcionamiento de la instalación, sinpreocuparse con escalas ydimensiones reales de los equipos.

Figura 8.1. Diagrama de flujo de una instalación solar

A través de esta representacióngráfica se determina la ubicación delos tanques térmicos, los colectores

solares y demás equipos en laconstrucción.

a. Diagrama de flujo de funcionamiento

b. Ubicación de los colectores y tanques en plano

punto deconsumo

Tanqueacumulador

calentador d epasada

bombahidráulica

bombahidráulica

colectores solares

145

Manual


Figura 8.2. Ubicación de colectores, tanques e interconexión hidráulica en plano

c. Isométricos

Las representacionesisométricas se utilizan para describirpartes de la instalación que seríandifíciles de representar o que exijan

grado de detalle mayor, como es elcaso de los tanques térmicos y susaccesorios.

Figura 8.3. Isométrico – tanque de almacenamiento

TANQUEACUMULADOR

TANQUE DEAGUA

Manual


d. Cortes

Los cortes, así como larepresentación isométrica ayuda en

la complementación de informa-ciones e interpretación del proyecto.

Figura 8.4. Corte – distancia entre colectores solares

8.2. Almacenamiento y transporte de losequipos

a. Colectores solares

Es importante que loscolectores se almacenen enacomodamiento vertical, siguiendolas determinaciones del fabricanterespecto al número máximo depiezas que pueden apilarse, en lo-cal cubierto y protegido de laintemperie.

En el caso de almacenamientoexterno en necesario protegerloscontra lluvia para que no se dañenantes de instalarse.

Con relación al transporte delos colectores solares, éste debe

realizarse preferentemente por dospersonas, sujetándolos por losextremos de la caja del colector, paraevitar torsiones en los equipos.

b. Tanques térmicos

Los tanques térmicos debenalmacenarse en local protegido dela intemperie y con sus entradas ysalidas tapadas, hasta el momentode la instalación, impidiendo laentrada de hojas u objetos quepuedan afectar el funcionamientodel sistema.

Norte geográfico

colector solar

colector solar

147

Manual


El transporte de los tanquestérmicos debe ejecutarse a través desus ojales o azas de transporte

siguiendo las recomendaciones delfabricante y nunca por las tuberías.

8.3. Definición del equipo de instalación

Para definición del número deinstaladores que serán necesariospara implantación de un sistema decalentamiento solar es necesarioobservar el grado de dificultad ytiempo en el que se pretendeconcluir la instalación. A través delproyecto ejecutivo es posibledeterminar la cantidad deinstaladores y el tiempo de

ejecución de la implantación delsistema.

Se recomienda que unainstalación solar se ejecute por dosinstaladores capacitados comomínimo, garantizando agilidad yseguridad en la implantación delsistema.

8.4. EPPs y Herramientas

Para minimizar el riesgo deaccidentes durante la instalación esimprescindible seguir todas lasnormas pertinentes a la actividadque se realizará. A continuación se

listan algunos EPPs, herramientas yaccesorios necesarios pararealización de una instalación decalentamiento solar.

8.4.1. EPP – Equipo de Protección PersonalCada instalador debe llevar:-Uniforme con chaleco demangas largas;-Casco ;-Botas con suela antides-lizante;-Cinturón de seguridad para

trabajos en altura;-Anteojos con lentes depolicarbonato incoloro;-Guantes de cuero;-Anteojos con lentes enpolicarbonato verde parasoldadura;

Manual


Figura 8.5 - Símbolos de EPP

8.4.2. Herramientas

Para la correcta instalación deequipos y accesorios es importantela utilización de herramientasadecuadas, que garanticen mayoragilidad y seguridad en lainstalación. Es posible verificar acontinuación algunas de lasherramientas esenciales parainstalación de un sistema decalentamiento solar.

-Llave inglesa;-Conjunto de destornilladores

planos y philips;

-Alicate;-Serrucho;-Martillo;-Corta tubos (cobre);-Lija;-Soplete;-Nivel;-Metro;-Brújula;-Taladro eléctrico;-Alargador eléctrico;-Multímetro (tester);

8.5. Accesorios de una Instalación deCalentamiento Solar

Cuando el sistema decalentamiento solar no puede operaren termosifón se utiliza una bombahidráulica cuyo objetivo es permitir

la circulación del fluido de trabajoentre los colectores y el tanque dealmacenamiento.

a. Bomba hidráulica

149

Manual


Las bombas hidráulicasutilizadas en sistemas decalentamiento solar deben presentaralgunas características especialespara que puedan operar de formasegura e duradera.

Las bombas hidráulicasbásicamente se componen de dospartes:

Cuerpo hidráulico: el cuerpohidráulico contiene el rotor, quepuede ser fabricado en hierrofundido, acero inoxidable, bronce,

polímero u otro material y debe estaren conformidad con lascaracterísticas físico-químicas ytemperatura del fluido que serábombeado.

Motor eléctrico: acoplado alcuerpo hidráulico, con la función delaccionamiento del rotor, estandodimensionado según la potencianecesaria para vencer las pérdidasde carga y desniveles de lainstalación.

b. Controlador diferencial de temperatura

Los controladores diferen-ciales de temperatura sondispositivos electrónicos que tienenla función de controlar el sistema de

calentamiento solar, permitiendoconfiguraciones para activar ydesactivar la bomba hidráulica.

c. Termostato

Los termostatos sondispositivos que permiten laapertura o cierre de un circuitoeléctrico de acuerdo con un ajustepredeterminado de temperatura.

Estos dispositivos son muyutilizados en tanques térmicos paraactivación de resistencias y anillosde recirculación para circuitos deagua caliente.

d. Flujostato

El Flujostato es un dispositivoque permite la apertura o cierre deun circuito eléctrico cuando detectao no la existencia de flujo de algúntipo de fluido en la tubería donde

está instalado. Este dispositivo seutiliza en circuitos de recirculaciónpara niveles de agua caliente ynormalmente se aplica en conjuntocon el termostato.

Manual


e. Sensores de temperatura

Los sensores de temperaturason instrumentos utilizados paramedición de temperatura y, ensistemas de calentamiento solar, seutilizan para comando y registro de

la temperatura de operación delsistema. Pueden ser de diversostipos; termopares (termocuplas),PT100, PT500, entre otros.

f. Manómetro

El manómetro es uninstrumento utilizado para mediciónde presión. Generalmente estosequipos se utilizan en instalaciones

de calentamiento solar de granporte con el objetivo de acompañary auxiliar en los ajustes de operacióndel sistema.

g. Válvulas y registros

Válvulas son dispositivosutilizados para control, bloqueo,mantenimiento y desvío de flujo defluido circulante de una instalaciónhidráulica. En un SCS, las válvulasmás utilizadas son:

Válvula de Globo(Válvula de ajuste)

Las válvulas de globo sonutilizadas para controlar y regular elcaudal de fluidos.

Válvula de compuerta(esclusa o coliza)

Se utilizan cuando esnecesario bloquear el paso del

fluido y debe funcionar totalmenteabierto o totalmente cerrado.

Válvula esférica

También tiene la función debloqueo de paso del fluido y debefuncionar totalmente abierta ototalmente cerrada.

Válvula de retención

Este tipo de válvula permite elflujo del líquido solamente en unadirección y puede instalarse en lavertical u horizontal, de acuerdo conlas especificaciones de la válvula.

151

Manual


Válvula eliminadora de aire(Purgador de aire)

Ese tipo de válvula tiene lafunción de permitir la salida de airedel sistema.

Válvula rompe-vacío

Ese tipo de válvula permitir laentrada de aire en el sistema.

Válvula de seguridad

Esta válvula tiene por funciónproteger el sistema contra presionessuperiores a las dimensionadaspara su operación.

8.6. Soportes para colectores solares

Cuando la orientación,inclinación o posición de colectoressolares no es satisfactoria para elfuncionamiento del sistema, esnecesario utilizar soportes con elobjetivo de corregir esos desvíos.

Deben seguirse rigurosamentelas especificaciones del proyecto delos soportes para garantizar sufijación correcta a la estructura deltejado o a las bases construidasespecialmente para su instalación.

Debe tenerse especialcuidado con las impermeabi-lizaciones de azoteas, tejadostechos livianos etc. Es importante laconsulta y coordinación con elprofesional competente. La instala-ción del sistema solar debe sercoordinada con el proyecto de la

construcción en caso de obrasnuevas y debe realizarse unaplanificación previa en caso deinstalación en edificios yaconstruídos atendiendo a losdetalles de impermeabilización,fijación de estructuras einterferencias con las instalaciones.

La base de los soportes de loscolectores deberá fabricarse enhormigón u otro material que soporteel peso de los colectores, las cargasde viento a que se someterá elsistema y los efectos de laintemperie. Debe prestarse atenciónen los siguientes ítems en laconfección de las bases:

- La distancia entre las basesdebe calcularse de forma que el

Manual


soporte instalado no someta elcolector solar a flexiones superioresa las permitidas por el fabricante.

- Los tornillos de fijación de lossoportes en las bases deben sergalvanizados o protegidos contraoxidación.

- Las bases deben prever ca-nales para escurrimiento del aguade la lluvia.

- Cuando se instalen lossoportes metálicos directamente en

La instalación del sistema solar debe sercoordinada con el proyecto de la construcción encaso de obras nuevas y debe realizarse unaplanificación previa en caso de instalación enedificios ya construídos atendiendo a los detallesde impermeabilización, fijación de estructuras einterferencias con las instalaciones.

la losa es necesario impermea-bilizar el local donde se fijen.

- Cuando los soportesmetálicos se instalen sobre tejados,deben impermeabilizarse las tejasperforadas.

Los soportes y sus respectivasbases de fijación deberán estarproyectados por un profesionaltécnicamente habilitado ocompetente en estructuras.

8.7. Instalación del (de los) tanque(s)acumulador(es)

En la instalación de lostanques es necesario considerar:

En sistemas alimentados porgravedad, la alimentación de agua

fría del tanque debe tener siempreun sifón o válvula de retención*evitando el retorno de agua calientehacia el tanque de agua, efecto esedenominado termosifón tubular.

153

Manual


* Atención: de acuerdo con lanorma NBR 7198, «se prohíbe lautilización de válvulas de retención enla derivación de alimentación de

agua fría por gravedad del tanquetérmico cuando éste no presenterespiro.»

Figura 8.6 - Sifón

La alimentación de agua fríadel tanque debe contener, comomínimo, 150 cm de tubería anterioral sifón, de cobre o material quesoporte la temperatura del sistema.

El tanque debe tener válvulascónicas o esféricas en sus entradasy salidas;

La alimentación de agua fríadel acumulador, que viene deltanque de agua debe ser exclusiva,no permitiendo derivaciones a otrospuntos;

La salida para el drenaje debeconectarse a una tubería dealcantarillado o dirigirse a un localapropiado;

Cuando se utilice un conjuntode válvulas para SCS de alta presiónel área debajo del conjunto debeser debidamente impermeabilizada,evitando infiltraciones en laedificación;

Las interconexiones de lasentradas y salidas de un tanquetérmico horizontal convencionaldeben seguir las configuracionespresentadas en la siguiente figura,permitiendo la circulación de todo elagua del tanque.

TANQUEACUMULADOR

SALIDA PARACONSUMO

TANQUEDE AGUA

SIFON

Manual


Figura 8.7 - Conexiones básicas de un tanque térmico

8.8. Instalación de los colectores solares

La interconexión hidráulica delos colectores podrá ejecutarse enserie o paralelo, de acuerdo con lodefinido en el proyecto de lainstalación. Además de seguir lasconfiguraciones de proyecto, en elmomento de la instalación de loscolectores, debe prestarse atencióna los siguientes ítems:

a) Las conexiones entrecolectores pueden ejecutarse conniples soldados o niples de unión,

que facilitan futuros mantenimientosy sustitución de colectores;

b) Debe instalarse unaválvula cónica o esférica en la parteinferior de la batería para drenaje delos colectores.

c) En asociacionessuperiores a dos baterías decolectores interconectados en seriese recomienda la instalación de unaválvula eliminadora de aire en lasalida de la última batería decolectores.

Figura 8.8 - Ubicación de la válvula eliminadora de aire

155

Manual


d) La instalación de loscolectores debe prever fácil accesopara limpieza y mantenimiento.

e) En instalaciones queoperan en termosifón, serecomienda la instalación de la

batería de colectores con unapequeña subida, entre el 2% y el3%, en el sentido de la salida deagua caliente, evitando sifonesprovocados por desniveles en eltejado o error en la instalación.

8.9. Instalación de sensores y tablero decomando

8.9.1. Instalación de sensoresEn sistemas cuya circulación

es forzada, la bomba hidráulica secomanda por un controladordiferencial de temperatura, quecompara las temperaturas entre los

sensores 1 y 2 ubicados en la partesuperior del último colector de labatería y en la base del tanque,respectivamente.

Figura 8.9 - Posición de sensores

Cuadro deComando

Tanqueacumulador

TANQUEACUMULADOR

bombahidráulica

bSalida paraconsumo

Sensor 1

Sensor 2

sifón

TANQUEDE AGUA

Manual


De acuerdo con lo presentadoen el capitulo anterior, generalmentela bomba hidráulica se activacuando la diferencia de temperaturaentre el sensor 1 y 2 es igual o supe-rior a 5°C y se desconecta cuandoes igual o inferior a 2°C. Cabedestacar que esta temperatura essolamente para orientación, pues latemperatura adecuada deberáespecificarse en el proyecto deinstalación.

Algunos controladores presen-tan un tercer sensor, normalmente

instalado en la salida de consumodel tanque y que, además depresentar la temperatura del agua enla salida de consumo, tiene lafunción de bloquear el funciona-miento de la bomba, aunque eldiferencial entre los sensores 1 y 2sea igual o superior a 5°C cuando latemperatura registrada llegue avalores elevados (que debenajustarse previamente). Esatemperatura lleva el nombre detemperatura de sobre-calentamiento.

Figura 8.10 - Instalación de sensores

Los sensores deben,preferentemente, instalarse en

vainas termométricas y aisladostérmicamente después de suinstalación.

8.9.2 Tablero de comandoEl tablero de comando debe

instalarse en un lugar próximo alSCS protegido de la intemperie y defácil acceso, para posiblesverificaciones de temperatura uoperación del sistema.

El proyecto ejecutivo deberáprever la ubicación del tablero decomando en la edificación.

157

Manual


8.10. Instalación del sistema decalentamiento auxiliar

a. Resistencia eléctrica

- Las resistencias eléctricasdeben presentar disyuntoresespecíficos para su activación;

- Los cables de energía debensalir del tablero de comando a laresistencia eléctrica del tanque através de electroductos;

- La resistencia eléctrica debeconectarse a tierra;

- Debe verificarse la impe-dancia de las resistencias eléctricasantes de activar el cuadro decomando para evitar cortocircuitos;

b. Calentador de paso a gas

- Debe verificarse si las piezas yanillos de cierre de la entrada de aguaen el calentador soportan laalimentación con agua caliente;

- Los cables de energía debensalir del tablero de comando alcalentador de paso a través deelectroductos;

- Los calentadores de paso nodeben instalarse en locales confi-nados;

- Deben seguirse rigurosa-mente las normas técnicasaplicables y las especificaciones deinstalación suministradas por elfabricante;

8.11. Interconexión entre tanque y puntode consumo

Este curso trata solamente losaspectos referentes al circuitoprimario de una instalación decalentamiento solar, sin embargo

cabe observar algunos detallesimportantes en la interconexiónentre el tanque y la tubería deconsumo de agua caliente.

Manual


Figura 8.11 - Instalación hidráulica de un sistema de calentamiento solar

a) El diámetro de latubería de salida de consumo deltanque debe ser igual o superior ala de distribución de agua calientea los puntos de consumo;

b) La tubería dedistribución de agua calientedeberá aislarse térmicamente;

c) La tubería dedistribución hidráulica a los puntos

de consumo debe tener pendientepositiva, evitando la formación desifones, que pueden perjudicar elcaudal en los puntos de consumo.

d) El punto de descargade agua fría deberá ser exclusivo.No deben instalarse derivacionespara el registro de agua fría de laducha y para el videt.

8.12. Pruebas y puesta en marcha delsistema

a) Puesta en marchadel sistema

La operación de puesta enmarcha de la instalación es muyimportante, pues a través de ella sesomete a pruebas el sistema decalentamiento solar, siendo posible

verificar si el sistema funcionarásegún lo proyectado.

b) Llenado del sistemaEl sistema debe llenarse

lentamente, preferentemente de laparte más baja hacia la más alta,

TANQUEACUMULADOR

punto deconsumo

entrada de aguade la red

circuito secundariocircuito primario

159

Manual


evitando la formación de bolsas deaire en el circuito hidráulico.

c) Prueba de estanqueidadLos circuitos hidráulicos deben

probarse con presión 1,5 veces su-perior a la presión de operación dela instalación con el objetivo deidentificar posibles pérdidas. Lasválvulas de seguridad, cuandoexistan, deben instalarse despuésde la prueba de estanqueidad, puesoperan en presión nominal inferiora la de la prueba.

En esta etapa es importanteaccionar manualmente todas lasválvulas de venteo para evacuarcompletamente el aire del sistema.

d) Prueba de sensores yaccesorios

Sensores, bomba hidráulica,válvula de seguridad y demásaccesorios deben probarsesimulando condiciones deoperación del sistema y verificandosu comportamiento.

8.13. AcabadoDespués de realizar todas las

pruebas en la instalación empiezala etapa de acabado y finalizaciónde la obra. Esa etapa consiste en:

a) Aislamiento térmicode toda la tubería de la instalación,recordando que las tuberíasexpuestas a la radiación solar eintemperies deben presentar algúntipo de elemento protector (aluminiocorrugado, cinta aluminizada, etc.).

b) Verificar si todas lastuberías están bien fijadas y sinformación de sifones en su recorrido;

c) Verificar si todos loscables eléctricos están debida-mente revestidos y conducidos através de electroductos;

d) Verificar la existenciade alguna obstrucción en la salidadel conjunto de válvulas deseguridad.

8.14. Capacitación y entrega del manual deoperación

En esta etapa el instaladordeberá enseñarle al responsable dela recepción de la instalación cómo

operar el sistema, presentando laubicación de accesorios, cuadro decomando y demás componentes. Es

Manual


responsabilidad del instaladorsuministrar, cuando se aplique, elproyecto ejecutivo tal como seconcibió, la anotación de

responsabilidad técnica, loscertificados de garantía y demásdocumentaciones pertinentes alsistema.

8.15. MantenimientoEl mantenimiento de un

sistema de calentamiento solar depequeño porte, cuando fue

instalado correctamente, es muysencillo.

8.15.1. Mantenimiento preventivoMensual

- Lavado de los colectores con agua y jabón neutro por la mañana;- Verificar la protección de los colectores;- Verificar el funcionamiento del sistema de anticongelamiento, en caso

exista;- Verificar el funcionamiento de los sensores de temperatura y las

configuraciones del controlador diferencial de temperatura;- Verificar el ajuste del termostato;

Semestral

- Verificar estado del aislamiento térmico;- Verificar y colocar en funcionamiento el conjunto de válvulas;- Verificar las protecciones de la bomba hidráulica y la tanqueidad del

sistema;

Anual

- Realizar el drenaje del sistema para limpieza;- Verificar la existencia de formación de corrosión en algún ítem del

sistema;- Verificar o estado de funcionamiento del sistema auxiliar.

161

Manual


8.15.2 Mantenimiento correctivo

Manual


163

Manual


Capítulo 9

Balance de Energía ProyectoAspectos Constructivos InstalaciónHidráulicaInstalación Mantenimiento Preventivo yCorrectivo

CALENTAMIENTO SOLAR DEPISCINA

Manual


165

Manual


INTRODUCCIÓN

La aplicación de la energíasolar térmica en calentamiento depiscinas ha crecido de formaconsistente y significativa en losúltimos tiempos. Frente a esarealidad, la necesidad deprofesionales calificados pasa a serfundamental para el desarrollo detodos los niveles de la cadenaproductiva: certificación, fabricación,ventas, proyecto e instalación. Paraque esto ocurra, es necesario que el

profesional del área esté actualizadorespecto a los productos ofrecidospor el mercado, criterios de calidad,diferenciales tecnológicos ymetodologías de proyecto einstalación

Un sistema de calentamientosolar para piscina puede dividirsebásicamente en cuatro subsistemasdistribuidos de la siguiente forma:

Figura 9.1 – Subsistema de una instalación solar de piscina

Manual


9.1. Subsistema de captaciónEl subsistema de captación

corresponde al conjunto decolectores solares y su interconexiónhidráulica, siendo el colector elcomponente activo de todo elsistema de calentamiento solar parapiscinas.

El colector solar tiene la funciónde absorber la radiación solar

incidente, transformarla en energíatérmica y transferirla al agua de lapiscina en el momento en que pasapor el colector solar. Durante esteproceso, naturalmente ocurrenpérdidas de energía, cuyaintensidad varía en función del tipode proyecto constructivo,características y aplicación de cadacolector solar.

9.1.1. Tipos de colectores

Habitualmente, se utilizan dostipos distintos de colectores para elcalentamiento de piscinas.

a) Colectores planos concubierta

Semejantes a los colectoresutilizados en el calentamiento deagua para baño, pueden alcanzartemperaturas hasta 60°C. Esoscolectores pueden ser metálicos opoliméricos.

b) Colectores planos sincubierta

Ese modelo de colector serecomienda para aplicaciones cuyatemperatura máxima de utilizaciónes 35°C, por ello, normalmente sefabrican de polímeros no aisladostérmicamente, además de nopresentar ningún tipo de cubierta,siendo solamente una placa deabsorción y tubos.

9.1.2. Criterios para selección de un colector solar paracalentamiento de piscinas

Al seleccionar el modelo decolector más adecuado para unproyecto de calentamiento de

piscina, deben observarse algunosfactores:

167

Manual


a) Propiedades mecánicas

Cuando hay restricción deárea, orientación y ángulo deinclinación desfavorables parainstalación del sistema,normalmente se utilizan colectoresrígidos, que pueden ser abiertos ocerrados, siempre y cuando no sedeformen y no tengan su estructuracomprometida cuando esténapoyados en soportes metálicos .

b) Tratamiento químico delagua

Ese ítem es fundamental paraverificación de la compatibilidadquímica entre los materialesutilizados en la construcción delcolector y el tratamiento químico dela piscina, pues tal parámetro serápreponderante en la selección de uncolector metálico o en polímero. Porejemplo, el uso de cloro en el aguade la piscina la hace incompatiblecon colectores metálicos.

Debe verificarse con elfabricante del colector solar cualesson las restricciones de operacióndel equipo.

c) Presión de trabajo

Al dimensionar la bomba paracirculación de agua por loscolectores, debe verificarse cual es

la presión de operación del sistemay así, definir cual es el modelo decolector soportará las presionesimpuestas por la bomba sinpresentar ningún tipo dedeformación o pérdida.

Los valores de presión máximade operación de los colectores lossuministra el fabricante.

d) Tratamiento de lasuperficie

Por tratarse de equipos quetrabajan esencialmente expuestos aradiación solar, todos los modelosde colectores, con o sin cubierta,metálicos o poliméricos debenpresentar tratamiento químico en susuperficie de absorción, garanti-zando una mayor vida útil y laeficiencia proyectada del equipo. Encolectores metálicos, la placa deabsorción recibe una capa depintura que debe soportar laselevadas temperaturas de opera-ción, las dilataciones y contraccio-nes del metal y la radiación solarincidente. Los colectores fabricadoscon polímeros incorporan, en sucomposición química, compuestosque los protegen contra la acción delos rayos ultravioleta (anti-UV)permitiendo mantener sus caracte-rísticas constructivas y enlentecer elenvejecimiento que provocan estosrayos

Manual


e) Aislamiento térmico

La necesidad de utilización decolectores cerrados con aislamientotérmico está asociada a lascondiciones climatológicas de laregión donde se instalarán. En

regiones frías o con incidencia devientos fuertes se opta por utilizarcolectores cerrados, con el objetivode minimizar las pérdidasconvectivas del colector paragarantizar una mayor eficiencia enun área menor de captación.

9.2. Subsistema de acumulación - Piscina

De la misma forma que en elsistema de calentamiento solar debaño, formado por colectoressolares y tanque acumulador, elsistema de calentamiento solar depiscinas también presenta su“tanque” representado por lapiscina. Actualmente es posibleencontrar piscinas en diferentesformatos y materiales; siendo los

más tradicionales la albañilería, elvinilo y la fibra de vidrio.

Para determinación delnúmero de colectores necesariospara alcanzar la temperaturadeseada en la piscina, además delas condiciones climatológicas esnecesario observar los aspectosdetallados a continuación.

9.2.1. Área de la piscina

Para determinación del áreatotal de la piscina, se asocia elformato de la piscina con una o más

figuras geométricas de áreaconocida, es decir:

Figura 9.2 Figura 9.3 Figura 9.4 Figura 9.5Cuadrado Rectángulo Triángulo Circunferencia

169

Manual



Calcule el área aproximada de la piscina presentada a continuación:

El primer paso paradeterminar el área de piscinas conformatos irregulares es subdividirla

en dos o más figuras geométricasde área conocida. Así, se obtiene:

Área del rectángulo 1:A1 = b x hA1 = 4 m x 2 m A1 = 8,00 m²

Área del triángulo 2:A2 = (b x h)/2A2 = 1,3m x 1m / 2A2 = 0,65 m²

Área de la circunferencia 3:A3 = p x d ²/4A3 = 3,1416 x 3 ²/4A3 = 7,07 m²

El área total será la suma de lasáreas de A1, A2 y A3.

Área de la piscina = 8,00 +0,65 + 7,07 = 15,72 m²

Para determinación delvolumen basta multiplicar el áreatotal encontrada por la profundidadmedia de la piscina.

Manual


9.2.2. Tipo de piscina

Como se dijo anteriormente,es posible observar que se utilizandiversos tipos materiales en laconstrucción de una piscina, peroque poco afectan en eldimensionado del sistema decalentamiento solar. Sin embargo elambiente en el que se encuentra lapiscina influye mucho en ladeterminación del área recolectorapara calentamiento de la misma

En función de ese aspectoconstructivo es posible clasificar laspiscinas de tres formas:

a. Piscinas abiertas

Ese tipo de piscina se caracterizapor no presentar ningún tipo decubierta, que favorece el aumentodirecto de radiación incidente en lasuperficie de la piscina.

b. Piscinas abiertas ycubiertas

Ese es el peor tipo de piscinapara calentamiento, pues no permitela incidencia de la radiación solar enla superficie del agua, sin embargopermite que el aire circule sobre lapiscina, aumentando las pérdidaspor evaporación y convección.

c. Piscinas cerradas

Este tipo de piscina esfavorable para el sistema decalentamiento solar, pues aunque nopermita aumentos directos deradiación tampoco permite que lavelocidad del aire circulante sobrea piscina sea intensa, minimizandosensiblemente las pérdidas porevaporación de la piscina.

9.2.3. Temperaturas de funcionamiento de una piscina

Un factor determinante en eldimensionado de un sistema decalentamiento solar para piscinas esla definición de la temperatura delagua de acuerdo con la aplicaciónde su uso. La temperatura deutilización de la piscina tiene graninfluencia en el dimensionado delárea recolectora ideal y, al contrariode lo que muchos piensan, la

relación entre la temperatura de usoy el área captadora no es lineal.Elevar en 1ºC la temperatura de unapiscina requiere una cantidad deenergía mucho mayor de lo que seimagina, como puede verificarse enel gráfico a continuación.

171

Manual


Figura 9.6 – Relación de área recolectora x aumento de la temperatura

Por ese motivo es necesariotener mucho cuidado en el momentode elevar la temperatura deutilización de la piscina para que nohaya el riesgo de frustrar al usuario.A continuación se presentanalgunas sugerencias:

térmica tiene la función de conservarla temperatura de la piscina en lamedida en que las pérdidas porevaporación (aproximadamente el70% de las pérdidas térmicas de lapiscina) se reducen.

Piscinas de entrenamiento: 26º C;Piscinas de clubes: 28ºC a 30ºC;Piscinas residenciales y gimnasios:30ºC a 32ºC;Piscinas de fisioterapia y SPAs: 32º C.

Uso de la Capa Térmica

La utilización de la capatérmica en piscinas es una medidaefectiva de conservación de energía,reducción de costo operativo y tienerelación directa con el dimensionadodel área recolectora. La capa

Figura 9.7 – Capa térmica

Manual


Además, la reducción de latasa de evaporación resulta en lareducción de la cantidad deproductos químicos utilizados en eltratamiento de la piscina.

Actualmente existen diversosmodelos de capas térmicas en elmercado, siendo más utilizados lasde tipo plástico burbuja conprotección anti-UV.

9.2.4. Detalles constructivos

Una de las mayoresdificultades en la implantación de unsistema de calentamiento solar parapiscina está relacionada a losproblemas hidráulicos que sediscutirán a continuación. Noobstante, es importante que durantela construcción de la piscina lastuberías de rejilla de fondo y bocalesde retorno estén correctamentedimensionadas para recibir elsistema de calentamiento solar.

a. Dispositivos de succióny retorno

En piscinas aún en etapa deproyecto es posible prever bocalesindependientes para succión yretorno del sistema decalentamiento solar.

De acuerdo con la norma NBR10339/1998, es necesario:

- Agregar un bocal de retornopara cada 50m² de superficie deagua o un bocal para cada 50 m³ deagua, optando siempre por la mayorcantidad obtenida, siendo dos comomínimo.

- Colocar los bocales tomandoen cuenta el esquema de circulacióndel agua en la piscina,concentrándose el mayor número debocales en las regiones más rasaso donde haya tendencia deestancamiento del agua.

Instalar los bocales de retornoentre 30 cm y 50 cm del nivel delagua.

Figura 9.8 - Ejemplos de ubicación dedispositivos de succión y retorno

173

Manual


b. Tubería independiente:

Además de prever rejilla defondo y bocales de retorno para elsistema de filtrado, la piscina seconstruye con rejilla de fondo ybocales de retorno específicos ydebidamente dimensionados parael sistema de calentamiento solar.Esta es la medida más correcta quepuede tomarse en piscinascomerciales de gran porte, donde elsistema de calentamiento solar seimplantará de forma totalmenteindependiente del sistema defiltrado.

c. Tubería dependiente:

La rejilla de fondo y los bocalesde retorno previstos para el sistemade filtrado de la piscina seaprovecharán por el sistema decalentamiento solar. Esta situaciónes muy común en piscinas

residenciales de pequeño porte. Sinembargo, es fundamental que latubería dimensionada para elcaudal de filtrado (rejilla de fondo ybocales de retorno) también seacompatible con el caudal delsistema de calentamiento solar,pues el filtrado y el calentamiento dela piscina se realizan al mismotiempo y utilizando la misma bombahidráulica. Existen también loscasos de piscinas donde lasbombas hidráulicas de filtrado ycalentamiento solar seránindependientes. En estos casos esfundamental que la tuberíadimensionada sea compatible conel caudal del sistema de filtrado ycalentamiento solar al mismotiempo. Este segundo caso es muycomún en piscinas comerciales degran porte donde no estaba previstauna tubería independiente para elsistema solar.

9.3. Subsistema de circulación ycomando

El subsistema de circulación ycomando corresponde a losequipos responsables por lacirculación en los colectores y losdemás componentes para control ycomando del sistema.

9.3.1. Circuito Hidráulico

El circuito hidráulico es elmedio de interconexión entre elcolector solar y la piscina. Estainterconexión puede realizarse de

Manual


varias forma, en función de lasdificultades presentadas por lainstalación para inserción delsistema de calentamiento no sealteran. Son ellos:

a) Bomba Hidráulica:

En este tipo de aplicación nohay posibilidad de instalación delsistema solar por circulación naturalo termosifón. En todos los casos sebombea (circulación forzada),puesto que las pérdidas de cargason mayores y normalmente loscolectores están posicionados porsobre la piscina. En sistemas decalentamiento solar residencial(pequeño porte) es común usar lapropia bomba hidráulica de filtradopara circulación de agua en loscolectores solares. En sistemas decalentamiento solar comercial (granporte) generalmente se utiliza unabomba hidráulica independiente yexclusiva para circulación de aguaen los colectores solares. Esimportante que la bomba presentefiltro previo o que pueda adaptarseal circuito hidráulico, pues reduce laposibilidad de taponamiento de loscolectores. Para dimensionar labomba hidráulica es necesariocalcular la altura manométrica de lainstalación y el caudal de proyectode los colectores.

b) Tubería:

El PVC resiste a temperaturaspróximas a 40ºC sin sufrirdeformaciones, es atóxico, esresistente a la intemperie,y a losagentes químicos del agua, por lotanto es el tipo de tubería másutilizada en instalaciones decalentamiento solar para piscinascon colector solar plano abiertopolimérico. Debido al rango detemperatura de operación, no haynecesidad de aislamiento térmico.En una instalación de calentamientosolar, la tubería se divide en: tuberíade alimentación, interconexión yretorno de los colectores. En la tabla9.1 se especifican los caudalesmáximos permitidos en las tuberíasde PVC respetando la velocidadmáxima de 2,5 m/s. La experienciapráctica muestra que caudales convelocidad superior a 2,5 m/s pasana generar serios problemas devibración a lo largo de la tubería, porlo tanto, es importante respetar loslímites presentados en esa tabla.

175

Manual


Tabla 9.1 – Caudales máximos recomendados para tubería de PVC.

En sistemas de calentamientosolar de piscina, generalmente seconfigura el sistema de tal formaque, al desconectarse permita queel agua existente en los colectoresregrese a la piscina dejándolosvacíos y, consecuentemente,protegidos contra los efectos delcongelamiento. Sin embargo, estedrenaje solamente es posible através de la utilización de lasválvulas rompe-vacío que, como lodice el nombre, evitan la formaciónde vacío dentro del colector solarpermitiendo la entrada de airedurante el drenaje del sistema.

9.3.2. Drenaje automático (Drain-back)

En instalaciones donde laconfiguración del sistema no permiteque ese proceso ocurranaturalmente, se recomienda lainstalación de registros en loscolectores o en su circuito hidráulico,permitiendo que esa operación serealice manualmente en el períodode invierno o en épocas del añosusceptibles a heladas.

La situación presentadaanteriormente es válida solamentepara colectores abiertos cuyastuberías no soporten la expansióncausada por el congelamiento del

Manual


agua en su interior. Cuando seutilizan colectores cerrados en lainstalación, el proceso es inverso, esdecir, se crean a través de sifones ydispositivos hidráulicos, formas dehacer que los colectorespermanezcan llenos en el momentoen que la bomba hidráulica sedesconecte. En ese caso la

protección anticongelamiento serealiza por el controlador diferencialde temperatura que accionará labomba hidráulica, haciendo circularel agua de la piscina en loscolectores, en los casos en que éstoslleguen a temperaturas próximas alas de congelamiento.

El fluido de trabajo másutilizado en sistemas decalentamiento solar de piscina es elagua. Cabe destacar que la formade tratamiento de la piscina y losagentes químicos utilizados paragarantizar las condiciones dehigiene y seguridad a los usuariosdeben ser analizados para verificar

9.3.3. Fluido de trabajo

alguna restricción con los materialesutilizados en los colectores solares.

Cuando, por algún motivo,exista una incompatibilidad entre eltratamiento de la piscina y el colectorsolar, es posible optar por el uso defluidos térmicos, calentando el aguade la piscina de forma indirecta através de intercambiadores de calor.

9.4. Calentamiento auxiliarEl sistema de calentamiento

solar, cuando está dimensionadocorrectamente, puede suplir lamayor parte de la demanda deenergía para el calentamiento deuna piscina. No obstante, los mesesde invierno o períodos prolongadosnublados, el sistema decalentamiento solar no será capazde alcanzar la temperatura deseadadel agua, siendo necesario un

sistema de calentamiento auxiliarcon el objetivo de complementar laenergía no suministrada por loscolectores. Los sistemas decalentamiento auxiliar máscomúnmente utilizados son los quefiguran en la tabla 9.2.

177

Manual


Tabla 9.2 – Tipos de sistemas auxiliares más utilizados con sus respectivasfuentes de energía

La implantación de un sistemade calentamiento auxiliar esnecesaria cuando el mantenimientode la temperatura del aguaconstante es indispensable, comoes el caso de clubes y piscinas detratamiento médico, etc.

En piscinas residenciales,normalmente el usuario no utiliza elcalentamiento auxiliar por no tenerel hábito de utilizar la piscina losmeses más fríos, por una cuestiónde ahorro en el costo operativo dela piscina o como medida dereducción de la inversión inicial.

a. Bomba de calor

La bomba de calor es unequipo eléctrico que logra altaeficiencia térmica con un consumoreducido de energía. Este equipo seestá utilizando ampliamente comoapoyo al sistema de calentamientosolar, pues además de lascaracterísticas presentadasanteriormente, son de fácilinstalación.

En una instalación solarconvencional de calentamiento depiscinas, la bomba de calor seinterconecta en serie al sistema y seinstala en la tubería de retorno a lapiscina, como se muestra acontinuación.

Manual


Figura 9.3 - Asociación de una bomba de calor al sistema de calentamiento auxiliar

Deben verificarse lasespecificaciones de instalación delequipo con el fabricante de labomba de calor.

b. Calentadores de paso

Estos calentadores, cuando seutilizan como apoyo alcalentamiento solar de piscinas,también se conectan en serie alsistema.

c. Generadoras de aguacaliente

De la misma forma que labomba de calor, la utilización degeneradoras de agua caliente ocalderas como complemento al

sistema de calentamiento solartambién es muy común. Lascalderas, generalmente, seinterconectan en serie al sistema decalentamiento solar y deben seguirrigurosamente las especificacionesde instalación del fabricante y lasnormas pertinentes a suimplantación.

179

Manual


9.5 Balance de energía de una piscinaEl área superficial y volumen

de la piscina tendrán gran utilidaden el dimensionado del sistema decalentamiento solar, dependiendodel método que se utilizará. Los dosmétodos más conocidos son:

• Método de Cálculo dePotencia: comúnmente utilizadoentre las alternativasconvencionales de calentamientode piscina (calentadores a gas,diesel, eléctrico, leña, etc.) consisteen dimensionar la potencia ycantidad de calentadores porutilizarse a partir del análisis delvolumen de agua por calentarse,aumento de temperatura y tiempodeseable para que el calentamientoocurra. Este método dedimensionado es muy poco usualen sistemas de calentamiento solarde piscina, pues parte de la premisade que el tiempo necesario para queocurra el aumento de temperaturaen la piscina sea el mínimo posible.Para ello, el sistema solardimensionado necesitará tener

elevada potencia, gran árearecolectora y, obviamente, un altocosto de inversión. En este métodoel cálculo del volumen de la piscinatiene mayor importancia que el áreasuperficial.

• Método de Reposición de lasPérdidas Térmicas: método másadecuado de dimensionado desistemas de calentamiento solarpara piscinas. Consiste básicamenteen dimensionar un área recolectoracon potencia tal capaz de producirenergía suficiente para, diariamente,reponer las pérdidas térmicas de lapiscina caliente. Para llegar aldimensionado de la cantidad idealde colectores solares se realiza unbalanceo energético, relacionandolas pérdidas y aumentos de energíatérmica en la piscina. En estemétodo el cálculo del áreasuperficial de la piscina tiene mayorimportancia que el volumen, pues lamayor parte de las pérdidas deenergía de una piscina ocurre por susuperficie, como es posible ver acontinuación.

Manual


9.5.1 Pérdidas de energía

Figura 9.4. Pérdidas de energía en una piscina

• Pérdida por Evaporación:responsable por el 60% al 70% dela pérdida térmica de una piscinacaliente. Consiste en el paso deagua, ubicada en la superficie de lapiscina, del estado líquido al estadogaseoso. Es el principal mecanismode pérdida de calor de una piscinay tiene relación directa con lavelocidad del viento, temperaturaambiente y humedad relativa delaire. Debe prestarse especialatención a la velocidad del viento,que es directamente proporcional ala pérdida por evaporación y,consecuentemente tieneimportancia relevante en eldimensionado del área recolectora.

• Pérdida por Convección:ocurre cuando hay movimiento decorrientes de aire bajo la superficiede la piscina. La capa de aire fríoque se desplaza bajo la superficiede la piscina se calienta por elcontacto con la capa superficial deagua y enseguida da lugar a otra

capa de aire frío. La pérdida porconvección también es directamenteproporcional a la velocidad delviento y puede representar hasta un20% de las pérdidas térmicas. Seduplica la pérdida por conveccióncuando se duplica la velocidad delviento.

• Pérdida por Radiación: laspiscinas irradian energía térmicadirectamente al cielo. Este es otroimportante mecanismo de pérdidatérmica y puede sobrepasar el 10%de la pérdida de energía térmicatotal de una piscina caliente.

• Pérdida por Conducción:ocurre a través de la transferencia decalor entre el agua de la piscinaenterrada y el suelo u hormigón quecircunda sus laterales y fondo. Elsuelo seco y el hormigón sonrelativamente buenos aislantestérmicos, que hace que la pérdidatérmica por conducción sea muypequeña. En el caso de piscinas

181

Manual


desenterradas, la pérdida porconducción es mayor, sin embargoaún es muy pequeña al compararlaa los demás mecanismos de

pérdida de energía, nosobrepasando, en la mayoría de loscasos un 5%.

9.5.2. Ganancias de energía

Figura 9.5. Ganancia de energía en una piscina

• Ganancia Directa deEnergía: consiste en el aumentodirecto proporcionado por laradiación solar que incide directa-mente bajo la superficie del agua dela piscina. Se estima que aproxima-damente un 75% de esta energía seabsorbe y un 25% se refleja.

• Ganancia del CalentamientoSolar: consiste en la energía solarabsorbida por los colectores solares,transformada en energía térmica ytransferida al agua de la piscina.Existen diferentes alternativas decolectores solares que puedenutilizarse para esta aplicación, comofue tratado en el ítem 9.1.1

• Ganancia por elCalentamiento Auxiliar: se utilizapara complementar elcalentamiento en situaciones dondeel bajo nivel de radiación solarincidente no permite que el sistemade calentamiento solar atienda lademanda energética de la piscina.Las alternativas más comunes son:bombas de calor (eléctrico),calentadores de paso a gas (GLP ogas natural) y generadoras de aguacaliente (GLP, diesel o leña).

Manual


9.5.3. Balance de Energía

Después de definir losmecanismos de pérdida y aumentode energía térmica de la piscina, esnecesario realizar el balance deenergía, cuyo objetivo es cuantificar

la energía que el sistema decalentamiento solar deberá reponerdiariamente a la piscina. Para ello,sabemos que:

(9.1)

Sustituyendo la ecuación 9.2 en la 9.4, se obtiene:

Aislando el aumento de energía proveniente del calentamiento solar,se obtiene:

Ganancia de Energía en la Piscina = Ganancia directa + Ganancia Cal. Solar + GananciaCal. Auxiliar

Pérdida de Energía en la Piscina = Perdida por evaporación + Pérdida Convección +Pérdida Radiación + Pérdida Conducción

(9.3)

Para que haya un balance de energía, se parte del siguiente principio:

Pérdida de Energía en la Piscina - Ganancia de Energía en la Piscina = 0

Pérdida de Energía en la Piscina = Ganancia de Energía en la Piscina

(9.2)

(9.4)

Pérdida de Energía en la Piscina = Ganancia directa + Ganancia Cal. Solar + GananciaCal. Auxiliar

Ganancia Cal. Auxiliar = Pérdida de Energía en la Piscina - Ganancia directa - GananciaCal. Auxiliar

(9.5)

(9.6)

183

Manual


9.6 Proyecto de un sistema decalentamiento solar para piscina

El diagrama presentado acontinuación describe, paso a paso,las etapas de un proyecto deimplantación de un SCS-Piscina. Laetapa de instalación está entre lasetapas 5 y 10, que se detallarán acontinuación.

En un proyecto decalentamiento solar de piscinas sereúnen conceptos de granimportancia de las áreas deingeniería térmica e hidráulica que

son fundamentales para retirar delcolector solar el máximo deeficiencia posible. En este módulo,se tratarán los métodos paraagrupación de colectores,interconexión entre agrupaciones,dimensionado de tubería,interconexión con la casa demáquinas y calentamiento auxiliar.Todo eso con énfasis en los puntosde mayor relevancia de cada etapadel proceso.

El Proyecto y su Importancia

El proyecto tiene granimportancia en la cadena productivadel calentador solar, pues garantizauna correcta instalación, reducecostos en función de la soluciónoptimizada, facilita la planificaciónde la ejecución de la instalación y

permite retirar el máximo derendimiento posible del colectorsolar. Por ello, es importantedestacar que los sistemas decalentamiento solar puedenclasificarse como:

a. Sistema de Calentamiento Solar de Pequeño Porte:

Se refiere al calentamiento depiscinas pequeñas, residenciales einfantiles donde el área recolectorautilizada y complejidad de

instalación son menores.Normalmente no hay necesidad deproyecto hidráulico en función de lasimplicidad de instalación.

Manual


b. Sistemas de Calentamiento Solar de Gran Porte:

Se refiere al calentamiento depiscinas grandes, muy común enclubes, donde siempre es necesariala elaboración de un proyecto

ejecutivo en función de la gran árearecolectora y mayor complejidad deinstalación.

9.6.1. Diagrama de implantación de un SCS-Piscina

185

Manual


9.6.2. Visita Técnica al local de la instalación

La primera medida que debetomarse para elaboración de unproyecto de sistema decalentamiento solar es conocer ellocal de instalación del equipo.

Durante esta visita técnica, existenalgunas informaciones de granimportancia que deben analizarse.Estas son las siguientes:

a. Local de Instalación de los Colectores:

De nada sirve dimensionarcorrectamente un sistema decalentamiento solar si no hayespacio disponible parainstalación del equipo. Por lo tanto,es fundamental “subir al tejado” yverificar si el espacio es suficientepara la ubicación del número decolectores dimensionados. Esteanálisis también puede realizarsea través de los proyectos deconstrucción de la obra, sinembargo es importante subrayarque no siempre la práctica está enconformidad con lo que está en el

proyecto, principalmente en obrasmás antiguas. De esa forma, essiempre más seguro verificar elespacio disponible “in situ”.Además, es importante analizar eltipo y la resistencia estructural dellocal donde se instalarán loscolectores. Como antedicho, laorientación del tejado en relación alnorte geográfico, inclinación ysombra son tres factores de granrelevancia que también debenverificarse para que sea posibleretirar el máximo de eficiencia delcolector solar.

b. Distancia entre Colectores y Sala de Máquinas:

Fundamental para el dimen-sionado de la bomba hidráulica,pues cuanto mayor es la distancia,más potente deberá ser la bomba ymayor serán las pérdidas térmicasen la tubería. En términos prácticos,no hay una limitación muy bien

definida respecto a la distanciamáxima entre colectores y casa demáquinas. Sin embargo, esprudente duplicar los cuidados eninstalaciones donde la distanciasobrepasa los 100 metros.

c. Sala de Máquinas:

Cuando existe la oportunidadde participar del proyecto de la sala

de máquinas, la inserción delcalentador solar es bastante sencilla.

Manual


Sin embargo, infelizmente noes esta la realidad que se encuentraen la práctica. En la mayoría de loscasos, la piscina y sala de máquinasya están listas y no fueronpreparadas para recibir elcalentamiento solar y, por eso, setornan los puntos de mayorcomplejidad de una instalación decalentamiento solar. En función deello, es de fundamental importanciaverificar, en la visita técnica, eldiámetro de la tubería provenientede la rejilla del fondo de la piscina,diámetro de la tubería de

alimentación de los bocales deretorno, potencia de la bombahidráulica de filtrado, tiempo defiltrado y posibles locales por dondepodrá pasar la tubería dealimentación y retorno de loscolectores. Todas estasinformaciones también se analizaránpor el lado del sistema decalentamiento solar y, para que lainserción en la casa de máquina seatécnicamente posible, deberá habercompatibilidad entre lasinformaciones.

d. Alimentación Eléctrica:

Como ha sido dicho anterior-mente, todos los sistemas decalentamiento solar de piscinas sonbombeados, por lo tanto es

importante verificar el tipo de alimen-tación eléctrica de la obra para quese proyecte el tablero de comandoeléctrico de forma compatible.

9.6.3. Diseño Hidráulico de los Colectores

En un proyecto de diseñohidráulico de los colectores esnecesario, primero, definir lainterconexión hidráulica entre loscolectores y, posteriormente, definir

la interconexión hidráulica entreagrupaciones o baterías decolectores. Para ello, existen criteriosy observaciones que deberántomarse en cuenta.

a. Interconexión Hidráulica entre Colectores Solares

La interconexión entrecolectores es bastante sencilla ypráctica, sin embargo no deberealizarse sin criterios. Es decir, paracada proyecto de colector solar haysiempre un límite máximo decolectores que puedeninterconectarse entre sí y esta

información debe ser siempredivulgarla por el fabricante delcolector solar.

La preocupación en limitar lacantidad de colectoresinterconectados en una mismabatería está relacionada con los

187

Manual


aspectos hidráulicos de lainstalación. El colector solar depiscina se proyectó para garantizaruna distribución hidráulicahomogénea entre los tubos deelevación y esta característicatambién debe mantenerse cuandose trata de baterías de colectores. Elagua, como cualquier otro fluido,

siempre busca el recorrido mássencillo para escurrir. La experienciapráctica muestra que en baterías decolectores muy grandes el agua nollena totalmente los colectores delcentro de la batería, prefiriendopasar directamente por la tuberíaprincipal.

b. Interconexión Hidráulica entre Batería de Colectores

El recurso de interconexiónhidráulica entre baterías decolectores se utiliza exactamentecuando el número de colectoresdimensionados sobrepasa el límitemáximo de colectores por bateríasespecificadas por el fabricante ocuando el espacio disponible nopermite que los colectores seinstalen en una única batería.Independiente de la forma cómo seinterconectarán las baterías de

colectores, es importante quesiempre se dividan en bateríasiguales, es decir, con el mismonúmero de colectores. De estaforma se garantiza que el caudal detrabajo será el mismo en todas ellasy, consecuentemente, la eficienciatérmica de la instalación será mayor.En estos casos, las baterías decolectores pueden interconectarseentre sí, de las siguientes formas:

Interconexión en Serie:

La tubería de alimentación seconecta solamente en una de lasbaterías, que a su vez se conecta ala batería siguiente hasta que laúltima batería se conecte a la tuberíade retorno. Fíjese en la figura acontinuación que la interconexión

entre baterías se realiza paraconectar la salida de agua calientede una batería a la entrada de aguafría de la batería siguiente. Ademásla válvula rompe-vacío se instalasolamente en la tubería de retorno,en la última batería de la serie.

Figura 9.6 Interconexión entre baterías en serie.

Manual


Interconexión en Paralelo:

La tubería de alimentación yretorno se conecta en todas lasbaterías al mismo tiempo. La válvula

rompe-vacío se insta después de launión de las baterías y siempre enel punto más alto de la instalación.

Figura 9.7- Interconexión entre baterías en paralelo

Esta modalidad de instalaciónes muy utilizada en sistemasresidenciales y, en este caso el árearecolectora de interés para cálculode caudal es igual al árearecolectora total.

No obstante, también haycriterios para su utilización. Estoscriterios están relacionados alaspecto hidráulico de la instalación.La experiencia práctica muestra quela interconexión de baterías decolectores en paralelo donde seutiliza un extenso número dederivaciones de alimentación

presenta una gran dificultad enmantener la uniformidad oconstancia del caudal en todas lasbaterías de colectores. Por esemotivo, las baterías de los extremosson favorecidas y las del centroperjudicadas.

El desequilibrio hidráulicoprovocado por el exceso de bateríasen paralelo compromete laeficiencia térmica de la instalaciónsolar. Por ello se recomienda trabajarcomo máximo con 3 baterías enparalelo y así en adelante.

Interconexión Mixta:

Muy utilizada en proyectos desistemas de calentamiento solar depiscinas de gran porte. Como elpropio nombre lo dice, se trata deuna mezcla entre las dosmodalidades discutidas anterior-mente: serie y paralelo.

Generalmente, lainterconexión entre baterías seexplota al máximo en la modalidaden serie y, después de agotar lasposibilidades, empieza el estudiode posibilidades de interconexionesen paralelo.

189

Manual


9.6.4. Otros Aspectos Importantes en la Distribución Hidráulicade los Colectores Solares y Baterías de Colectores Solares

Además de lo discutidoanteriormente, es importante alertarsobre algunos puntos que puedenhacer la diferencia entre un sistema

de calentamiento solar eficiente y unsistema de calentamiento solareficaz. Son los siguientes:

a. Equilibrio Hidráulico entre Alimentación y Retorno:

Los colectores o baterías decolectores deben instalarse paragarantizar equilibrio hidráulico entreellos, es decir, el circuito hidráulicono puede generar preferencia y así,desequilibrar hidráulicamente elsistema.

El agua siempre busca elrecorrido de menor esfuerzo para sudesplazamiento, por ese motivo elcircuito hidráulico tiene la función degarantizar que el agua alimentetodos los colectores o baterías decolectores uniformemente.

b. Drenaje de los Colectores Solares:

El circuito hidráulico debeproyectarse para permitir el drenajede los colectores y tubería cuandola bomba hidráulica se desconecta.El drenaje del sistema solar es

importante para evitar el sobre-calentamiento del agua, que puedecomprometer la tubería de PVC.Además, es una forma de alargar lavida útil de los colectores solares,

c. Simplicidad en el circuito hidráulico en la tubería:

El circuito hidráulico debe serlo más simplificado posible, parareducir las pérdidas de carga delsistema. El recorrido más largo delcircuito hidráulico debe conectarse

a la tubería de alimentación,quedando el trayecto más corto paralos colectores de retorno, cuyoobjetivo es reducir las pérdidastérmicas del sistema.

9.6.5. Distribución Hidráulica de la Casa de Máquinas

El proyecto hidráulico deinserción del sistema solar en la casade máquinas es sencillo, siempre ycuando se haya previsto en la etapade proyecto y construcción de la

piscina. Lo que torna la casa demáquina compleja es proyectar lainserción del sistema solar cuandoéste no fue previsto en laconstrucción de la piscina.

Manual


9.6.5.1. Alimentación y Retorno de los Colectores Solares

La tubería de alimentación yretorno de los colectores puedeinsertarse en la casa de máquinasde varias formas, cada una

adecuada a una situaciónespecífica. Las alternativas máscomunes son:

a. Utilizar la Bomba de Filtrado:

Alternativa más comúnrecomendada para instalaciones depequeño porte donde el tiempo defiltrado es inferior a 8 horas y elcaudal y presión de trabajo sonbajos, de forma que el riesgo de

daños al filtro es muy pequeño. Eneste tipo de instalación la mismabomba hidráulica alimenta elsistema de filtrado y decalentamiento solar al mismotiempo. Vea la siguiente figura.

Figura 9.8. Interconexión utilizando la misma bomba del filtrado

Como fue visto anteriormente,se instala una válvula de retencióndespués del filtro cuya función esevitar el “golpe de ariete” en el rotorde la bomba en el momento en quese desarma. Además, la válvula de

retención tiene la función de evitarretorno de agua hacia adentro delfiltro, provocando retrolavadodurante el drenaje del sistema solar.La válvula entre los tubos dealimentación y retorno de los

191

Manual


colectores debe permanecersiempre cerrado, obligando a que elagua pase por los colectores antesde regresar a la piscina. El by-passpermite el drenaje de los colectoresy generalmente está en tuberías deØ20mm PVC.

En instalaciones de este tipo,es fundamental verificar si la tuberíade la rejilla de fondo, potencia de labomba hidráulica y caudal defiltrado son compatibles con elsistema de calentamiento solar.

b. Bomba de Circulación Independiente:

Se utiliza en sistemas decalentamiento solar de gran porte,donde el tiempo de filtrado essuperior a 8 horas e inferior a 16horas. Normalmente en estos casos,la tubería proveniente de la rejilla defondo no es capaz de atender a los

caudales del sistema de filtrado ydel sistema solar al mismo tiempo.De esa forma, la prioridad deaccionamiento durante el día es delcalentamiento solar, realizándose elfiltrado durante la noche. Vea lasiguiente figura

Figura 9.9. Interconexión utilizando bombas independientes

En este tipo de sala demáquinas se instala una válvula deretención en la impulsión de la

bomba hidráulica del sistema solar,cuya función es evitar el “golpe deariete” en el momento en que se

Manual


desarma. Se instala también otraválvula de retención después delfiltro y tiene la función de evitarretorno de agua, provocandoretrolavado durante el drenaje delsistema solar. En instalaciones deeste tipo es fundamental verificar sila tubería de la rejilla del fondo escompatible con el caudal necesarioal sistema de calentamiento solar.

Sin embargo, existen salas demáquinas cuyo régimen de filtradode la piscina no para, es decir, dura24 horas por día. Naturalmente quecasos como estos son más comple-jos y exigen, además de una bombahidráulica independiente, un nivelde automatización mucho mayor, unequipo técnico con experiencia,capacitado y originalidad ensoluciones de ingeniería.

9.6.5.2. Dimensionado de la Bomba Hidráulica y Tubería

Para el dimensionado de labomba hidráulica y tubería delsistema de calentamiento solar es

necesario, primero, calcular elcaudal de proyecto con base en lasiguiente ecuación:

Caudal de Proyecto = 252 litros/h/m2 x Área Recolectora de Interés

Donde el área recolectora deinterés hace referencia al conceptode interconexión hidráulica entrebaterías de colectores en serie yparalelo. Basado en esta ecuaciónes posible calcular el caudal deproyecto en la alimentación,interconexión y retorno de loscolectores.

A partir de esta información, esposible especificar toda la tuberíadel circuito hidráulico. Para ellobasta verificar en la tabla decaudales máximos cual es la tuberíamás adecuada para cada tramo delsistema hidráulico.

Respecto al dimensionado dela bomba hidráulica. Después decalcular el caudal de trabajo, esnecesario calcular la alturamanométrica del circuito hidráulico,definir un proveedor para la bombay, a través de consulta al catálogotécnico (curva de la bomba)especificar la más adecuada.

El dimensionado de la bombahidráulica para una piscina sigue lamisma metodología dedimensionado presentada para elsistema de calentamiento solar debaño.

193

Manual


9.6.5.3. Interconexión Hidráulica del Sistema de CalentamientoSolar

La interconexión entre elsistema de calentamiento solar yauxiliar puede realizarse de variasformas y depende de lascondiciones de instalación, perfil de

utilización de la piscina y creatividaddel equipo técnico en encontrarsoluciones. A continuación están lasformas más comunes deinterconexión:

a. Utilizando la Tubería de Retorno del Filtrado:

Se aplica en casos de sistemade calentamiento solar de pequeñoporte, donde la presión y caudal detrabajo son bajos. La interconexióndel calentamiento auxiliar,normalmente se realiza en la tuberíade retorno del filtrado, después delretorno de agua caliente de loscolectores. De esta forma el agua dela piscina solamente pasa por elsistema de calentamiento auxiliardespués de haber pasado por elsistema solar. Es decir, la

preferencia para calentamiento de lapiscina siempre será del calentadorsolar. En caso la incidencia deradiación solar sea insuficiente, untermostato accionará el calentamien-to auxiliar que realizará el comple-mento de la temperatura. En casohaya necesidad de uso del calenta-miento auxiliar durante la noche, losregistros de alimentación y retornodel sistema solar deberán cerrarsey la bomba hidráulica deberátrabajar en el modo “manual”.

b. Utilizando Bomba Hidráulica Independiente:

En casos donde el clienteexige mayor nivel de confort en laoperación del sistema o en casosdonde el sistema de calentamientoauxiliar se activa por presostato,como por ejemplo, los calentadoresde paso a gas, se utiliza una bombaexclusiva para el sistema decalentamiento auxiliar, succionandoagua de la tubería proveniente de larejilla del fondo.

En este caso, el sistema decalentamiento auxiliar podráactivarse en cualquier momento, sinnecesidad de manejo de registros.Sin embargo, es fundamentalverificar si la tubería de la rejilla defondo es compatible con la suma delos caudales de la bomba de filtradoy bomba del calentamiento auxiliar.

Es importante destacar queestas son las soluciones más

Manual


comunes para inserción delcalentamiento auxiliar en el circuito

hidráulico del sistema solar, sinembargo no son las únicas.

9.6.5.4. Especificación del Tablero de Comando Eléctrico

Existen en el mercado diversasalternativas de tableros de comandoeléctrico para automatización de labomba hidráulica de circulación deagua en el sistema de calentamientosolar de piscinas, sin embargo lafunción básica de todos ellos es lamisma y siguen el mismo principiode funcionamiento.

Normalmente, todos presentanun controlador diferencial detemperatura con dos sensores detemperatura. Uno de los sensoresse instala en los colectores y el otroen la tubería proveniente de la rejillade fondo de la piscina, próximo a labomba. A través de la diferencia detemperatura entre los dos sensores,es decir, a través de la diferencia detemperatura entre los colectores y elagua de la piscina, el controladordiferencial de temperaturaadministra el funcionamiento de labomba hidráulica, que realiza o nola circulación de agua en loscolectores. De esta forma, el sistemasolar se torna inteligente,accionando la circulación de aguaentre los colectores siempre quehaya buena incidencia de radiaciónsolar. Además, el controladordiferencial de temperatura (la

mayoría) ofrece al usuario la opciónde ajuste de la temperatura decalentamiento deseada en lapiscina, interrumpiendo elfuncionamiento del sistema cuandose alcanza esa temperatura.

El sensor de temperatura delos colectores generalmente se fijaen el propio colector solar o en unade sus grapas de fijación.

Respecto al sensor detemperatura de la piscina, éste sefija en la tubería de la rejilla delfondo a través de una vainametálica, como muestra la figura enla página siguiente.

Se debe tener cuidado que elematerial de la vaina sea compatiblecon el tratamiento químico del agua,por ejemplo acero inoxidable 316para agua clorada.

195

Manual


Figura 9.10 – Posición de Sensores

Normalmente, los cables delos sensores son cortos y debido aeso, es necesario colocaralargadores. No obstante, el tipo decableado utilizado en losalargadores puede variar en funcióndel tipo de sensor y recomenda-ciones del fabricante del sistema decomando eléctrico.

La opción de programación dediferencial de temperatura recomen-dada para automatización de labomba hidráulica es la siguiente:

Diferencial de temperaturaentre colectores solares y piscinapara armar la bomba hidráulica decirculación: de 4 ºC a 3,5ºC.

Diferencial de temperaturaentre colectores solares y piscinapara desarmar la bomba hidráulicade circulación: de 2 ºC a 1,5ºC.

Es importante destacar queesta es una descripción sencilla delfuncionamiento de la funciónprincipal de un cuadro de comandopara calentamiento de piscina. Sinembargo, este cuadro puede sermás sofisticado en la medida en queel sistema de calentamientoempieza a tornarse más complejo ynecesitar soluciones técnicasespecíficas.

Manual


9.7. Instalación, Seguridad y Mantenimiento deSistemas de Calentamiento Solar - PISCINAS

La instalación de un sistemade calentamiento solar de piscina esrelativamente sencillo. Sin embargoes fundamental que el equipo deinstaladores haya pasado por unacapacitación técnica y estéconciente respecto a los puntosrelacionados con la seguridad. En

este módulo se tratarán los puntosde mayor relevancia en el procesode instalación de un sistema decalentamiento solar, cuidados con laseguridad, mantenimiento ysoluciones para los principalesproblemas.

9.7.1. Procesos Previos al Inicio de la Instalación

Este es el momento en que elequipo técnico debe planificar laejecución de la instalación decalentamiento solar. Generalmenteesta planificación empieza con unestudio detallado del proyectoejecutivo y seguido de una visitatécnica al local de la obra, dondetodos los puntos analizados en laetapa de proyecto se analizaránnuevamente, pero con el objetivo deverificar los recursos que seránnecesarios para la ejecución delservicio. Para ello se presenta acontinuación una lista deobservaciones que deben conside-rarse en esta etapa. Son ellas:

a. Seguridad en primer lugar.Antes de cualquier cosa esimportante certificarse que el local

donde se realizará la instalación esseguro y, a continuación, analizar eltipo de EPP (equipo de protecciónpersonal) que será necesario paragarantizar la protección del equipotécnico.

b. La facilidad de acceso allocal de instalación de los colectoressolares es muy importante. En casoque haya dificultades, es importanteprever la construcción de andamiosy/o pasarelas de acceso

c. Conozca el local deinstalación de los colectores solares.Verifique si habrá necesidad deconstrucción de soporte metálico y/o analice las alternativas parafijación de los colectores

197

Manual


d. Aunque ya se hayaverificado en la etapa de proyecto,es importante asegurar que el localno presenta problemas con relacióna sombra y que la orientación einclinación del local estánadecuadas

e. Conozca el recorrido entre lasala de máquinas y el local deinstalación de los colectores solaresy analice las alternativas de fijaciónde la tubería de alimentación yretorno y los posibles obstáculos,que deberán contornarse a lo largodel recorrido

f.Conozca la sala demáquinas, el espacio disponiblepara trabajar y las dificultades parala inserción del sistema solar.

g. Verifique si la lista dematerial hidráulico, accesorios yherramientas está completa. La faltade uno de estos ítems puederesultar en la paralización de la obra,atraso en el plazo de entrega ypérdida de tiempo.

No hay una regla predefinidaque prioriza etapas en laplanificación de ejecución de lainstalación de un sistema decalentamiento solar. Aunque seacomún que las instalacionesempiecen por los colectores solares,pasando por la tubería dealimentación y retorno de loscolectores y finalizando en la sala demáquinas.

9.7.2. Fijación de los Colectores Solares

Después de finalizar la etapade instalación hidráulica de loscolectores solares, es importanteque, antes de empezar la próximaetapa del proceso, se realice sufijación. De esa forma el equipo nocorre riesgos de ser llevado porvientos o temporales.

Algunos colectores solaresdisponibles en el mercado salen defábrica con los puntos de fijacióndefinidos en su propia estructura.

Para fijación de los colectoressolares se recomienda utilizaralambres de cobre o acerogalvanizado y abrazaderas o cintasperforadas de acero galvanizado.Además, es importante subrayarque los colectores solares deplástico presentan alto coeficiente dedilatación y por eso se recomiendaque la fijación se realice solamenteen el tubo maestro superior paradejar el tubo maestro inferior librepara la dilatación del material.

Manual


La fijación mal realizada de loscolectores solares puede causar laformación de “ondulaciones” en lasbaterías de colectores y causarinnumerables problemas depérdidas en la interconexiónhidráulica. Por ese motivo, la fijación

debe realizarse, como mínimo, entres puntos (extremos y centro) de loscolectores. Para ello, puedeutilizarse una regla de aluminio parafacilitar el alineamiento de la tuberíamaestra.

9.8. Puesta en Marcha de la Instalación

Al finalizar la instalación, esimportante que se realice unainspección general en la obra antesde considerar terminado el servicio.A continuación están los principalespuntos que deben ser verificarse:

a) Verifique si los registros yválvulas están ajustados einstalados correctamente, según laespecificación del proyectoejecutivo.

b) Verifique si la interconexiónhidráulica entre colectores y entrebaterías de colectores está correctay sin riesgos de pérdidas.

c) Verifique si el sistema dedrenaje está instaladocorrectamente.

d) Verifique si todo el circuitohidráulico está pegado y sin riesgosde pérdidas.

e) Verifique si todos loscolectores solares están fijadoscorrectamente.

f)Verifique si las válvulasrompe-vacío están instaladascorrectamente y si presentan algúntipo de problema.

g) Verifique si los sensores detemperatura están instaladoscorrectamente y si sus alargadoresestán bien hechos.

h) Verifique si el cuadro decomando eléctrico está instaladocorrectamente y si la alimentacióneléctrica de la obra es compatiblecon el cuadro.

i)Verifique si la programacióndel controlador diferencial detemperatura está correcta.

199

Manual


9.9. Mantenimiento

El mantenimiento de unsistema de calentamiento solar esextremamente sencillo, básica-mente preventivo y fundamentalpara el buen funcionamiento delequipo. Existen algunas recomen-daciones que son específicas decada fabricante de calentador solar,sin embargo, independientementese recomienda que el procedi-

miento de inspección presentadoanteriormente se repita a cada 6meses. Normalmente, las reventasespecializadas en calentamientosolar tienen equipos técnicoscapacitados para este tipo deprestación de servicio que,preferentemente, debe estarmarcado desde la entrega de laobra.

9.9.1. Problemas, Causas y Soluciones

La tabla que publicamos en lasiguiente página presenta losprincipales problemas, causas y

soluciones en instalaciones decalentamiento solar de piscinas.

Manual


201

Manual


Anexo 1

RADIACION SOLAR

Manual


CÁLCULO DE LA RADIACIÓN SOLARGLOBAL INCIDENTE SOBRE SUPERFICIEINCLINADA – PROMEDIO MENSUAL

Duffie y Beckman [1991]presentan, en detalles, variosmodelos de estimación de laradiación solar en sus componentesdirecta y difusa, para promedioshorarios, diarios y mensuales.

En el desarrollo de este curso,se adopta la metodología de cálculode la radiación global en promedio

mensual, puesto que este cálculopermite elegir la superficie de untejado más favorable a la instalaciónde los colectores solares, ademásdel ahorro anual resultante del usodel calentamiento solar.

La ecuación propuesta porDuffie y Beckman [1991] para el cieloisotrópico es:

Ecuación 4.13

Donde

Hr : Radiación solar globalincidente en el plano inclinado, enpromedio mensual.

H : Radiación solar globalincidente en el plano horizontal, enpromedio mensual.

DH : Radiación solar difusaincidente en el plano inclinado, enpromedio mensual.

gρ : Reflectancia del entornocercano del colector solar, cuyosvalores están en la tabla 4.2 acontinuación.

: Relación entre la radiaciónextra-terrestre incidente en el planoinclinado y en el plano, calculadapor la ecuación 4.14:

203

Manual


donde

´s : corresponde al ángulohorario aparente en que ocurre lapuesta del sol para una superficie

inclinada. Su valor para elHemisferio Sur se calcula por laecuación:

ω

En el Estudio de Caso A1 secalculó el ángulo horario de lapuesta de Sol para una determinadaciudad, correspondiente a la primeralínea de la matriz anterior. Ahora, estevalor se recalculará para una

determinada superficie inclinada deun ángulo ² en relación a lahorizontal, es decir, dependiendo desu inclinación la superficie puededejar de “ver” el Sol.

Ecuación 4.15

Ecuación 4.14

Estudio de Caso 4.11Ángulo horario aparente para una superficie inclinada

Determine la hora de salidadel Sol aparente para una superficieinclinada de 20º en relación a la

horizontal, instalada en una ciudadde Latitud = –15°, los días deSolsticio de Verano e Invierno.

ϕ

Manual


Solución

A continuación se presentanlas planillas Excel correspondientesa los cálculos solicitados. Como eneste programa las funcionestrigonométricas se calculan para losángulos expresos en radianes, seincluyeron esas conversiones.

a).- Solsticio de Verano: el Solestá al Sur de la ciudad. Por ello, lasuperficie inclinada no ve al Soldurante todo el período diurno. El

valor mínimo de s se determinapor la segunda línea de la matriz.

b).- Solsticio de Invierno: el Solestá ahora al Norte de la ciudad. Porello, la superficie inclinada ve al Soldurante todo el día, no siendonecesaria la corrección propuesta.Entonces el valor mínimo de s sedetermina por la primera línea de lamatriz.

ω

ω

205

Manual


Tabla 4.2 – Reflectancia de Materiales

Antes de continuar, sepresupone una evaluación detalladade las ecuaciones 4.13 y 4.14.

En relación al 1° Término de laEcuación 4.13:

Al reescribir la ecuación 3.4 alos valores mensuales de laradiación solar incidente, se obtiene:

BD HHH +=

Todos los términos de estaecuación se dividirán por laradiación global incidente en elplano horizontal en la forma:

1=+HH

HH BD

HH

HH DB −=1

o sea:

De esa forma se obtiene:

⎟⎟⎠

⎞⎜⎜⎝

⎛−=

HHHH D

B 1

(4.16)

(4.17)

(4.17)

(4.18)

El parámetro RB (ecuación4.13) permite la transformación de laradiación directa en el planohorizontal a la correspondiente en elplano de la superficie de trabajo. Porlo tanto, el significado físico del 1ºTérmino de la ecuación 4.13 es elvalor de la componente de laradiación directa incidente en el

Manual


βplano inclinado ° respecto a lahorizontal.

En relación al 2o y 3o Términosde la Ecuación 4.13:

Los términos entre paréntesiscorresponden a los factores deforma geométricos entre el planinclinado y el cielo (Fp-cielo) y entre lasuperficie y el suelo (F p-solo),respectivamente.

Estudio de A2Factores de Forma Geométricos

Determine los factores deforma geométricos entre unasuperficie inclinada de 30o y el cielo

(Fp-cielo) y entre esa superficie y elsuelo (F p-suelo).

SoluciónBasta sustituir el valor del ángulo = 30o en las respectivas ecuaciones:β

Es decir, debido a suinclinación de 30o, la superficie “ve”el 93,3% de la radiación proveniente

del cielo y sólo el 6,7% de laradiación traída del suelo.

Comentarios: Note que Fp-cielo+ Fp-suelo = 1.

207

Manual


Así, el segundo término de laecuación 4.13 significa la radiacióndifusa incidente en el plan inclinadoy proveniente del cielo, consideradoisotrópico. Mientras el tercer términocorresponde a la radiaciónproveniente del entorno cercano dela superficie (albedo) dada por el

producto entre la radiación globalincidente y la reflectancia delentorno corregida por el factor deforma geométrico entre el suelo y elplan inclinado. Los tres términos dela ecuación 4.13 están en separadorepresentados en la Figura 4.20.

Fig. 4.20 Componentes de la radiación solar. Fuente ADEME 2000

A continuación, se presenta el“paso a paso” de la metodología decálculo de la radiación solar global

incidente en el plan inclinado, enpromedio mensual.

Paso 1 - Cálculo de la radiación solar extraterrestre - Ho

Manual


Paso 2 - Cálculo de la radiación solar global incidente en el planohorizontal - H

En el caso que esa informaciónno esté disponible en AtlasSolarimétricos, se recomienda su

estimativa por el Modelo de Bennett[1965]. Su ecuación es expresa por:

Donde:

a, b, c: coeficientes empíricosdeterminados desde datos

observados y datos en la Tabla 4.3que se incluye a continuación

Tabla 4.3 - Coeficientes empíricos de correlación de Bennett Modificada

209

Manual


Paso 3 - Cálculo de la radiación solar difusa incidente en el planohorizontal - HD

Modelos más comunes paradecomponer la radiación solar ensus componentes directa y difusa, se

basa en el índice de claridad enpromedio mensual KT, definido porla ecuación:

ωωωωω

Donde: H es la radiaciónglobal diaria media mensual y Hºes la radiación extraterrena, ambasincidentes en superficie horizontal yya definidas anteriormente.

Collares-Pereira y Rabi, citadospor Duffie y Beckman (1991),propusieron una forma de calcularla media mensual de la componentedifusa, sobre la base de la mediamensual del índice de claridad.

Hd/H = 0,775 + 0.00606( s – 90) – [0,505 + 0,00455 *( s – 90) ] * cos( 115KT – 103)ωωωωω

Paso 4.- Cálculo de la razón RB con la ecuación 4.13Paso 5.- Cálculo de HT con la ecuación 4.14

ωωωωω

Nota: en la Ec. 4.22, Hd, H y KT, son medias mensuales de losrespectivos valores que representan.

( s – 90)

(4.22)

Manual


Las Tablas que se presentan acontinuación fueron publicadas en eltrabajo “Año solar típico para elUruguay” realizado porJ.L.Duomarco y C.A.Luongo. A

Tablas de irradiación.

continuación se transcribe en formatextual el primer párrafo de lapresentación del trabajo publicadoen 1979.

Ante la inminencia del advenimiento de la era de la energía

solar en el Uruguay, se han recabado y procesado los datos

metereológicos relevantes en la simulación y estudio de los sistemas

solares en el país.

Los de insolación disponibles corresponden al período 1967

- 1977 obtenidos en la estación agro-meteorológica de la Estanzuela

en el departamento de Colonia y al período 1977 - 1978 obtenidas

en la estación de climatología de la Facultad de Arquitectura en

Montevideo, operada en forma conjunta por el Instituto de la

construcción de edificios de la Facultad de Arquitectura, el Instituto

de física de la Facultad de Ingeniería y el Departamento de

astronomía de la Facultad de Humanidades.

211

Manual


cal/c

m2.

día

cal/c

m2.

día

figura 2

figura 1

Manual


cal/c

m2.

día

figura 3 - Valores medidos

213

Manual


cal/c

m2.

día

figura 4

Manual


Datos de Fig 5, son valores calculados

cal/c

m2.

día

215

Manual


Anexo 2

HORA SOLAR, LOCAL Y LEGAL

Manual


La hora solar o tiempo solarverdadero se determina por elángulo horario del astro suponiendoque la trayectoria de 360° se cumpleen 24 horas y que las 12corresponde al instante en que el solcruza el meridiano del lugar.

El tiempo comprendido entredos pasos consecutivos del sol porel meridiano lugar es variable. Paramedir el tiempo en unidades igualesa partir de los movimientos del solse ha creado el tiempo solar medio.Los días solares medios tienen todosla misma duración, que es igual alpromedio anual de los días solaresverdaderos.

Se llama hora local a ladeterminada por la posición real delsol en el cielo, se divide entoncestambién en 24 horascorrespondiendo la hora 12 almomento en que el sol medio cruzael meridiano del lugar. La relaciónentre la hora solar y la hora local estádada por una gráfica en donde seingresa la longitud del lugar y lafecha correspondiente. La siguienteecuación, HS=HL +- E en donde HSes la hora solar, HL la hora legal y Eun valor expresado en minutoshorarios. Para el día 15 de octubreen la ciudad de Salto por ejemplo,tenemos: E = 20min+18min=38min, esto significa que el solcruzará al meridiano lugar

(HS=12:00) a la hora legal 11:22. Odicho de otra manera, cuando el relojmarca las 12 (hora legal) el sol aúnno ha llegado a cruzar el meridianolugar, demorará 38 minutos parahacerlo.

La hora local no sirve comomedida del tiempo en un país porcuanto sería diferente para laslocalidades ubicadas en distintosmeridianos y además depende dela fecha del año, así por ejemplo ladiferencia horaria entre la ciudad dePunta del Este y la ciudad deColonia es de aproximadamente 12minutos solo por ubicarsegeográficamente en distintalongitud.

Para eso se ha creado la horalegal que se establece de acuerdoa una convención internacional y adisposiciones nacionales. Laprimera indica que la hora legalpara un país se regula por la horalocal para Greenwich y (longitud 0°),la diferencia entre ambas debe seren horas enteras fijadas según ladistancia angular entre losrespectivos meridianos. Uruguay seencuentra ubicado dentro del husohorario que está cuatro horas aloeste de Greenwich aunque haadoptado el de tres horas. Es decir:nuestros relojes señalanexactamente tres horas menos quela hora local de Greenwich la misma

217

Manual


que la local correspondiente almeridiano de 45° .

La disposición adoptada haceque el sol cruce por el Uruguaysiempre después de la hora legal12, esa disposición permite unmejor aprovechamiento de la luzdiurna además de un mejor

aprovechamiento del calor naturalen invierno.

Por lo tanto la hora solar paraun punto de nuestro país tendrá unadiferencia con la hora solarcorrespondiente al meridiano de 45°,igual a la diferencia angular entreambos meridianos tomará razón deuna hora cada 15°.

La gráfica de la figura (a.2.1)permite relacionar la hora solar y lahora legal para cualquier localidaddel Uruguay. Este cálculo es muy

Figura a.2.1

importante ya que es una formaindirecta de determinar con unaprecisión adecuada la ubicación delnorte geográfico.

Manual


figura a.2.2

219

Manual


Anexo 3

ANALISIS DETALLADO DELTANQUE ACUMULADORSOLAR

Manual


Análisis detallado del balance energético del tanqueacumulador solar.

El mismo depende de laenergía que entra procedente de loscolectores, de la energía que sale yde la energía que se pierde delpropio tanque. Es por eso que laaislación térmica del tanque resulta

ser clave en la eficiencia del sistemaya que si el tanque no tieneaislamiento suficiente gran parte dela energía captada por loscolectores se disipará sin llegar a serutilizada.

Balance térmico de los tanques acumuladores.

Para el tanque no-estratificadoo completamente mezclado,mostrado en la Figura 3.a.1, quecontiene una masa (m) de agua a

temperatura uniforme (TRT),dependiente del tiempo (t). Elbalanceo de energía en el tanqueestablece que:

3.a.1 Transferencia de calor en el tanque térmico de almacenamiento de agua

221

Manual


Considere:

qENT es la tasa de energíatransferida al interior del tanque,proveniente de los colectoressolares

qSALIDA es la tasa de energíatransferida hacia afuera del tanqueque incluye la tasa de energíaasociada al agua caliente

consumida (qCONS) y a la tasa depérdida de energía al ambiente(qPER), a través del aislante térmico.

Así, la ecuación para elbalance de energía en el tanquetérmico puede escribirse de lasiguiente forma:

Donde cp: es el calorespecífico a presión constante delagua, en las aplicaciones prácticasestá considerado constante e iguala 4,18kJ/kg oC.

Aplicándose nuevamente elconcepto de circuito térmicoequivalente, la tasa de pérdida deenergía para el ambiente (qPER)puede escribirse de la siguienteforma:

(3.a.2)

Siendo

TVIZ: la temperatura del airealrededor del tanque térmico y que,en algunas situaciones prácticas, nocoincide con la temperaturaambiente.

RT: es la resistencia térmicatotal, correspondiente a laresistencia asociada con el paso de

calor por conducción en la pared delos cuerpos internos y externo(despreciable para materialesmetálicos) y en el aislante deltanque, y también a la pérdida decalor por convección entre laprotección externa y losalrededores.

Manual


La inversa de la resistenciatérmica se conoce comoconductancia térmica global, siendo

representada por el producto (UA)RT,es decir:

Así, la ecuación 6.2 puede reescribirse como sigue:

(3.a.3)

(3.a.4)

El valor de la conductanciatérmica global puede ser evaluado

bajo ensayos experimentalesnormalizados.

Estudio de Caso 3.A.1Un tanque térmico contiene

1000 Kg de agua. Inicialmente sutemperatura es igual a 30oC. Latemperatura de los alrededores esde 21oC y la conductancia térmicaglobal informada por el fabricantepara el tanque es igual a 7,5W/oC.

Las tasas instantáneas desalida de energía para consumo yde entrada de energía en el tanqueson, respectivamente, 3,1 kW y 9,2kW. ¿Cuál es la tasa inicial devariación de la temperatura deltanque?

Considerándose el calorespecífico del agua cp = 4,18 kJ/kgoC y sustituyéndose los valores

Solución:

numéricos apropiados en laecuación 3.a.1, se tiene:

223

Manual


Es decir:

Como 1kW = 1kJoule/s, se obtiene:

Que equivale a 5,2oC por hora.

Para determinar la temperaturadel tanque como una función deltiempo, la ecuación 3.a.1 debeintegrarse en el tiempo. Como losdatos de radiación son disponiblesusualmente en base horaria, elintervalo de tiempo más

comúnmente usado en esaintegración también es para cadahora*. El Estudio de Caso 3.a.2ilustra como el balance de energíaen el tanque puede usarse paralograr la temperatura del tanquetérmico como función del tiempo.

* A los efectos de simplificar la integración se asume que, en una hora, la velocidad dT/dt puede considerarseconstante, a pesar de no serlo. La resolución de la ecuación diferencial sin estas simplificaciones se hacemucho más compleja

Estudio de Caso 3.a.2Un tanque térmico contiene

1000 Kg. de agua. Inicialmente sutemperatura es uniforme e igual a30oC y el período total de evaluaciónes de 6 horas. La temperatura de losalrededores es de 21oC y laconductancia térmica globalinformada por el fabricante para eltanque es igual a 7,5W/oC.

Los valores integrados a lolargo de 1 hora, de la energía queviene de los colectores solares paraagregarse al tanque y de la energíasale por el consumo de aguacaliente están mostrados en lasiguiente tabla:

Calcule la temperatura del agua en el tanque térmico al final de cada hora.

Manual


Solución:

Reescriba la ecuación 3.a.1 enforma de diferencia finita,solucionándola para la temperatura

del tanque al final de un incrementode tiempo t =1 hora, es decir:Δ

Donde los subíndices (final) e(inicio) corresponden a cadaintervalo de tiempo

Integrándose todas las tasasde transferencia de calor y lapérdida térmica del tanque para elperíodo de 1 hora, se tiene:

Donde la constante 3600segundos que multiplica el factor(UA)RT proveniente de la integraciónen el intervalo de 1 hora.

Las unidades de energía trasla integración están expresadas enJoule y el calor específico del agua

cp es igual a 4180 J/kg oC.Acuérdese que, 1MJ = 1000.000Joule.

La evolución de los valoresobtenidos para la temperatura alfinal de cada intervalo de tiempo estámostrada en la tabla y en el gráficosiguiente:

225

Manual


¿Cómo se explica La reducciónde la temperatura del agua en eltanque al final de la sexta hora?

Se constata que, en esa horala energía que sale proveniente del

consumo de agua caliente essuperior que la energía que entra,asociada al agua proveniente de loscolectores. Por ello, la energía delagua almacenada disminuirá.

Manual


227

Manual


Anexo 4

TABLAS

PERDIDAS DE CARGAÁBACO DE FAIR –WHIPPLE-HSIAO

Manual


DN

cod

o 90

cod

o 45

curv

a 90

curv

a 45

tee

dir

ecta

tee

late

ral

tee

bila

tera

len

trad

a b

rusc

asal

ida

bru

sca

LL

PVR

1/2

1,1

0,4

0,4

0,2

0,7

2,3

2,3

0,3

0,8

0,1

2,5

3/4

1,2

0,3

0,5

0,3

0,8

2,4

2,4

0,4

0,9

0,2

2,7

11,

50,

70,

60,

40,

93,

13,

10,

51,

30,

33,

8

1 1/

42

10,

70,

51,

54,

64,

60,

61,

40,

44,

9

1 1/

23,

21,

31,

20,

62,

27,

37,

31

3,2

0,7

6,8

23,

41,

61,

30,

72,

37,

67,

61,

53,

30,

87,

1

2 1/

23,

71,

71,

40,

82,

47,

87,

81,

63,

50,

98,

2

33,

91,

81,

50,

92,

58

82

3,7

0,9

9,3

44,

31,

91,

61

2,6

8,3

8,3

2,2

3,9

110

,4

54,

92,

41,

91,

13,

310

102,

54,

91,

112

,5

65,

42,

62,

11,

23,

811

,111

,12,

85,

51,

213

,9

PERD

IDAS

DE

CARG

ALO

NGIT

UDES

EQU

IVAL

ENTE

S PA

RA V

ARIO

S FI

TTIN

GS Y

ACC

ESOR

IOS

MAT

ERIA

L: P

LAST

ICO

o CO

BRE

229

Manual


DN

cod

o 90

cod

o 45

curv

a 90

curv

a 45

tee

dir

ecta

tee

late

ral

tee

bila

tera

len

trad

a b

rusc

asal

ida

bru

sca

LL

PVR

1/2

0,4

0,2

0,3

0,2

0,3

11

0,2

0,4

0,1

1,1

3/4

0,6

0,3

0,4

0,2

0,4

1,4

1,4

0,2

0,5

0,1

1,6

10,

70,

40,

50,

20,

51,

71,

70,

30,

70,

22,

1

1 1/

40,

90,

50,

60,

30,

72,

32,

30,

40,

90,

22,

7

1 1/

21,

10,

60,

70,

30,

92,

82,

80,

51

0,3

3,2

21,

40,

80,

90,

41,

13,

53,

50,

71,

50,

44,

2

2 1/

21,

70,

91

0,5

1,3

4,3

4,3

0,9

1,9

0,4

5,2

32,

11,

21,

30,

61,

65,

25,

21,

12,

20,

56,

3

42,

81,

51,

60,

72,

16,

76,

71,

63,

20,

78,

4

53,

71,

92,

10,

92,

78,

48,

42

40,

910

,4

64,

32,

32,

81,

13,

410

102,

55

1,1

12,5

PERD

IDAS

DE

CARG

ALO

NGIT

UDES

EQU

IVAL

ENTE

S PA

RA V

ARIO

S FI

TTIN

GS Y

ACC

ESOR

IOS

MAT

ERIA

L: H

IERR

O GA

LVAN

IZAD

O

Manual


ÁBACO DE FAIR –WHIPPLE-HSIAO PARA TUBERÍAS DECOBRE O PLÁSTICO

231

Manual


Nota de los autores

Este manual se realizó especialmente para el curso de “Energía solar térmicae instalaciones asociadas”. Este curso fue diseñado para capacitar a docentesde la Universidad del Trabajo del Uruguay en la temática de la energía solartérmica. El contenido del mismo es técnico y a la vez práctico como correspondea un manual de estas características y busca ser un material base para futurosescritos, manuales y libros en esta disciplina que indudablemente es necesariodesarrollar en nuestro país. Es también un ejemplo de la cooperaciónimprescindible entre todos los actores del quehacer nacional, y regional.

El Estado:a través del proyecto de eficiencia energética con los aportes del Banco

Mundial, el GEF (Global Environmental Facility), UTE y el Ministerio de Industria,Energía y Minería.

La Educación: a través de la Universidad del Trabajo del Uruguay como instrumento directo

de formación de profesionales en el área de esta tecnología emergente en el paísy la Facultad de Arquitectura de la Universidad ORT en la generación de estemanual, el diseño, armado y dictado del curso “Energía solar térmica einstalaciones asociadas”.

La Integración Regional:con la participación en la redacción de este manual y el dictado del curso

de un experto brasileño aportando una visión del tema desde la práctica profesionaly de la experiencia de un mercado con muchos años de actividad en la disciplinay una industria floreciente en este ramo.

Quienes hemos participado en este proyecto volcamos en él toda nuestraenergía, voluntad y saber, como aporte al mejor uso de los recursos naturales yla construcción de un país sustentable en beneficio de nuestra gente. Esta tareano hubiera sido posible sin el apoyo de las instituciones que con orgullorepresentamos.

Arq. Andrés Eliseo CABRERAIng. Quim.Pablo Franco NOCETO

Ing. Carlos Felipe DA CUNHA FARIA

Manual


233

Manual


Bibliografía

ABRAVA (Associação Brasileira de Refrigeração, Ar condionado,Ventilaçãoe Aquecimento, abril 2008. Manual de Capacitaçao em Projetos de Sistemas deAquecimento Solar.).

Da Cunha Farias C.F, et al.:, 2008 Manual de Sistemas de Calentamiento deAgua con Energía Solar.

Rivero, Roberto.: 1989. Asoleamiento en Arquitectura. Div. Publicaciones yEdiciones de la UDELAR. Montevideo.

Neila González, F. J.: 2004. Arquitectura Bioclimática. Editorial Munilla-LeriaMadrid – España

Duomarco, J.L.; Luongo C.A.: 1979. Año Solar “Típico” para el Uruguay.Div. Publicaciones y Ediciones de la UDELAR. Montevideo.

Duffie, J.A.; Beckman, W.A.: 1991 Solar Engineering of Thermal Processes,2nd Edition, John Eiley & Sons.

IDAE (Instituto para la Diversificación y Ahorro de la Energía). Revisión enero2009. Instalaciones de Energía Solar Térmica. Pliego de Condiciones Técnicasde Instalaciones de Baja Temperatura. Madrid.

UNIT-ISO 9488:1999 (adopción UNIT 2009). Energía Solar – Vocabulario.

PROGENSA-CENSOLAR. 6ª edición.:2001. Instalaciones de Energía Solar.Sevilla.

Páginas web

http://www.ngdc.noaa.gov/geomag/Página de National Geophysical Data Center (USA) que contiene una

herramienta para hallar declinaciones magnéticas en distintos puntos del planeta.

Manual


235

Manual


Indice

Capítulo 1SOL “El astro Rey” ................................................................... pág. 3Evaluación del recurso solar.Radiación Solar.Asoleamiento, principios fundamentales.El norte magnético y el norte geográfico

Capítulo 2COLECTORES SOLARES Y LOS PRINCIPIOS DE LATRANSFERENCIA DE CALOR ............................................... pág. 33Mecanismo de la transferencia de CalorPropiedades ópticasEl colector solar planoEficiencia. Balance térmicoColectores de tubo de vacío

Capítulo 3TANQUES TERMICOS Y LOS PRINCIPIOS DE LATRANFERENCIA DE CALOR .................................................. pág. 51Características ConstructivasGeometría y Forma de operaciónBalance de Energía

Capítulo 4MÉTODOS DE DIMENSIONAMIENTO ................................. pág. 61Determinación del Perfil de ConsumoEvaluación del Volumen AlmacenadoDeterminación del Área Colectora.

Capítulo 5MÉTODO DE LA CARTA-F ..................................................... pág. 73Metodología de Cálculo Ábaco deDeterminación de la Fracción Solar

Manual


Capítulo 6INSTALACIONES DE PEQUEÑO PORTE ............................. pág. 83TermosifónPrincipios de FuncionamientoDesafíos y Soluciones de InstalaciónCirculación Forzada

Capítulo 7INSTALACIONES DE MEDIANO Y GRAN PORTE ............pag. 111Circulación Forzada Etapas del Proyecto Ejecutivo.Asociación entre Colectores y TanquesEquilibrio Hidráulico

Capítulo 8INSTALACIÓN, MANTENIMIENTO Y SEGURIDAD ..........pág. 141Interpretación del Proyecto EjecutivoAlmacenamiento y Transporte de EquiposEPPs y Herramientas AccesoriosMantenimiento Preventivo y Correctivo

Capítulo 9CALENTAMIENTO SOLAR DE PISCINA ............................pág. 163Balance de Energía ProyectoAspectos Constructivos Instalación HidráulicaInstalación Mantenimiento Preventivo y Correctivo

Anexo 1 RADIACIÓN SOLAR ..............................................pág. 201Anexo 2 HORA SOLAR, LOCAL Y LEGAL ...........................pág. 215Anexo 3 ANALISIS DETALLADO DEL TANQUEACUMULADOR SOLAR...................................................... pág. 219Anexo 4 TABLAS ....................................................................pág. 227PERDIDAS DE CARGAÁBACO DE FAIR –WHIPPLE-HSIAO

NOTA DE LOS AUTORES ....................................................pág. 229BIBLIOGRAFÍA ......................................................................pág. 231