Guía TécnicaInstalaciones Solares Térmicas

May

o 20

07

Índice pag.

1. Objetivos del documento y campo de aplicación 1

2. Tipología de las instalaciones 3

3. Criterios generales de diseño 7

4. Esquemas hidráulicos 17

5. Requisitos generales de la instalación 21

6. Especificaciones de la red hidráulica 23

7. Especificaciones de los grandes elementos 33

8. Especificaciones de los elementos menores 47

9. Instrumentación de la instalación 61

10. Sistema regulación y control 65

11. Lógica de regulación del sistema 69

12. Sistema de tele-alarma 73

13. Recomendaciones de montaje 75

14. Pruebas de la instalación 79

15. Ajuste del funcionamiento y verificación final 83

16. Mantenimiento de las instalaciones 85

17. Anexo I 89

18. Anexo II 91

19. Anexo III 95

Todos los derechos reservados. Gas Natural Soluciones, S.L. 2007

7

3. Criteriosgeneralesde diseño

En este capítulo, se presenta una serie de

criterios de diseño a tener en cuenta en la

fase de proyecto de la instalación. El capítulo

se estructura en varios apartados que van

haciendo referencia a los diferentes temas

de dimensionado, desde la estimación de la

demanda hasta el diseño del sistema de

apoyo.

En la memoria del proyecto, se establecerá

el método de cálculo especificando en base

mensual, los valores medios diarios de la

demanda de energía y de la contribución

solar. Asimismo, el método de cálculo incluirá

las prestaciones anuales definidas por:

• La demanda de energía térmica

• La energía solar térmica aportada

• Las fracciones solares mensuales

y anuales

• El rendimiento medio anual

Se tendrá especial cuidado con el

dimensionado del sistema de acumulación

solar y del sistema de intercambio, con el

fin de asegurar una buena capacidad de

extracción del calor del sistema de captación

y conseguir, así, un buen rendimiento.

Los criterios indicados corresponden a las

normativas existentes, así como a documen-

tación de recomendación y buenas prácticas.

La bibliografía consultada es la siguiente:

• Código Técnico de la Edificación (CTE).• Reglamento Instalaciones Térmicas en

Edificios (RITE).• Instrucción Técnica Complementaria

ITE 10 • RITE.• Libro de Comentarios del RITE – IDAE.• “Quadern Pràctic per Instal·ladors –

Energia Solar Tèrmica” – ICAEN.• Manual Solar-Gas – GAS NATURAL.• Decreto de Ecoeficiencia - Generalitat

de Catalunya.• UNE 94002:2005 “Instalaciones

solares térmicas para producción deagua caliente sanitaria. Cálculo de lademanda de energía térmica”

En el anexo III se adjunta el capítulo HE-4

del CTE, referente a la “Contribución solar

mínima de agua caliente sanitaria” que será

el complemento a este capítulo.

A nivel de cálculo de la demanda en edificios multifamiliares, se sigue el procedimientoespecificado en el CTE:

Parámetros de entrada

• Número de dormitorios

• Número de viviendas

• Temperatura agua de red

• Temperatura producción ACS

Proceso de cálculo

1. Se determina el número de personas por vivienda según la tabla siguiente:

2. Se aplica el ratio de 22 litros / persona día (a una Tª de referencia de 60ºC) para viviendas multifamiliares. El resultado es el siguiente:

3. Se aplica el número de viviendas y se obtiene la demanda diaria del edificio:

4. Considerando la temperatura de agua de red de la zona y la temperatura de suministro de ACS de 60ºC, se obtiene la demanda de energía de ACS:

5. Existen tablas que indican la temperatura de agua de red (TRED), para las distintas ciudades de la península (ver Anexo II). Para las principales ciudades, los valores son:

• Barcelona 12,3 ºC

• Bilbao 9,3 ºC

• Madrid 10,3 ºC

• Sevilla 12,3 ºC

• Valencia 12,3 ºC

3. Criterios generales de diseño

3.1. Cálculo de la demanda de ACS

Número de Dormitorios 1 2 3 4 5 6 7

Número de Personas 1,5 3 4 6 7 8 9

Número de Dormitorios 1 2 3 4 5 6 7

Demanda (litros / vivienda y día) 33 66 88 132 154 176 198

(fuente CENSOLAR)

Pueden existir normativas específicas a nivel de Comunidad Autónoma o local (ordenanzas solares) quemarquen un procedimiento distinto, con un ratio de consumo por persona diferente.

8

3.2. Contribución solar mínima

Una vez calculada la demanda, hay que determinar la contribución solar mínima que debe tenerel edificio para cumplir con los criterios marcados por la normativa. Se cita primero el criteriomarcado por el CTE, para después indicar las otras normativas.

Parámetros de Entrada

• Consumo Edificio

• Ubicación

Proceso de Cálculo

Según la demanda (en volumen )obtenida en la sección anterior (V en litros/día del edificio), yla zona de la península, se determina la contribución solar mínima (en porcentaje) que exigeel CTE1,a partir de la tabla siguiente:

3. Criterios generales de diseño

Demanda máxima edificio (litros / día) I II III IV V

5.000 50 60

6.000 55 65

7.000 35 61

8.000 45 63

9.000 52 65

10.000 55

12.500 65

15.000

17.500 35

20.000 45

> 20.000 52

Zona Climática

30

70

70

70

70

30

1 Se considera que la fuente energética de apoyo es gasóleo, propano, gas natural u otroscombustibles. Para el caso de sistemas de apoyo basados en el efecto Joule, existe otra tablade contribuciones solares mínimas, usualmente más restrictiva y por tanto con mayor cobertura.

Es importante destacar que esta tabla es sólo válida para aplicaciones con energía de apoyogas. En caso de utilizar electricidad como energía de soporte, las coberturas serán mayores.

9

Las zonas se determinan a partir del mapa siguiente:

3. Criterios generales de diseño

3.2. Contribución solar mínima

Las zonas se han determinado a partir del nivel de radiación solar global media diaria (H) sobreuna superficie horizontal. Los valores límites para cada zona son:

Zona 1 H < 3,8 kWh / m2

Zona 2 3,8 H < 4,2 kWh / m2

Zona 3 4,2 H < 4,6 kWh / m2

Zona 4 4,6 H < 5,0 kWh / m2

Zona 5 H > 5,0 kWh / m2

(en el Anexo III se adjunta una tabla con las zonas climáticas correspondientes a las principalespoblaciones de la península).

Como ejemplos se citan, a continuación, las zonas correspondientes a las principales capitalesde la península:

A Coruña Zona I

Barcelona Zona II

Bilbao Zona I

Madrid Zona IV

Sevilla Zona V

Valencia Zona IV

Resulta muy recomendable que antes de empezar cualquier proyecto solar, se asegure que enla ciudad en la que se proyecta la instalación, no exista una Ordenanza Solar o Normativaequivalente que fije un nivel de contribución solar mínima distinto a los del CTE, aplicandosiempre el valor más restrictivo.

10

Mapa de radiación solar media anual de la Península Ibérica

3.3. Superficie de captación

Una vez determinada la demanda de ACS y la contribución solar mínima a cumplir, es elmomento de determinar la superficie de captación que permitirá, para la zona donde se estáproyectando nuestra instalación, conseguir la cobertura solar requerida.

Para ello, existen numerosos programas de cálculo y métodos científicos (tipo F-Chart). Dadoque el carácter aplicado de este documento y que el diseño en detalle de la instalación lorealizará una ingeniería especializada, se presenta en este punto un gráfico que permite obtenerun ratio específico de superficie de captación por vivienda, según el factor de contribución solarmínima deseado.

Las hipótesis de trabajo que han permitido determinar estos gráficos son los siguientes:

• Ratio de consumo de 22 litros / persona y día (CTE)

• Número de personas en viviendas multifamiliares de 3 habitaciones (CTE)

• Campo de captación orientado a SUR y con 50º de inclinación.

• Datos de radiación solar por provincias de la península (CENSOLAR)

• Temperatura ambiente promedio durante horas solares por provincias (CENSOLAR).

• Temperatura agua de red por provincias (CENSOLAR)

• Horas solares por provincias (Instituto Nacional de Meteorología)

• Coeficiente para corrección por variación del ángulo de incidencia de la radiación solar en elcaptador del 94% a lo largo del día.

• Coeficiente de pérdidas del sistema de transferencia, de la energía captada a energía útil,del 85%.

• Se agrupan las provincias según los márgenes de valores de radiación sobre la superficie plana que marca el CTE para las distintas zonas.

• Se considera una curva de rendimiento de un captador de gama media:

Donde:

• Ta = Temperatura del agua en ºC

• Text = Temperatura ambiente en ºC

• I = intensidad radiación solar en W / m2

Las condiciones de temperatura de agua, en captadores, se consideran de 50ºC.

A título orientativo y en base a las anteriores premisas, se puede realizar una caracterizaciónsimple para las diferentes zonas climáticas. Esta caracterización se ha elaborado en base alpromedio de radiación solar incidente según las zonas consideradas en el CTE.

3. Criterios generales de diseño 11

Contribución Solar Anual (%)

(m2/viv)

Zona I Zona II Zona III Zona IV Zona V

4,0

3,5

3,0

2,5

2,0

1,5

1,0

0,5

0

Una consideración muy importante que aporta el CTE es que, si una vez determinada la superficiede captación, resulta que en el balance energético mensual que realiza la ingeniería existe algúnmes del año en que la contribución solar real es del 100%, se ajustará la superficie elegida demodo que la cobertura solar máxima mensual quede limitada a un 90% (siempre que se consigala contribución anual mínima exigida por la normativa correspondiente).

Esta consideración es muy válida. Experiencias reales han permitido constatar que, en los mesesde máxima radiación (los meses de verano), la demanda de ACS del edificio es menor a losvalores de diseño. Esto es debido a tres factores:

• Se trata de un periodo vacacional.

• La utilización es menor al tener una temperatura ambiente elevada.

• La temperatura de agua de red es mayor.

Esta situación puede provocar temperaturas elevadas en el campo de captación, reduciéndoseasí su rendimiento.

3. Criterios generales de diseño

3.4. Estimación pérdidas de captación

12

Una de las exigencias del CTE es que se deben evaluar las pérdidas por orientación, inclinacióny sombras de la superficie de captación. La orientación e inclinación y las posibles sombras sedeterminarán cuando las pérdidas sean inferiores a los límites indicados en la tabla siguiente:

Por orientación e inclinación 10%

Por sombras 10%

Máximo total 15%

En el anexo III se adjunta el capítulo referente al aprovechamiento solar térmico del CTE en elque se indica el método de cálculo.

3.5. Caudal del circuito de captación

El caudal que debe circular por el circuito de captación, es un factor importante. Cada modelode captador tiene un caudal de diseño que da el máximo de energía. En el caso de caudalesexcesivos, se obtendrá un menor salto térmico. Mientras que, para caudales bajos, la temperaturade los captadores será superior; incrementándose las pérdidas y reduciéndose la eficiencia.

El caudal del fluido caloportador se fijará de acuerdo con las especificaciones del fabricante.Por ejemplo: si las conexiones de los captadores son en paralelo, el caudal nominal será igualal caudal unitario de diseño por la superficie total de captadores en paralelo.

Cada fabricante especifica, en la hoja de características del captador, el caudal recomendado,y siempre se tendrá que trabajar con éste.

En su defecto, el caudal estará comprendido entre los 43 y 72 litros/h m2 de área de captadores.

Es importante apuntar, ya en este momento, que el fluido que contendrá el circuito de captacióncontendrá algún aditivo químico para evitar el riesgo de congelación del agua durante el invierno.

Una vez calculada la pérdida de carga del circuito, y como recomendación, se escogerá la bombade modo que su curva esté un 20% por encima del punto de trabajo, para poder compensarposibles pérdidas de potencia de la bomba después de la puesta en marcha.

3.6. Volumen acumulación solar

Se trata de un elemento clave, pues permite acumular la energía solar captada durante el día.Experiencias reales han permitido determinar la criticidad de su dimensionado. Parasubdimensionamientos se puede llegar a valores de temperatura elevados, debido a ello elsistema de captación trabajará a mayor temperatura, reduciéndose así la eficiencia de captacióny sus horas de funcionamiento, captando finalmente menos energía a pesar de que existaenergía (horas de radiación solar) disponible.

El Sistema de captación Solar se debe concebir en función de la energía que aporta a lo largodel día y no en función de la potencia del generador (captadores solares). Por tanto, se debeprever una acumulación solar acorde con la demanda al no ser ésta simultánea con la generación.

Respecto a la superficie de captación, el volumen de acumulación solar será tal que cumpla lasiguiente relación con el área total de los captadores (según CTE):

Dónde:

• “A” es la superficie global de captación en m2.

• “V” es el volumen de acumulación solar en litros.

Esta relación indica que el volumen de acumulación solar será de 50 a 180 litros por unidad desuperficie de captación. Como valor de referencia se propone el valor de 75 l/m2 de captador.Cuanto más se concentre la demanda, en momentos en que el Sistema de captación Solar nofuncione (habitualmente por la mañana y por la noche), el volumen de acumulación más seaproximará al ratio de los 180 litros. Mientras que en el caso que exista demanda durante elfuncionamiento solar será más cercano al valor de los 50 litros.

El volumen de acumulación solar deberá ser similar a la demanda diaria estimada, y serecomienda incrementar la estimación de la demanda diaria un 20%, de modo que se cumplala condición:

Dónde:

• “M” es la demanda del edificio en litros / día.

• “V” es el volumen del acumulador solar en litros.

Se entiende que el valor de acumulación solar (V) es únicamente el relativo al Sistema decaptación Solar. En el caso de que el sistema de apoyo cuente con una acumulación por no serinstantáneo, ésta deberá calcularse independientemente y sumarse a la solar dentro del conjuntototal de acumulación de la planta.

En el caso de la opción A (acumulación solar individual), el volumen determinado a través delas fórmulas anteriores se repartirá por el número de viviendas del edificio.

3. Criterios generales de diseño 13

3.7. Sistema de intercambio solar

El sistema de intercambio está basado en un intercambiador de placas que separa el circuitoprimario y el secundario solar. La potencia se determina para las condiciones de trabajo en lashoras centrales del día, suponiendo una radiación solar de 1000 W / m2 y un rendimiento dela conversión de energía solar a calor del 60%, y cumpliéndose la condición siguiente:

Dónde:

• “P” es la potencia mínima del intercambiador en W

• “A” es la superficie de captación en m2

Es básico recordar, en este punto, que el sistema de captación tendrá mayor efectividad cuantomenor sea la temperatura de retorno en el primario. Por lo que si el intercambiador no transfiereadecuadamente la energía del primario al secundario, se producirá un aumento en la temperaturade funcionamiento de captadores, con el efecto inmediato de reducción de su eficiencia.

A modo orientativo, en el intercambiador de placas existirá una relación mínima entre lasuperficie útil de intercambio y la superficie de captación de 0,3. Para los casos en los que seutilicen interacumuladores (opción A), se recomienda una relación del orden de 0,15.

Para el cálculo del intercambiador y como valor de referencia, se considerará que el salto térmicoentre la entrada de primario y la salida a secundario será del orden de 8-10ºC.

3. Criterios generales de diseño

4.4. Estimación pérdidas de captación

14

3.8. Caudal circuito secundario solar

Una vez definidos el caudal del circuito primario y la potencia del intercambiador solar necesaria,se debe especificar el caudal del circuito secundario. El criterio es el siguiente:

En el diseño se deben tener en cuenta unas temperaturas y el salto térmico de diseño en elcircuito secundario (se puede trabajar con una temperatura de salida de 50ºC con un saltotérmico de 5ºC). Es interesante, en este punto, recordar la ecuación de la eficiencia de unintercambiador de placas:

Dónde:

• TSs es la temperatura de salida del intercambiador del lado del secundario (ºC)

• TEs es la temperatura a la entrada del intercambiador del lado del secundario(ºC)

• TEp es la temperatura de entrada del intercambiador del lado del primario (ºC)

En el caso de la opción B, hay que tener en cuenta que el diámetro de tubería y la potencia dela bomba deberá ser el adecuado para poder suministrar la potencia instantánea necesaria alas distintas viviendas (recordemos que en esta opción la acumulación solar es centralizada).A continuación, se presenta una tabla dónde se indica, a título orientativo, el diámetro necesariode las tuberías de distribución en este caso. Las hipótesis de cálculo son las siguientes:

• Salto Térmico en vivienda: 20 ºC

• Caudal máximo en vivienda: 12 litros / minuto

• Salto Térmico Intercambiador solar: 5 ºC

• Velocidad máxima tubería 1,8 m/seg.

Factor simultaneidad según la fórmula:

(viv número de viviendas, a partir de 5)

(Fórmula obtenida del capítulo 3.2.4 “Cálculo de sistemas de ACS” del “Curso de Instalador de Calefacción,Climatización y Agua Caliente Sanitaria”, 11 Edición de 2005, publicado por CONAIF).

3.9. Vaso de expansión

Número Viviendas 10 20 40 80 100 120

Simultaneidad 0,50 0,40 0,33 0,28 0,27 0,26

Potencia máxima edificio (kW) 84 134 221 378 453 526

Caudal distribución (m3/h) 14,5 23,0 38,0 65,1 77,9 90,4

Diámetro (mm) 53 67 86 113 124 133

3. Criterios generales de diseño 15

Todo circuito cerrado deberá prever la instalación de un vaso de expansión que permita absorberlas dilataciones del fluido. En el caso del vaso de expansión del circuito de captación, sesobredimensionará, considerando un volumen de agua de captadores y del circuito hidráulico,un 10% del valor real.

El cálculo del vaso de expansión será según la fórmula:

Dónde:

• VVASO es el volumen del vaso de expansión en litros

• VCIRCUITO es el volumen del fluido del circuito X 1,1 (factor de sobredimensión) en litros

• es el factor de incremento del fluido caloportador, desde los 4ºC hasta el valor máximo quese prevea en el circuito .

• Pf es la presión absoluta final del vaso de expansión en bar.

• Pi es la presión absoluta inicial del vaso de expansión en bar.

Como valores se proponen los siguientes:

• = 0,043 en el caso de agua para una temperatura máxima de 100ºC.

• = 0,080 en el caso de agua con anticongelante y para una temperatura máxima de 100ºC.

Como valores de presiones se proponen los siguientes:

• Pf se puede considerar la presión de tarado de la válvula de seguridad del circuito (3 bar + 1 bar de presión atmosférica = 4 bar).

• Pi debe tener en cuenta la presión de diseño del circuito, junto a la presión manométrica, encaso de existir desniveles entre la ubicación del vaso de expansión y el tramo más elevado del circuito (se puede considerar una presión absoluta de 1,5 bar).

El vaso de expansión es un elemento de bajo coste, por lo que se recomienda elegir un volumenque esté por encima de las necesidades del circuito. En el caso del circuito primario solar serecomienda aplicar un factor de seguridad de 2, con el fin de dar mayor seguridad contrasobrecalentamientos. Además, así se favorece que la membrana interna tenga una vida útilmayor, al trabajar con menor flexión, se reducirá el riesgo de rotura.

Una vez determinado el volumen, se escogerá el vaso de expansión de fabricación con elvolumen más cercano, por la parte superior.

En la tabla siguiente se indican algunos valores para varios volúmenes del circuito primariosde captación, según si contienen anticongelante o no:

Volumen circuito Captación (litros) 40 60 80 100 120 140 160 180 200 220

Volumen vaso expansión (litros) 5,5 8,3 11,0 13,8 16,5 19,3 22,0 24,8 27,5 30,3

Volumen vaso expansión (litros) 10,2 15,4 20,5 25,6 30,7 35,8 41,0 46,1 51,2 56,3

(Agua sin aditivos)

(Agua con anticongelante)

3. Criterios generales de diseño16

3.10. Sistema Auxiliar

El sistema convencional de apoyo (tanto el individual como el centralizado), tendrá una potenciatérmica suficiente para que pueda proporcionar la energía necesaria para la demanda total deACS.

Cuando el sistema auxiliar no sea instantáneo, se deberá prever un volumen de acumulaciónde apoyo. Esto ocurre en el caso de la opción C. Para la estimación del volumen de acumulacióny la potencia de la caldera del sistema de apoyo, se deberá partir de la estimación del consumopunta del edificio o de la vivienda. Ésta se determina a partir de los ratios proporcionados porla Norma Básica para Instalaciones Interiores de Suministro de Agua. Los valores son:

Lavabo 6 litros / minuto

Bidet 6 litros / minuto

Bañera 18 litros / minuto

Ducha 12 litros / minuto

Lavadero 12 litros / minuto

Con estos valores, considerando la temperatura de utilización del ACS de 42ºC y la temperaturade preparación de 58ºC (según normativa), en el libro de Comentarios del RITE, se presentanun conjunto de tablas que permiten determinar la potencia del equipo auxiliar (P en kW). Asícomo el volumen de acumulación asociado (V en litros), según varios tiempos de preparacióny para un número de viviendas distinto (N). Se indican los calores totales y los valores útiles(aparece el subíndice u).

El sistema de control, en cada una de las opciones, deberá asegurar que el sistema auxiliar sóloentre en funcionamiento cuando sea estrictamente necesario y de forma que se aproveche almáximo la energía extraída del campo de captación.

Tiempo de preparación: 1 hora

N 10 15 20 25 30 40 50 60 80 100VU 317 442 558 668 774 977 1172 1361 1726 2080PU 22,0 30,6 38,6 46,3 53,6 67,7 81,2 94,3 119,6 144,1V 378 526 664 795 921 1163 1395 1620 2055 2476P 28,8 40,1 50,6 60,6 70,2 88,6 106,3 123,5 156,6 188,7

Tiempo de preparación: 2 horas

N 10 15 20 25 30 40 50 60 80 100VU 478 686 888 1078 1262 1614 1952 2280 2914 3527PU 16,6 23,9 30,8 37,4 43,7 55,9 67,6 79,0 100,9 122,2V 569 820 1057 1284 1502 1921 2324 2714 3469 4168P 21,8 31,5 40,6 49,3 57,6 73,7 89,2 104,2 133,1 161,1

Tiempo de preparación: 3 horas

N 10 15 20 25 30 40 50 60 80 100VU 575 847 1107 1356 1598 2062 2509 2942 3780 4591PU 13,3 19,6 25,6 31,3 36,9 47,6 57,9 67,3 87,3 106,0V 684 1009 1318 1615 1902 2455 2986 3502 4500 5465P 17,6 26,0 34,0 41,6 49,0 63,3 77,0 90,2 116,0 140,8