Subsistema Intercambiador-Almacenamiento

El intercambiador puede estar situado en el interior del acumulador o en el exterior.

Cuando el intercambiador de calor está situado dentro del acumulador este último se suele llamar interacumulador.

En estos casos la circulación se realizará por termosifón (natural) o por medio de una bomba (forzada), pero siempre de forma constante por el interior del intercambiador, sea interno o externo.
La convección en el depósito acumulador, además, favorecerá la estratificación de las temperaturas. También la entrada de agua fría y la salida de agua caliente se diseñarán de tal forma que no modifiquen en gran medida la estratificación en el depósito.
Una norma general no escrita para proteger a los consumidores de ACS de quemaduras es la de instalar una válvula termostática mezcladora. Esta válvula limitará la temperatura del ACS evitando peligros al consumidor.

El diseño de la figura a) tiene el riesgo de que si la válvula de retención (1) se estropea, el agua caliente puede pasar a la red de distribución de agua fría. En la figura b) el agua caliente tiene un único camino posible y no hay riesgos.

Si el intercambiador es exterior necesitaremos dos electrocirculadores: uno para el circuito primario de los colectores al intercambiador y otro para el circuito secundario del intercambiador al acumulador.
La circulación doblemente forzada mejora la eficacia del intercambiador, pero tiende a destruir la estratificación del agua acumulada.
El efecto termosifón inverso entre acumulador e intercambiador, cuando la bomba del secundario esté parada, se evitará situando el primero a mayor altura que el segundo.

Estando el intercambiador a un nivel inferior respecto al acumulador se evita el efecto termosifón.

Si el intercambiador está dentro del acumulador deberá situarse siempre en la parte inferior de este, mientras que la aplicación de energía auxiliar será siempre en la parte superior, lo que proporcionará el agua caliente inicial a la temperatura fijada más rápidamente. Se procurará que el termostato que activa el funcionamiento de la energía auxiliar se regule a una temperatura baja, de esta forma se intentará aprovechar al máximo el aporte solar, minimizando el consumo cuando la energía auxiliar esté activada.

Intercambiador solar en la parte baja del acumulador y energía de apoyo en la superior.

Como principal inconveniente de situar la energía de apoyo dentro del acumulador tenemos que, si los deflectores para entrada y salida de agua de este están mal diseñados, el agua del acumulador se agita y se mezcla cada vez que se utiliza el ACS, destruyéndose la estratificación y juntándose la energía solar con la auxiliar, con lo que se mezcla el agua calentada por ambos, no cumpliendo el cuarto principio. Por otra parte, se corre el riesgo de que en periodos de baja insolación solo tengamos agua caliente en la parte superior del acumulador, con lo que podemos quedarnos sin agua caliente para las necesidades de consumo en periodos de nubosidad prolongada, a no ser que actuemos sobre el termostato y lo regulemos a una temperatura más alta para obtener más litros de agua a la temperatura de uso, que es de unos 40 ºC.
A pesar de estos dos inconvenientes la opción de un subconjunto único apoyo-almacenamiento
se utiliza mucho en pequeñas instalaciones.

SISTEMA ENERGÉTICO DE APOYO SITUADO EN UN SEGUNDO ACUMULADOR ALIMENTADO POR EL PRIMERO

Con este sistema se consigue separar la energía de apoyo y la energía solar. La energía solar calentará el agua fría procedente de la red en el depósito acumulador solar; mientras tanto, el equipo de apoyo terminará de calentar el ACS producida, si fuera necesario, en un depósito de apoyo.

Esquema de principio de energía de apoyo en un segundo acumulador en serie con el solar.

Para los casos en que se opte por este diseño del sistema solar/apoyo, se deberá tener especial cuidado en mantener el depósito de apoyo en un punto de consigna adecuado (temperatura de consigna) para así tener siempre ACS para el consumo a una temperatura dada.
Es de gran importancia tener un buen sistema de regulación y control para evitar pérdidas y desperdicios de energía innecesarios.

El acumulador de la derecha se mantiene a una temperatura de consigna mediante el serpentín calentado por una fuente exterior.


CALENTAMIENTO DE APOYO INSTANTÁNEO SITUADO DESPUÉS DEL ACUMULADOR SOLAR

Los sistemas de apoyo instantáneo tienen dos características generales que los diferencian de los sistemas anteriormente vistos:

  • Necesitan alta potencia instalada, ya que deben poder calentar de forma instantánea toda el agua para consumir, desde la temperatura de red a la de consumo, para cubrir los días sin radiación solar o cuando se produzcan consumos superiores a los previstos.
  • Debido a que la temperatura de entrada del agua al equipo de apoyo instantáneo es variable, su regulación y control es complejo ya que la regulación de la potencia del equipo también será variable. En otros sistemas con un termostato de corte del equipo de apoyo es suficiente.

El diseño del sistema debe tener en cuenta, por una parte, que se ha de asegurar el calentamiento total del agua utilizada en el consumo diario previsto hasta la temperatura a la que se ha diseñado y, por otra, que deberá haber un control de la temperatura de salida, de forma que no se sobrepasen los 60 ºC.
Los principales sistemas de apoyo instantáneo en serie son los calentadores de gas, las calderas de gasóleo y los calostatos eléctricos.

CALENTADORES DE GAS

Son de reducidas dimensiones y sus características hacen que sean sistemas de apoyo muy adecuados para una instalación de captadores solares, son especialmente adecuados para unifamiliares y multifamiliares.
El gas utilizado suele ser butano, propano o gas ciudad (mezcla de alcanos). Las características principales de estos calentadores de gas son las siguientes:

  • Se controla fácilmente la temperatura de salida del agua caliente, mediante la regulación paso a paso.
  • Se consume solo el combustible necesario, al regular la potencia aportada.
  • El coste de un calentador y su instalación son bajos.
  • El coste del combustible es más bajo que la tarifa eléctrica normal.
  • No interfiere con el acumulador solar.
  • En viviendas multifamiliares individualiza el consumo de la energía auxiliar, permitiendo medir de manera fácil los consumos individuales.
Sistema auxiliar de caldera de gas para vivienda multifamiliar.
Sistema auxiliar de caldera de gas para vivienda unifamiliar.

Tabla. Poder calorífico de algunos combustibles, en kcal/kg.

Fueloil 9.700
Gasóleo C 9.800
Gas ciudad 3.700
Gas natural 11.000
Gas propano 11.100
Gas butano 11.000

Algunos tipos de calentadores no admiten la posibilidad de regulación de la temperatura de salida, por lo que será necesario un sistema de regulación para el sistema auxiliar instantáneo de apoyo.

Regulación de un sistema auxiliar instantáneo de apoyo. R, regulador, y V, válvula de cuatro vías.
Sistema de apoyo instantáneo dotado con tubería de by-pass.

Estos calentadores a gas se denominan de llama regulable, detectan la temperatura de entrada del agua aportando con una llama mayor o menor el calor restante para la
temperatura final de uso.
Esta llama será minima o será nula si el agua está lo suficientemente caliente por el sistema solar, y será máxima si el agua entra fría casi directamente de la red.


CALDERAS DE GASÓLEO

Necesitan un circuito auxiliar formado por un cambiador de calor cuyo primario es el circuito de suministro de agua caliente y el secundario es el de la caldera, tal y como muestra la figura.

Sistema de apoyo en serie mediante caldera de combustible líquido.

Los inconvenientes que pueden tener, frente a los calentadores de gas, son:

  • Para que el sistema funcione con un buen rendimiento son necesarios periodos de funcionamiento prolongados.
  • El sistema de control tiene mayores dificultades, lo que lleva a menores rendimientos y peor regulación de la temperatura de salida.
  • Los costes del quemador y la instalación son bastante más elevados.

En la actualidad se van subsanando dichos inconvenientes, por lo que este sistema de apoyo también se está utilizando en instalaciones solares.


CALOSTATOS ELÉCTRICOS

Tienen importantes desventajas para su aplicación en línea con sistemas solares:

  • Nos obliga a contratar una potencia eléctrica elevada, siendo el coste de la tarifa muy alto, independientemente de lo que se consuma.
  • El coste de la energía eléctrica es el más alto de todas las energías.
  • Regular la temperatura de salida es difícil, ya que normalmente se realiza por bloques de resistencias y no de forma continua.

Como ventajas podemos citar que su instalación es bastante sencilla y el coste del equipo es inferior a las calderas de gasóleo, aunque superior al de los calentadores de gas.
Estos sistemas podrían aplicarse en las calefacciones por energía solar.

Sistema de calefacción solar con apoyo de energía eléctrica en línea.
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