Energía Solar en la Edificación - Intercambio de Calor PDF

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Energía Solar en la Edificación Intercambio de calor Depto. Ingeniería Mecánica, Térmica y de Fluidos  Energía Solar en la Edificación Intercambio de Calor Depto. Ingeniería Mecánica, Térmica y de Fluidos  Energía Solar en la Edificación Intercambio de Calor Depto. Ingeniería Mecánica, Térmica y de Fluidos  Energía Solar en la Edificación Intercambio de Calor Depto. Ingeniería Mecánica, Térmica y de Fluidos - La energía de los captadores solares irregular (Magnitud y distribución temporal) por lo que no suele suministrarse directamente a los usuarios. - Se introducen componentes que acondicionan y complementan la producción: - Acumulador solar, - Intercambiador de calor, - Sistema de apoyo - Sistema de control  Energía Solar en la Edificación Intercambio de Calor Depto. Ingeniería Mecánica, Térmica y de Fluidos - Tipos de intercambiadores - Influencia del intercambiador primario en la eficiencia del sistema - Nociones básicas sobre modelado de intercambiadores - Criterios para el dimensionado de intercambiadores de calor  Energía Solar en la Edificación Intercambio de Calor Depto. Ingeniería Mecánica, Térmica y de Fluidos Intercambiadores de calor La práctica totalidad de las instalaciones solares incorporan un intercambiador de calor para independizar el circuito de captación del resto de la instalación. La motivación para utilizar un circuito de captación cerrado es controlar la calidad y las propiedades del fluido que circula por los captadores. Concretamente se busca: - Añadir propilenglicol al fluido primario, para proteger a los captadores contra daños por congelación. Se utilizan mezclas agua-propilenglicol en concentraciones entre el 15% y el 50%, según la temperatura ambiente mínima registrada en la localidad. - Utilizar agua destilada, libre de sales disueltas y sólidos en suspensión, para proteger a los captadores de daños por incrustaciones. La cal empieza a precipitar a partir de unos 60ºC, temperatura que los captadores alcanzan con facilidad. Si se hiciera circular agua de consumo por los captadores, se tendría un aporte continuo de sales que terminaría por bloquear los pequeños tubos que recorren la placa, especialmente en localidades con aguas duras - Limitar la corrosión en circuitos cerrados, ya que al no renovarse el agua del primario se limita la cantidad de oxígeno disuelto en la misma - Añadir agentes biocidas, necesarios cuando el primario está abierto a la atmósfera.  Energía Solar en la Edificación Intercambio de Calor Depto. Ingeniería Mecánica, Térmica y de Fluidos Intercambiadores de calor - Las instalaciones con acumuladores de inercia incorporan dos intercambiadores, uno de carga (primario) y otro de descarga (consumo). - El intercambiador de primario se utiliza para limitar el volumen de propilenglicol en la instalación. El precio del propilenglicol es elevado, por lo que se evita rellenar todo el volumen de inercia con una mezcla glicolada. - Por otro lado, el intercambiador de descarga separa el fluido de acumulación del agua de consumo, como se ilustra en las figuras. Esto relaja las normas de higiene aplicables al sistema de acumulación:  Energía Solar en la Edificación Intercambio de Calor Depto. Ingeniería Mecánica, Térmica y de Fluidos Intercambiadores de calor Esto relaja las normas de higiene aplicables al sistema de acumulación: - Se pueden utilizar acumuladores de acero negro y similares, más económicos que los acumuladores de agua de consumo - Se evita el tratamiento antilegionella del volumen de inercia - Puede elevarse la temperatura de acumulación sin que aparezcan incrustaciones calcáreas, hasta unos 90ºC aproximadamente. Mayores temperaturas no deben permitirse para no dañar los acumuladores y prevenir la formación de vapor - Se reduce la corrosión, al suprimir el aporte adicional de oxígeno que transporta el agua de consumo. La utilización de intercambiadores también presenta inconvenientes. - El primero es el coste añadido y la necesidad de instalar bombas y válvulas adicionales. - El segundo es la merma que experimenta el rendimiento del sistema. Al ser finitas las superficies de intercambio, los intercambiadores introducen saltos de temperatura desfavorables. Por ejemplo, en el caso del intercambiador del circuito de captación, la temperatura de retorno a captadores será mayor que la del fondo del acumulador, y la de impulsión al acumulador menor que la de salida de captadores.  Energía Solar en la Edificación Intercambio de Calor Depto. Ingeniería Mecánica, Térmica y de Fluidos Tipos de intercambiadores Los intercambiadores que encontramos en las instalaciones solares pueden clasificarse atendiendo a diferentes criterios (ASIT, 2010): 1. Incorporado al acumulador o independiente 2. De primario o carga del acumulador, y de consumo o descarga del acumulador 3. Centralizado o distribuido 4. Combinaciones de los anteriores  Energía Solar en la Edificación Intercambio de Calor Depto. Ingeniería Mecánica, Térmica y de Fluidos Intercambiadores de calor incorporados al acumulador Intercambiadores de calor incorporados al acumulador Los intercambiadores de calor incorporados, también llamados internos o sumergidos, forman parte del propio acumulador. Son comunes en aplicaciones de pequeño tamaño (aprox. demanda), la termoclina se desplaza hacia el fondo a la manera de un flujo pistón, aumentando el volumen de agua caliente en el tanque. ‐ Cuando el acumulador se descarga (demanda > producción) sucede lo contrario, y la termoclina se desplaza hacia la parte superior.  Energía Solar en la Edificación Sistema de acumulación Depto. Ingeniería Mecánica, Térmica y de Fluidos Estratificación térmica La densidad del agua aumenta entre 0ºC y 4,3ºC, alcanza su valor máximo para 4,3ºC, y después decrece hasta el punto de ebullición. En el rango de temperaturas característico de las aplicaciones de ACS, la densidad del agua siempre aumenta con la temperatura, de manera que bajo la acción de un campo gravitatorio el fluido caliente tiende a ascender y el frío a descender.  Energía Solar en la Edificación Sistema de acumulación Depto. Ingeniería Mecánica, Térmica y de Fluidos Estratificación térmica Las diferencias de temperatura habituales en los acumuladores de agua fría (aprox. 5ºC) son muy inferiores a las que se encuentran en los acumuladores de agua caliente (aprox. 30ºC), con lo cual la estratificación es mucho más débil y difícil de mantener en el primer caso. El diseño de los difusores resulta entonces especialmente crítico, siendo necesario que distribuyan el agua uniformemente en la sección del tanque, y que lo hagan tras haber reducido en lo posible la velocidad de las corrientes entrantes.  Energía Solar en la Edificación Sistema de acumulación Depto. Ingeniería Mecánica, Térmica y de Fluidos Estratificación térmica El requisito principal para conseguir una termoclina es disponer de dos focos a temperatura constante. Sin embargo, esto no sucede en las instalaciones solares, ya que la temperatura de salida de los captadores cambia continuamente a consecuencia del carácter variable de la irradiación solar. Esta circunstancia altera por completo la distribución vertical de temperaturas con respecto a los ejemplos anteriores: en un acumulador solar no se forma una termoclina propiamente dicha, sino que aparecen numerosos estratos a diferentes temperaturas. (Ver termografía)  Energía Solar en la Edificación Sistema de acumulación Depto. Ingeniería Mecánica, Térmica y de Fluidos Estratificación térmica Lograr la estratificación térmica del acumulador es esencial para mejorar las prestaciones del sistema solar en su conjunto, ya que gracias a la estratificación: 1. La temperatura de entrada a los captadores será la menor posible. Esto reduce la temperatura media de la placa absorbedora del captador, reduciendo las pérdidas y aumentando el rendimiento de captación. 2. La temperatura del agua disponible para consumo será la mayor posible, reduciendo el salto de temperaturas que tiene que vencer el sistema de apoyo para alcanzar la temperatura de suministro deseada. Se reducen así el consumo del sistema de apoyo y el número de horas de funcionamiento. La combinación de los factores anteriores mejora la contribución solar anual entre un 5% y un 20% aproximadamente, dependiendo del sistema y de las condiciones de operación concretas.  Energía Solar en la Edificación Sistema de acumulación Depto. Ingeniería Mecánica, Térmica y de Fluidos Estratificación térmica Ejemplo: Calcular los contenidos energético y exergético de los acumuladores que se muestran en la figura Resolución: Diferenciamos entre la energía total acumulada y la calidad de dicha energía. Los acumuladores que se muestran en la figura tienen el mismo contenido energético pero diferente contenido exergético.  Energía Solar en la Edificación Sistema de acumulación Depto. Ingeniería Mecánica, Térmica y de Fluidos Estratificación térmica Ejemplo: Calcular los contenidos energético y exergético de los acumuladores que se muestran en la figura Contenido energético de los acumuladores:  Energía Solar en la Edificación Sistema de acumulación Depto. Ingeniería Mecánica, Térmica y de Fluidos Estratificación térmica Ejemplo: Calcular los contenidos energético y exergético de los acumuladores que se muestran en la figura Estos resultados nos dicen que el contenido de energía de ambos acumuladores es el mismo: desde el punto de vista de la Primera Ley de la Termodinámica no hay diferencia entre ellos. No obstante, la intuición también nos dice el agua a 55ºC es “más útil” que el agua a 33,3ºC. Esta idea puede formalizarse a través del concepto de exergía o energía disponible, que se define como la capacidad de realizar trabajo útil utilizando un proceso termodinámico ideal (reversible).  Energía Solar en la Edificación Sistema de acumulación Depto. Ingeniería Mecánica, Térmica y de Fluidos Estratificación térmica Ejemplo: Calcular los contenidos energético y exergético de los acumuladores que se muestran en la figura En el problema que nos ocupa tenemos un foco caliente (acumulador) y un foco frío (ambiente), entre los cuales haremos trabajar un ciclo de Carnot para obtener trabajo útil. El rendimiento de este ciclo ideal depende exclusivamente de las temperaturas de los focos según la siguiente expresión  Energía Solar en la Edificación Sistema de acumulación Depto. Ingeniería Mecánica, Térmica y de Fluidos Estratificación térmica Ejemplo: Calcular los contenidos energético y exergético de los acumuladores que se muestran en la figura  Energía Solar en la Edificación Sistema de acumulación Depto. Ingeniería Mecánica, Térmica y de Fluidos Estratificación térmica Ejemplo: Beneficios de la estratificación. Calcular el rendimiento instantáneo de captación y la potencia cedida por el apoyo en los sistemas que se muestran en la figura. Los captadores tienen un rendimiento óptico del 70% y un coeficiente lineal de pérdidas de 4 W∙m‐2∙K‐1. La curva de eficiencia de los captadores referida a la temperatura de entrada (Tin) es:  Energía Solar en la Edificación Sistema de acumulación Depto. Ingeniería Mecánica, Térmica y de Fluidos Estratificación térmica Ejemplo: Beneficios de la estratificación. Calcular el rendimiento instantáneo de captación y la potencia cedida por el apoyo en los sistemas que se muestran en la figura. Los captadores tienen un rendimiento óptico del 70% y un coeficiente lineal de pérdidas de 4 W∙m‐2∙K‐1. Calculamos en primer lugar los rendimientos de captación para cada caso: 0,74  Energía Solar en la Edificación Sistema de acumulación Depto. Ingeniería Mecánica, Térmica y de Fluidos Estratificación térmica Ejemplo: Beneficios de la estratificación. Calcular el rendimiento instantáneo de captación y la potencia cedida por el apoyo en los sistemas que se muestran en la figura. Los captadores tienen un rendimiento óptico del 70% y un coeficiente lineal de pérdidas de 4 W∙m‐2∙K‐1. Calculemos ahora la potencia aportada por el sistema de apoyo, cuya temperatura de consigna se ha fijado en 60ºC:  Energía Solar en la Edificación Sistema de acumulación Depto. Ingeniería Mecánica, Térmica y de Fluidos Fomento de la estratificación térmica El problema de la estratificación es doble: 1. Conseguir un nivel de estratificación elevado y 2. Mantenerlo en el tiempo. ‐ El factor más evidente es la forma del recipiente. Una vez fijada la forma, ‐ La degradación de la estratificación está relacionada con ‐ La mezcla inducida por las corrientes entrantes (factores dinámicos), y ‐ con la difusión del calor entre diferentes estratos y con el exterior (factores estáticos).  Energía Solar en la Edificación Sistema de acumulación Depto. Ingeniería Mecánica, Térmica y de Fluidos Fomento de la estratificación térmica La mayoría de los acumuladores de agua tienen forma cilíndrica y se instalan en posición vertical, si bien existen algunos modelos rectangulares ideados para encajar en determinados espacios. En un acumulador cilíndrico, el nivel de estratificación mejora al aumentar la relación de aspecto (cociente altura/diámetro): se ha comprobado que para el mismo volumen total, los acumuladores con mayor altura alcanzan y mantienen mejor la estratificación. Existen no obstante límites físicos que acotan superior e inferiormente los valores prácticos de la relación de aspecto. El primer condicionante es la relación área/volumen, ya que las pérdidas de calor y el coste del aislamiento son proporcionales al área total del tanque. La mayoría de los acumuladores comerciales tienen relaciones de aspecto entre 1,2:1 y 3:1 aproximadamente. El balance óptimo entre mejora de la estratificación (favorable) y aumento de pérdidas (desfavorable) probablemente se alcanza para relaciones de aspecto en torno a 2,5:1.  Energía Solar en la Edificación Sistema de acumulación Depto. Ingeniería Mecánica, Térmica y de Fluidos Fomento de la estratificación térmica  Energía Solar en la Edificación Sistema de acumulación Depto. Ingeniería Mecánica, Térmica y de Fluidos Fomento de la estratificación térmica Otro factor decisivo para alcanzar un alto nivel de estratificación es evitar la mezcla de estratos inducida por las corrientes de entrada, tanto durante la carga como la descarga del acumulador. Este objetivo abarca tres aspectos básicos: (1) controlar la altura a la que se introduce el fluido caliente, (2) reducir la energía cinética de las corrientes entrantes a fin de limitar la extensión de la región de mezcla turbulenta, (3) minimizar el caudal y maximizar el salto de temperaturas en captadores. La estrategia óptima para maximizar la estratificación consiste en inyectar el fluido en el estrato a la temperatura más parecida (figura ), y en hacerlo a la menor velocidad posible. El dispositivo que desempeña esta función se denomina estratificador.  Energía Solar en la Edificación Sistema de acumulación Depto. Ingeniería Mecánica, Térmica y de Fluidos Fomento de la estratificación térmica Desde los años setenta se han propuesto varios diseños de estratificadores, de los cuales el más simple fue una manguera flexible flotando libremente en el agua. Los diseños más comunes en la actualidad se representan en la figura, y se basan en uno o varios tubos verticales con salidas horizontales a distintos niveles (sistemas A, B y C), o en una o varias válvulas todo/nada que dirigen al fluido hacia el nivel apropiado (sistema D).  Energía Solar en la Edificación Sistema de acumulación Depto. Ingeniería Mecánica, Térmica y de Fluidos Fomento de la estratificación térmica Según la Peuser y col. (2004), para un caudal máximo recomendado de 1000 l/h por tubo, el 70% del agua se deposita en el estrato correcto. Si el caudal se reduce a 700 l/h, se alcanza una eficacia cercana al 100%.  Energía Solar en la Edificación Sistema de acumulación Depto. Ingeniería Mecánica, Térmica y de Fluidos Fomento de la estratificación térmica El inconveniente de los estratificadores es que aumentan el coste de los equipos. También presentan dificultades de uso en sistemas medianos y grandes, donde los caudales superan por mucho el caudal máximo de un único tubo. En la práctica, muchas instalaciones solares no utilizan estratificador. En ellas el agua caliente se introduce en el acumulador a una altura fija, y asciende o desciende hasta alcanzar su posición de equilibrio. En su camino mezcla estratos y degrada parcialmente la estratificación. En el documento HE‐4 del Código Técnico de la Edificación, y con mayor detalle en el Pliego de Condiciones del IDAE (IDAE, 2009), se define claramente la disposición de las conexiones en estos casos:  Energía Solar en la Edificación Sistema de acumulación Depto. Ingeniería Mecánica, Térmica y de Fluidos Fomento de la estratificación térmica (IDAE, 2009) 3.3.2 Situación de las conexiones Con objeto de aprovechar al máximo la energía captada y evitar la pérdida de la estratificación por temperatura en los depósitos, la situación de las tomas para las diferentes conexiones serán las establecidas en los puntos siguientes: ‐ La conexión de entrada de agua caliente procedente del intercambiador o de los captadores al acumulador se realizará, preferentemente, a una altura comprendida entre el 50 % y el 75 % de la altura total del mismo. ‐ La conexión de salida de agua fría del acumulador hacia el intercambiador o los captadores se realizará por la parte inferior de éste. ‐ En caso de una sola aplicación, la alimentación de agua de retorno de consumo al depósito se realizará por la parte inferior. En caso de sistemas abiertos en el consumo, como por ejemplo A.C.S., esto se refiere al agua fría de red. La extracción de agua caliente del depósito se realizará por la parte superior. ‐ En caso de varias aplicaciones dentro del mismo depósito habrá que tener en cuenta los niveles térmicos de éstas, de forma que tanto las salidas como los retornos para aplicaciones que requieran un mayor nivel térmico en temperaturas estén por encima de las que requieran un nivel menor. ‐ Se recomienda que la/s entrada/s de agua de retorno de consumo esté equipada con una placa deflectora en la parte interior, a fin de que la velocidad residual no destruya la estratificación en el acumulador o el empleo de otros métodos contrastados que minimicen la mezcla. ‐ Las conexiones de entrada y salida se situarán de forma que se eviten caminos preferentes de circulación del fluido  Energía Solar en la Edificación Sistema de acumulación Depto. Ingeniería Mecánica, Térmica y de Fluidos Fomento de la estratificación térmica (ASIT, 2010) 04.3.5:A Conexiones de entrada y salida ‐ En acumuladores verticales, el punto final de la tubería de entrada de agua caliente del intercambiador o de los captadores al acumulador se localizará por la parte superior de éste, preferentemente a una altura comprendida entre el 50% y el 75% de la altura total del acumulador. ‐ El punto final de la tubería de salida de agua fría del acumulador hacia el intercambiador o los captadores se realizará por la parte inferior de éste, preferentemente a una altura comprendida entre el 5% y el 10% de la altura total del acumulador. ‐ El serpentín incorporado al acumulador solar se situará en la parte inferior del mismo, preferentemente entre el 10% y el 60% de la altura total del acumulador. En este caso no es necesario que el punto final de entrada de agua caliente se localice en la parte superior de éste. ‐ En los acumuladores horizontales las tomas de agua caliente y fría estarán situadas en extremos diagonalmente opuestos de forma que se eviten caminos preferentes de circulación del fluido. ‐ La alimentación de agua fría al acumulador solar se realizará por la parte inferior, alcanzando el punto final de la tubería una altura máxima del 10% de la altura total del acumulador. Esta alimentación de agua fría, estará equipada con un sistema que evite que la velocidad residual destruya la estratificación en el acumulador. ‐ La extracción de agua caliente del acumulador solar se realizará por la parte superior a una altura comprendida entre el 90% y el 100% de la altura total del acumulador.  Energía Solar en la Edificación Sistema de acumulación Depto. Ingeniería Mecánica, Térmica y de Fluidos Fomento de la estratificación térmica La entrada de agua de red y el retorno a captadores se localizan siempre en la zona más fría del acumulador (fondo), mientras que el agua de consumo se extrae siempre de la zona más caliente (superior. Lo interesante es que el agua procedente de captadores no debe introducirse por la parte más alta del acumulador, sino más abajo, entre el 50% y el 75% de la altura. Esto se hace para no degradar el nivel térmico de los estratos superiores en las horas finales del periodo de captación, antes del anochecer, cuando la radiación disponible es menor y desciende la temperatura de salida de los captadores. Ocurre una circunstancia parecida cuando la irradiación disminuye temporalmente a consecuencia del paso de nubes.  Energía Solar en la Edificación Sistema de acumulación Depto. Ingeniería Mecánica, Térmica y de Fluidos Fomento de la estratificación térmica El documento del IDAE hace referencia a la utilización de una “placa deflectora”. Tengamos en cuenta que en cualquier acumulador existen entradas de agua en posiciones fijas, típicamente la entrada de agua de red y el aporte de captadores cuando no se utiliza un tubo estratificador (esto incluye el diseño D de la figura anterior). La mezcla inducida por estas corrientes al descargar en el volumen de acumulación es un factor que puede degradar significativamente la estratificación. Para mitigar este problema se utilizan deflectores y difusores. Los deflectores son elementos que redirigen el flujo, mientras que los difusores reducen su energía cinética  Energía Solar en la Edificación Sistema de acumulación Depto. Ingeniería Mecánica, Térmica y de Fluidos Fomento de la estratificación térmica Estos resultados muestran claramente cómo un mal diseño de las entradas puede empeorar gravemente la estratificación. No obstante, hay que tener presente que en un acumulador real nunca se introducirá el agua fría en descarga libre vertical.  Energía Solar en la Edificación Sistema de acumulación Depto. Ingeniería Mecánica, Térmica y de Fluidos Fomento de la estratificación térmica Un estudio con 12 diseños de placas deflectoras, llego a la conclusión de que la utilización de placas mejora siempre la estratificación, y que la mejor geometría era la placa cónica con orificio central (caso 7)  Energía Solar en la Edificación Sistema de acumulación Depto. Ingeniería Mecánica, Térmica y de Fluidos Fomento de la estratificación térmica Otros diseños de deflectores y difusores. La mayoría de los acumuladores disponibles en el mercado incorporan deflectores de codo, de placa, y en ocasiones de otros tipos como los tubos perforados.  Energía Solar en la Edificación Sistema de acumulación Depto. Ingeniería Mecánica, Térmica y de Fluidos Fomento de la estratificación térmica En relación con los efectos de mezcla, la temperatura de las corrientes de entrada y su caudal y distribución en el tiempo también afectan notablemente al grado estratificación. No obstante, no entraremos aquí en más detalles porque se trata de factores impuestos externamente al acumulador, que dependen del uso del sistema, de la forma en que se controla el caudal en los diferentes circuitos, etc.  Energía Solar en la Edificación Sistema de acumulación Depto. Ingeniería Mecánica, Térmica y de Fluidos Fomento de la estratificación térmica Existe un último grupo de mecanismos que degradan la estratificación, relacionados con procesos de difusión del calor que terminan provocando corrientes convectivas de mezcla: (1) difusión del calor entre estratos a través del agua, (2) difusión del calor entre estratos a través de las paredes del tanque, y (3) pérdidas de calor al ambiente. La fuerza motriz de estos intercambios es la diferencia de temperatura entre estratos (1,2) y con el exterior (3), y los parámetros que los gobiernan son la conductividad del agua, la conductividad y el espesor de las paredes del tanque, la sección horizontal del tanque, y el nivel de aislamiento térmico. Actúan siempre que existen diferencias de temperatura, pero son más relevantes cuando no circula agua a través del acumulador (modo stand‐by).  Energía Solar en la Edificación Sistema de acumulación Depto. Ingeniería Mecánica, Térmica y de Fluidos Fomento de la estratificación térmica  Energía Solar en la Edificación Sistema de acumulación Depto. Ingeniería Mecánica, Térmica y de Fluidos Pérdidas de calor de los acumuladores En un acumulador cilíndrico perfectamente aislado las pérdidas de calor dependen de la superficie del acumulador, de la diferencia de temperaturas entre el interior y el exterior, y del espesor y conductividad del aislamiento. Supondremos que la temperatura del agua en el acumulador es uniforme e igual a la temperatura media de masa (Tacu), y despreciaremos la resistencia térmica de la pared metálica del tanque. La potencia perdida (P) al ambiente es suma de las contribuciones de la superficie cilíndrica (cil) y de las tapas superior (sup) e inferior (inf):  Energía Solar en la Edificación Sistema de acumulación Depto. Ingeniería Mecánica, Térmica y de Fluidos Pérdidas de calor de los acumuladores  Energía Solar en la Edificación Sistema de acumulación Depto. Ingeniería Mecánica, Térmica y de Fluidos Pérdidas de calor de los acumuladores La ecuación anterior sugiere varias medidas para reducir las pérdidas: 1. Minimizar la relación área/volumen del acumulador, aunque respetando la condición prioritaria de esbeltez necesaria para fomentar la estratificación 2. Aumentar el espesor de aislamiento y utilizar materiales aislantes de baja conductividad térmica 3. Ubicar el acumulador en el interior del edificio, donde la temperatura ambiente será menos extrema que en el exterior 4. Aplicar el aislamiento a todo el acumulador, sin olvidar las caras superior e inferior.  Energía Solar en la Edificación Sistema de acumulación Depto. Ingeniería Mecánica, Térmica y de Fluidos Pérdidas de calor de un acumulador real Si midiéramos las pérdidas de calor reales de un acumulador, encontraríamos que son superiores a las predichas utilizando las ecuaciones. Los motivos son varios: ‐ En cualquier acumulador existen perforaciones en la capa de aislamiento, como son las conexiones para las tuberías de entrada/salida, sondas, ánodos de sacrificio, válvulas de seguridad, boca de inspección, etc. A efectos de pérdidas térmicas, estos elementos representan “puntos débiles” a través de los cuales el calor puede escapar con mayor facilidad por no existir aislamiento térmico o encontrarse debilitado. Este hecho se aprecia con claridad en la termografía de la figura:  Energía Solar en la Edificación Sistema de acumulación Depto. Ingeniería Mecánica, Térmica y de Fluidos Pérdidas de calor de un acumulador real Si midiéramos las pérdidas de calor reales de un acumulador, encontraríamos que son superiores a las predichas utilizando las ecuaciones. Los motivos son varios: Cuando se utilizan aislamientos desmontables hay que asegurarse de que el material queda perfectamente adherido a la pared del contenedor, y que las juntas quedan perfectamente selladas. Si el aislamiento se desprende, se formarán canales de paso entre la superficie interior del aislante y el contenedor metálico, que permitirán la circulación del aire a su través, anulando casi por completo la función aislante. En estos canales también pueden producirse condensaciones de agua, especialmente cuando el acumulador contiene agua fría.  Energía Solar en la Edificación Sistema de acumulación Depto. Ingeniería Mecánica, Térmica y de Fluidos Pérdidas de calor de un acumulador real En cuanto a las juntas, es inevitable que incrementen algo las pérdidas de calor, y para minimizarlas es necesario un cierre correcto de las mismas  Energía Solar en la Edificación Sistema de acumulación Depto. Ingeniería Mecánica, Térmica y de Fluidos Pérdidas de calor de un acumulador real Existe un último mecanismo, de naturaleza diferente a los anteriores, que incrementa las pérdidas de calor y perjudica la estratificación. Se trata de la formación de celdas convectivas en las conexiones entre el acumulador y las tuberías, las cuales aparecen cuando no existe circulación forzada del fluido. El fenómeno se ilustra en la figura para tuberías con orientación vertical (caso A) y horizontal (caso B). Conforme el agua que se encuentra estancada en la tubería se va enfriando a consecuencia de las pérdidas de calor, tenderá a descender por ser menos densa que el agua caliente que la rodea. El volumen desplazado se rellenará de nuevo con agua caliente procedente del acumulador, realimentando el movimiento. Aparece así una celda convectiva que disipa energía en la zona de conexión de la tubería, pudiendo llegar a incrementar las pérdidas totales del acumulador hasta en un 15% según Scheer (1999)  Energía Solar en la Edificación Sistema de acumulación Depto. Ingeniería Mecánica, Térmica y de Fluidos Pérdidas de calor de un acumulador real Para limitar este tipo de pérdidas hay que tener presente que: (1) deben evitarse las conexiones verticales en la zona caliente del acumulador, en todo caso entrar con una tubería vertical desde el fondo hasta la parte superior; (2) en el caso de entradas horizontales es recomendable instalar un deflector de codo orientado hacia arriba; (3) en el mercado existen dispositivos que neutralizan por completo este tipo de corrientes, bloqueando la convección natural cuando la conexión está en stand‐by. El tratamiento teórico de los mecanismos de transferencia anteriormente descritos es complejo, y en la práctica lo que se hace es medir experimentalmente las pérdidas del acumulador, por ejemplo siguiendo la norma UNE 12977−3. Para aproximar a la realidad los resultados de la ecuación anterior, deberá utilizarse el valor global de UA obtenido a partir de dicho ensayo. En la obra Peuser y col. (2004) se cita un ejemplo que puede dar una idea del orden de magnitud del efecto de un mal aislamiento: un acumulador diseñado correctamente, con un volumen de 300 litros y una temperatura de 45ºC, puede perder alrededor de 1,5 kWh/día. Un acumulador similar mal aislado puede perder hasta 2,5 kWh/día. Un incremento del 66,7%.  Energía Solar en la Edificación Sistema de acumulación Depto. Ingeniería Mecánica, Térmica y de Fluidos Pérdidas de calor de un acumulador real Nivel de aislamiento El acumulador debe cumplir los requisitos de aislamiento térmico establecidos en la instrucción técnica IT 1.2.4.2.1.2 del RITE (Reglamento de Instalaciones Térmicas en la Edificación). Estos espesores están calculados para un material aislante de referencia con conductividad térmica 0,04 W∙m‐1∙K‐1 a 10ºC. Cuando la conductividad del material utilizado sea diferente, los espesores de la tabla deberán corregirse utilizando las siguientes ecuaciones.  Energía Solar en la Edificación Sistema de acumulación Depto. Ingeniería Mecánica, Térmica y de Fluidos Pérdidas de calor de un acumulador real Nivel de aislamiento  Energía Solar en la Edificación Sistema de acumulación Depto. Ingeniería Mecánica, Térmica y de Fluidos Pérdidas de calor de un acumulador real Nivel de aislamiento El efecto de la temperatura sobre la conductividad debe tenerse en cuenta a la hora de calcular las pérdidas de calor del acumulador, pero no para dimensionar el aislamiento. Según el convenio utilizado por el RITE, el espesor de aislamiento se fija siempre en función de la conductividad del material a 10ºC.  Energía Solar en la Edificación Sistema de acumulación Depto. Ingeniería Mecánica, Térmica y de Fluidos Ejemplo: Espesor mínimo de aislamiento Calcular el espesor mínimo de aislamiento de un acumulador para ACS aislado con resina de melamina. El diámetro exterior del tanque es de 900 mm, y se proyecta instalarlo en una sala de máquinas en el interior de un edificio. Resolución: Entramos en la tabla 4.3, aplicaciones de calefacción y ACS en espacios interiores, y elegimos el rango de temperaturas 60…100ºC, que es el más adecuado para un acumulador de ACS. Se obtiene un espesor mínimo de aislamiento de 40 mm para un aislante con conductividad 0,04 W∙m‐1∙K‐1 a 10 ºC.  Energía Solar en la Edificación Sistema de acumulación Depto. Ingeniería Mecánica, Térmica y de Fluidos Ejemplo: Espesor mínimo de aislamiento Calcular el espesor mínimo de aislamiento de un acumulador para ACS aislado con resina de melamina. El diámetro exterior del tanque es de 900 mm, y se proyecta instalarlo en una sala de máquinas en el interior de un edificio. Resolución: Según la figura 4.26, la resina de melamina tiene una conductividad de 0,03 W∙m‐1∙K‐1 a esta temperatura. Al ser la conductividad real menor que la de referencia, la capa de aislamiento real podrá ser de menor espesor. Para recalcular el espesor se utiliza la ecuación (4.9) para las tapas superior e inferior:  Energía Solar en la Edificación Sistema de acumulación Depto. Ingeniería Mecánica, Térmica y de Fluidos Ejemplo: Espesor mínimo de aislamiento Calcular el espesor mínimo de aislamiento de un acumulador para ACS aislado con resina de melamina. El diámetro exterior del tanque es de 900 mm, y se proyecta instalarlo en una sala de máquinas en el interior de un edificio. Resolución: Para recalcular el espesor se utiliza la ecuación (4.9) para las tapas superior e inferior:  Energía Solar en la Edificación Sistema de acumulación Depto. Ingeniería Mecánica, Térmica y de Fluidos Ejemplo: Pérdidas de un acumulador a temperatura conocida Calcular las pérdidas del acumulador del ejemplo anterior cuando la temperatura ambiente es de 15 ºC y la temperatura del agua es uniforme e igual a 60ºC. Datos adicionales: altura del tanque 1,8 m, despreciar la resistencia convectiva interior, suponer que el coeficiente convectivo‐radiante exterior es constante e igual a 8 W∙m‐2∙K‐1 para todas las superficies, no considerar la variación de conductividad del aislamiento con la temperatura  Energía Solar en la Edificación Sistema de acumulación Depto. Ingeniería Mecánica, Térmica y de Fluidos Ejemplo: Pérdidas de un acumulador a temperatura conocida Calcular las pérdidas del acumulador del ejemplo anterior cuando la temperatura ambiente es de 15 ºC y la temperatura del agua es uniforme e igual a 60ºC. Datos adicionales: altura del tanque 1,8 m, despreciar la resistencia convectiva interior, suponer que el coeficiente convectivo‐radiante exterior es constante e igual a 8 W∙m‐2∙K‐1 para todas las superficies, no considerar la variación de conductividad del aislamiento con la temperatura  Energía Solar en la Edificación Sistema de acumulación Depto. Ingeniería Mecánica, Térmica y de Fluidos Ejemplo: Estimación de pérdidas anuales de un acumulador solar Calcular las pérdidas anuales de un acumulador solar que contiene agua de consumo. La contribución solar anual de la instalación es del 60%, la temperatura media del agua de red es de 15ºC, y la temperatura de preparación de ACS es de 60ºC. Resolución: En el ejemplo anterior se dio como dato la temperatura del agua en el acumulador. Esta temperatura es muy variable y difícil de conocer en el caso de un acumulador solar, ya que su valor instantáneo viene determinado por el balance entre energía almacenada, pérdidas de calor, producción solar y demanda. Para resolver este problema de manera exacta es necesario utilizar un programa de simulación. No obstante, en este ejemplo veremos una manera sencilla de estimar la temperatura media anual de un acumulador que contiene agua de consumo.  Energía Solar en la Edificación Sistema de acumulación Depto. Ingeniería Mecánica, Térmica y de Fluidos Ejemplo: Estimación de pérdidas anuales de un acumulador solar prep En esta ecuación todas las variables son valores medios anuales. Tacu es la temperatura media del agua en la parte superior del acumulador, Tred la del agua de red, y Tprep la de preparación del agua en el sistema de apoyo  Energía Solar en la Edificación Sistema de acumulación Depto. Ingeniería Mecánica, Térmica y de Fluidos Ejemplo: Estimación de pérdidas anuales de un acumulador solar Utilizando los datos del enunciado: Tacu =15 + 0,6.(60‐15) = 42ºC Supondremos que la temperatura anterior es igual a la temperatura media anual del acumulador completo; se trata de una hipótesis conservadora para el cálculo de pérdidas, ya que la temperatura promedio anual del acumulador completo deberá ser menor porque el fondo estará más frío. Vamos a AISLAM (figura 4.31) y obtenemos una potencia de 155,25 W. Por lo tanto, la energía perdida en un año completo es: Eperd = 155,25 x 365 x 24 / 1000 = 1400 kWh/año  Energía Solar en la Edificación Sistema de acumulación Depto. Ingeniería Mecánica, Térmica y de Fluidos Tecnología de los acumuladores solares El mercado ofrece una gran variedad de modelos de acumuladores solares, que se diferencian por su tamaño, configuración, materiales y aplicación final. Todos se diseñan teniendo en cuenta los factores comentados en los apartados anteriores, relativos a la promoción de la estratificación y a la limitación de pérdidas térmicas. Clasificación de los acumuladores Atendiendo a los requisitos del material con el que se fabrica el tanque, los acumuladores pueden clasificarse en: ‐ Acumuladores de agua caliente sanitaria (ACS) ‐ Acumuladores de inercia.  Energía Solar en la Edificación Sistema de acumulación Depto. Ingeniería Mecánica, Térmica y de Fluidos Tecnología de los acumuladores solares Los acumuladores de ACS deben cumplir las normas de higiene de cada país (UNE EN 12897) y ser resistentes a la corrosión, que es intensa debido a la abundancia de oxígeno en el agua de consumo. Los materiales de fabricación pueden ser (ASIT, 2010) (IDAE, 2009): ‐ Acero vitrificado; tanque de acero con un esmalte fundido sobre la cara en contacto con el agua ‐ Acero con tratamiento de protección interior mediante resinas epoxi o equivalente ‐ Acero inoxidable, de calidad ASIS 316L o equivalente ‐ Cobre ‐ Materiales no metálicos (plásticos, etc.), que deberán ser capaces de soportar las condiciones extremas de temperatura y presión del circuito, así como estar autorizados por la Administración Competente.  Energía Solar en la Edificación Sistema de acumulación Depto. Ingeniería Mecánica, Térmica y de Fluidos Tecnología de los acumuladores solares Los acumuladores de inercia contienen agua, pero no agua de consumo. Trabajan en circuito cerrado. Se utilizan en grandes instalaciones y en instalaciones con servicio combinado de ACS y calefacción. En una gran instalación conviene separar el medio de acumulación del agua de consumo, ya que de esta manera se rebajan los requisitos de higiene del acumulador, se evita el tratamiento anti‐legionella (del volumen de inercia), se reduce el nivel de corrosión, y puede elevarse la temperatura de acumulación por encima de 60ºC sin que se formen incrustaciones de cal en el acumulador. En pequeñas instalaciones combinadas, conviene utilizar como medio de almacenamiento el agua del sistema de calefacción, calentando separadamente el ACS que se vaya a consumir. En ambos casos, la utilización de acumuladores de inercia reduce el coste de la instalación. Los acumuladores de inercia pueden ser de (ASIT, 2010): ‐ Acero negro, con o sin protección interior ‐ Acero inoxidable (pero no de calidad alimentaria) ‐ Materiales no metálicos ‐ Hormigón (requiere proyecto realizado por un técnico competente).  Energía Solar en la Edificación Sistema de acumulación Depto. Ingeniería Mecánica, Térmica y de Fluidos Tecnología de los acumuladores solares Otra clasificación muy habitual de los acumuladores, que se emplea en los apartados siguientes, diferencia entre: ‐ Interacumuladores: son acumuladores que incorporan el intercambiador primario ‐ Acumuladores combinados: diseñados para prestar servicio simultáneo de ACS y apoyo a calefacción, por ejemplo separando el volumen de acumulación en dos sub‐volúmenes ‐ Acumuladores: denominaremos así a los demás modelos, que no incorporan intercambiadores ni particionan el volumen de acumulación según diferentes usos.  Energía Solar en la Edificación Sistema de acumulación Depto. Ingeniería Mecánica, Térmica y de Fluidos Tecnología de los acumuladores solares Seguridad y mantenimiento ‐ Tanto los acumuladores de ACS como los de inercia deben protegerse de la corrosión mediante protecciones activas permanentes (protección catódica) o pasivas recambiables (ánodo de sacrificio) ‐ Cada acumulador de la instalación debe disponer de una válvula de seguridad, con descarga conducida hacia el suelo, en previsión de que la presión interior alcance un nivel peligroso ‐ Los depósitos mayores de 750 litros deben disponer de una boca de hombre, con diámetro mínimo de 400 mm, fácilmente accesible, situada en uno de los laterales del acumulador y cerca del suelo, que permita la entrada de una persona en el interior del depósito de modo sencillo, sin necesidad de desmontar tubos ni accesorios ‐ Debe ser posible vaciar toda el agua contenida en el acumulador ‐ Es recomendable añadir un sistema de purga de aire en la zona más alta del acumulador ‐ Nunca debe superarse la temperatura máxima indicada por el fabricante en la placa del acumulador.  Energía Solar en la Edificación Sistema de acumulación Depto. Ingeniería Mecánica, Térmica y de Fluidos Tecnología de los acumuladores solares Interacumuladores Se denomina interacumulador a un acumulador que incorpora una superficie de intercambio térmico entre el fluido primario (captación) y el medio de almacenamiento, en forma de camisa de doble envolvente, intercambiador de serpentín, o intercambiador de haz tubular. En la figura se representan varios ejemplos de interacumuladores. Todos contienen agua de consumo.  Energía Solar en la Edificación Sistema de acumulación Depto. Ingeniería Mecánica, Térmica y de Fluidos  Energía Solar en la Edificación Sistema de acumulación Depto. Ingeniería Mecánica, Térmica y de Fluidos Tecnología de los acumuladores solares Interacumuladores A Interacumulador de doble envolvente: el fluido primario circula por una camisa de calentamiento que rodea al depósito de ACS. El corrugado de la superficie interior aumenta el área de transferencia. Para asegurar una circulación uniforme por el interior de la camisa, las conexiones de impulsión y retorno a captadores deben situarse en extremos diagonalmente opuestos. Para favorecer la estratificación, el agua de impulsión de captadores debe introducirse en la camisa por la conexión superior. En el modelo representado, la entrada de agua de red y la extracción de ACS se realizan por la parte superior del acumulador, por lo que el agua de red se conduce mediante un tubo liso hasta el fondo. Este tipo de acumulador está disponible para volúmenes pequeños (50 – 500 litros aprox.), y se utiliza en instalaciones unifamiliares o en instalaciones multivivienda con acumulación distribuida. Su uso también se ha generalizado en los sistemas de circulación natural (termosifón), instalado horizontalmente sobre el captador.  Energía Solar en la Edificación Sistema de acumulación Depto. Ingeniería Mecánica, Térmica y de Fluidos Tecnología de los acumuladores solares B Interacumulador con serpentín: consta de un intercambiador de calor de serpentín, plano, corrugado o aleteado, ubicado en la parte inferior del acumulador, entre el 10% y el 60% de la altura total del mismo. El fluido primario circula a través de este intercambiador, en cuya superficie exterior se produce la transferencia convectiva con el agua del acumulador. El agua calentada tiende a ascender por flotación, llenado la parte superior del acumulador. Para mejorar la estratificación y el rendimiento de captación, el conexionado debe ser como se muestra en la figura: impulsión de captadores por la conexión superior del intercambiador, retorno por la inferior. El agua de consumo se toma del acumulador por la parte superior, y el agua de red se repone por la parte inferior. Nótese el uso de deflectores en ambas tomas. El cambio de paso de la espiral del intercambiador en la parte inferior es únicamente para despejar el acceso desde el registro de inspección y limpieza. Este tipo de acumulador está disponible para volúmenes entre pequeños y medianos (200 – 1500 litros aprox.), y se utiliza con frecuencia en instalaciones solares de pequeño tamaño (< 20m2) y en instalaciones solares multivivienda con acumulación distribuida. Esta configuración también es habitual en los acumuladores de apoyo, en cuyo caso el serpentín recibe agua de la caldera, el agua precalentada solar entra por la conexión 2, y el agua a consumo sale por la conexión 1.  Energía Solar en la Edificación Sistema de acumulación Depto. Ingeniería Mecánica, Térmica y de Fluidos Tecnología de los acumuladores solares C Interacumulador bivalente: variante del anterior, que incluye un intercambiador de calor adicional en la parte superior del acumulador. Este intercambiador puede conectarse al sistema de apoyo para utilizar la fracción superior del acumulador como sub‐volumen de apoyo, o puede formar parte de un esquema de carga estratificada como, en el que una válvula de tres vías dirige el fluido de captación hacia uno de los intercambiadores en función de su temperatura. Los tamaños habituales son los mismos que para el modelo anterior.  Energía Solar en la Edificación Sistema de acumulación Depto. Ingeniería Mecánica, Térmica y de Fluidos Tecnología de los acumuladores solares D Acumulador con carga estratificada: implementación de uno de los estratificadores ya visto. Estos acumuladores están disponibles en el mercado en un rango muy amplio de volúmenes, desde 500 a 5000 litros.  Energía Solar en la Edificación Sistema de acumulación Depto. Ingeniería Mecánica, Térmica y de Fluidos Tecnología de los acumuladores solares E Acumulador con carga estratificada: implementación de otro de los estratificadores ya vistos. En este caso, todas las conexiones se han agrupado en la parte inferior del acumulador. De nuevo, nótese la utilización de tubos lisos verticales para extraer el agua de consumo e inyectar la recirculación a las alturas correctas.  Energía Solar en la Edificación Sistema de acumulación Depto. Ingeniería Mecánica, Térmica y de Fluidos Tecnología de los acumuladores solares Acumuladores Los acumuladores constan de un único tanque y de un volumen de acumulación sin particionar. Cualquier intercambio de calor debe realizarse externamente con intercambiadores de placas o de carcasa y tubo (menos habitual). Sin pretender ser exhaustiva se presenta cuatro ejemplos:  Energía Solar en la Edificación Sistema de acumulación Depto. Ingeniería Mecánica, Térmica y de Fluidos Tecnología de los acumuladores solares A Acumulador con conexiones laterales: es el modelo de acumulador más común en instalaciones medianas y grandes, en las cuales el intercambiador del primario se sitúa fuera del acumulador. Los volúmenes comercialmente disponibles abarcan un rango muy amplio, entre 150 y 5000 litros (aprox.). Cuando se requieren volúmenes de acumulación mayores, deben combinarse varios acumuladores como se explica en el apartado 4.2.4.10. Nótese la utilización de deflectores en todas las tomas. La posición de los puertos de entrada/salida es la prescrita por el CTE (apartado 4.2.2): conexiones 2 y 4 en el fondo, conexión 1 en la parte superior, conexión 3 entre el 50% y el 75% de la altura total. Este tipo de acumulador está disponible tanto para agua de consumo como de inercia. El mismo modelo puede utilizarse también como acumulador del sistema de apoyo.  Energía Solar en la Edificación Sistema de acumulación Depto. Ingeniería Mecánica, Térmica y de Fluidos Tecnología de los acumuladores solares B Acumulador con conexiones verticales: variante del modelo anterior, donde todas las conexiones se realizan por la parte superior. Los tubos verticales conducen cada corriente al estrato adecuado en función de su temperatura. Alternativamente, las conexiones podrían introducirse por la parte inferior.  Energía Solar en la Edificación Sistema de acumulación Depto. Ingeniería Mecánica, Térmica y de Fluidos Tecnología de los acumuladores solares C Acumulador con carga estratificada: se trata de una aplicación del estratificador. Como la temperatura de salida de captadores varía a lo largo del día, se utiliza un tubo estratificador para inyectar la producción solar en el estrato a la temperatura más parecida, minimizándose así la destrucción de exergía. Todas las conexiones se realizan desde la parte inferior. Disponible comercialmente para volúmenes entre 600 y 2000 litros (aprox.). Se recomienda utilizarlo en combinación con sistemas de bajo flujo.  Energía Solar en la Edificación Sistema de acumulación Depto. Ingeniería Mecánica, Térmica y de Fluidos Tecnología de los acumuladores solares D Acumulador de inercia con carga estratificada: variante del modelo anterior, que incorpora un segundo estratificador para retornos con temperatura variable, típicamente del sistema de calefacción. En este caso el acumulador no contendrá agua de consumo. El fluido extraído por la conexión 16 va al sistema de calefacción (pasando por un apoyo si se requiere), y regresa por la conexión 17 al estrato más adecuado. La temperatura de este retorno varía con la demanda de calefacción del edificio. Nótese que el estratificador de este circuito no llega hasta los estratos superiores, ya que la temperatura de retorno del agua de calefacción no alcanzará temperaturas tan elevadas. El agua de consumo debe calentarse en un intercambiador de placas externo, cuyo primario estará conectado entre las conexiones 1 y 2.  Energía Solar en la Edificación Sistema de acumulación Depto. Ingeniería Mecánica, Térmica y de Fluidos Tecnología de los acumuladores solares Acumuladores combinados Los acumuladores combinados se desarrollaron hace unos años para simplificar la instalación y el control de las instalaciones combinadas de ACS + calefacción. Sin ánimo de ser exhaustiva, la figura muestra varios ejemplos.  Energía Solar en la Edificación Sistema de acumulación Depto. Ingeniería Mecánica, Térmica y de Fluidos Tecnología de los acumuladores solares Acumuladores combinados Interacumulador combinado “al baño maría”: es el acumulador combinado por excelencia. El volumen de acumulación está dividido en dos sub‐volúmenes: un depósito acumulador de agua de consumo fabricado en acero de calidad alimentaria (etiqueta 25), sumergido en un depósito de inercia (etiqueta 26) que contiene agua del circuito de calefacción y caldera. El ACS lista para consumo se toma de la parte superior del depósito interior, y el agua de red se repone por la parte inferior a través de un tubo descendente. Atendiendo a los niveles térmicos, el acumulador puede dividirse en tres zonas. La parte inferior es la zona solar, donde se encuentra el intercambiador de calor del campo de captadores. El cilindro 24 es opcional, y su cometido es orientar la corriente ascendente desde el intercambiador hacia la zona superior evitando mezcla con el fluido alrededor. La zona superior está calentada por el sistema de apoyo (conexiones 20 y 21), en caso de que el aporte solar no sea suficiente para mantener la temperatura de servicio deseada. La zona intermedia es la que sirve al sistema de calefacción (conexiones 18 y 19).  Energía Solar en la Edificación Sistema de acumulación Depto. Ingeniería Mecánica, Térmica y de Fluidos Tecnología de los acumuladores solares Acumuladores combinados Acumulador combinado “al baño maría”: variante del modelo anterior, en la que el intercambiador de calor primario se ha sacado al exterior  Energía Solar en la Edificación Sistema de acumulación Depto. Ingeniería Mecánica, Térmica y de Fluidos Tecnología de los acumuladores solares Acumuladores combinados C Acumulador de inercia con calentamiento instantáneo de ACS: variante del acumulador de inercia, que trae acoplado de fábrica un intercambiador de placas y una bomba de velocidad variable para calentar al paso el agua de consumo. También se añaden las conexiones de caldera (20 y 21), con la misma finalidad que en los modelos anteriores  Energía Solar en la Edificación Sistema de acumulación Depto. Ingeniería Mecánica, Térmica y de Fluidos Tecnología de los acumuladores solares Acumuladores combinados Interacumulador de inercia con calentamiento instantáneo de ACS: combinación de las ideas anteriores; incorpora un intercambiador primario sumergido y un intercambiador de placas con bomba de velocidad variable para calentar el ACS al paso, así como un estratificador de retorno.  Energía Solar en la Edificación Sistema de acumulación Depto. Ingeniería Mecánica, Térmica y de Fluidos Circuito de carga del acumulador solar Mostramos varias posibles configuraciones del circuito de carga solar, que es el circuito cerrado que transfiere la energía solar captada al acumulador solar. Todas incorporan intercambiador de calor primario para proteger a los captadores de incrustaciones calcáreas y permitir la adición de anticongelante: A: Carga por circulación natural con interacumulador de doble envolvente (sistema termosifón), para menos de 10 m2 de captadores B: Carga por circulación forzada con interacumulador de doble envolvente C: Carga por circulación forzada con interacumulador de serpentín  Energía Solar en la Edificación Sistema de acumulación Depto. Ingeniería Mecánica, Térmica y de Fluidos Circuito de carga del acumulador solar D: Añade a la configuración C una válvula de tres vías que permite puentear el paso del agua por el intercambiador de calor durante el arranque de la bomba de primario. El objetivo es estabilizar la temperatura del primario antes de empezar a almacenar energía E, F: Carga por circulación forzada con interacumulador bivalente y estratificador con válvula de tres vías externa. En la configuración E, la válvula de tres vías dirige el fluido primario hacia uno de los intercambiadores en función de su temperatura. En la configuración F, el fluido pasa siempre por el intercambiador inferior y, si su temperatura es suficientemente elevada, pasa primero por el superior  Energía Solar en la Edificación Sistema de acumulación Depto. Ingeniería Mecánica, Térmica y de Fluidos Circuito de carga del acumulador solar G, H: Carga por circulación forzada con interacumulador de serpentín y dispositivo estratificador. El agua asciende por flotación hasta el estrato adecuado I: Carga por circulación forzada con intercambiador de calor exterior, normalmente de placas. Recordemos que, el agua caliente debe entrar en el acumulador a una altura comprendida entre el 50% y el 75% de la altura total  Energía Solar en la Edificación Sistema de acumulación Depto. Ingeniería Mecánica, Térmica y de Fluidos Circuito de carga del acumulador solar J: Añade a la configuración I una válvula de tres vías que puentea el intercambiador de placas. Esta válvula se utiliza en climas muy fríos para evitar la congelación del secundario del intercambiador durante el primer arranque de las bombas. En el primer arranque de la mañana, el agua fría (< 0ºC) de las tuberías del primario puede congelar el agua de consumo del secundario, que no tiene anticongelante. El incremento de volumen asociado a la congelación puede romper el intercambiador. K,L: Carga por circulación forzada, intercambiador de calor exterior y dispositivo estratificador  Energía Solar en la Edificación Sistema de acumulación Depto. Ingeniería Mecánica, Térmica y de Fluidos Configuraciones del circuito de A Apoyo B Apoyo C Resistencia carga de apoyo eléctrica En cuanto al circuito de carga asociado al Acumulador Acumulador Acumulador SOLAR SOLAR SOLAR sistema de apoyo, la Figura recoge las Acumulador APOYO opciones más habituales. D E Apoyo F Acumulador SOLAR Apoyo Apoyo Acumulador Acumulador SOLAR SOLAR Acumulador Acumulador APOYO APOYO G Apoyo H Resistencia eléctrica Acumulador Acumulador SOLAR SOLAR  Energía Solar en la Edificación Sistema de acumulación Depto. Ingeniería Mecánica, Térmica y de Fluidos Circuito de descarga El circuito de descarga extrae la energía almacenada en el acumulador solar o en el acumulador de apoyo para enviarla a los consumos (ACS y calefacción). Existen varias alternativas. A: Este tipo de descarga se utiliza en acumuladores de inercia. El agua de red se hace pasar por un intercambiador de calor sumergido en la parte superior del acumulador. Esta modalidad de descarga perjudica la estratificación, ya que el agua caliente de la parte superior del acumulador se enfría significativamente al entrar en contacto con el agua de red que circula por el intercambiador, cuya temperatura puede oscilar entre 5ºC y 25ºC. El agua enfriada tiende a descender, mezclando el volumen de acumulación. B: Posible mejora del esquema anterior, en la que el intercambiador está rodeado por un recipiente abierto que se prolonga hasta el fondo del acumulador. El agua fría desciende por el interior de este recipiente, evitándose así la mezcla con los estratos calientes situados fuera del mismo  Energía Solar en la Edificación Sistema de acumulación Depto. Ingeniería Mecánica, Térmica y de Fluidos Circuito de descarga C: Descarga de un acumulador de doble envolvente D: Descarga lateral de un acumulador convencional E: Descarga vertical de un acumulador convencional F: Descarga de un acumulador de inercia mediante un intercambiador de calor exterior G: Descarga de ACS (depósito interior) y fluido de calefacción (depósito principal) en un acumulador combinado H: Descarga y retorno de un circuito de calefacción en un acumulador de inercia. El agua caliente se toma de la parte superior o de un estrato intermedio, según la temperatura requerida. Como la temperatura de retorno es variable, función de la carga de calefacción del edificio, el retorno se hace mediante un tubo estratificador.  Energía Solar en la Edificación Sistema de acumulación Depto. Ingeniería Mecánica, Térmica y de Fluidos Combinación de circuitos de carga y descarga Los esquemas de carga solar, apoyo y descarga descritos en los apartados anteriores pueden combinarse para generar diferentes configuraciones del sistema de acumulación y de apoyo. Un sistema sencillo muy común en aplicaciones domésticas se obtiene combinando las opciones C (carga con intercambiador de serpentín) + F (apoyo instantáneo) + D (descarga directa), figura  Energía Solar en la Edificación Sistema de acumulación Depto. Ingeniería Mecánica, Térmica y de Fluidos Combinación de circuitos de carga y descarga Acumulador bivalente Acumulador solar ACS Acumulador de servicio A ACS B ACS En la Figura se muestran otros esquemas también habituales en RED nuestro país en instalaciones de RED tamaño pequeño y mediano (B, D), Acumulador Acumulador Acumulador solar ACS solar ACS de servicio y mediano y grande (F). Los C ACS D ACS esquemas de la izquierda (A, C, E) de la figura incorporan el sistema de apoyo en el acumulador solar RED RED Acumulador Acumulador Acumulador solar ACS solar ACS de servicio E ACS F ACS Apoyo RED RED  Energía Solar en la Edificación Sistema de acumulación Depto. Ingeniería Mecánica, Térmica y de Fluidos Combinación de circuitos de carga y descarga Se presentan dos ejemplos de sistema con acumulador de inercia. En el sistema A, el acumulador de inercia contiene todo el volumen de acumulación solar requerido por la normativa, y a través de un intercambiador de descarga precalienta el agua contenida en la parte inferior del acumulador de servicio. El agua caliente asciende por flotación hasta la parte superior de este segundo acumulador, donde el sistema de apoyo termina de calentarla si es necesario. El sistema B implementa esta misma idea utilizando intercambiadores sumergidos.  Energía Solar en la Edificación Sistema de acumulación Depto. Ingeniería Mecánica, Térmica y de Fluidos Combinación de circuitos de carga y descarga Uno de los muchos posibles esquemas de conexión de un acumulador combinado. El primario calienta la parte inferior del acumulador, y el sistema de apoyo la parte superior. El apoyo únicamente calienta el acumulador en caso de que no se alcance la temperatura requerida en la parte superior del depósito interno, de donde se extrae el ACS para consumo. En este esquema, el sistema de calefacción recibe agua caliente directamente de la caldera. El ahorro de combustible se consigue elevando la temperatura de retorno a la caldera mediante la instalación solar. El retorno del sistema de calefacción puede enviarse a la caldera o al acumulador combinado en función de su temperatura.  Energía Solar en la Edificación Sistema de acumulación Depto. Ingeniería Mecánica, Térmica y de Fluidos Interconexión de acumuladores Los mayores acumuladores estándar disponibles en el mercado tienen volúmenes en torno a los 5000 litros. Cuando el volumen de acumulación de una instalación supera esta cifra, o el acumulador no cabe en la altura disponible del local, lo más habitual es conectar dos o más acumuladores idénticos hasta alcanzar el volumen requerido. Existen dos modalidades de conexión hidráulica: serie (figura 4.45) y paralelo (figura 4.46).  Energía Solar en la Edificación Sistema de acumulación Depto. Ingeniería Mecánica, Térmica y de Fluidos Interconexión de acumuladores Las recomendaciones de la guía ASIT (ASIT, 2010) sobre conexión de acumuladores son las siguientes: (ASIT, 2010) 06.2.2 Acumulación centralizada ‐ Desde el punto de vista del comportamiento térmico se recomienda que el sistema de acumulación solar esté constituido por un único depósito, de configuración vertical y que esté situado en el interior ‐ Por razones de fiabilidad de la instalación o por razones de espacios disponibles, la instalación solar podrá disponer de más de un acumulador y éstos deberían ser iguales entre sí. ‐ La conexión de los acumuladores permitirá la desconexión individual de los mismos sin interrumpir el funcionamiento de la instalación. ‐ Cuando el sistema de acumulación está formado por varios acumuladores estos deberían conectarse, si no existen otros condicionantes, en serie. Esta forma de conexión, funciona como un único acumulador de volumen la suma de todos los volúmenes y altura la suma de alturas de cada uno de los acumuladores; y aumenta la estratificación de temperaturas. ‐ El conexionado en serie se realiza con los circuitos de carga y descarga o los de calentamiento y consumo en serie invertida ‐ Es factible el conexionado en paralelo siempre que los circuitos primario y secundario estén equilibrados.  Energía Solar en la Edificación Sistema de acumulación Depto. Ingeniería Mecánica, Térmica y de Fluidos Dimensionamiento del volumen de acumulación El tamaño del acumulador es una variable de decisión importante. En algunos países con inviernos fríos, por ejemplo en Suiza o Suecia, se han construido acumuladores estacionales de gran tamaño que se cargan durante el verano para proporcionar calor durante el invierno. En nuestro país lo más habitual y económico es dotar a las instalaciones de acumuladores capaces de almacenar el equivalente a uno o dos días de consumo, lo que nivela las variaciones climáticas que tienen lugar a esa escala de tiempo.  Energía Solar en la Edificación Sistema de acumulación Depto. Ingeniería Mecánica, Térmica y de Fluidos Dimensionamiento del volumen de acumulación El sistema solar se debe concebir en función de la energía que aporta a lo largo del día y no en función de la potencia del generador (captadores solares), por tanto se debe prever una acumulación acorde con la demanda al no ser ésta simultánea con la generación. Para la aplicación de ACS, el área total de los captadores tendrá un valor tal que se cumpla la condición: Siendo: A la suma de las áreas de los captadores [m²]; V el volumen del depósito de acumulación solar [litros].  Energía Solar en la Edificación Sistema de acumulación Depto. Ingeniería Mecánica, Térmica y de Fluidos Dimensionamiento del volumen de acumulación Vemos que el rango V/A permitido es bastante amplio. El valor convencional utilizando en proyectos en España es V/A = 75 litros/m2. En instalaciones que no tengan consumo durante uno o dos días a la semana (colegios, talleres, polideportivos, etc.), debe considerarse aumentar este valor como mínimo a V/A = 100 litros/m2. Por lo general, el valor óptimo de V/A aumenta medida que crece el desfase temporal entre captación y consumo.  Energía Solar en la Edificación Sistema de acumulación Depto. Ingeniería Mecánica, Térmica y de Fluidos Dimensionamiento del volumen de acumulación En la figura 4.47 se representa la variación de la contribución solar anual de una instalación de ACS frente a la relación V/A. Los cálculos se han realizado con un programa de simulación. La tendencia es parecida en todas las instalaciones: ‐ Valores demasiado bajos de V/A conducen a acumuladores que no tienen capacidad para almacenar todo lo que el campo solar podría producir. Esto merma las prestaciones de la instalación. El acumulador se satura antes de que concluya el periodo de captación, quedando el campo de captadores estancado durante parte de dicho periodo. Además, la temperatura media de entrada a captadores aumenta durante las horas de captación, lo que reduce el rendimiento de captación. ‐ Valores demasiado altos de V/A no aportan mejoras significativas, ya que la producción del campo de captadores está limitada por el área de captación. No habrá tanta energía que almacenar, y el acumulador estará infrautilizado. La eficiencia de captación será correcta porque la temperatura en el fondo del acumulador no aumentará excesivamente. Las prestaciones empeoran para volúmenes demasiado grandes porque aumentan las pérdidas de calor en relación con la energía almacenada.  Energía Solar en la Edificación Sistema de acumulación Depto. Ingeniería Mecánica, Térmica y de Fluidos Dimensionamiento del volumen de acumulación Aunque el CTE no cita el siguiente criterio, es recomendable comprobar que el volumen del acumulador corresponda aproximadamente con la carga de consumo de un día: Donde: V: Volumen del acumulador (litros) M: Caudal de agua que circula por el acumulador en un día promedio del año (litros/día). La relación V/M tiene unidades de tiempo, y mide el tiempo promedio de residencia del agua en el acumulador. Nótese que el valor de M está condicionado por la temperatura de preparación del ACS en el sistema de apoyo  Energía Solar en la Edificación Sistema de apoyo Depto. Ingeniería Mecánica, Térmica y de Fluidos Sistema de apoyo - Clasificación - Dimensionamiento de sistemas instantáneos - Dimensionamiento de sistemas con acumulación - Conexionado con el sistema solar - Ejercicios  Energía Solar en la Edificación Sistema de apoyo Depto. Ingeniería Mecánica, Térmica y de Fluidos  Energía Solar en la Edificación Sistema de apoyo Dpto. Ingeniería Mecánica, Térmica y de Fluidos - La energía de los captadores solares irregular (Magnitud y distribución temporal) por lo que no suele suministrarse directamente a los usuarios. - Se introducen componentes que acondicionan y complementan la producción: - Acumulador solar, - Intercambiador de calor, - Sistema de apoyo - Sistema de control  Energía Solar en la Edificación Sistema de apoyo Dpto. Ingeniería Mecánica, Térmica y de Fluidos Sistema de apoyo El sistema de apoyo es el elemento que asegura la continuidad del suministro de energía térmica con independencia de las condiciones en la instalación solar. Recibe agua precalentada por el sistema solar y termina de calentarla hasta la temperatura de preparación, utilizando gas, biomasa o electricidad. El diseño del sistema de apoyo y de la red de distribución de ACS de una instalación solar es idéntico al de cualquier otra instalación de ACS, con la salvedad de que hay que integrar correctamente las partes solar y convencional. En esta sección se introducen la problemática de la integración solar/apoyo y los criterios habituales para dimensionar el sistema de apoyo. El tema es suficientemente extenso como para recomendar ampliarlo con referencias especializadas; la guía técnica “Agua caliente sanitaria central” (IDAE) es un excelente documento donde se estudia con detalle el diseño de instalaciones centralizadas de ACS.  Energía Solar en la Edificación Sistema de apoyo Dpto. Ingeniería Mecánica, Térmica y de Fluidos Sistema de apoyo Clasificación de los sistemas de apoyo Los sistemas de apoyo pueden clasificarse atendiendo a varios criterios: - Según el instante de producción: instantáneos o con acumulación - Según el lugar en que se instalan: centralizados o distribuidos - Según la fuente de energía que utilizan: combustibles fósiles (gasóleo, gas natural o GLP), electricidad (bomba de calor o efecto Joule), renovables (biomasa).  Energía Solar en la Edificación Sistema de apoyo Dpto. Ingeniería Mecánica, Térmica y de Fluidos Sistema de apoyo Los sistemas instantáneos calientan al paso el agua de consumo. Únicamente funcionan durante el periodo de tiempo en que hay demanda, por lo que evitan las pérdidas de calor que tienen lugar en un acumulador durante los periodos de espera (stand‐by). El inconveniente de los sistemas instantáneos radica en que la potencia instalada debe ser igual a la potencia punta de consumo, lo que limita su aplicabilidad al rango de pequeñas potencias, es decir, a aplicaciones domésticas y similares. Habitualmente utilizan combustibles fósiles. Existen calentadores eléctricos instantáneos, pero sus requerimientos de potencia son elevados y pueden requerir un aumento de la potencia eléctrica contratada en la vivienda. También hay que tener en cuenta el bajo rendimiento global de las transformaciones electricidad – calor por efecto Joule (< 30% en términos de energía primaria en la central eléctrica). Los sistemas de apoyo con acumulación permiten reducir la potencia instalada y consiguen un funcionamiento más continuo y estable del generador de calor.  Energía Solar en la Edificación Sistema de apoyo Dpto. Ingeniería Mecánica, Térmica y de Fluidos Sistema de apoyo Los sistemas de apoyo centralizados preparan y distribuyen ACS para un conjunto de usuarios, y sólo pueden acoplarse a instalaciones solares centralizadas. En estos casos, es generalizado el uso de sistemas de apoyo con acumulación y fuente fósil o biomasa. Se encuentran tanto en aplicaciones comerciales (hoteles, polideportivos, etc.) como en instalaciones domésticas comunitarias. Los sistemas de apoyo distribuido preparan el ACS para cada usuario o punto de consumo, y pueden acoplarse a instalaciones solares de cualquier tipo (centralizadas o individuales). En el caso de instalaciones solares centralizadas, el ACS precalentada por la instalación solar se distribuye hasta los puntos de consumo, donde el sistema de apoyo de cada usuario termina de calentarla si es necesario. Los sistemas de apoyo distribuido suelen ser de tipo instantáneo (calderas de gas) o de acumulación eléctrica.  Energía Solar en la Edificación Sistema de apoyo Dpto. Ingeniería Mecánica, Térmica y de Fluidos Sistema de apoyo Conexión sistema solar – apoyo instantáneo La conexión del apoyo instantáneo con la instalación solar puede hacerse en serie o en paralelo (figura 1).  Energía Solar en la Edificación Sistema de apoyo Dpto. Ingeniería Mecánica, Térmica y de Fluidos Sistema de apoyo La conexión en serie es la más habitual; en ella el agua de consumo pasa primero por el acumulador solar (fase de precalentamiento) y a continuación por el sistema de apoyo (fase de calentamiento final). El acoplamiento en serie maximiza el aprovechamiento de la energía solar, ya que toda la energía disponible en el acumulador es útil para reducir el salto de temperaturas que ha de vencer el sistema de apoyo. Como se muestra en la figura, siempre debe disponerse de un by‐pass de conexión que permita dejar fuera de servicio al acumulador, para poder realizar tareas de mantenimiento sin interrumpir el servicio.  Energía Solar en la Edificación Sistema de apoyo Dpto. Ingeniería Mecánica, Térmica y de Fluidos Sistema de apoyo En una conexión en serie, la temperatura de entrada al sistema de apoyo es igual a la temperatura en la zona superior del acumulador, la cual puede variar entre la temperatura mínima del agua de red (5ºC aprox.) en periodos de invierno sin aporte solar, hasta valores por encima de 60ºC en periodos de alta irradiación y bajo consumo. Este hecho tiene implicaciones sobre la selección del sistema de apoyo. Los calentadores convencionales de ACS están diseñados para recibir agua de red, a temperaturas entre 5ºC y 25ºC aprox., por lo que nunca deberán acoplarse en serie con una instalación solar. El calentador a utilizar tendrá que estar específicamente diseñado para conectarlo a un acumulador solar, debiendo reunir dos requisitos fundamentales (Ruiz y col., 2007): 1. Los materiales con los que se fabriquen los elementos de entrada del agua al calentador (válvulas, juntas, detectores de flujo, etc.) deben estar preparados para soportar altas temperaturas 1. La potencia cedida por el calentador al fluido debe modularse en función de la temperatura de entrada, y debe ser la necesaria para alcanzar la temperatura deseada. No deben utilizarse sistemas todo/nada por detección de flujo, ya que la temperatura de salida será innecesariamente alta.  Energía Solar en la Edificación Sistema de apoyo Dpto. Ingeniería Mecánica, Térmica y de Fluidos Sistema de apoyo En una conexión en serie, la temperatura de preparación (consigna) del sistema de apoyo tiene gran influencia sobre las prestaciones de la instalación solar en su conjunto. Cuanto mayor es la temperatura de preparación, menor es la contribución solar para un área de captación dada. Esto se explica por dos motivos: 1. El sistema de apoyo deberá entrar en funcionamiento durante un mayor número de horas, a fin de asegurar el nivel térmico deseado. Aumentar la temperatura de preparación implica aumentar el umbral de calidad (exergía) para la energía demandada 2. Cuanto mayor es la temperatura de preparación, menor es el caudal de agua de consumo que circula por el acumulador solar, ya que se necesita menos volumen de agua caliente en los puntos de consumo para satisfacer la demanda. Esto incrementa el tiempo de residencia del agua en el acumulador, la temperatura en el fondo (penaliza el rendimiento de captación), y las pérdidas de calor.  Energía Solar en la Edificación Sistema de apoyo Dpto. Ingeniería Mecánica, Térmica y de Fluidos Sistema de apoyo En una conexión en paralelo, el suministro de agua caliente se realiza alternativamente desde el acumulador solar o desde el apoyo. Para seleccionar una u otra fuente se utiliza una válvula de tres vías (ver figura 1), manual o automática. Cuando la temperatura en el acumulador solar supera una temperatura mínima establecida, el servicio de ACS se realiza desde el acumulador. Cuando el nivel térmico disponible en el acumulador no es suficiente, la conexión conmuta al sistema de apoyo. La conexión en paralelo se utiliza exclusivamente en instalaciones pequeñas, normalmente de edificios existentes, donde la conexión serie obligaría a largos trazados de conexión (Ruiz y col., 2007). El calentador de ACS trabaja con agua de red, por lo que pueden utilizarse calentadores convencionales de ACS, algo importante para instalaciones preexistentes. La guía (ASIT, 2010) detalla las circunstancias bajo las cuales es admisible implementar una conexión en paralelo:  Energía Solar en la Edificación