Cálculo de los Elementos de la IST

Procederemos a realizar los cálculos para determinar las características que deberán tener los demás elementos de la instalación:

  • Estructura soporte.
  • Sistema de termotransferencia (red de tuberías, intercambiadores, etc.).
  • Vaso de expansión.
  • Aislamientos.
  • Sistemas de acumulación, energía auxiliar, de control y monitorización.
  • Equipos de medida.

CAMPO DE COLECTORES Y ESTRUCTURA SOPORTE

El número de colectores a instalar se obtendrá al dividir la superficie necesaria, calculada anteriormente en el apartado cálculo de la superficie colectora, entre la superficie útil o efectiva del colector elegido.

El área de apertura de un colector o superficie útil o efectiva es la máxima proyección plana del área del colector que recibe la radiación solar, es decir, la superficie de la cubierta transparente.
Este dato nos lo proporciona el fabricante del colector en su hoja de características, en m2.

Se redondeará por exceso o por defecto el número de colectores obtenido. Si, por ejemplo, en el cálculo de una pequeña instalación obtenemos un número de colectores igual a 1,17 parece más natural redondear a 1 que a 2 colectores, pero, si el resultado final fuese 39,1 colectores, es más lógico poner 40, pues podrían disponerse en 8 filas de 5 colectores, sin que sobrara ni faltara ninguno.

Una vez determinado el número de colectores y, por tanto, obtenida la nueva superficie colectora real, producto de dicho número por la superficie útil de cada colector, se calculará la aportación energética solar tomando como base dicha superficie real.

Nunca se deberá sobredimensionar una instalación en superficie colectora, pues se producirán con frecuencia altas temperaturas que acortarán la vida de sus elementos. Si a pesar de todo estas se producen, habrá que procurar que esta situación dure lo menos posible, para lo que se tomará alguna de las medidas siguientes, muy similares a las que se tomarían para evitar las sobrepresiones por calentamiento:

  1. Si el riesgo es grave, se procederá a vaciar parcialmente el campo de colectores, y si fuera necesario, a su vaciado completo. Pasado el riesgo se recuperará el fluido caloportador si hubiese sido almacenado o se repondrá con uno nuevo de características similares. Estas labores se enmarcarían en labores de mantenimiento que se deberán contratar con una empresa especializada.
  2. Si hay determinados días de alta radiación no consecutivos, se optará por el tapado parcial del campo de colectores. Se actúa de dos formas contra el sobrecalentamiento, aislando del agente que calienta (la radiación) y posibilitando la pérdida de calor de la instalación en esos colectores “inútiles”, que solo tienen pérdidas y no generan calor.
  3. Desvío de los excedentes energéticos (mediante la utilización de aerotermos principalmente) o redimensionamiento de la instalación con una disminución del número de colectores.
  4. Dejar escapar algo de agua caliente del acumulador, para permitir la entrada de agua fría de red.

La buena praxis en el mantenimiento de una instalación solar de ACS debe adelantar y programar las visitas para los momentos críticos en los que puede ser necesario un vaciado o tapado parcial del campo de los colectores, siendo también necesario para restablecer las condiciones iniciales de operación.
Estas visitas se realizarán durante los periodos de posibles excesos de radiación, una antes y otra después, para el posible llenado de la instalación, así se evitarán los riesgos de sobrepresiones por calentamiento.
También serán necesarias visitas en los periodos de menor radiación por la posibilidad, en los meses de invierno, de que exista congelación en el circuito.

En cualquier caso, ante situaciones de altas temperaturas no ha de desconectarse la bomba de circulación, ya que el fluido quedaría estancado en los colectores y su temperatura podría subir hasta rebasar el valor máximo soportado por estos, con el consiguiente peligro.
Si el sistema del campo de colectores posee una estructura soporte que es montada en el exterior, el fabricante deberá especificar los valores máximos de sk (carga de nieve) y vm (velocidad media de viento) de acuerdo con ENV 1991- 2-3 y ENV 1991-2-4. Esto deberá verificarse durante el diseño, calculando los esfuerzos de la estructura soporte de acuerdo con estas normas.

Solo se podrá instalar un sistema captador solar para producción de ACS en una localización determinada cuando los valores de sk y vm sean menores a los máximos especificados por el fabricante. Sk y vm deben ser calculados según ENV 1991-2-3 y ENV 1991-2-4.

La ejecución de la estructura soporte permitirá que esta sea lo suficientemente flexible para evitar riesgos de dilataciones debidas al calor, impidiendo así que los colectores soporten cargas mecánicas peligrosas que pongan en peligro su integridad o la del propio circuito o red de tuberías.
Unos pequeños consejos para la ejecución de la estructura soporte serían:

  • Las fijaciones que se instalen serán las necesarias para evitar esfuerzos de tensión, flexión o tracción sobre los colectores. Todas estas fijaciones tendrán una situación adecuada en el diseño.
  • Se evitará que la estructura y los diferentes puntos de sujeción proyecten sombras sobre los propios colectores no sobre los de filas posteriores.
  • Los límites de pérdidas debidas a la orientación e inclinación desviada de la óptima, sombras y totales, serán inferiores a los mostrados en la siguiente tabla A.

Se pueden dar tres casos:

  • General.
  • Superposición de colectores.
  • Integración arquitectónica.

Para estos casos se dan pérdidas por orientación e inclinación, pérdidas por sombreado y otras pérdidas totales debidas a la transmisión del calor hacia el exterior; en todo caso se debe cumplir con los porcentajes de la siguiente tabla A.

Tabla A. Pérdidas máximas por orientación e inclinación y sombras respecto a los valores óptimos.

Se considera la dirección sur como orientación óptima, y la mejor inclinación, βopt, vendrá determinada dependiendo del periodo de utilización por uno de los valores recomendados en la tabla 2 de dicha unidad. Se admitirán desviaciones de ±10º, como máximo, respecto a estos valores.
En todo caso, las desviaciones en la orientación e inclinación de los captadores del óptimo lleva consigo la evaluación de las nuevas condiciones, ya que se reducen las prestaciones.

Campo de colectores en azotea. Caso general

En el anexo C se indica cómo calcular las pérdidas por orientación e inclinación y las pérdidas por sombras.

La integración arquitectónica del campo de colectores se da cuando:

  • Existe una doble función energética y arquitectónica del campo de colectores.
  • El campo de colectores sustituye elementos constructivos (tejas, losas, cristaleras, etc.).
  • Los colectores son colocados paralelamente a la envolvente del edificio, no siendo una integración arquitectónica si están colocados horizontalmente con respecto al edificio.

En la integración arquitectónica se busca siempre una alineación con los ejes principales de la edificación, para no romper la armonía de esta.

Integración arquitectónica de colectores solares. La cubierta solar forma el tejado del edificio.
Superposición de colectores en tejado

Todos los colectores utilizados en las instalaciones solares deberán estar certificados.
Este certificado debe realizarlo un organismo competente o un laboratorio, todo esto regulado por ley según el Real Decreto 891/1980, de 14 de abril, sobre homologación de los colectores solares (normas e instrucciones) y, Orden, de 28 de julio de 1980.

El INTA (Instituto Nacional de Técnica Aeroespacial), el CENER (Centro Nacional de Energías Renovables) y el ITER (Instituto Tecnológico y de Energías Renovables de Tenerife) son los únicos organismos españoles que pueden realizar actualmente certificaciones para la homologación de colectores.

La pérdida de carga del colector para un caudal de 1 l/min por m2 será inferior a 1 mca.
En los campos de colectores se recomienda el uso de un único tipo de colector, que simplifica los cálculos energéticos, y por criterios energéticos.

La disposición de los colectores será en filas, siendo aconsejable que sean del mismo número de colectores para facilitar los cálculos de la red de tuberías, pudiendo estar estas conectadas en serie, paralelo o serie-paralelo.
Para colectores conectados en paralelo habrá que tener en cuenta las limitaciones impuestas por el fabricante.
El límite de colectores conectados en serie será normalmente de tres. Para usos industriales y refrigeración por absorción se podrá elevar la conexión en serie hasta cuatro, siempre que esté justificado y lo permita el fabricante. Para producción de ACS, en cambio, no deberán conectarse en serie más de dos colectores.

Limitaciones en las conexiones de los colectores:
Conexión Tipo de instalación Numero de colectores
Paralelo – – – Límite fabricante
Serie General 3
Producción ACS 2
Especiales 1

Para aislar las distintas baterías de colectores en caso de avería, operaciones de mantenimiento, sustitución, etc., se deberán instalar válvulas de cierre a la entrada y a la salida de las mismas.

 

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