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Así se hace una buena instalación solar térmica

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El Instituto para la Diversificación y Ahorro de la Energía (IDAE) y la Asociación Solar de la Industria Térmica (ASIT) han revisado, actualizado y ampliado la Guía Técnica de la Energía Solar Térmica (aquí puedes descargarla en PDF), con motivo de las recientes modificaciones efectuadas en la sección HE4 del Código Técnico de la Edificación.
Así se hace una buena instalación solar térmica
Foto: Solaris

Los profesionales del sector solar térmico precisan de una información contrastada y reconocida que sirva de guía de buenas prácticas a la hora de dimensionar, diseñar, ejecutar, operar y mantener las instalaciones. Hasta ahora, la información técnica de referencia formaba parte intrínseca de la legislación vigente mencionada, y estaba limitada a unos requisitos técnicos mínimos. “La Guía Técnica de la Energía Solar Térmica va más allá del objetivo de establecer unas especificaciones técnicas mínimas y ofrece una información ampliada basada en la experiencia adquirida durante los últimos años, que es sin duda un valor añadido para los profesionales del sector”, explican desde ASIT.

La guía sirve para mejorar la calidad de las instalaciones solares en la edificación, y también para fomentar todas las posibles aplicaciones de la energía solar térmica no solo para agua caliente sanitaria sino también para abastecer las demandas de calefacción y refrigeración de los edificios donde se instalen.

La experiencia adquirida en instalaciones solares térmicas realizadas en España abarca un periodo de más de 40 años que, esencialmente, se puede considerar que ha tenido dos fases separadas por el cambio de siglo. Una primera fase en la que la promoción de instalaciones solares en edificios existentes fue incentivada con ayudas a la inversión y otras medidas de apoyo financiero, siempre dirigidas al usuario. Y una segunda fase iniciada con la entrada en vigor de ordenanzas municipales solares y, posteriormente, con la aprobación del Código Técnico de la Edificación, que establecía que una parte de la demanda de energía necesaria para la producción de agua caliente sanitaria (ACS) o calentamiento de piscina de nuevos edificios se debía hacer con energía solar térmica, lo que obliga al promotor del edificio a considerarlo en el diseño y al usuario en su explotación.

Como los contenidos técnicos de la normativa se han ido simplificando cada vez más, la propia reglamentación prevé utilizar los documentos reconocidos que se han definido como documentos técnicos sin carácter reglamentario que podrán tener contenidos del tipo especificaciones, guías técnicas o códigos de buena práctica que incluyan procedimientos de diseño, dimensionado, montaje, mantenimiento, uso o inspección de las instalaciones térmicas así como métodos de evaluación, modelos de soluciones, programas informáticos y datos estadísticos sobre las instalaciones térmicas. La guía del IDAE y ASIT quiere servir precisamente para eso. Y por ello, sus recomendaciones están basadas en la experiencia acumulada por el gran número de instalaciones solares térmicas realizadas en los últimos años y constituyen un conjunto de criterios técnicos suficientemente contrastados que pretenden facilitar las tareas de los agentes que intervienen en las labores de diseño, ejecución, operación y mantenimiento relacionadas con este tipo de instalaciones.

La guía establece requisitos de seguridad, eficiencia, calidad, fiabilidad y durabilidad de las instalaciones solares térmicas y, para ello:
• Fija condiciones técnicas para que las instalaciones funcionen correctamente a lo largo de toda su vida útil y para que ésta sea lo más duradera posible.
• Proporciona criterios para todas las fases de la instalación: diseño, cálculo, selección de componentes, montaje, operación, uso y mantenimiento.

14 capítulos, 295 páginas
En el capítulo 1 se presenta el resumen ejecutivo con los criterios técnicos más significativos e importantes que se deben considerar en las instalaciones solares térmicas (ST) para ACS. Desde el capítulo 2 al 9 se incluyen los contenidos que cubren completamente las aplicaciones ST para calentamiento de ACS, que se analizan y se describen con detalle; desde instalaciones realizadas con sistemas prefabricados hasta instalaciones por elementos de cualquier tamaño. La mayor parte de las especificaciones sobre instalaciones solares de ACS son utilizables para el resto de aplicaciones analizadas en el resto del documento.

Desde el capítulo 10 al 13 se incorporan las observaciones específicas de las restantes aplicaciones de la ST en edificación: calentamiento del agua para piscinas, calefacción, refrigeración y sistemas de climatización urbana. Por último, el capítulo 14 incluye documentación de referencia, formatos a emplear, datos, etc.

Las instalaciones ST para calentamiento de agua tienen muchos puntos en común y pueden parecer en principio muy similares a las de fontanería y calefacción. Sin embargo, presentan diferencias significativas que afectan a aspectos relacionados con las temperaturas máximas que se pueden alcanzar y con la seguridad que deben conocerse. Dichas temperaturas máximas se producen debido a que el funcionamiento del generador de calor, el campo de captación solar, no se puede adaptar a la demanda como ocurre en el caso de las calderas, sino que, por el contrario, siempre produce calor mientras exista radiación solar.

Los dos principales puntos relacionados con el diseño y funcionamiento de las instalaciones que deben tenerse en cuenta son:
• Disponer de circuitos primarios estancos: La mayor fiabilidad y disponibilidad de uso de las instalaciones se consigue cuando los circuitos primarios son completamente estancos y no tienen pérdidas de fluido.
• Disponer de protocolos de vigilancia y mantenimiento adecuados: Estas operaciones son habitualmente mucho más sencillas de lo que parecen y, normalmente, los problemas surgen en las instalaciones que han sido mal proyectadas o ejecutadas.

Configuraciones
La configuración de la instalación es un aspecto clave para que se adapte a las necesidades de uso y se alcance un adecuado balance técnico-económico. Se pueden considerar las siguientes recomendaciones:

• Instalaciones inferiores a 7 kW (10 m2):
– Utilizar sistemas prefabricados elimina el riesgo de realizar un mal diseño y simplifica su montaje.
– La selección entre sistemas termosifón o de circulación forzada está condicionada por las características constructivas del edificio y también por la radiación solar y la temperatura del lugar donde se encuentre la instalación que afecta a sus prestaciones.

• Instalaciones de mediano tamaño entre 7 y 70 kW (10 y 100 m2):
– Emplear sistemas de intercambio de calor interiores al acumulador para las instalaciones de menor tamaño (de 7 a 35 kW) tanto por razones económicas como por reducir el mantenimiento.
– En las instalaciones más grandes es recomendable emplear sistemas de intercambio externo (entre 35 y 70 kW). Cuando se utilizan intercambiadores de placas es necesario tener en cuenta sus necesidades de limpieza para evitar las incrustaciones calcáreas en el caso de aguas duras.

• Instalaciones de mediano o gran tamaño, superiores a 70 kW (100 m2):
– La utilización de acumuladores de inercia en lugar de acumuladores de agua caliente sanitaria puede compensar económicamente a medida que aumenta el tamaño por los menores costes de inversión (el menor coste del acumulador de inercia compensa al coste adicional de intercambiador y bomba), por reducir el volumen sujeto a prevención de legionelosis y por disminuir las necesidades de mantenimiento.

Para las instalaciones en edificios multivivienda la configuración más eficiente, con menos costes de explotación y que supone una menor inversión, es aquella en la que tanto la instalación solar como el sistema de apoyo se encuentran completamente centralizados siempre que estos estén bien diseñados y ejecutados. Con esta configuración se debería prever un sistema automático de medida de caudales y distribución de gastos.

Componentes y materiales
Una correcta selección de materiales y componentes garantizará que la instalación se adapte de forma óptima a las condiciones de uso de la aplicación abastecida y asegurará su durabilidad en el tiempo. Para aplicaciones de ACS es difícilmente justificable la utilización de otros captadores distintos a los de baja temperatura (normalmente planos). En la selección del tipo de captador solar para las restantes aplicaciones debe tenerse en cuenta, principalmente, cual va a ser la temperatura de trabajo, que a su vez está ligada a la aplicación a la que va a abastecer. Altas temperaturas de operación requerirán el uso de captadores con mejores curvas de rendimiento que permitan proporcionar saltos térmicos significativos.

Guía Técnica de Energía Solar Térmica. IDAE-ASIT

En relación con los acumuladores solares para ACS, es necesario prestar especial atención a las temperaturas máximas que los revestimientos interiores de protección pueden soportar y evaluar las garantías relacionadas con la resistencia y durabilidad de los materiales utilizados. Antes de seleccionar el resto de componentes y teniendo en cuenta el esquema completo de la instalación, es necesario definir las temperaturas y presiones, máximas y mínimas, que se van a alcanzar en cada uno de los tramos de los circuitos, así como la parte de los mismos y los componentes que van a quedar situados en el exterior.

En especial, es necesario prestar atención a la elección del aislamiento y su protección contra agentes exteriores (radiación UV, lluvia, acción de animales, etc). Es necesario, asimismo, revisar la compatibilidad de todos los componentes y materiales utilizados con los fluidos de trabajo que se vayan a utilizar ya sea el agua de la red o una mezcla anticongelante.

Condiciones de trabajo
Una diferencia fundamental entre las instalaciones solares y el resto de instalaciones térmicas está relacionada con las condiciones de trabajo, tanto de temperaturas como de presiones. Es el proyectista quién define las condiciones extremas de funcionamiento, tanto máximas como mínimas, a las que puede llegar la instalación sin sobrepasarlas en ningún caso y sin que afecten al funcionamiento normal adoptando las medidas adecuadas. A estos efectos es importante la decisión que se adopte relacionada con la posibilidad de permitir o no la formación de vapor en el circuito primario ya que de esa decisión dependerán en gran medida los materiales a utilizar, las estrategias de control, etc.

La utilización de materiales plásticos requiere un especial cuidado por los efectos que sobre ellos pueda producir la acción combinada de condiciones extremas de temperatura y presión. Es necesario considerar a esos efectos, no solamente la resistencia y durabilidad de la tubería, sino también la estanqueidad de los accesorios de conexión, las altas variaciones diarias de temperatura y que en el circuito pueda producirse vapor. Si el circuito primario, sea convencional o de vaciado automático, es un circuito cerrado y estanco que no da lugar a tener que realizar reposiciones se evitarán los problemas de dilución de la mezcla anticongelante, aporte de oxígeno, etc. En caso de ser necesario tener que utilizar anticongelante, su elección debe tener en cuenta la temperatura máxima que se puede alcanzar porque existe el riesgo de que éste se pueda degradar perdiendo sus propiedades anticongelantes.

Uno de los aspectos a tener en cuenta es el llamado flujo inverso. Se produce porque el acumulador solar está a temperaturas superiores a las del entorno donde se ubica y porque puede impulsar movimientos de fluido por circulación natural que, si no se adoptan las medidas necesarias, contribuyen a aumentar las pérdidas térmicas del mismo y, por tanto, provocar su enfriamiento. Las instalaciones solares pueden producir ACS a temperaturas superiores a 60ºC por lo que deben utilizarse dispositivos de protección del usuario frente altas temperaturas, como válvulas mezcladoras termostáticas que protejan el circuito de distribución y a los usuarios. Por otro lado, los captadores solares deben ser confinados en una zona técnica, solamente accesible a personal técnico autorizado, ya que la superficie exterior del captador (cubierta o carcasa) pueden alcanzar temperaturas muy elevadas y producir quemaduras.

Integración en edificios
Idealmente, las instalaciones solares deben ser parte integrante del edificio e incluso mejorar su estética. Para una adecuada integración arquitectónica de pequeñas instalaciones en los edificios es necesario tener en cuenta:

• Buscar un lugar continuamente soleado para la superficie de captación y lo más cercano posible al sistema de acumulación, al sistema de apoyo y a los puntos de consumo.
• Orientar los captadores solares siempre que se pueda al Sur geográfico, intentando
conseguir la mejor integración arquitectónica y sabiendo que desviaciones de hasta ± 45º respecto del Sur no afectan significativamente a las prestaciones de la instalación.
• Diseñar la disposición del campo de captación para que no tenga sombras y así evitar problemas de funcionamiento. Se recomienda utilizar herramientas simplificadas para su justificación.

Para conseguir una adecuada integración arquitectónica de grandes instalaciones, hay que añadir que el sistema de captación debe disponerse siempre que sea posible en baterías de igual tamaño que deben estar distribuidas de forma homogénea en el espacio disponible. Para una mejor integración en un sistema de producción de ACS, el equipo de apoyo siempre debería estar conectado en serie con el equipo solar de forma que la temperatura de entrada al sistema de apoyo sea la de salida de la parte solar.

 

Pantalla CHEQ4. Solar térmica

Pantallas del programa de verificación CHEQ4

El MetaSol es un método de cálculo de prestaciones globales de las instalaciones que, junto con el software CHEQ4, se desarrolló para verificar el cumplimiento de la contribución solar mínima que exigía HE4 del Código Técnico de la Edificación.


Diseño hidráulico y térmico

Sistema de captación
• Homogeneizar la disposición del campo de captadores: lo más adecuado sería utilizar baterías y trazados iguales. Optimizar el número de captadores de las baterías y el tipo de conexionado entre ellas considerando los criterios del fabricante.
• Minimizar los recorridos del circuito primario: menos coste, menos pérdidas, menos problemas.
• Reducir la valvulería del primario al mínimo imprescindible, ya que casi siempre ésta se instala en el exterior.

Sistema de acumulación
Debe disponer de un volumen suficiente para almacenar toda la energía captada diariamente por el sistema de captación solar siendo recomendable al menos disponer de una relación entre volumen de acumulación V en litros y superficie de captadores A en m2 de V/A = 75 litros/m2. Es recomendable que todo el volumen de acumulación se disponga en un único acumulador, vertical e instalado en el interior del edificio. En el caso de tener que utilizar varios acumuladores, debe estudiarse el funcionamiento con detalle y se debe de analizar qué tipo de conexionado hidráulico es más adecuado, en serie o paralelo.

Sistema de intercambio
La correcta definición de los parámetros de diseño de un intercambiador externo, tales como la potencia, caudales, salto térmico de cada circuito, etc, deben ser seleccionados conforme a su aplicación y, para no reducir el rendimiento de la instalación, es fundamental que su efectividad no sea inferior a 0,7.

En el caso de intercambiadores internos la potencia de intercambio es proporcional a la superficie del intercambiador incorporado en el acumulador solar. La superficie de intercambio recomendada debe ser superior a 0,2 m2 por cada m2 de superficie de captación.

En los sistemas de intercambio distribuido en edificios multivivienda es muy importante garantizar que por cada intercambiador individual se garantice el caudal nominal correspondiente en el primario que asegure el correcto salto térmico en el intercambiador, aunque el caudal total del circuito de distribución se calcule aplicando los coeficientes de simultaneidad correspondientes.

Circuito hidráulico
Es necesario destacar algunos aspectos relacionados con el diseño y dimensionado de los circuitos hidráulicos:
• La necesidad de racionalizar el consumo eléctrico de las bombas dimensionando correctamente las bombas de circulación.
• Utilizar solo las válvulas que se consideren imprescindibles para un correcto mantenimiento.
• Los sistemas de llenado de agua de red deben disponer de una válvula de corte que debe permanecer normalmente cerrada y los de llenado con anticongelante, encargados de introducir la mezcla de forma manual o automática, no deben tener ningún sistema de llenado directo del circuito con agua de red.
• Se recomienda el uso de sistemas de purga manuales. Evitar el uso de los automáticos y, en caso de utilizarlos, instalar válvulas de corte que permanezcan cerradas para evitar la salida de vapor o la entrada de aire.

El proyectista debe establecer los sensores necesarios para asegurar el correcto funcionamiento, y poder vigilar, evaluar y mantener correctamente la instalación.

Cálculo de prestaciones energéticas
Estas instalaciones deben tener el rendimiento suficiente que las haga económicamente viables. Lo que debe determinarse a través de una adecuada valoración de sus prestaciones energéticas basadas en cálculos objetivos y fiables. Y aquí cabe diferenciar dos objetivos: el cumplimiento de requisitos mínimos establecidos por la normativa local, regional o nacional en caso de existir, por un lado, y la optimización y comparación entre distintos tipos de instalaciones solares térmicas, por otro. A efectos de verificar el cumplimiento de los requisitos mínimos establecidos por la normativa, se deben definir criterios y procedimientos que permitan evaluar y comparar las tecnologías de producción de energía térmica, tanto fósiles como renovables.

Existen métodos de simulación y cálculo suficientemente validados que se podrían utilizar para comparar las diferentes tecnologías empleando los mismos datos de partida, aunque en la práctica, se tenderá a utilizar métodos simplificados específicos para cada tecnología cuya validez habría que contrastar para determinar su equivalencia. Los métodos de cálculo simplificados f-Chart y Metasol se consideran los más representativos y aplicables al dimensionado de instalaciones solares ya que se trata de programas simples pero con una precisión suficiente.

Montaje, pruebas y puesta en marcha
El montaje es una fase crítica a la que hay que prestar una atención especial. La correcta selección de soldaduras, anclaje y ubicación de equipos, pendientes de circuitos, etc, es clave para garantizar su correcto funcionamiento. Es necesario realizar un adecuado replanteo antes de iniciar el montaje de una instalación vigilando el cumplimiento de las especificaciones de proyecto, la normativa vigente y las indicaciones de los fabricantes de cada componente. Una vez completado el montaje, se deben realizar todas las pruebas y ajustes especificados en la normativa, pliegos de condiciones, etc, antes de proceder a la puesta en marcha. Cabe resaltar la importancia de realizar las pruebas de estanqueidad de todos los circuitos hidráulicos y las pruebas de estancamiento del circuito primario.

Una vez realizadas las pruebas, es preciso prestar especial atención en la realización de las operaciones de limpieza, llenado, purga de aire y de presurización de circuitos para empezar a funcionar. Y una vez puesta en marcha, realizar todas las comprobaciones y ajustes, así como todas las pruebas de funcionamiento: encendido y apagado diario, evolución diaria de temperaturas, entrega de agua caliente y sistemas de protección.

Operación, uso y mantenimiento
Es imprescindible realizar un adecuado uso, operación y mantenimiento para maximizar su aprovechamiento energético, aumentar su disponibilidad y prolongar su vida útil. Hay instalaciones solares que han funcionado más 30 años con un adecuado mantenimiento y otras descuidadas que a los pocos años son inservibles. Sirva de ejemplo el caso de las que se quedan sin anticongelante y los captadores sufren roturas por una helada.

Hay que resaltar la necesidad de disponer de un adecuado manual de instrucciones con toda la información de la que deben disponer el usuario y el mantenedor. El plan de vigilancia establece la forma de realizar el seguimiento del funcionamiento para tener la seguridad de que los valores operacionales sean correctos y prever que las prestaciones esperadas se adecuan a las previsiones.

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