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Equation Chapter 1 Section 1
Trabajo Fin de Grado
Ingeniería de Tecnologías Industriales
Influencia del caudal en el rendimiento de sistemas
de energía solar para ACS
Autor: Adrián Ladeza González
Tutor: Jose Julio Guerra Macho
Dep. Ingeniería Energética
Escuela Técnica Superior de Ingeniería
Universidad de Sevilla
Sevilla, 2016
III
Proyecto Fin de Grado
Ingeniería de Tecnología Industriales
Influencia del caudal en el rendimiento de sistemas
de energía solar para ACS
Autor:
Adrián Ladeza González
Tutor:
Jose Julio Guerra Macho
Catedrático de Univeridad
Dep. de Ingeniería Energética
Escuela Técnica Superior de Ingeniería
Universidad de Sevilla
Sevilla, 2016
V
Proyecto Fin de Grado: Influencia del caudal en el rendimiento de sistemas de energía solar para ACS
Autor: Adrián Ladeza González
Tutor: Jose Julio Guerra Macho
El tribunal nombrado para juzgar el Proyecto arriba indicado, compuesto por los siguientes miembros:
Presidente:
Vocales:
Secretario:
Acuerdan otorgarle la calificación de:
Sevilla, 2016
El Secretario del Tribunal
VII
Agradecimientos
A mi familia.
A mis maestros.
Sevilla, 2016
Resumen
Los sistemas de energía solar térmica convencionales llevan asociados unos caudales del orden de 0.01- 0.02
𝐾𝑔/𝑠𝑚2, pero existen otros sistemas que trabajan con caudales entre cinco y diez veces menores que éstos.
En este proyecto se abarca la influencia que pueda tener el caudal en el rendimiento final del sistema.
Está organizado en tres capítulos, uno primero de introducción donde además de realizar una revisión
bibliográfica del estado del arte respecto a este tema, se habla de la situación de la energía solar térmica en el
mundo actualmente, así como una clasificación de la tipología de sistemas existentes
El segundo capítulo está centrado en el captador solar plano, que es el elemento principal de todo sistema de
ACS. Se define el aparato y sus elementos fundamentales, su principio de funcionamiento y las ecuaciones que
lo rigen.
Por último se hace un análisis de la influencia del caudal sobre el rendimiento en este tipo de sistemas,
apoyándose en simulaciones teóricas de diferentes sistemas de ACS situados en diferentes localizaciones.
IX
Índice
Agradecimientos VII
Resumen VIII
Índice IX
Índice de Tablas XI
Índice de Figuras XII
Notación XIV
1 Objetivo e Introducción 3 1.1 Objetivo 3 1.2 Estado del arte. Revisión bibliográfica 3 1.3 Radiación solar 5 1.4 Energía solar térmica 7
1.4.1 Situación actual de la energía solar térmica en el mundo 7 1.4.2 Situación actual en Europa 8 1.4.3 Situacón actual en España 9 1.5 Sistemas de energía solar térmica 9 1.5.1 Intoducción 9 1.5.2 Clasificación de sistemas de energía solar 9 1.5.3 Sistemas de energía solar para ACS 12 1.5.4 Elementos principales de un sistema para ACS 12 1.5.5 Clasificación de los sistemas de energía solar para ACS 18
2 Captador solar plano 22 2.1 Introducción 22 2.2 Elementos de un captador solar plano 22 2.3 Principio de funcionamiento de un captador solar plano 24 2.4 Clasificación de captadores solares planos 24 2.5 Modelo en regimen permanente 27
2.5.1 Balance global 27 2.5.2 Producto transmitancia-absortancia(𝝉𝜶) 28 2.5.3 Coeficiente global de pérdidas 𝑼𝑳 32 2.5.4 Modelo de aleta unidimensional 33
3 Análisis de la influencia del caudal en sistemas de acs 39 3.1 Introducción 39
3.2 Influencia del caudal en sistemas de ACS 39 3.2.1 Influencia de la distribución de tubos del captador solar. 40 3.2.2 Influencia de la estratificación en el tanque 46 3.2.3 Influencia del intercambiador de calor 48
3.3 Análisis del comportamiento de sistemas trabajando con caudales no convencionales 54 3.3.1 Descripción de los sistemas de ACS 54 3.3.2 Resultados de las simulaciones 54
4 Resumen y conclusiones 59 4.1 Resumen 59 4.2 Conclusiones 59
Referencias 61
XI
ÍNDICE DE TABLAS
Tabla 3-1: Rendimiento de los sistemas ACS en Albuquerque (Nuevo México) 55
Tabla 3-2: Rendimiento de los sistemas ACS en Madison (Wisconsin) 56
Tabla 3-3: Rendimiento de los sistemas de ACS en Miami (Florida) 57
Tabla 3-4 : Rendimiento de los sistemas de ACS en Washington (DC) 58
ÍNDICE DE FIGURAS
Figura 1-1: Componentes de la radiación solar 5
Figura: 1-2 Irradiancia media global en Europa [ KWh/m2dia ] 6
Figura 1-3: Distribución de la irradiancia global media en España. Abril 2006 [KWh/m2dia ] 6
Figura 1-4: Capacidad global en operación [GW] y energía suministrada [TW] en 2014 7
Figura 1-5: Evolución de la capacidad térmica solar en funcionamiento de 2000 a 2014 8
Figura 1-6: División de la potencia térmica instalada 2014 8
Figura 1-7: Ejemplos de sistemas solares pasivos. 10
Figura 1-8: Central termosolar PS10 en Sanlúcar la Mayor (Sevilla). 11
Figura 1-9: Esquema básico de una instalación de baja temperatura con aplicación ACS 12
Figura 1-10: Captadores planos con cubierta 13
Figura 1-11: Captador solar de tubo de vacío 13
Figura 1-12: Captadores planos sin cubierta 14
Figura 1-13: Producción de ACS con interacumulador 15
Figura 1-14: Producción de ACS con intercambiador externo 15
Figura 1-15: Esquema general de las conexiones en un acumulador 16
Figura 1-16: Clasificación de sistemas de energía solar para ACS. 20
Figura 1-17: Clasificación de sistemas de energía solar para ACS. 21
Figura 2-1: Elementos básicos de un captador solar plano. 22
Figura 2-2: Proceso de captación y absorción de la radiación solar en un captador solar plano. 24
Figura 2-3: Configuración de los tubos del captador de la superficie absorbente
en placas, en parrilla y en serpentín respectivamente. 25
Figura 2-4: Conexionado de captadores solares planos en serie y paralelo. 26
Figura 2-5: Agrupación de captadores solares planos en paralelo. 26
Figura 2-6: Agrupación serie-paralelo de captadores solares planos. 26
Figura 2-7: Reflexión y refracción de la radiación electromagnética en una interfaz plana
que separa dos medios con propiedades ópticas diferentes. 29
Figura 2-8: Intercambio radiante en medio semitransparente 30
Figura 2-9: Reflexiones múltiples entre la placa absorbedora y el sistema de cubiertas. 31
Figura 2-10: Distribución de los tubos en la placa absorbedora 34
Figura 2-11: Balance térmico sobre elemento diferencial de la placa absorbedora 34
Figura 2-12: Balance de los flujos de calor sobre la placa. Energía útil transferida. 36
Figura 2-13: Balance energético sobre elemento diferencial de uno de los tubos. 37
XIII
Figura 3-1: Configuración de parrilla de los tubos de captador solar 40
Figura 3-2: Distribución del flujo a través del captador en función de varios caudales. 42
Figura 3-3: Distribución de presiones a través de un captador en función de diferentes caudales. 42
Figura 3-4: Configuración de serpentín de los tubos del captador solar. 43
Figura 3-5: Comparación de la pérdida de presión a través de la configuración de parrila
y de serpentín para captadores solares planos. 44
Figura 3-6: Comparación del factor de evacuación de calor entre la configuración de parrilla
y serpentín para captadores solares planos. 46
Figura 3-7: Sensibilidad de la estratificación en el tanque (número de nodos) en la fracción
solar con respecto al caudal. Madison, Wisconsin. 47
Figura 3-8: Sensibilidad de la estratificación en el tanque (número de nodos) en la fracción
solar con respecto al caudal. Miami, Florida. 47
Figura 3-9: Factor de corrección del intercambiador de calor. 49
Figura 3-10: Efectividad de un intercambiador en función del caudal circulante para dos
longitudes equivalentes. 50
Figura 3-11: Demanda cubierta frente a NTU para un caudal por el captador de 0.004 Kg/sm2 51
Figura 3-12: Demanda cubierta frente a NTU para un caudal por el captador de 0.010 Kg/sm2 51
Figura 3-13: Demanda cubierta frente a NTU para un caudal por el captador de 0.015 Kg/sm2 52
Figura 3-14: Intercambiador de carcasa y tubos. 53
Figura 3-15: Variación de UA de un intercambiador de carcasa y tubo con la temperatura,
usando caudales y anticongelantes diferentes. 53
Figura 3-16: Rendimiento de los sistemas de ACS en Albuquerque (Nuevo México) 55
Figura 3-17: Rendimiento de los sistemas de ACS en Madison (Wisconsin) 56
Figura 3-18: Rendimiento de los sistemas de ACS en Miami (Florida) 57
Figura 3-19: Rendimiento de los sistemas de ACS en Washington (DC) 58
Notación
𝐴 Absortancia
𝐴𝑐 Área del captador solar 𝑚2
𝐶𝑝 Calor específico 𝐽/𝐾𝑔𝐾
𝐷 Diámetro nominal 𝑚
𝐷𝑖 Diámetro interior 𝑚
𝑓 Factor de fricción
𝐹´ Factor de eficiencia de aleta
𝐹𝑅 Factor de evacuación de calor
𝐺 Caudal específico del captador solar 𝐾𝑔/𝑠𝑚2
ℎ𝑣 Coeficiente de película exterior 𝑊/𝑚2𝐾
𝐼 Irradiancia 𝐴
𝑘𝑖 Conductividad del material "𝑖" 𝑊/𝑚𝐾
𝑘𝑒𝑥𝑡 Coeficiente de extinción 𝑚−1
�̇� Caudal másico 𝐾𝑔/𝑠
𝑀 Caudal másico del captador solar 𝐾𝑔/𝑠
𝑛𝑖 Índice de refracción del medio "𝑖"
𝑁𝑇𝑈 Número de unidades de transferencia
𝑅 Reflectancia
𝑇 Transmitancia
𝑇𝑎 Temperatura ambiente 𝐾
𝑇𝑓𝑠 Temperatura del fluido a la salida del captador 𝐾
𝑇𝑓𝑒 Temperatura del fluido a la entrada del captador 𝐾
𝑇𝑝̅̅ ̅ Temperatura media de la placa absorbente 𝐾
15
𝑈 Coeficiente de pérdidas 𝑊/𝑚2𝐾
𝛼 Absortividad
휀 Efectividad del intercambiador
𝛿𝑖 Espesor del material "𝑖" 𝑚
𝜂 Rendimiento del captador
𝜃𝑖 Ángulo de reflexión del medio "𝑖" 𝐺𝑟𝑎𝑑𝑜𝑠
𝜌 Reflectividad
𝜏 Transmisividad
(𝜏𝛼) Rendimiento óptico o producto transmitancia-absortancia
1
3
1 OBJETIVO E INTRODUCCIÓN
1.1 Objetivo
Este proyecto se centra en la influencia que tiene el caudal que circula por los circuitos de un sistema de agua
caliente sanitaria en el rendimiento del sistema. Cobra un carácter protagonista, como es lógico, el elemento
principal de este tipo de instalaciones, el captador solar plano, al cual se le dedicará un capítulo con la
intención de comprender su funcionamiento y el papel que desempeña cada uno de los elemento que lo
componen, así como su situación dentro el conjunto de un sistema de ACS.
Los objetivos de este proyecto son, en primer lugar, hacer una revisión bibliográfica para ver como se ha
tratado este tema a lo largo de los años y documentarse para, en segundo lugar, esclarecer como afecta al
rendimiento de nuestro sistema el uso de caudales no convencionales apoyándonos para ello en simulaciones
experimentales anteriormente realizadas.
1.2 Estado del arte. Revisión bibliográfica
1.Simon Furbo and Svend Erik Mikkelsen (1987)
Estudio llevado a cabo por la universidad de Dinamarca, en el que se compara el funcionamiento de tres
sistemas de agua caliente sanitaria. Sea un sistema de referencia o base, un sistema que bombea un caudal más
bajo, y un sistema de termosifón.
Los tres sistemas son probados bajo las mismas condiciones. En el artículo aparecen los resultados obtenidos
para cada una de las diferentes opciones.
Finalmente se llega a la conclusión de que el sistema que trabaja con menor caudal funciona un 20% mejor
que el sistema de referencia y en torno a un 10% mejor que el termosifón.
2.Hollands and Lighstone (1989)
Con el uso de captadores que trabajan con un caudal más bajo y controlando la estratificación del tanque, la
energía útil captada por el sistema puede verse incrementada sustancialmente.
Además permite un ahorro bastante considerable en los costes de instalación del sistema al usar un diámetro de
tuberías inferior al habitual.
Así mismo este artículo repasa el estado del arte hasta la época, dando las explicaciones teóricas del mejor
funcionamiento y ahorro en los costes del sistema. Se centra en buena parte en una explicación física en lo que
al tanque de estratificación se refiere, haciendo además una importante comparación gráfica entre los sistemas
usuales con alto caudal (0.015𝐾𝑔/𝑠𝑚2) y tanques completamente mezclados, y los estudiados de bajo caudal
(0.002 𝐾𝑔/𝑠𝑚2) que aprovechan la estratificación en el tanque.
También se hace una comparación de experimentos a gran escala de otros estudios anteriores al artículo donde
se observa que el sistema de bajo caudal (0.0025 𝐾𝑔/𝑠𝑚2) supone un aumento del 17%(±3%) en la energía
que absorbe el sistema respecto al sistema con un caudal superior(0.02 𝐾𝑔/𝑠𝑚2).
Objetivo e Introducción
4
3.Ziquian Chen, SImon Furbo, Bengt Perers, Elsa Andersen. (2012)
En este artículo realizado por la universidad de Dinamarca se comparan dos captadores de placas solares
diseñados de igual forma salvo por la incorporación de una capa de ETFE entre el recubrimiento de vidrio y la
capa absorbente en uno de ellos. Se realizan ensayos con diferentes caudales (25 l/min, 10 l/min y 5 l/min)
para evaluar la eficiencia así como otros factores comparándolos con los resultados teóricos.
Como resultado puede extraerse que para las dos tipos de placas, un aumento del caudal supone un aumento de
la eficiencia. Además la eficiencia de partida de la placa sin ETFE es 2-3 puntos menores que con dicha capa.
También se observa que el coeficiente de pérdida es 0.4-1 𝑊/𝑚2𝐾 menor que con ETFE.
Para una misma placa, la eficiencia es mayor a medida que el caudal es mayor, pero sólo es obvia cuando la
diferencia de temperaturas, 𝑇𝑚∗ es relativamente alta, es decir la temperatura de entrada al captador es mayor.
Vemos que los resultados experimentales se ajustan a los supuestos teóricos y que el comportamiento es
prácticamente idéntico para valores de diferencia reducida de temperatura no superiores a 0.1 𝐾𝑚2/𝑊 .
4. Jorge Facao (2015)
El funcionamiento de los captadores solares está muy ligado a la distribución de los caudales a través de los
tubos. Aquí se busca una optimización de estos caudales tanto a la entrada como a la salida del captador así
como de las dimensiones más efectivas de los mismos.
Para optimizar el diseño del captador se ha desarrollado un modelo para bajas presiones de la evolución del
flujo dentro del captador simulado en 3D por el software CFD. Para una buena distribución del flujo se llega a
la conclusión de que las dimensiones de salida del captador debe ser mayor que la de entrada.
Al mismo tiempo que se hace un análisis en este software, se obtiene un modelo numérico para simular la
distribución del flujo en EES(2012).
También se incluye un análisis experimental con unos valores determinados para validar los resultados de la
simulación numérica.
Como conclusión principal se determina que para una buena distribución del flujo, y por tanto para mejor
funcionamiento del sistema las dimensiones de entrada al captador deben ser menores que las de salida del
mismo.
5. Sula Ntasaluba, Bing Zhu, Xiaohua Xia (2016)
A través de un determinado sistema en estudio, formado por un captador, dos tanques de almacenamiento
operando por completo en régimen mixto para evitar la estratificación del tanque, un intercambiador y dos
bombas para hacer circular el caudal por los dos circuitos, se quiere optimizar el rango de caudal de las
bombas para régimen forzado.
El objetivo principal es determinar ese rango óptimo de caudal tanto en el primario como en el secundario para
maximizar la energía transferida. Se usa un modelo teórico sencillo de ecuaciones para maximizar la diferencia
entre la energía extraída del captador y la suma combinada de la energía en el intercambiador y las usadas por
las dos bombas.
Posteriormente se obtienen resultados de la maximización de esta función en MATLAB , que para que las
ganancias energéticas sean máximas, la suma de las energías extraídas por el intercambiador y las bombas
deben ser mínimas.
Este modelo simula el proceso con un rango de flujo entre 0.00001 y 0.1𝐾𝑔/𝑠 para un intervalo de 24 horas.
Se representan numerosas gráficas donde se comparan diferentes estrategias de control del caudal.
Los resultados al comparar dichas técnicas muestran un incremento del 7.82% en la energía extraída cuando
comparamos las otras técnicas de control con la técnica más adecuada. Además muestran que el rango de las
pérdidas térmicas en el sistema están entre 5.54% y 7.38% .
5
5 Influencia del caudal en el rendimiento de sistemas de energía solar para ACS
Myrna Dayan (1997)
Es una tesis de la universidad Madison-Wisconsin que se centraen sistemas que trabajan con caudales más
bajos que los convencionales. Tiene una parte de este trabajo que se centra en la incorporación de placa
fotovoltaica a sistemas de ACS. Pero lo mas interesante de este texto son una serie de simulaciones
experimentales que se realizan con diferentes sistemas y localizaciones comparando el efecto que tiene el uso
de distintos caudales así como incorporación o no de intercambiadores de calor. Para la realización de este
proyecto ha sido una pieza clave ya que es el documento del que mas información se ha obtenido.
1.3 Radiación solar
La radiación solar se podría definir como el flujo de energía que recibimos del sol en forma de ondas
electromagnéticas de diferentes frecuencias (luz visible, infrarrojos o ultravioleta)
Lo que conocemos como radiación global es la suma de tres componentes (Figura 1-1): radiación difusa,
aquella que es absorbida o reflejada por las nubes y va en todas direcciones, radiación reflejada que es la que
refleja la superficie terrestre y que depende del coeficiente de reflexión de la superficie en la cual incide, y la
radiación directa, que es la que no sufre ningún tipo de desviación en su dirección.
La magnitud que mide la energía solar recibida por unidad de área es la irradiancia (𝑊/𝑚2)
Figura 1-1: Componentes de la radiación solar
España es uno de los países con mayor irradiancia solar del planeta. De hecho es el país de la zona europea que
presenta una mayor cantidad de radiación, según muestran los datos de aemet que recogen en un documento la
irradiancia media global en horizontal de toda Europa entre 1983 y 2005 (Figura 1-2).
Es por eso que el uso de esta energía, gratuita y limpia, es uno de los campos que más se ha desarrollado en los
últimos años en nuestro país, y que sigue en continuo desarrollo por otras zonas del mundo donde esta energía
es incluso mayor, interesándose cada vez mas por esta fuente.
Objetivo e Introducción
6
Según los datos del ministerio de agricultura, alimentación y medioambiente la irradiación global media de
España se situa en torno a los 5 𝐾𝑤ℎ/𝑚2𝑑𝑖𝑎 , como puede verse en el mapa extraido de un documento que
recoge los datos del mes de abril de 2006 (Figura 1-3).
Figura 2. Figura: 1-2 Irradiancia media global en Europa[ 𝑲𝑾𝒉/𝒎𝟐𝒅𝒊𝒂 ]
Figura 1-3: Distribución de la irradiancia global media en España. Abril
2006 [𝑲𝑾𝒉/𝒎𝟐𝒅𝒊𝒂 ]
7
7 Influencia del caudal en el rendimiento de sistemas de energía solar para ACS
1.4 Energía solar térmica
La energía solar térmica aprovecha la radiación del Sol para calentar un fluido que, por lo general, suele ser
aire o agua. La capacidad de transformar los rayos solares en calor es, precisamente el principio elemental en
el que se basa esta fuente de energía renovable.
En el caso de una instalación solar térmica el captador solar utilizará superficies de color oscuro para absorber
la mayor cantidad de radiación solar posible.
Con el objetivo de evitar fugas de energía, los sistemas de captación solar imita un proceso natural que sucede
en la tierra, como es el denominado “efecto invernadero”.El cristal, como la atmósfera de nuestro planeta,
tiene la propiedad de ser atravesado fácilmente por las ondas cortas de los rayos solares, al mismo tiempo que
se comporta como un muro impenetrable para las radiaciones de onda larga. Cuando los rayos solares inciden
en la superficie del cristal se produce un aumento de la temperatura que lo encierra. Entonces, el habitáculo
actúa como una trampa para el calor que impide que salga hacia el exterior. Resumiendo, el sistema de
captación solar se basa en la combinación de dos efectos, el de cuerpo negro y el de efecto invernadero para,
en primer lugar aprovechar la mayor parte de radiación que llega al captador y, por otro, impedir que haya
fugas de calor.
Este calor ganado es utilizado para calentar el fluido de trabajo, que posteriormente es usado en múltiples
acciones como calentar ACS, calefacción o producción de energía eléctrica.
1.4.1 Situación actual de la energía solar térmica en el mundo
Según datos del Solar-Heat WorldWide de 2014 la capacidad total estimada para captadores solares en
operación es de 406 GW, o lo que es lo mismo 580.000.000 𝑚2 instalados (Figura 1-4). Más del 82% de la
capacidad instalada se corresponde con los mercados de sólo 5 paises, sean China, Alemania, India, Brasil, y
Australia.
En compración con otras formas de energía renovable, la contribución de los sistemas de captación solar para
satisfacer la demanada global de energía es solo superada por la energía eólica
Figura 1-4: Capacidad global en operación [GW] y energía suministrada [TW] en
2014
Objetivo e Introducción
8
La capacidad térmica global de los captadores solares en funcionamiento siguen sufriendo un aumento
considerable. En el año 2000 había instalado un total de 89 millones de metros cuadrados (62GW), y los datos
que se tienen para el año 2014 casi multiplican por 7 esta cifra, con un total de 580 millones de metros
cuadrados (406GW) (Figura 1-5).
1.4.2 Situación actual en Europa
La mayor parte de la capacidad mundial instalada sigue siendo china con casi un 70% del total.
Europa le sigue con aproxidamente un 12%, aunque gracias a las políticas de apoyo de energías renovables
que se vienen implantando en los países de la zona euro se espera que estos datos aumenten.
La superficie instalada en la Unión Europea se concentra mayoritariamente en tres países, Alemania con
5.442.000 𝑚2, Grecia con 2.887.000 𝑚2y Austrria con 2.711.000 𝑚2, que conjuntamente superan el 78% del
total.
Figura 1-5: Evolución de la capacidad térmica solar en funcionamiento de 2000 a 2014
Figura 1-6: División de la potencia térmica instalada 2014
9
9 Influencia del caudal en el rendimiento de sistemas de energía solar para ACS
1.4.3 Situacón actual en España
Según el plan de energías renovables puesto en marcha por idae el gobierno para los próximos años (2010-
2020), el sector solar térmico conto en 2010 en España con 2.366.534𝑚2 (1657MW) que produjeron
2.128GWh.
El sector está compuesto, en 2010, por mas de 100 empresas, de las cuales aproximadamente 40 son empresas
fabricantes de captadores y otros equipos. Además se prevé un descenso en los costes debido a las mejoras en
fabricación y a la contrucción de mayores instalaciones.
En cuanto a la tipología de instalaciones, lo más importante es que se va a expandir las aplicaciones de estos
sistemas fuera de lo meramente residencial, con instalaciones de mediano y gran tamaño que proporcionaran
energía térmica para usos de ACS, de climatiazcion e industriales.
Entre las acciones propuestas en los añao venideros destaca dotar al sector de un sistema de retribución de la
energía producidad basado en incentivos al calor renovable (ICAREN), favorecer a penetración de la energía
solar térmica en lo modelos de venta de energía a través de empresas de servicios enerrgéticos (ESE´s) y
fortalecer la I+D en el sector.
1.5 Sistemas de energía solar térmica
1.5.1 Intoducción
La aplicación mas generalizada de los sistemas solares es la generación de agua caliente sanitaria (ACS), tanto
en viviendas como en establecimientos hoteleros, residencias, hospitales, instalaciones deportivas, etc., donde
la tecnología mas extendidad a nivel comercial en España es la de los captadores planos de vidrio. Con este
grupo de captadores también se permite la calefacción mediante suelo radiante.
Por otro lado, siguen presentes las aplicaciones de calentamiento del agua en piscinas, y otras aplicaciones que
se van incorporando progresivamente como la calefacción por elementos radiantes o la incorporación de
aplicaciones de refrigeración mediante máquinas de absorción alimentadas con energía solar.
Las principales aplicaciones de estos sistemas son las siguientes:
- Agua caliente y precalentamiento de agua de proceso: es la aplicación mas habitual y rentable, ya que
utilizando unas instalaciones simples se obtienen unas temperaturas próximas a las de uso durante todo el año.
- Calefacción: la elección del tipo del captador del sistema depende del uso (suelo radiante, fan-coils,
elementos radiantes…). Tiene la desventaja de que el periodo de mayor demanda coincide con la época del
año que menor radiación solar recibimos.
- Refrigeración: Se puede usar la energía sola térmica para la producción de frio acoplando una máquina de
absorción. Una ventaja para esta aplicación es que la época de mayor demanda coincide con la de mayor
radiación.
- Climatización de piscinas: Puede ser un complemento en piscinas cubiertas o para alargar la temporada de
baño de las piscinas exteriores. Es una aplicación barata y rentable.
1.5.2 Clasificación de sistemas de energía solar
Sistemas pasivos: Los sistemas pasivos (Figura 1-7) permiten captar y acumular el calor a través de ventanas,
muros o tejados sin necesidad de utilizar otros dispositivos electromecánicos como ventiladores o bombas de
recirculación. Su eficiencia energética aprovecha los recursos solares a partir de los mecanismos básicos de
transferencia de calor (convección, conducción y radiación).
Objetivo e Introducción
10
Figura 1-7 Ejemplos de sistemas solares pasivos.
Sistemas activos: Son aquellos sistemas que aprovechan la energía solar para captar y acumular su calor,
utilizando dispositivos electromecánicos para sus diferentes usos y aplicaciones.
- Aplicaciones a alta temperatura: La radiación solar puede servir para la generación de electricidad a gran
escala. Mediante un proceso que convierte el calor en energía mecánica y posteriormente en energía eléctrica,
se consiguen altas capacidades en la producción de electricidad.
Las instalaciones solares de alta temperatura, también conocidas como centrales termosolares (Figura 8)
utilizan sistemas de concentración formados por lentes o espejos parabólicos. En este tipo de centrales se
llegan a alcanzar los 2000ºC de temperatura por medio de un gran número de espejos enfocados hacia un
mimo punto (la cúpula de una torre o un tubo de vidrio dispuesto a lo largo del tramo central del espejo
concentrador), con el fin de calentar un fluido hasta convertirlo en vapor. Gracias a la elevada presión
alcanzada es posible accionar una turbina, que a su vez impulsará un generador eléctrico.
Además, estos sistemas de concentración requieren un seguimiento continuo del Sol, ya que sólo aprovechan
la radiación directa.
11
11 Influencia del caudal en el rendimiento de sistemas de energía solar para ACS
Figura 1-8 Central termosolar PS10 en Sanlúcar la Mayor (Sevilla).
- Aplicaciones a media temperatura: La tecnología de media temperatura va destinada a aquellas aplicaciones
que requieren temperaturas más elevadas de trabajo. A partir de los 80ºC los catadores convencionales
presentan unos rendimientos muy bajos. Al igual que en las centrales termosolares se utilizan lentes y espejos
para concentran la radiación y así poder generar vapor a temperaturas entre 100ºC y 250ºC.
Las aplicaciones más usuales en instalaciones a media temperatura son la producción de vapor para procesos
industriales y generación de energía eléctrica a pequeña escala en centrales de 30 a 2000 KW. También se usa
en otras aplicaciones como la desalinización o la refrigeración mediante energía solar.
- Aplicaciones a baja temperatura: La energía solar que llamamos de baja temperatura es aquella que
acostumbramos a utilizar en el ámbito doméstico y suele instalarse en azoteas de vivienda o edificios
comerciales. Pero por aprovechamiento de baja temperatura se entiende toda aquella aplicación en los que el
fluido calentado no supera los 100ºC. Como ya se comentó en la introducción de este apartado, las principales
aplicaciones en este tipo de sistemas son para calefacción, refrigeración, en climatización de piscinas y sobre
todo para la producción de agua caliente sanitaria.
1.5.3 Sistemas de energía solar para ACS
Los sistemas de energía solar para ACS se componen de dos circuitos independientes por los que circulan, por
un lado el fluido calorportador, que suele ser agua o en su defecto alguna solución, y por otro el agua de red
que pretendemos acondicionar. Estos dos circuitos están interconexionados mediante un intercambiador, en el
que se produce la transferencia de calor entre ambos fluidos (Figura 1-9).
De esta manera, podemos definir los siguientes conceptos dentro del entorno de nuestro sistema de ACS:
- Circuito primario: Circuito del que forman parte los captadores y las tuberías que los unen, en el cual el
fluido recoge la energía solar y la transmite al sistema de acumulación.
- Circuito secundario: Circuito en el que se recoge la energía transferida del circuito primario para su
almacenamiento y distribución a los puntos de consumo.
- Circuito de consumo: Circuito por el que circula el agua caliente de consumo.
Objetivo e Introducción
12
Figura 1-9: Esquema básico de una instalación solar de baja temperatura con aplicación de agua
caliente sanitaria
1.5.4 Elementos principales de un sistema para ACS
Para el mejor entendimiento de un sistema de este tipo en su totalidad, se suele diferenciar entre diversos
subsistemas:
- Subsistema de captación. Es el encargado de recibir la energía solar y transformarla en energía térmica para
calentar el fluido calorportador.
- Subsistema de intercambio. Tiene la función de transmitir el calor ganado por el fluido calorportador al
agua de red que se consume.
- Subsistema de acumulación. Necesario para el almacenamiento del agua caliente obtenida, cuya demanda
no tiene por qué coincidir con el momento de producción.
- Subsistema de apoyo auxiliar. Sistema de energía convencional para satisfacer la demanda cuando se vea
superada por a prevista.
- Subsistema de regulación y control. Por un lado se asegura del correcto funcionamiento de la instalación
mediante el sistema de válvulas y por otro protege de múltiples factores de riesgo como sobrecalentamiento o
congelación.
- Circuito hidráulico. Formado por la red de tuberías cuya función principal es garantizar el correcto
transporte del fluido por toda la instalación.
1.5.4.1 Sistema de captación
Este subsistema se encarga de transformar la energía que recibe del Sol en energía térmica y transmitirsela al
fluido calorportador. Para poder conseguir esto es necesario un captador solar plano, que es el objeto principal
de este trabajo y estudiaremos más a fondo en el capítulo 2.
Los captadores más utilizados en las aplicaciones que se desarrollan en el DB-HE4 son los captadores planos
con cubierta. Sin embargo, hay otros tipos de captadores térmicos como los de “tubo de vacío” o los
captadores de caucho EPDM para la climatización de piscinas.
- Captadores planos con cubierta: Sus componentes principales son la placa absorbedora, que recoge la
energía y la transfiere al fluido por un serpentín o bacteria de tubos, la cubierta transparente de vidrio o plástico
que aprovecha el efecto invernadero y la caja que integra el conjunto (Figura 1-10). Las principales
aplicaciones son producción de ACS, climatización de piscinas cubiertas, calefacción, refrigeración solar y
procesos industriales.
13
13 Influencia del caudal en el rendimiento de sistemas de energía solar para ACS
- Captadores de tubo de vacío. (Figura 1-11)
Heat Pipe: El calor se transfiere al fluido calorportador mediante un proceso de evaporación-condensación de
un alcohol, calentado por el absorbedor. Sus aplicaciones más usuales son en procesos industriales trabajando
con temperaturas en torno a los 100ºC, aunque también se usan para ACS, calefacción, etc.
Flujo directo: El fluido calorportador se introduce en el tubo, y el intercambio de calor se lleva a cabo por
conducción desde el absorbedor al conducto por el que éste circula. Sus aplicaciones suelen ser las mismas que
las descritas en el captador de tubo de vacío de tipo Heat Pipe, pero su principal característica es que se pueden
instalar totalmente horizontales contando con una inclinación de la placa de al menos 25º, lo cual facilita la
integración arquitectónica.
- Captadores planos sin cubierta: Son captadores formados por una serie de tubos de caucho (EPDM), los
cuales expuestos al sol absorben la radiación solar y se la transmiten al fluido que atraviesa su interior (Figura
1-12). Su aplicación principal es la climatización de piscinas descubiertas debido a su bajo rendimiento fuera
de la época veraniega.
Figura 1-10: Captadores planos con cubierta
Figura 1-11: Captador solar de tubo de vacío
Objetivo e Introducción
14
Figura 1-12: Captadores planos sin cubierta
1.5.4.2 Sistema de intercambio
El sistema de intercambio es uno de los elementos más importantes para el correcto funcionamiento de la
instalación. Por ello es necesario un dimensionado óptimo de este elemento. Los intercambiadores de calor
pueden ser de dos tipos:
- Interacumulador: El intercambiador está incorporado en el interior del acumulador (Figura 1-13), y los dos
tipos más comunes en el mercado son el de doble envolvente y el de serpentín. En los interacumuladores de
doble envolvente el fluido que circula por el interior lo hace por tuberías pegadas a las paredes del acumulador
de forma concéntrica. Presentan poca pérdida de presión por lo que son muy recomendables para los sistemas
de termosifón. Por otro lado, los de tipo serpentín presentan altos rendimientos pero una mayor pérdida de
carga y un coste elevado.
- Intercambiador externo: El intercambiador es independiente del acumulador (Figura 1-14) y se sitúan en el
exterior como otro elemento más del sistema. Pueden ser de dos tipos, de haz de tubos o de placas. Presentan
un mayor rendimiento que los interacumuladores, pero son más costosos y tienen mayores pérdidas de carga.
En una instalación de energía solar térmica la temperatura de entrada al intercambiador (Tª caliente) varia
continuamente.
El dimensionado del intercambiador se debe hacer en función de la potencia térmica que son capaces de
transmitir los captadores. La potencia mínima de diseño del intercambiador independiente, P, en vatios, en
función del área de captadores A, en metros cuadrados, cumplirá la condición:
𝑃 ≥ 500𝐴
El intercambiador independiente será de acero inoxidable o cobre y deberá soportar las temperaturas y
presiones máximas de trabajo de la instalación.
La relación entre superficie útil de intercambio del intercambiador incorporado y la superficie total de
captación no será inferior a 0,15.
En caso de aplicación para ACS se puede utilizar el circuito de consumo con un intercambiador, teniendo en
cuenta que con el sistema de energía auxiliar y de producción instantánea en línea o en acumulador secundario
hay que elevar la temperatura hasta 60ºC y siempre en el punto más alejado de consume hay que asegurar
50ºC.
15
15 Influencia del caudal en el rendimiento de sistemas de energía solar para ACS
Figura 1-13: Producción de ACS con interacumulador
Figura 1-14: Producción de ACS con intercambiador externo
1.5.4.3 Sistema de acumulación
El sistema de acumulación está compuesto por uno o varios depósitos que se disponen como un
almacenamiento de agua caliente, para hacer frente al consumo de ACS en el momento de la demanda, el cual
no tiene por qué coincidir con el momento de producción.
El sistema suele estar constituido por un único deposito en configuración vertical y ubicado en zonas interiores
de la edificación.
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 (Figura 1-15) se deben realizar de la
siguiente manera:
- La conexión de entrada de agua caliente que proviene del intercambiador se deberá realizar, preferentemente,
a una altura entre el 50% y el 75% de la altura total.
- 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 producción de ACS, la alimentación de agua fría de red al depósito se realizará por la parte
inferior del acumulador solar si está conectado en serie o de ambos si están conectados en paralelo. La
extracción de agua caliente del depósito se realizará por la parte superior.
Objetivo e Introducción
16
Figura 1-15: Esquema general de las conexiones en un acumulador
Las conexiones de entrada y salida se situarán de forma que se eviten caminos preferentes de circulación del
fluido.
La instalación deberá ser capaz de elevar la temperatura del acumulador a 60ºC y hasta 70ºC con objeto de
prevenir la legionelosis, tal como se establece en el RD 865/2003.
Para ello, en caso de aplicaciones para ACS, es conveniente realizar un conexionado entre el sistema auxiliar y
el solar de forma que se pueda calentar este último con el auxiliar, para poder cumplir con las medidas de
prevención de legionella.
Existen otras alternativas para prevenir la legionelosis en este tipo de instalaciones, como pueden ser:
- Cerrar el circuito solar de consumo y utilizar el propio campo de captación para subir la temperatura del
depósito hasta 70ºC.
- Utilizar depósitos de acumulación de inercia e intercambiadores instantáneos de producción de ACS.
En caso de que el acumulador solar esté directamente conectado con la red de distribución de agua caliente
sanitaria, deberá ubicarse un termómetro en un sitio claramente visible para el usuario.
1.5.4.4 Sistema de apoyo auxiliar
Para asegurar la continuidad en el abastecimiento de la demanda térmica, las instalaciones de energía solar
deben disponer de un sistema de energía auxiliar.
En caso de que se tenga que diseñar el sistema auxiliar, es decir, que no esté impuesto, éste se realizará en
función de la aplicación de la instalación, de forma que solo entre en funcionamiento cuando sea estrictamente
necesario y que se aproveche lo máximo posible la energía extraída del campo de captación solar. Se siguen
los siguientes criterios:
- Pequeñas cargas de consumo: se recomienda usar un sistema de energía auxiliar en línea, siendo para estos
casos los sistemas de gas modulantes en temperatura los más idóneos.
- Medianas y grandes cargas de consumo: sistemas de acumulación siendo el sistema de energía auxiliar una
caldera de calefacción por regla general.
No está permitida la conexión de un sistema auxiliar en el acumulador solar, ya que esto puede suponer la
disminución de las posibilidades de la instalación solar para proporcionar las prestaciones energéticas que se
pretenden obtener con este tipo de instalaciones.
17
17 Influencia del caudal en el rendimiento de sistemas de energía solar para ACS
1.5.4.5 Sistema de regulación y control
El diseño del sistema de control asegurará el correcto funcionamiento de las instalaciones, intentando obtener
un óptimo aprovechamiento de la energía captada y asegurando un uso correcto de la energía auxiliar. El
sistema de regulación consta de un control del funcionamiento del circuito primario y del secundario si
existiese. Además, debe contar también sistemas de protección y seguridad de las instalaciones contra
sobrecalentamientos y heladas.
El sistema de control también debe verificar que en ningún caso se sobrepase la temperatura máxima
soportada por los materiales, componentes y tratamientos de todos los circuitos.
Este sistema de control se llevará a cabo mediante un mediante un dispositivo electrónico (módulo de control
diferencial) que es un control diferencial de temperaturas, cuya función es comparar la temperatura del
captador con la de acumulación o retorno. El sistema de control actuará y estará ajustado de manera que la
bomba no esté en marcha cuando la diferencia de temperaturas sea menos de 2ºC y no estén paradas cuando
sea mayor de 7ºC. Además, la diferencia de temperatura entre el punto de arranque y el de parada del
termostato diferencial no será menor de 2ºC.
El sistema de control asegura que en ningún punto la temperatura del fluido de trabajo descienda por debajo de
una temperatura de tres grados por encima a la de congelación del fluido.
Las instalaciones con varias aplicaciones deberán ir dotadas con un sistema individual para seleccionar la
puesta en marcha de cada una de ellas, complementando con otro que regule la aportación de energía. Se
puede actuar bien controlando la temperatura o bien controlando el caudal, actuando sobre la válvula de
reparto, bomba de circulación o por combinación de ambos mecanismos.
1.5.4.6 Circuito hidraúlico
Con carácter general cuando nos encontramos en la fase de diseño debemos entender que el circuito está
equilibrado de por sí. Si no fuera posible, el flujo debe ser controlado por válvulas de equilibrado.
Para aplicaciones de ACS, el circuito hidráulico del sistema de consumo debe cumplir los requisitos
especificados en UNE-EN 806-1.
En cualquier caso, los materiales del circuito deberán cumplir lo especificado en ISO/TR 10217.
Las partes principales de lo que consideramos el circuito hidráulico son las siguientes:
Tuberías:
Con el objetivo de disminuir las pedidas térmicas, la longitud de las tuberías deberá ser tan corta como sea
posible. Además, se evitará en la medida que sea posible el uso de codos y demás accesorios que provocan
pérdidas de carga. El diseño y los materiales del sistema es un punto bastante importante por el hecho de que
posibles obstrucciones, o depósitos de cal en los circuitos pueden influir muy negativamente en el rendimiento
del sistema.
Bombas:
Si el circuito de captadores está dotado con bomba de circulación, la caída de presión se debería mantener
aceptablemente baja en todo el circuito. Siempre que sea posible, las bombas en línea se montarán en las zonas
más frías del circuito.
Las tuberías conectadas a las bombas se soportarán en las inmediaciones de éstas, de forma que no provoquen
esfuerzos recíprocos de torsión o flexión. El diámetro de las tuberías de acoplamiento no podrá ser nunca
inferior al diámetro de la boca de aspiración de la bomba.
Vasos de expansión:
El dispositivo de expansión es un elemento clave en las instalaciones de energía solar térmica, ya que ayuda a
la estabilización del circuito primario en caso de sobrecalentamientos. Los vasos de expansión preferentemente
se conectarán en la aspiración de la bomba y la tubería de expansión no se aislará nunca ni presentará llaves de
cierre en su recorrido.
Objetivo e Introducción
18
Purgadores:
Los purgadores son dispositivos, cuya función dentro del circuito hidráulico es dejar salir el aire que pueda
quedar retenido en las tuberías, ya que la presencia de aire en el circuito dificulta mucho la fluidez en la
circulación.
En los puntos altos de la salida de baterías de captadores y en todos aquellos puntos de la instalación donde
pueda quedar aire acumulado, se colocarán sistemas de purga constituidos por botellines de desaireación y
purgador manual o automático.
Fluido de trabajo:
El fluido calorportador es el encargado de absorber la energía a través del captador y transportarla por la
instalación.
Las principales características exigibles al fluido que utilicemos en nuestro sistema para agua caliente sanitaria
deberían ser las siguientes:
- Calor específico elevado.
- Temperatura de ebullición alta.
- Temperatura de congelación baja.
- Alta estabilidad en el rango de temperaturas y presiones de trabajo.
- Protección frente a la corrosión.
- Compatibilidad con los materiales de la instalación.
La mezcla de agua con anticongelante es el tipo de fluido que mayoritariamente se emplea en este tipo de
instalaciones, ya que la mezcla provoca una interesante variación en las propiedades del agua. Es por ello que
la mezcla, así como la instalación también deben de cumplir determinadas exigencias, de las cuales las más
importantes son las siguientes:
- Estabilidad: La mayor parte de los productos anticongelantes se degradan a partir de temperaturas de 120ºC y
pueden generar productos corrosivos para los materiales integrantes de las partes del circuito. Por tanto, será
un factor a tener en cuenta.
- Toxicidad: Algunos anticongelantes son tóxicos, por lo que es necesario asegurar la imposibilidad de mezcla
entre éstos y el agua de consumo, mediante un intercambiador de calor.
1.5.5 Clasificación de los sistemas de energía solar para ACS
Por el sistema de circulación:
- Instalaciones por termosifón o circulación natural: La principal ventaja de estos sistemas es que no
necesitan las bombas de impulsión, ya que aprovechan la circulación natural del agua caliente. Este tipo de
sistemas son muy utilizados en áreas geográficas con climas cálidos y sólo se utilizan en instalaciones solares
pequeñas.
- Instalaciones por circulación forzada: Estos sistemas están basados en una bomba de impulsión movida
por un aporte exterior de energía eléctrica. La función de la bomba es transportar de forma más rápida el fluido
calorportador para impedir posibles pérdidas calóricas en el proceso de distribución.
Por el sistema de intercambio:
- Instalaciones de transferencia directa sin intercambiador de calor: Instalaciones donde el fluido
calorportador es el propio agua de consumo que pasa por los captadores y, por lo tanto no necesitan incorporar
un intercambiador.
19
19 Influencia del caudal en el rendimiento de sistemas de energía solar para ACS
- Instalación con intercambiador de calor en el acumulador solar: Son instalaciones que funcionan con
dos circuitos que se interconexionan mediante un intercambiador de calor que puede estar dentro del
acumulador solar o bien tratarse de un intercambiador de calor independiente en el exterior. Estos
intercambiadores suelen ser en su gran mayoría de doble envolvente o de tipo sumergido.
Por la forma de acoplamiento:
- Sistema compacto: Se llama así a los equipos solares cuyos elementos se encuentran montados en una sola
unidad, aunque físicamente pueden estar diferenciados.
- Sistema partido: Equipo solar en el que el sistema de captación y el depósito de acumulación se encuentran
divididos por una distancia relevante.
- Sistema integrado: En este tipo de sistemas no es posible diferenciar físicamente los elementos principales,
es decir el captador y el acumulador ya que constituyen un único componente.
Por el sistema de expansión:
- Sistema abierto: Se trata de sistemas que transfieren directamente el agua caliente producida en el captador
solar hacia el depósito de acumulación. Cuando el captador solar hace que el agua aumente su temperatura,
ésta se desplaza hacia arriba y al llegar al depósito de almacenamiento otra cantidad igual de agua sale del
depósito en dirección al captador
- Sistema cerrado: En este caso existen dos circuitos, el circuito primario que introduce un líquido que circula
por dentro del captador y transmite el calor al agua del tanque de almacenamiento por medio de un
intercambiador y el segundo circuito es aquel que lleva el agua del tanque al resto de la instalación. Lo que se
quiere conseguir con este tipo de sistemas es que no se mezcle el líquido que proviene del captador con el agua
depositada en el tanque, ya que con este cambio se puede utilizar como fluido del circuito primario
anticongelantes que permitan su instalación en zonas donde la temperatura baje de cero grados.
Por el sistema de energía auxiliar:
- Sistema de energía auxiliar en acumulador secundario individual: Un sistema de acumulación externo
como puede ser una caldera de calefacción, para demandas de carga muy elevados, o bien sistemas de gas para
las demandas menores como viviendas unifamiliares.
- Sistema de energía auxiliar en acumulador secundario centralizado: Una única caldera de calefacción
sirve como apoyo de todas las viviendas del edificio.
- Sistema de energía auxiliar en acumuladores secundarios distribuidos: El apoyo de energía necesario
para el sistema se aporta mediante acumuladores individuales, que suelen ser un sistema de gas de temperatura
modulante, situados cada uno de ellos en el interior de las diferentes viviendas del edificio.
- Sistema de energía auxiliar en línea centralizado: En este caso no se usan otros acumuladores, sino que se
trata de un único sistema instantáneo que aporta energía auxiliar en caso de que hiciera falta para el conjunto
del sistema.
- Sistema de energía auxiliar en línea distribuido: Para cada una de las viviendas existiría un apoyo de
energía instantáneo en línea con el sistema.
- Sistema de energía auxiliar en acumulador solar: La incorporación de un sistema auxiliar en el
acumulador es algo que no está permitido por el CTE, ya que puede suponer una disminución de las
posibilidades de la instalación para proporcionar las prestaciones que se pretenden obtener.
Por su aplicación:
- Instalaciones para calentamiento de agua sanitaria.
- Instalaciones para usos industriales.
Objetivo e Introducción
20
- Instalaciones para calefacción.
- Instalaciones para refrigeración.
- Instalaciones para climatización de piscinas.
- Instalaciones de uso combinado.
- Instalaciones de precalentamiento.
Figura 1-16: Clasificación de sistemas de energía solar para ACS.
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21 Influencia del caudal en el rendimiento de sistemas de energía solar para ACS
Figura 1-17: Clasificación de sistemas de energía solar para ACS.
Captador solar plano
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2 CAPTADOR SOLAR PLANO
2.1 Introducción
El elemento principal de todo sistema de energía solar térmica para ACS es el captador solar. Es un
intercambiador que transforma la radiación solar en energía térmica aumentando la temperatura de un fluido
de trabajo que circula por el interior del captador.
Los captadores planos son los más utilizados debido a su relación coste-producción de calor más favorable. El
captador se ubica en una caja rectangular, cuyas dimensiones habituales oscilan entre 80 y 120 cm de ancho,
los 150 y 200 cm de alto y los 5 y 10 cm de grosor. La cara que recibe la radiación está cubierta por un vidrio
muy fino, mientras que las cinco caras restantes son opacas y están aisladas térmicamente. Dentro de la caja se
sitúa una placa metálica que está expuesta al sol. Esta placa es la que está unida a una serie de conductos por
los que circula el fluido calorportador. Para aumentar la absorción de calor se le aplica un tratamiento selectivo
o simplemente se pinta de negro.
En este segundo capítulo se definen todos los elementos que componen el captador y la función de cada uno
de ellos, así como el principio de funcionamiento por el que se rige el captador. Además de esto se definen las
ecuaciones del modelo en régimen permanente de un captador, la transmisividad en medios semitransparentes,
producto (𝜏𝛼), el cáculo del coeficiente global de pérdidas del captador y el modelo de aleta unidimensional.
2.2 Elementos de un captador solar plano
Los elementos principales de todo captador solar plano son esencialmente la cubierta, la placa absorbedora, el
aislante térmico y la carcasa que lo envuelve (Figura 2-1).
Figura 2-1: Elementos básicos de un captador solar plano.
23
23 Influencia del caudal en el rendimiento de sistemas de energía solar para ACS
Cubierta transparente
La función principal de la cubierta es reducir las pérdidas por convección al exterior lo máximo posible. Esto
se consigue transmitiendo el máximo de radiación incidente de onda corta bloqueando las pérdidas por
radiación térmica. La cubierta debe facilitar un “efecto invernadero” que minimice las pérdidas térmicas del
captador. Además tiene la función de aislar el captador de las condiciones ambientales externas.
Puede haber múltiples cubiertas, pero en la práctica, el costo y la disminución de la transmitancia, limitan su
número a una o a lo sumo dos cubiertas. El material típico para la cubierta es el vidrio con bajo contenido en
hierro, ya que combina una alta transmitancia (𝜏 ≈ 0.85 − 0.90) de onda corta, con una baja emitancia
infrarroja.
Debido a la relativa fragilidad del vidrio y para bajar costos, se han usado cubiertas de plástico que también
tienen alta transmitancia de onda corta. Sin embargo, tienen varios inconvenientes, como que las pérdidas
térmicas suelen ser mayores que con vidrio o que no son tan opacas en onda larga. Por otra parte, el plástico
suele degradarse debido a las altas temperaturas y demás efectos ambientales.
Placa absorbedora
Se trata de elemento más crítico del captador ya que es donde se capta la energía solar y se transmita al fluido
calorportador. El objetivo es que la placa absorba la mayor radiación solar posible, la convierta en energía
térmica y la entregue al fluido que circula por los tubos adheridos a dicha placa, siempre minimizando las
pérdidas térmicas y los costos de construcción. El recorrido de estos tubos debe ser tal que recorra una gran
cantidad del área total para conseguir una transmisión de calor óptima entre placa y fluido. Por el mismo
motivo el coeficiente de conductividad tanto de los materiales del circuito del agua como de las soldaduras que
los unen a la placa. Además, si el fluido de trabajo es agua, los tubos deben tener resistencia a la corrosión y no
favorecer la formación de depósitos de cal durante la vida útil del captador.
Los materiales más usados para estas placas son el cobre, el aluminio o el acero inoxidable.
Para maximizar su absortancia, la placa se puede pintar de negro (superficie no selectiva), pero tendrá una alta
emitancia en onda larga. Una buena placa absorbedora debe estar cubierta por una superficie selectiva, que
combinan una alta absorbancia en onda corta y una baja emitancia en onda larga.
Aislamiento térmico
El aislamiento térmico evita las pérdidas por conducción por la parte posterior de la placa y por los laterales.
Es importante que el material aislante elegido no altere sus propiedades con el calor y que no se degrade con
éste.
Los materiales aislantes que más se utilizan son lanas minerales, aunque también es frecuente el uso de
espumas de poliuretano o poliestireno.
Carcasa
La carcasa es el elemento protector que envuelve toda la placa absorbedora y suele estar fabricado en aluminio
o aluminio galvanizado. Además, los elementos estructurales (gabinete, cabezal para los tubos, fijaciones)
deben presentar condiciones que no reduzcan la vida útil del captador y a su vez den resistencia mecánica al
conjunto y protejan la placa absorbedora de los elementos externos.
Captador solar plano
24
2.3 Principio de funcionamiento de un captador solar plano
La radiación solar incide sobre la superficie semitransparente, o lo que es lo mismo sobre el vidrio del
captador, que debido a sus propiedades es muy transparente a las radiaciones de onda corta y dejan pasar la
mayor parte de la energía. Esta energía calienta la placa absorbedora que, cumpliendo con su función,
transmite el calor al fluido calor portador mediante los tubos que están adheridos a dicha placa. Esta placa se
convierte a su vez en emisora de radiación en onda larga, pero como el vidrio es muy opaco a esas longitudes
de onda, a pesar de que es un mal aislante térmico, se consigue que el recinto encerrado en la caja se caliente
por encima de la temperatura exterior.
Este principio de funcionamiento se basa en un efecto invernadero, para reducir al máximo las pérdidas
térmicas que es posible por la característica que tiene un cuerpo transparente o semitransparente, y por el
efecto de cuerpo negro que tiene la placa absorbedora, que permite absorber la máxima cantidad de energía.
El rendimiento de los captadores mejora cuanto menor sea la temperatura de trabajo, ya que a mayor
temperatura dentro de la caja, mayores son las pérdidas por transmisión en el vidrio. También, mientras la
temperatura sea mayor en la place, las emisiones de radiación aumentaran y con ella las pérdidas térmicas, por
lo que la eficiencia se verá reducida.
Figura 2-2: Proceso de captación y absorción de la radiación solar en un captador solar plano.
2.4 Clasificación de captadores solares planos
Los captadores solares pueden clasificarse en función de múltiples factores:
- Según el número de cubiertas:
Sin cubierta
Una cubierta
Varias cubiertas
25
25 Influencia del caudal en el rendimiento de sistemas de energía solar para ACS
- Según el material de la cubierta:
Vidrio
Plástico
- Según el tipo de superficie absorbente:
Con superficie selectiva
Con superficie negra
- Según el material de la superficie absorbente:
Cobre
Acero
Aluminio
Caucho
- Según el fluido de trabajo:
Captadores de agua
Captadores de aire
- Según la configuración de la superficie absorbente (Figura 2-3):
Serpentín
Parrilla
Placa
Figura 2-3 Configuración de los tubos del captador de la superficie absorbente en placas, en parrilla y
en serpentín respectivamente.
Otro aspecto muy importante a tener en cuenta en los captadores solares planos es el tipo de conexionado que
se va a utilizar, ya que influye de una manera muy importante en el rendimiento total de la instalación. Los
captadores pueden conexionarse en serie, paralelo, o utilizar una conexión serie-paralelo. (Figura 2-4,2-5,2-6)
Captador solar plano
26
Figura 2-4: Conexionado de captadores solares planos en serie y paralelo.
Figura 2-5: Agrupación de captadores solares planos en paralelo.
Figura 2-6: Agrupación serie-paralelo de captadores solares planos.
27
27 Influencia del caudal en el rendimiento de sistemas de energía solar para ACS
2.5 Modelo en regimen permanente
2.5.1 Balance global
Si hacemos un balance de energía en el captador, la energía útil no es más que la energía incidente menos las
pérdidas. La energía que incide en el captador será la irradiación sobre la superficie absorbente del captador y
las pérdidas se calculan como una transferencia de calor desde la superficie absorbente al exterior.
𝐸𝑛𝑒𝑟𝑔í𝑎 𝑐𝑎𝑝𝑡𝑎𝑑𝑎 = 𝑄𝑢
𝑄𝑢 = 𝐸𝑛𝑒𝑟𝑔í𝑎 𝑖𝑛𝑐𝑖𝑑𝑒𝑛𝑡𝑒 − 𝑃é𝑟𝑑𝑖𝑑𝑎𝑠
𝑄𝑢 = 𝐼(𝜏𝛼)𝐴 − 𝑈𝐿𝐴(𝑇𝑝̅̅ ̅ − 𝑇𝑎)
Además, si se hace un balance energético al fluido calorportador que circula por los tubos del captador se llega
a que la energía útil es:
𝑄𝑢 = 𝑀𝐶𝑝( 𝑇𝑓𝑠 − 𝑇𝑓𝑒)
Si lo expresamos en función del caudal específico G (𝐾𝑔/𝑠𝑚2):
𝑄𝑢 = 𝐺𝐴𝐶𝑝( 𝑇𝑓𝑠 − 𝑇𝑓𝑒)
Debido a la dificultad de calcular y/o medir la temperatura de la placa absorbente 𝑇𝑝 , ya que dicha
temperatura varía a lo largo y ancho de la misma, es necesario definir el factor de evacuación de calor del
captador solar, 𝐹𝑅.
𝐹𝑅 es la relación entre el energía útil que recibe el captador y el máximo posible que recibiría si toda la placa
se encontrase a una temperatura 𝑇𝑓𝑒.
𝐹𝑅 =𝐸𝑛𝑒𝑟𝑔í𝑎 𝑐𝑎𝑝𝑡𝑎𝑑𝑎
𝐸𝑛𝑒𝑟𝑔í𝑎 𝑐𝑎𝑝𝑡𝑎𝑑𝑎 𝑠𝑖 𝑡𝑜𝑑𝑎 𝑙𝑎 𝑝𝑙𝑎𝑐𝑎 𝑠𝑒 𝑒𝑛𝑐𝑢𝑒𝑛𝑡𝑟𝑎 𝑎 𝑇𝑓𝑒
𝐹𝑅 =𝑄𝑢
𝐼(𝜏𝛼)𝐴 − 𝑈𝐿𝐴(𝑇𝑓𝑒 − 𝑇𝑎)
𝑄𝑢 = 𝐼𝐹𝑅(𝜏𝛼)𝐴 − 𝐹𝑅𝑈𝐿𝐴(𝑇𝑓𝑒 − 𝑇𝑎)
Una vez que hemos definido el factor de evacuación de calor, debemos determinar el rendimiento del
captador, que se define como la relación entre la energía captada por la placa absorbente y la energía incidente
sobre el captador:
𝜂 =𝑄𝑢𝐼𝐴=𝐼𝐹𝑅(𝜏𝛼)𝐴 − 𝐹𝑅𝑈𝐿𝐴(𝑇𝑓𝑒 − 𝑇𝑎)
𝐼𝐴
Captador solar plano
28
𝜂 = 𝐹𝑅(𝜏𝛼) − 𝐹𝑅𝑈𝐿 𝑇𝑓𝑒 − 𝑇𝑎
𝐼
Podemos expresar el rendimiento en dos partes, un factor de ganancias 𝐹𝑅(𝜏𝛼), que se corresponde con el
corte de la recta de rendimiento al paso del eje de coordenadas, y un factor de pérdidas, que se corresponde
con la pendiente de dicha recta 𝐹𝑅𝑈𝐿 (Figura 2-7)
Figura 2-7: Recta de rendimiento del captador
2.5.2 Producto transmitancia-absortancia(𝝉𝜶)
Para poder cuantificar la cantidad de calor que es capaz de absorber nuestro captador solar plano debemos
tener en cuenta todos los fenómenos que se producen a lo largo que la radiación recorre el equipo.
Los parámetros que caracterizan el intercambio radiante en un medio semitransparente son la reflectancia (R)
la transmitancia (T) y la absortancia (A).
En primer lugar, debemos analizar como la radiación incide en una interfase entre dos medios de transmisión
con índices de refracción diferentes como son el aire y el vidrio.
Según la ley de Snell (Figura 2-7). para superficies especulares:
𝑛1 sin 𝜃1 = 𝑛2𝑠𝑖𝑛𝜃2
Siendo 𝑛1= 1 y 𝑛2= 1.526 los indices de refracción del aire y del vidrio respectivamente.
29
29 Influencia del caudal en el rendimiento de sistemas de energía solar para ACS
Figura 2-8 Reflexión y refracción de la radiación electromagnética en una interfaz plana que separa dos
medios con propiedades ópticas diferentes.
En Segundo lugar, debemos saber que fracción de flujo incidente es reflejada por la interfaz, es decir la
reflectividad. Este valor depende del índice de refracción de los medios, del ángulo de incidencia y del estado
de polarización de la luz y se calcula según las ecuaciones de Fresnel:
𝜌⊥ = [𝑛1𝑐𝑜𝑠𝜃1 − 𝑛2𝑐𝑜𝑠𝜃2𝑛1𝑐𝑜𝑠𝜃1 + 𝑛2𝑐𝑜𝑠𝜃2
]2
𝜌∥ = [𝑛2𝑐𝑜𝑠𝜃1 − 𝑛1𝑐𝑜𝑠𝜃2𝑛2𝑐𝑜𝑠𝜃1 + 𝑛2𝑐𝑜𝑠𝜃2
]2
Para el caso de una interfaz aire-vidrio, y que además presenta una incidencia normal a la superficie (𝜃 = 0) la
reflectividad queda determinada según la expresión:
𝜌(0) = (𝑛 − 1
𝑛 + 1)2
Ahora pasamos a determinar la cantidad de radiación que absorbe la cubierta. Según la ley de Beer al atravesar
un recorrido “s” en un material de coeficiente de extinción k, la fracción de flujo de radiación absorbida es:
𝜏 = 𝑒−𝑘𝑠 = 𝑒−
𝑛𝑘𝑑
√𝑛2−sin2 𝜃1
Para incidencia normal (siendo d el espesor de la cubierta de vidrio) esta expresión se simplifica a:
𝜏(0) = 𝑒−𝑘𝑑
Captador solar plano
30
De toda la radiación incidente que pasa por el sistema de cubiertas y llega a la placa absorbente, una parte es
reflejada por la placa hacia el sistema de cubiertas, y de esa parte que llega al sistema de cubiertas otra parte es
reflejada de nuevo hacia la placa. Esto se repite de forma sucesiva y es lo que se conoce como reflexiones
multiples.
Debido al fenómeno de reflexiones múltiples en medio semitransparente, una cierta fracción T de la radiación
incidente que llamamos transmitancia, es transmitida al otro lado de la placa, mientras que otra parte es
absorbida en la misma, A, absortancia.
Para el primer trayecto del flujo, la cantidad de radiación que se transmite será:
𝑇0 = 𝜏(1 − 𝜌)2
Para el segundo trayecto, y todos los sucesivos, se agrega un término (𝜏2𝜌2), de forma que la fracción
transmitida después de n etapas es:
𝑇𝑛 = 𝜏(1 − 𝜌)2(𝜏2𝜌2)𝑛
La transmitancia, T, es la suma de todas esas transmisiones parciales:
𝑇 = ∑𝑇𝑛∞
𝑛=0
=𝜏(1 − 𝜌)2
1 − 𝜏2𝜌2
Procediendo de una forma similar se puede llegar a la expresión de la reflectancia total R, resultante de las
reflexiones múltiples en el material.
𝑅 = 𝜌 [1 + 𝜏2(1 − 𝜌)2
1 − 𝜏2𝜌2] = 𝜌(1 + 𝜏𝑇)
Para la absortancia se llega a:
𝐴 =(1 − 𝜌)(1 − 𝜏)
1 − 𝜏𝜌
Figura 2-9: Intercambio radiante en medio semitransparente
31
31 Influencia del caudal en el rendimiento de sistemas de energía solar para ACS
El producto transmitancia-absortancia (𝜏𝛼) no es más que la eficiencia óptica del captador. Para poder
determinar su valor debemos conocer que fracción de radiación solar será absorbida en la placa, lo cual define
la absortividad de la placa.
La relación entre la fracción que queda absorbida por la placa y el flujo de radiación solar transmitido por la
cubierta transparente que incide sobre la placa absorbedora es la absortividad de la placa, 𝛼, propiedad del
material.
𝛼 =𝐹𝑎𝑏𝑠
𝐹𝑖𝑛𝑐´
El resto del flujo será reflejado por la placa con reflectancia de placa 𝜌 = 1 − 𝛼, ya que la placa absorbedora
es opaca a la radiación solar (no transmite).
La fracción de energía que absorbe la placa en un principio es 𝜏𝛼 y la reflejada hacia el sistema de cubiertas es
(1 − 𝛼)𝜏 . La fracción que llega a la cubierta es radiación difusa, mientras que a que llega de nuevo a la placa
es (1 − 𝛼)𝜏 𝜌𝑑 , donde 𝜌𝑑 esla reflectancia de la cubierta para la radiación incidente-difusa y su valor se
puede determinar utiliando la reflexión especular para un sistema de varias cubiertas con ángulo de incidencia
de 60º:
𝜌𝑑 = 1 − 𝜏𝑟(60º)
Debido al efecto de las reflexiones múltiples en la región entre la placa y el absorbedor se tienen que sumar
todas las contribuciones de flujo absorbido por la placa después de n reflexiones para determinar el valor del
flujo que incide sobre la superficie absorbedora (𝐹𝑖𝑛𝑐´ )
𝐹𝑖𝑛𝑐´ = 𝑇𝐹𝑖𝑛𝑐∑[(1 − 𝛼)𝑅]𝑛 =
𝑇
1 − (1 − 𝛼)𝑅𝐹𝑖𝑛𝑐
∞
𝑛=0
Siendo 𝐹𝑖𝑛𝑐 el flujo de radiación solar incidente sobre el captador entero.
Figura 2-10: Reflexiones múltiples entre la placa absorbedora y el sistema de cubiertas.
Si definimos el rendimiento óptico , (𝜏𝛼), como la fracción de flujo incidente sobre el captador que es
absorbido por la placa, llegamos a la siguiente expresión:
Captador solar plano
32
(𝜏𝛼) =𝑇𝛼
1 − (1 − 𝛼)𝑅
2.5.3 Coeficiente global de pérdidas 𝑼𝑳
Para poder evaluar de una manera sencilla las pérdidas de calor que se dan en el captador definimos un
coeficiente global de pérdidas que será la suma de las pérdidas frontal (𝑈𝑡), lateral (𝑈𝑒) e inferior (𝑈𝑏) del
aparato.
𝑈𝐿 = 𝑈𝑡 + 𝑈𝑒 + 𝑈𝑏
Puede verse como una suma de resistencias desde la temperatura de la placa (𝑇𝑝̅̅ ̅), que suponemos constante a
lo largo de ella, hasta la temperatura ambiente (𝑇𝑎𝑚𝑏).
Coeficiente de pérdidas superior 𝑼𝑳
Por la parte superior de la placa se producen las mayores pérdidas de calor debido a la ausencia de aislamiento
térmico en esta zona.
𝑈𝑡 =
(
𝑁
(𝐶𝑇𝑝̅̅ ̅(𝑇𝑝̅̅ ̅ − 𝑇𝑎𝑚𝑏𝑁 + 𝑓
)
𝑒
)
+1
ℎ𝑣
)
−1
+𝜎(𝑇𝑝̅̅ ̅ + 𝑇𝑎𝑚𝑏) ((𝑇𝑝
2̅̅̅̅ ) + 𝑇𝑎𝑚𝑏2 )
(휀𝑝 + 0,00591𝑁ℎ𝑣)−1+ (2𝑁 + 𝑓 − 1 + 0,133휀𝑝
휀𝑣) − 𝑁
- 𝑁 es el número de cubiertas
- ℎ𝑣 es el coeficiente de película exterior en 𝑊/𝑚2𝐾 y se calcula mediante la ecuación, ℎ𝑣 = 2.8 + 3𝑣 ,
siendo 𝑣 la velocidad en 𝑚/𝑠.
- 𝐶 = 520(1 − 0.000051𝜃2) , siendo 𝜃 el ángulo de inclinación del captador solar.
- 𝑓 = (1 + 0.089ℎ𝑣 − 0.1166ℎ𝑣휀𝑝)(1 + 0.07866𝑁)
- 𝑒 = 0.43(1 −100
𝑇𝑝̅̅ ̅)
- 𝜎 es la constante de Stefan-Boltzman, y tiene un valor de 5.67 ∗ 10−8 𝑊/𝑚2𝐾4
- 휀𝑝 𝑦 휀𝑣 son las emisividades de la placa absorbedora y del vidrio respectivamente.
Coeficiente de pérdidas lateral
Este coeficiente lo podemos expresar simplemente como el coeficiente de pérdidas de una placa plana
horizontal, corrigiendo el área:
𝑈𝑒 =𝑘𝑎𝑖𝑠𝛿𝑎𝑖𝑠𝑒
∗𝐴𝑙𝑎𝑡𝐴𝑡𝑜𝑡𝑎𝑙
33
33 Influencia del caudal en el rendimiento de sistemas de energía solar para ACS
𝐴𝑙𝑎𝑡 = (2𝑎𝑛𝑐ℎ𝑜 + 2𝑎𝑙𝑡𝑜)𝑒𝑠𝑝𝑒𝑠𝑜𝑟 [𝑚2]
𝐴𝑡𝑜𝑡𝑎𝑙 = 𝑎𝑛𝑐ℎ𝑜 ∗ 𝑎𝑙𝑡𝑜 [𝑚2]
𝑘𝑎𝑖𝑠 es la conductividad del aislamiento usado en [𝑊/𝑚𝐾] y 𝛿𝑎𝑖𝑠𝑒 el espesor de éste en la parte lateral de la
placa en [𝑚].
Coeficiente de pérdidas inferior
Es la parte de la placa que presenta las pérdidas más reducidas, ya que el espesor de aislamiento suele ser del
orden del doble que el aislamiento en el lateral.
𝑈𝑏 =𝑘𝑎𝑖𝑠𝛿𝑎𝑖𝑠𝑏
2.5.4 Modelo de aleta unidimensional
Para obtener un modelo matemático de una forma sencilla y que se acerque lo máximo posible a la realidad
debemos asumir una serie de hipótesis de forma que simplifique el problema:
- Régimen permanente.
- Propiedades físicas constantes.
- Transferencia de calor unidimensional.
- Captador solar de placa y tubos en parrilla.
- Colectores de distribución cubren un área pequeña.
- El caudal es uniforme por el interior de los tubos.
- La temperatura en la base del tubo es uniforme.
- La absorción en la cubierta es nula.
- Gradientes de temperatura nulos en la cubierta.
- Conducción axial despreciable en la placa absorbente.
- Efectos de sombra y polvo en la cubierta despreciables.
Para llegar a unas expresiones reducidas de las que podamos extraer los resultados que necesitamos en el
análisis de un captador solar de un sistema de ACS, como pueden ser la temperatura del fluido a la salida del
captador, o el factor de evacuación hay que realizar previamente, teniendo en cuenta las hipótesis
anteriormente citadas, el cálculo del campo de temperaturas en la placa absorbente, así como el cálculo de la
energía útil transferida al fluido de trabajo. Además, se debe conocer el campo de temperaturas del fluido de
trabajo en cuestión.
Captador solar plano
34
Campo de temperaturas en la placa absorbente
Figura 2-11: Distribución de los tubos en la placa absorbedora
Tomando como referencia la disposición de los tubos de la figura 2-11, con una distancia W entre tubos, un
diámetro externo de los tubos D, y un espesor de la placa absorbedora 𝛿𝑝, para poder conocer el campo de
temperaturas en la placa se hace un balance térmico sobre ella. La dirección del flujo de calor es de la placa
absorbedora hacia los tubos. El balance térmico (figura 2-12) lo haremos sobre un elemento diferencial de la
aleta comprendida entre la línea central que separa los tubos y su base.
Figura 2-12: Balance térmico sobre elemento diferencial de la placa absorbedora
Según las ecuaciones básicas de transferencia de calor el resultado de este balance sería:
𝑘𝑝𝛿𝑝𝑑2𝑇𝑝
𝑑𝑥2− 𝑈𝐿(𝑇𝑝 − 𝑇𝑎𝑚𝑏) + 𝐼(𝜏𝛼)
Cuyas condiciones de contorno son:
𝑃𝑎𝑟𝑎 𝑥 = 0 → 𝑑𝑇𝑝
𝑑𝑥= 0
𝑃𝑎𝑟𝑎 𝑥 =𝑊 − 𝐷
2 → 𝑇𝑝 = 𝑇𝑏
Para simplificar y cambiar la ecuación diferencial llamaremos 𝑆 = 𝐼(𝜏𝛼), y además definimos dos nuevos
parámetros:
35
35 Influencia del caudal en el rendimiento de sistemas de energía solar para ACS
Temperatura equivalente (𝜃):
𝜃 = 𝑇 − 𝑇𝑎𝑚𝑏 −𝑆
𝑈𝐿
Parámetro m (𝑚):
𝑚 = √𝑈𝐿𝑘𝑝𝛿𝑝
Si resolvemos la ecuación diferencial introduciendo estos nuevos parámetros la solución para el campo de
temperaturas sería:
𝜃𝑝(𝑥) =𝜃𝑏 cosh(𝑚𝑥)
cosh (𝑚(𝑊 − 𝐷)
2)
𝑃𝑎𝑟𝑎 𝑣𝑎𝑙𝑜𝑟𝑒𝑠 𝑑𝑒 𝑥 𝑒𝑛𝑡𝑟𝑒 0 𝑦 𝑊 − 𝐷
2
Energía útil transferida al fluido
Conociendo como es el campo de temperaturas en la placa absorbedora, podemos determinar la expresión del
flujo de calor desde la placa hacia la base del tubo, sabiendo que dicho flujo procede de los dos lados del tubo.
𝑞𝑝𝑏 = −2𝑘𝑝𝛿𝑝𝑑𝑇𝑝𝑑𝑥
= −2𝑘𝑝𝛿𝑝𝑑𝜃𝑝𝑑𝑥
Definimos F como el factor de eficiencia de la aleta:
𝐹 =𝑡𝑔ℎ (
𝑚(𝑊 − 𝐷)2 )
𝑚(𝑊 − 𝐷)2
𝑃𝑎𝑟𝑎 𝑥 =𝑊 − 𝐷
2 → 𝑞𝑝𝑏 = −(𝑊 − 𝐷)𝐹𝑈𝐿𝜃𝑏
Para poder determinar la energía útil transferido al fluido realizamos un balance de los flujos de calor sobre la
placa, como aparece en la figura 2-13.
Captador solar plano
36
Figura 2-13: Balance de los flujos de calor sobre la placa. Energía útil transferida.
La energía útil recibida por la parte superior del tubo, 𝑞𝑏, es el siguiente:
𝑞𝑏 = 𝐷(𝑆 − 𝑈𝐿(𝑇𝑏 − 𝑇𝑎𝑚𝑏)) = −𝐷𝑈𝐿𝜃𝑏
Completando el balance, vemos que la energía útil total transferida al fluido de trabajo, 𝑞𝑢, será la suma de
𝑞𝑏 y 𝑞𝑝𝑏:
𝑞𝑢 = 𝑞𝑝𝑏 + 𝑞𝑏 = −𝑈𝐿[(𝑊 − 𝐷)𝐹 + 𝐷]𝜃𝑏
Por otro lado sabemos que la expresión para la energía transferida desde una placa plana con conductancia 𝐶𝐵
a un tubo de diámetro externo D, diámetro interno 𝐷𝑖, y un coeficiente convevtivo entre el tubo y el fluido ℎ𝑓
es la siguiente:
𝑞𝑢 =𝑇𝑏 − 𝑇𝑓
𝑅=𝜃𝑏 − 𝜃𝑓
𝑅
Siendo R el valor de la resistencia al calor expresado como:
𝑅 =1
𝐶𝐵+
1
𝜋𝐷𝑖ℎ𝑓
Por tanto el valor de 𝜃𝑏 queda determinado y llegamos a una expresión de la energía útil transferida:
𝑞𝑢 = −𝑊𝑈𝐿𝐹´𝜃𝑓
Definiendo 𝐹´ como el factor de eficiencia del captador. Este valor depende de la disposición de los tubos
conectados a la placa absorbedora y se define como el cociente entre la resistencia a la transferencia de calor
entre la placa y el ambiente, es decir, el coeficiente global de transferencia de la placa,1/𝑈_𝐿, y la resistencia
de calor entre el fluido y el ambiente, 1/𝑈0:
37
37 Influencia del caudal en el rendimiento de sistemas de energía solar para ACS
𝐹´ =
1𝑈𝐿
𝑊(1
𝑈𝐿(𝐷 + (𝑊 − 𝐷)𝐹)+ 𝑅)
𝐹´ =
1𝑈𝐿1𝑈0
El factor de eficiencia del captador depende levemente del caudal que circula por los tubos ya que R depende a
través del coeficiente convectivo. No obstante, este valor es muy débil respecto a la conductancia de la placa y
la cámara de aire que son las resistencias de calor controlantes.
Campo de temperaturas del fluido
Para definir el comportamiento del fluido en el captador solar también debemos conocer el campo de
temperaturas del fluido calorportador a lo largo de su paso por los tubos. Esto podemos hacerlo de forma
similar al modo empleado para conocer el campo de temperaturas sobre la placa, con la excepción de que
ahora la dirección del fluido es sobre otro eje, en este caso el eje Y. Haciendo un balance térmico sobre un
elemento diferencial de un tubo (figura 2-14) llegamos a una expresión para el campo de temperaturas.
Figura 2-14: Balance energético sobre elemento diferencial de uno de los tubos.
�̇�𝐶𝑝𝑑𝑇𝑓
𝑑𝑦+ 𝑞𝑢 = 0
Que, sustituyendo por el valor de la energía útil transferida anteriormente obtenida, nos quedaría la siguiente
expresión:
�̇�𝐶𝑝𝑑𝜃𝑓
𝑑𝑦+𝑊𝐹´𝑈𝐿𝜃𝑓 = 0
𝑃𝑎𝑟𝑎 𝑦 = 0 → 𝜃𝑓 = 𝜃𝑓𝑒
Captador solar plano
38
Resolviendo la ecuación diferencial llegamos a una expresión para el campo de temperaturas del fluido:
𝜃𝑓(𝑦) = 𝜃𝑓𝑒𝑒𝑥𝑝[−𝑈𝐿𝑊𝐹´
𝑚𝑡𝑢𝑏𝑜̇ 𝐶𝑝𝑦]
𝑃𝑎𝑟𝑎 𝑣𝑎𝑙𝑜𝑟𝑒𝑠 𝑑𝑒 𝑦 𝑒𝑛𝑡𝑟𝑒 0 𝑦 𝐿𝑡𝑢𝑏𝑜
Con esto ya podemos obtener una expresión para la temperatura de salida del captador solar, y por
consiguiente, el factor de evacuación de calor
𝑇𝑓𝑠 = ((𝑇𝑓𝑒 − 𝑇𝑎𝑚𝑏 −𝐼(𝜏𝛼)
𝑈𝐿)exp(
−𝑈𝐿𝑊𝐹´
𝑚𝑡𝑢𝑏𝑜𝐶𝑝̇𝐿𝑡𝑢𝑏𝑜)) + 𝑇𝑎𝑚𝑏 −
𝐼(𝜏𝛼)
𝑈𝐿
𝐹𝑅 =𝐺𝐶𝑃𝑈𝐿
[1 − exp(−𝑈𝐿𝐹´
𝐺𝐶𝑝)]
Una vez que tenemos estas expresiones, debemos analizar la influencia del caudal en cada uno de los
parámetros que aparecen en la expresión del rendimiento del captador:
𝑈𝐿: No depende del caudal.
𝐹´: Depende muy débilmente del caudal, ya que lo hace a través del coeficiente convectivo de la resistencia R,
y este valor es muy débil respecto a la conductancia de la placa y la cámara de aire que son las resistencias de
calor controlantes en dicha resistencia.
𝐹𝑅: Depende directamente del caudal.
𝑇𝑓𝑠: Podemos ver claramente que la temperatura de salida del fluido del captador depende del caudal que
circule por los tubos.
En la gráfica de la figura podemos ver la influencia del caudal en el comportamiento del captador,
representado como 𝐹´´ = 𝐹𝑅/𝐹´
Figura 2-15: Influencia del caudal en el comportamiento del captador
39
3 ANÁLISIS DE LA INFLUENCIA DEL CAUDAL EN
SISTEMAS DE ACS
3.1 Introducción
La importancia que va adquiriendo la energía solar térmica a nivel mundial hace que se esté siempre buscando
optimizar su rendimiento. En este proyecto nos centramos en cómo puede influir el uso de un caudal diferente,
no convencional, en el funcionamiento de la instalación.
Los sistemas de agua caliente sanitaria comúnmente trabajan con caudales que varían entre 0.01 y 0.02
𝐾𝑔/𝑠𝑚2. Los sistemas de bajo flujo trabajan con caudales del orden de 0.001 a 0.002 𝐾𝑔/𝑠𝑚2.
Estos sistemas son muy interesantes porque debido a la baja velocidad que tiene el fluido calorportador hace
que los costes de instalación se vean reducidos ya que permite unos tubos con diámetros más pequeños sin que
la pérdida de carga aumente. Además, bajos caudales conllevan un aumento de la estratificación del tanque,
que se traduce en que la temperatura de entrada al captador sea menor y por lo tanto la potencia útil producida
por el sistema aumente.
Por otro lado, hay aspectos negativos que hay que analizar para llegar a una conclusión respecto al uso de
caudales reducidos en este tipo de sistemas. Una de las principales desventajas es que el factor de evacuación
de calor, 𝐹𝑅, disminuye cuando lo hace el caudal ya que es directamente proporcional a éste :
𝐹𝑅 =𝐺𝐶𝑝
𝑈𝐿[1 − exp(
−𝑈𝐿𝐹´
𝐺𝐶𝑝)]
La cuestión que se intenta resolver es si existe un caudal óptimo de funcionamiento de este tipo de sistemas.
Los máximos rendimientos se obtienen cuando el caudal que circula por el circuito primario, el circuito del
lado del captador es del mismo orden del caudal que circula por el circuito secundario, que engloba al tanque
de estratificación.
Cuando se habla de bajos caudales en el circuito primario, una pequeña desviación de éste parámetro puede
inducir en un importante cambio en el funcionamiento del sistema, afectando de manera considerable sobre el
rendimiento del sistema. Sin embargo, cuando se trabajan con caudales elevado en el circuito, el
funcionamiento del sistema es prácticamente insensible a variaciones en el caudal.
En este capítulo vamos a analizar la influencia que tiene el caudal en varios elementos de un sistema de ACS,
sobre el rendimiento del sistema. En primer lugar, hablaremos sobre la influencia de la distribución de los
tubos en el captador solar, después comentaremos la influencia de la estratificación en el depósito, y por último
estudiaremos el comportamiento de los intercambiadores de calor. Además, hay un apartado en el que se hace
un análisis del comportamiento de sistemas trabajando con caudales no convencionales basado en varias
simulaciones.
3.2 Influencia del caudal en sistemas de ACS
A la hora de optimizar el rendimiento en los sistemas de ACS, tradicionalmente se ha buscado maximizar el
factor de evacuación de calor, 𝐹𝑅, o bien reducir todo lo posible el coeficiente de pérdidas.
El hecho de aumentar el factor de evacuación de calor no tiene por qué traducirse en un aumento del
Análisis de la influencia del caudal en sistemas de acs
40
40
rendimiento, ya que a medida que la velocidad del flujo aumente, la temperatura a la entrada del captador solar
puede ser superior a lo deseable, aumentando de ese modo las pérdidas energéticas en forma de calor.
Este hecho puede deberse en parte a que el fluido no estratifica en el tanque y hay una circulación más
continua.
A continuación, vamos a analizar diferentes elementos de un sistema de ACS que influyen en el rendimiento
del sistema, y los efectos que tiene el uso de diferentes caudales en ellos.
3.2.1 Influencia de la distribución de tubos del captador solar.
3.2.1.1 Configuración de parrilla.
Este tipo de configuración consta de dos tuberías horizontales y una serie de tuberías conectadas de forma
vertical tal como se muestran en la Figura 3-1.
Figura 3-1: Configuración de parrilla de los tubos de captador solar
Para el análisis de la placa plana hacen falta determinar varias suposiciones (Duffie y Beckman):
- Los tubos horizontales pueden despreciarse ya que abarcan un área pequeña.
- Estos tubos horizontales proporcionan un flujo uniforme en los tubos.
- El flujo de calor es unidimensional.
- Los gradientes de temperatura alrededor de los tubos se pueden despreciar.
- Los gradientes de temperatura en la dirección del flujo y entre los tubos pueden ser tratados de forma
independiente.
Para analizar el comportamiento del flujo a través del captador solar hay dos factores que debemos controlar si
queremos estudiar cómo evoluciona el rendimiento en función de parámetros como el caudal: la distribución
de las presiones y el coeficiente de pérdida de calor.
Distribución de presiones
En primer lugar, vamos a centrarnos en la distribución de las presiones a lo largo de los tubos, ya que la forma
41
41 Influencia del caudal en el rendimiento de sistemas de energía solar para ACS
en que circula el fluido por los tubos no es uniforme y esto afectará al comportamiento de la instalación. Las
pérdidas de carga a lo largo de las tuberías son mayores en los extremos que en el centro de la placa, por ellos
los flujos más altos se darán en los tubos finales y los flujos más bajos en los centrales.
Se ha probado experimentalmente (Fanney y Klein,1985) que para caudales bajos de menos de 0.0025
𝐾𝑔/𝑠𝑚2 existe un desequilibrio en la distribución del flujo a través de un campo de captadores.
En las regiones que existe caudales más bajos, hay mayores pérdidas de calor y una eficiencia térmica más
baja debido a temperaturas más altas en esa zona. También se probó que la distribución de temperatura es más
desigual conforme el caudal es mayor.
En 1970, Dunkle probó que la eficiencia de un sistema de agua caliente sanitaria se reduce si el flujo está
distribuido de una forma no uniforme través de los tubos. Se encontró que el flujo en la parte central disminuía
en comparación con los extremos y esto provoca unas mayores pérdidas, y por consiguiente una reducción de
la eficiencia debido a las altas temperaturas en dichas zonas.
Gerhart y Gross (1985) dieron un coeficiente de pérdidas para las uniones en forma de T que fueron usados
para este tipo de configuración de los tubos. Estos coeficientes se usaban para determinar una longitud
equivalente de los tubos para calcular la pérdida de presión de la siguiente forma:
𝐿𝑒𝑞𝑢𝑖𝑣𝑎𝑙𝑒𝑛𝑡𝑒 =𝐾𝐷
𝑓
Donde K es el coeficiente de pérdidas dado por Gerhart y Gross, D el diámetro de tubería y 𝑓 el factor de
fricción. En la actualidad las fichas técnicas recomiendan un rango de caudales en los que especifican con una
gráfica como la de la figura 3-2, entre qué valores oscilarán las pérdidas de carga en los tubos del captador.
Dicha gráfica está extraída del catálogo técnico del captador solar 25-S4 Heliostar
Figura 3-2: Caudales y sus correspondientes pérdidas de carga
En referencia al caudal y no a la temperatura se llegó a la conclusión (Dayan,1997) de que a medida que el
caudal es reducido el flujo a través de la placa se distribuye de una forma más uniforme.
En la figura 3-2 se muestra la ratio entre el caudal a través de los tubos verticales y el flujo entrante en el
captador en función del número de tubos.
Puede verse que a medida que el caudal másico aumenta, el flujo relativo a través de las tuberías centrales
(5,6,7,8,9,10,11,12) disminuye, mientras que el flujo relativo de los tubos de los extremos (1,2,3,4 y
13,14,15,16).
Análisis de la influencia del caudal en sistemas de acs
42
42
Figura 3-3: Distribución del flujo a través del captador en función de varios caudales.
Además, también se determinó la caída de presión en los tubos horizontales para una situación en la que el
agua entra por la parte baja de uno de los tubos y sale por la parte baja del tubo superior en el lado contrario al
que ha entrado. Es decir, para diferentes caudales se conoce la caída de presión a lo largo de los tubos
horizontales. (Figura 3-3).
Figura 3-4: Distribución de presiones a través de un captador en función de diferentes caudales.
Factor de evacuación de calor
Todo esto se ve reflejado en su influencia en el factor de evacuación de calor. A pesar de que se piense que un
caudal más alto hará que funcione mejor el sistema porque el factor de evacuación sea mayor, también hay que
tener en cuenta que al ser caudales menores tienen la ventaja de permitir que el depósito de acumulación se
encuentre más estratificado , y esto significa que el gradiente de temperatura a lo largo de la altura del depósito
43
43 Influencia del caudal en el rendimiento de sistemas de energía solar para ACS
será elevado, es decir que el fluido más caliente, el que se encuentra en la parte superior del tanque
estratificado, estará disponible para satisfacer la demanda requerida por el usuario, y el líquido más frio
circulará por la parte inferior del depósito y será la que vaya a la entrada del captador solar.
Una ventaja añadida es la disminución en el coste asociado al bombeo del fluido. Los sistemas de bajo caudal
pueden dar un mejor funcionamiento al sistema si se escoge una buena configuración de las tuberías del
captador. Ya ha sido demostrado que para un caudal bajo, la configuración de parrilla tendrá una distribución
uniforme del flujo, pero los flujos inferiores que circulan por las tuberías horizontales antes de cada tubería
vertical o elevador pueden afectar negativamente a los coeficientes de transferencia de calor y por lo tanto al
rendimiento.
3.2.1.2 Configuración de serpentín.
Esta configuración consiste en un conducto en forma de zigzag o serpentín, por el que circula el fluido unido a
una placa de absorción. (Figura 3-3).
Este tipo de captadores es una buena solución para los problemas de los captadores de parrilla, ya que, para
caudales bajos, las caídas de presión a través del serpentín son escasas. El uso de captadores que tenga una
configuración de serpentín permite que el flujo que puede soportar es mayor lo que hace que se pueda reducir
el diámetro de los tubos y aumentar el régimen turbulento del fluido.
El coeficiente interno de transferencia de estos sistemas hace que funcionen mejor que los tradicionales
sistemas con configuración de parrilla.
Figura 3-5: Configuración de serpentín de los tubos del captador solar.
Distribución de presiones
Con respecto a las pérdidas de presión a lo largo del serpentín, se pueden evaluar con la siguiente expresión:
𝑃 = 𝜌𝑓𝐿𝑒𝑞𝑣
2
2𝐷𝑖
Podemos ver claramente que las pérdidas aumentarán con la longitud del tubo y con la masa de flujo que
circule por él.
La razón por la que el uso de este tipo de captadores ha quedado en un segundo plano es la pérdida de presión,
la cual se acentúa con caudales mayores. En la figura 3-5 se representa una comparación entre las pérdidas de
presión que se producen en los dos tipos de configuraciones de los tubos expuestas.
Análisis de la influencia del caudal en sistemas de acs
44
44
Figura 3-6: Comparación de la pérdida de presión a través de la configuración de parrilla y de
serpentín para captadores solares planos.
La caída de presión en el serpentín es mucho mayor, sin embargo para caudales menores de 0.002 𝐾𝑔/𝑚𝑠2
los papeles se intercambian y este valor se situa por debajo de los 15kPa. Esta caída de presión tan elevada
para caudales mayores se traduce en gastos de impulsión mayores.
En la gráfica que muestra la figura 3-7 se representa la potencia de bombeo necesaria para un captador solar de
tipo serpentín en función del caudal específico que circula por el tubo. Podemos ver que dicha potencia para
un caudal de 0.002 𝐾𝑔/𝑚𝑠2 es aproximadamente de 0.1 W.
Figura 3-7: Potencia de bombeo necesaria para captador de tipo serpentín.
Factor de evacuación de calor
El factor de evacuación de calor para el serpentín de un captador es mucho más difícil de calcular que para uno
convencional, ya que, a diferencia del anterior, ahora si hay una transferencia de calor entre los tubos y el
45
45 Influencia del caudal en el rendimiento de sistemas de energía solar para ACS
serpentín.
Lund (1989) expresó el factor de evacuación de calor en función de la efectividad-NTU, determinando el
factor de forma según la conducción a través del tubo y la forma del tubo. Este análisis es más útil para
régimen turbulento ya que en estos casos se incrementa el coeficiente de transferencia. Para N=2, es decir, dos
pasos por los tubos, obtuvo resultados compatibles a los que obtuvo Zhang y Lavan (1985), que presentaron
una solución analítica donde decía que generalmente el factor de evacuación de calor tenía un máximo cuando
N=1 y un mínimo para N=2
Chiu y Perera (1986) también analizaron el serpentín del captador para diferente número de vueltas. Este
análisis mostraba que para la mayor parte del día la eficiencia del serpentín era menor que la eficiencia para un
captador solar plano convencional. Sin embargo, durante las primeras horas de la mañana y las últimas de la
tarde, la configuración de serpentín funciona mejor en términos de factor de evacuación de calor. Esto tenía
dos explicaciones, la primera, que había una mayor pérdida de presión que podía crear desequilibrios de flujo,
lo que conlleva a una pérdida en la transferencia de calor y la segunda, que el calor transferido entre el fluido y
la placa se va reduciendo conforme va saliendo del serpentín.
En la figura 3-7 podemos ver representado el efecto del diámetro de los tubos para un caudal dado de
0.002 𝐾𝑔/𝑠𝑚2. Como puede apreciarse, en la configuración de parrilla juega un papel poco importante. Sin
embargo para el captador tipo serpentín el diámetro del tubo es muy significativo, ya que un diámetro menor
provoca la aparición de régimen turbulento, lo que beneficia al factor 𝐹𝑅.
Figura 3-8: Efecto del diámetro de los tubos en captadores solares
Comparando la configuración de serpentín con los captadores convencionales de parrilla (Figura 3-8),
podemos destacar que funcionan mejor debido al alto coeficiente de transferencia para caudales mayores de
0.001 𝐾𝑔/𝑠𝑚2.
Análisis de la influencia del caudal en sistemas de acs
46
46
Figura 3-9: Comparación del factor de evacuación de calor entre la configuración de parrilla y
serpentín para captadores solares planos.
Conclusiones
A modo de resumen podemos decir que la distribución del flujo a través de la configuración de parrilla tiene
un mejor rendimiento si se trabajan con caudales más reducidos, que disminuyen los desequilibrios de flujo.
Sin embargo, esta configuración sufre la disminución de energía útil, consecuencia del uso de menores
caudales. Los captadores que usan configuración de serpentín funcionan ligeramente mejor que éstos con el
mismo área, diámetro de tubos y separación entre ellos. Esto se debe al inicio más temprano del régimen
turbulento, que aumenta el coeficiente de transferencia de calor y por tanto el rendimiento. Sin embargo,
cuando el flujo empieza a ser turbulento, la potencia requerida para el bombeo se incrementa de forma muy
significativa.
3.2.2 Influencia de la estratificación en el tanque
Otra forma de optimizar el rendimiento es precisamente controlando la estratificación en el tanque de
almacenamiento del fluido calorpotador. El aumento de la estratificación hace que exista un gradiente de
temperaturas a lo largo del tanque.
Se ha confirmado experimentalmente que con caudales bajos existe una mayor estratificación (Fanney y
Klein,1988). Llegaron a la conclusión de que el caudal óptimo estaba entre un 10 y un 30% del caudal usado
en los sistemas típicos de circulación forzada. En sus ensayos testaron dos sistemas de ACS, uno con un caudal
de 0.02 𝐾𝑔/𝑠𝑚2, reconmendado por el fabricante y otro sistema basado en las observaciones sobre la
estratificación del tanque dadas por Van Koppen (1979) y Wuestling (1983) con un caudal de 0.0033 𝐾𝑔/𝑠𝑚2.
El sistema que trabajaba con un caudal inferior obtuvo un 8% más de energía útil entregada y un 10% menos
de energía auxiliar consumida.
La simulación del tanque de estratificación puede realizarse según un enfoque multi-nodo o un enfoque de
flujo-pistón. Para ver el efecto que tiene la estratificación en el funcionamiento de los sistemas de ACS se
utiliza un enfoque multi-nodo (Dayan 1997) que consiste en representar el depósito como un conjunto de N
secciones y realizar balances energéticos individuales a cada nodo.
Si se simula únicamente con un nodo, sería lo mismo que hablar de un depósito completamente mezclado, y a
medida que se fueran aumentando nodos, la estratificación sería mayor. Se testó para dos ubicaciones
diferentes, Madison (Wisconsin) y Miami (Florida), y poder así sacar conclusiones.
47
47 Influencia del caudal en el rendimiento de sistemas de energía solar para ACS
Figura 3-10: Sensibilidad de la estratificación en el tanque (número de nodos) en la fracción solar con
respecto al caudal. Madison, Wisconsin.
Figura 3-11: Sensibilidad de la estratificación en el tanque (número de nodos) en la fracción solar con
respecto al caudal. Miami, Florida.
Otro factor a tener en cuenta es el tamaño del depósito de almacenamiento. Un volumen reducido puede
traducirse en una recirculación forzosa, mientras que un tanque sobredimensionado puede conllevar unas
pérdidas muy grandes por convección al ambiente, además de unos costes iniciales mucho más elevados. En la
figura 3-12 se representa los efectos de variar el volumen del tanque respecto a la carga diaria media en dos
localidades diferentes. Las pérdidas del tanque se asumen despreciables, pero si fueran incluidas, al aumentar
el volumen las pérdidas aumentarían y por consecuencia el rendimiento disminuiría.
Análisis de la influencia del caudal en sistemas de acs
48
48
En la gráfica queda evidenciado que el volumen óptimo no depende de la localización, y que para la carga
dada el volumen óptimo sería de aproximadamente 0.4 𝑚3. Si el volumen fuera menor no permitiría la
estartificación en el depósito, y si fuera mayor no tendría efectos positivos sobre el rendimiento debido a las
pérdidas convectivas por un área de transferencia mayor.
Conclusiones
Una reducción del flujo puede traducirse en un incremento del calor útil ganado, gracias a la estratificación en
el depósito. Sin embargo, el volumen de almacenamiento, la carga media y su distribución, tienen diferentes
efectos sobre el caudal óptimo debido a la recirculación que se produce. Es por eso que el volumen del tanque
debe ser seleccionado de una forma cuidadosa para asegurar que para el caudal con el que se trabaje se
alcanzará un óptimo en el rendimiento del sistema.
3.2.3 Influencia del intercambiador de calor
Un aspecto importante en sistemas de ACS es la protección frente a congelaciones. Una de las formas más
usuales de hacer esto es mediante un sistema de circuito cerrado con un intercambiador de calor, ya que el
intercambiador permite circular liquido anticongelante en el lado del captador solar.
Además, el intercambiador permite una mayor circulación a través del captador promovido por un aumento en
el factor de evacuación de calor sin afectar directamente a la estratificación del tanque. Por desgracia el
intercambiador de calor lleva asociado un rendimiento térmico, así como un coste inicial y de instalación.
Revisando la bibliografía para este trabajo parece que ha existido cierta controversia con respecto a si existe un
caudal óptimo para ambos lados del intercambiador. Según Hollands (1992) existe un óptimo si el UA del
intercambiador se considera una variable fija. Llegó a este supuesto contradiciendo a Fanney y Klein (1988),
quienes postularon que no había caudales óptimos para un sistema con intercambio de calor, alegando que
usaron un intercambiador cuyo UA era muy variable en función del caudal.
Se probó experimentalmente (Fanney y Klein,1988) que reducir el caudal que circulaba por el lado del tanque
de almacenamiento en un sistema de ACS no se traducía en una mejora considerable. Los experimentos
consistían en una mezcla de etileno circulando a través del circuito primario con un caudal de 0.0151𝐾𝑔/𝑠𝑚2.
Se hizo pasar diferentes caudales por el otro circuito del sistema de 0.020 𝐾𝑔/𝑠𝑚2 y 0.0025 𝐾𝑔/𝑠𝑚2 y se
probó que el sistema con menos caudal circulante por el tanque requería un 7% más de energía auxiliar. Sin
embargo, es difícil determinar si estos experimentos son suficientes para determinar un caudal óptimo
La disminución del rendimiento con el caudal más bajo se explica por una disminución importante en el UA
del intercambiador que resulta con dicho caudal.
Las pérdidas por el intercambiador de calor se ven más que contrarrestadas por la mejora de ganancia debido a
la estratificación del tanque.
Efectividad del intercambiador
La efectividad de un intercambiador, 휀, se puede definir como la cantidad de calor que transfiere comparada
con la máxima posible que pudiera transferir.
휀 =𝑄𝑖𝑛𝑡
(�̇�𝐶𝑝)𝑚𝑖𝑛∆𝑇𝑚𝑎𝑥
Siendo ∆𝑇𝑚𝑎𝑥 la diferencia entre la temperatura de entrada del fluido caliente y la temperatura de salida del
fluido frio.
El parámetro NTU lo podríamos definir como el número de unidades de transferencia y expresa la dimensión
del intercambiador:
49
49 Influencia del caudal en el rendimiento de sistemas de energía solar para ACS
𝑁𝑇𝑈 =𝑈𝐴
(�̇�𝐶𝑝)𝑚𝑖𝑛
Siendo A el área de transferencia de calor en 𝑚2 y U el coeficiente de transferencia del intercambiador en
𝑊/𝑚2𝐾, cuyo valor puede obtenerse de la siguiente forma:
1
𝑈𝐴=
1
ℎ𝑖𝐴𝑖+ln (𝐷𝑜𝐷𝑖)
2𝜋𝑘𝐿
1
ℎ𝑜𝐴𝑜
Siendo ℎ𝑖 , ℎ𝑜 𝑦 𝐷𝑖 , 𝐷𝑜 los coeficientes de convección y los diámetros internos y externos, respecivamente.
L, expresada en metros es la longitud equivalente del intercambiador.
Dependiendo de la disposición o configuración del flujo y la geometría del intercambiador, se usarán unas u
otras correlaciones para hallar la efectividad del intercambiador, dada su NTU o viceversa.
Un método efectivo para analizar el impacto que tiene el intercambiador en el sistema de ACS es usando una
corrección del factor de evacuación de calor del captador solar:
𝐹𝑅´
𝐹𝑅= [1 + (
𝐹𝑅𝑈𝐿𝐴
(𝑚𝐶𝑝)𝑐𝑎𝑝𝑡𝑎𝑑𝑜𝑟 )((𝑚𝐶𝑝)𝑐𝑎𝑝𝑡𝑎𝑑𝑜𝑟
휀(𝑚𝐶𝑝)𝑚𝑖𝑛− 1)]
De esta forma podemos valorar como afecta la eficiencia del intercambiador a nuestro sistema (Figura 3-9).
Este valor indica el área adicional de captador requerida para entregar la misma cantidad de energía útil.
Figura 3-12: Factor de corrección del intercambiador de calor.
Análisis de la influencia del caudal en sistemas de acs
50
50
Los sistemas que trabajan con caudales bajos tenderán a tener un factor de evacuación de calor más reducidos
que los que trabajan con caudales de flujo convencionales, por lo que la mejora en el funcionamiento del
sistema se basa en la reducción de la temperatura de entrada a la placa, debido a la mejora en la estratificación
del tanque. El factor de corrección del intercambiador falla cuando se quiere predecir adecuadamente el
comportamiento del sistema para un caudal bajo con tanque de estratificación.
Haciendo un inciso, la figura 3-10 demuestra el rendimiento de un intercambiador para un caudal por el
circuito secundario de 0.0035 𝐾𝑔/𝑠𝑚2 frente a varios caudales distintos por el primario. El ensayo está
realizado para dos longitudes diferentes del intercambiador, 0.15 m. y 0.75 m. Según podemos ver en el
gráfico, el intercambiador tiene mejor rendimiento trabajando con flujos convencionales, que con flujos más
bajos. También podemos apreciar un salto drástico en torno a 0.005 𝐾𝑔/𝑠𝑚2, y la explicación es sencilla, es
en ese momento cuando se produce el paso de régimen laminar a régimen turbulento.
En sistemas de ACS, si el tamaño del intercambiador es pequeño, tiene una longitud equivalente reducida,
pueden existir grandes diferencias en el rendimiento si hablamos de un caudal convencional o un caudal bajo.
Figura 3-13: Efectividad de un intercambiador en función del caudal circulante para dos longitudes
equivalentes.
En la búsqueda por encontrar un óptimo caudal para sistemas que incorporen un intercambiador de calor, en el
texto ya citado en varas ocasiones de la tesis de M.Dayan (1997) se hacen varias simulaciones para un mismo
sistema con las siguientes características:
- Área captador solar: 3.185 𝑚2
- Volumen del depósito: 0.4 𝑚3
- Carga media: 0.0035 𝐾𝑔/𝑠𝑚2
Sin variar la geometría del intercambiador, se va variando los (𝑚𝐶𝑝)𝑡𝑎𝑛𝑞𝑢𝑒 y (𝑚𝐶𝑝)𝑐𝑎𝑝𝑡𝑎𝑑𝑜𝑟 , es decir, los
caudales a ambos lados del intercambiador. Se representa el NTU del intercambiador en el eje de abscisas para
poder comparar fácilmente los diferentes caudales para un intercambiador con el mismo NTU.
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51 Influencia del caudal en el rendimiento de sistemas de energía solar para ACS
Figura 3-14: Demanda cubierta frente a NTU para un caudal por el captador de 0.004 𝑲𝒈/𝒔𝒎𝟐
Figura 3-15: Demanda cubierta frente a NTU para un caudal por el captador de 0.010 𝑲𝒈/𝒔𝒎𝟐
Análisis de la influencia del caudal en sistemas de acs
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Figura 3-16: Demanda cubierta frente a NTU para un caudal por el captador de 0.015 𝑲𝒈/𝒔𝒎𝟐
Como resultados se puede comprobar que la máxima fracción solar útil está entre 0.63 y 0.64, entendiendo
como fracción solar la demanda cubierta y siempre ocurre para una NTU en torno a seis.
Sabiendo que una UA más pequeña es lo mismo que decir que el intercambiador será más pequeño y
económico, podemos apreciar que a caudales más bajos y ratios (𝑚𝐶𝑝)𝑐𝑎𝑝𝑡𝑎𝑑𝑜𝑟/(𝑚𝐶𝑝)𝑡𝑎𝑛𝑞𝑢𝑒 menores, los
intercambiadores resultantes serán más reducidos. Como podemos ver, por ejemplo, comparando el UA
resultante para un caudal en el captador y en el lado del tanque de 0.004 𝐾𝑔/𝑠𝑚2, es decir, ratio igual a 1, de
valor 273 𝑊/𝑚2 (Figura 3-7) con el UA para un caudal de 0.015 𝐾𝑔/𝑠𝑚2 y un ratio de 3, es decir, un caudal
por el lado del tanque tres veces menor que el caudal que pasa por el captador, de valor 1026 𝑊/𝑚2 (Figura
3-8) .
Se puede llegar a la conclusión que existe unas dimensiones para el intercambiador y unos caudales que
optimizan el sistema desde el punto de vista térmico y económico.
El caudal que circule por el lado del tanque del intercambiador debe ser siempre aproximadamente igual que la
carga media para que, en términos térmicos, se habla de un funcionamiento óptimo del sistema. Además,
también incurrirán indirectamente en una reducción de costes. Caudales más bajos se traducen en sistemas
hidráulicos más baratos. Para caudales mayores del fluido que circula por la parte del captador, el caudal
óptimo del tanque afecta menos al funcionamiento, por lo tanto, un incremento en el caudal puede que haga
funcionar algo mejor el sistema, pero que los costes económicos se vean fuertemente incrementados.
Para un intercambiador dado, unos caudales mayores pueden incrementar la eficiencia del sistema, pero esto
puede incurrir en mayores costes debido al bombeo y circulación de mayor masa.
Usar diferentes fluidos anticongelantes, con otros calores específicos también pueden ayudar al
funcionamiento del sistema.
Resumiendo, sí que hay caudales óptimos para cada sistema y situación a ambos lados del intercambiador,
como ya predijera Hollands. El desacuerdo anteriormente expuesto frente Fanney y Klein se debe a que se
examinó como evolucionaba el sistema cuando se hacían funcionar con caudales más elevados.
Para ver el efecto que tiene sobre el tamaño del intercambiador (UA) algunos aspectos como el uso de uno u
otro anticongelante o el caudal óptimo a usar se dispondrá de una simulación de un intercambiador de calor de
carcasa y tubos con UA de 250 𝑊/𝑚2𝐾 aproximadamente para un caudal por el lado del captador y del lado
del tanque, ambos de 0.004 𝐾𝑔/𝑠𝑚2. El fluido usado en el lado del captador suele ser una solución al 50% en
glicol, aunque también puede usarse etileno glicol o propileno glicol. La dependencia de la viscosidad de
ambos anticongelantes con la temperatura es muy grande. A bajas temperaturas son muy viscosa y si además
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53 Influencia del caudal en el rendimiento de sistemas de energía solar para ACS
nos encontramos en régimen laminar el coeficiente de transferencia se ve significativamente reducido.
Figura 3-17: Intercambiador de carcasa y tubos.
El gráfico de la figura 3-15 muestra la variación del tamaño del intercambiador con la temperatura, para
iguales caudales a ambos lados del mismo usando dos anticongelantes diferentes. Se puede apreciar que el
cambio de régimen turbulento se produce a unos 20º para flujos convencionales, y a unos 66º para caudales
más bajos para etileno glicol. El incremento de la viscosidad del glicol impide el inicio de la turbulencia, que
es fundamental para el coeficiente de transferencia de calor del intercambiador.
Figura 3-18: Variación de UA de un intercambiador de carcasa y tubo con la temperatura, usando
caudales y anticongelantes diferentes.
Conclusiones
Los intercambiadores de carcasa y tubo dependen mucho de las variaciones de las propiedades del fluido que
los atraviesa según su temperatura. El etilenglicol da mejores resultados que el propilenglicol, pero éste
anticongelante es tóxico y es necesario un intercambiador de doble tubo. Cuando usamos este anticongelante
un aumento del caudal se transforma en un funcionamiento mejor del sistema. Esto se debe al régimen
turbulento que provoca, y por consiguiente a una mejora en la transferencia de calor, cosa que no ocurre a
bajos caudales debido a la viscosidad de éstos.
El rendimiento del sistema se incrementa con la estratificación en el depósito de almacenamiento. El caudal
óptimo en el lado del tanque siempre se encuentra muy cerca de la carga media. Pequeñas variaciones de éste
caudal puede disminuir drásticamente el rendimiento del sistema.
Hollands (1989) parece que acertaba al decir que existe un caudal óptimo si se fija el UA del intercambiador.
Análisis de la influencia del caudal en sistemas de acs
54
54
Incluso sin fija este parámetro existe un óptimo económico para fijar el caudal. Los resultados obtenidos por
Fanney y Klein también son correctos, para un caudal dado por el lado del captador, si el caudal que pasa por
el lado del tanque es más grande que la carga media, la influencia sobre el rendimiento es despreciable.
3.3 Análisis del comportamiento de sistemas trabajando con caudales no convencionales
3.3.1 Descripción de los sistemas de ACS
Para analizar cómo influye el caudal en los sistemas de ACS de una manera experimental me ayudaré de las
simulaciones realizadas por M.Dayan basadas en cuatro sistemas con diferentes configuraciones y caudales
que son testados en cuatro localizaciones con climas muy variados de los Estados Unidos: Albuquerque
(Nuevo México), Madison (Wisconsin), Miami (Florida), Washington (DC)
Sistema 1
Sistema que trabaja con caudal bajo y sin intercambiador de calor. Captador solar de tipo serpentín de 18 pasos
y un área de 3.185 𝑚2 por el que pasa un caudal de 0.0035𝐾𝑔/𝑠𝑚2. El depósito tiene un volumen de 0.4 𝑚3
y se usan 20 nodos para modelar la estratificación en él.
Sistema 2
Este sistema incorpora un intercambiador de calor. El fluido anticongelante usado es etilenglicol. El
intercambiador de calor es de carcasa y tubo con UA 250𝑊/𝑚2𝐾. El sistema utiliza un caudal bajo similar al
primero, siendo el caudal que circula por el circuito primario 0.004 𝐾𝑔/𝑠𝑚2 y 0.0035 𝐾𝑔/𝑠𝑚2 por el
secundario. El tanque se modela nuevamente usando 20 nodos.
Sistema 3
Se trata de un sistema con un caudal convencional sin intercambiador de calor. Captador solar con
configuración de parrilla con un caudal de 0.02 𝐾𝑔/𝑠𝑚2. El tanque también se modela con 20 nodos.
Sistema 4
El último sistema es similar al anterior, pero con un intercambiador de calor. El caudal que circula por el
circuito secundario se mantiene en 0.0035 𝐾𝑔/𝑠𝑚2
3.3.2 Resultados de las simulaciones
Simulación en Albuquerque (Nuevo México)
El captador se simula con una pendiente de 35º para maximizar la radiación solar captada.
Debido a las condiciones climáticas de la zona, el rendimiento del sistema es muy bueno usando el sistema 4,
es decir, un sistema con un caudal convencional con intercambiador de calor. No se consideran los meses en
los que la temperatura bajan de cero grados Celsius. El rendimiento del sistema en Albuquerque se muestra en
la Figura 3-14
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55 Influencia del caudal en el rendimiento de sistemas de energía solar para ACS
Figura 3-19: Rendimiento de los sistemas de ACS en Albuquerque (Nuevo México)
Puede apreciarse que los sistemas sin intercambiador de calor funcionan mejor durante los meses de verano.
Además, en estos meses los sistemas que trabajan con caudales más bajos y sin intercambiadores de calor
funcionan mejor que los sistemas con caudales convencionales.
El intercambiador de calor es necesario en esta zona debido a las bajas temperaturas que se dan en los meses
de inviernos para impedir congelaciones. El intercambiador de calor permite incrementar la demanda cubierta
en un sistema con caudal reducido desde 44% hasta el 64%. Para este sistema, y en esta zona, los sistemas con
caudales convencionales funcionan mejor que los de bajo caudal. En comparación, el rendimiento es superior
en más de diez puntos.
Tabla 3-1: Rendimiento de los sistemas ACS en Albuquerque (Nuevo México)
Simulación en Madison (Wisconsin)
Para la latitud de esta zona se ha optado por una inclinación del captador solar de 40º. El rendimiento de los
sistemas para esta zona climática se resume en la tabla 3-2.
El rendimiento evoluciona de una manera similar a como lo hace en Albuquerque, teniendo incluso periodos
Análisis de la influencia del caudal en sistemas de acs
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más largos de posibles congelaciones, por lo que es aún más necesario la incorporación de intercambiador de
calor.
Sistema Descripción Demanda cubierta
1 Sistema de bajo caudal sin intercambiador de calor 0.30
2 Sistema de bajo caudal con intercambiador de calor 0.39
3 Sistema convencional sin intercambiador de calor 0.29
4 Sistema convencional con intercambiador de calor 0.46
Tabla 3-2: Rendimiento de los sistemas ACS en Madison (Wisconsin)
El aporte del intercambiador tanto en los sistemas que trabajan con caudal bajo, como con los que lo hacen con
caudales convencionales les suma un plus de mejora. La razón por la cual en los meses de frio el rendimiento
sea tan bajo se debe a la combinación de dos efectos obvios, por un lado, la disminución de la radiación solar,
y por otro, la disminución drástica de la temperatura ambiente.
Figura 3-20: Rendimiento de los sistemas de ACS en Madison (Wisconsin)
Simulación en Miami (Florida)
Para la simulación del sistema de ACS en Miami se optimiza la inclinación del captador solar para maximizar
su rendimiento y se coloca formando 25º con la horizontal.
El clima en Miami, hace que el uso de intercambiadores de calor sea innecesario. En ningún momento del año
se va a trabajar con temperaturas cercanas o inferiores a 0º Celsius.
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57 Influencia del caudal en el rendimiento de sistemas de energía solar para ACS
Sistema Descripción Rendimiento
1 Sistema de bajo caudal sin intercambiador de calor 0.73
2 Sistema de bajo caudal con intercambiador de calor 0.59
3 Sistema convencional sin intercambiador de calor 0.69
4 Sistema convencional con intercambiador de calor 0.52
Tabla 3-3: Rendimiento de los sistemas de ACS en Miami (Florida)
Además, según la tabla mostrada, vemos que los sistemas que trabajan con caudales bajos funcionan de una
forma más eficiente que los que trabajan con flujos convencionales. Trabajar con caudales bajos permite una
estratificación en el tanque mayor, lo que conlleva a que las temperaturas de entrada al captador sean más
bajas, algo que aumenta el rendimiento del sistema.
Debido a las condiciones meteorológicas de esta zona, podemos apreciar que no existen unas diferencias
brutales en el rendimiento entre los meses de frio y los de calor.
Figura 3-21: Rendimiento de los sistemas de ACS en Miami (Florida)
Simulación en Washington (DC)
La última de las simulaciones se lleva a cabo en Washington, con una latitud de 39º, por lo que la inclinación
del captador para alcanzar un máximo en el funcionamiento de los diferentes sistemas de ACS que se ha
tomado es de 40º.
El clima en esta zona es más parecido al clima de Madison, que incluye 6-7 meses en los que las temperaturas
pueden descender de los 0º Celsius.
Análisis de la influencia del caudal en sistemas de acs
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Sistema Descripción Demanda cubierta
1 Sistema de bajo caudal sin intercambiador de calor 0.31
2 Sistema de bajo caudal con intercambiador de calor 0.43
3 Sistema convencional sin intercambiador de calor 0.29
4 Sistema convencional con intercambiador de calor 0.50
Tabla 3-4 : Rendimiento de los sistemas de ACS en Washington (DC)
Esta localización es la más desfavorable para instalar este tipo de sistemas, y queda reflejado en los
rendimientos, que son muy bajos. Sistemas que trabajan sin intercambiador de calor, hace que el rendimiento
lógicamente caiga mucho, sin depender en exceso de si se trabaja con un caudal u otro.
Figura 3-22: Rendimiento de los sistemas de ACS en Washington (DC)
El rendimiento de estos cuatro sistemas depende mucho de la localización en que trabajen. Aquellos
emplazamientos donde a lo largo del año se daban las temperaturas más bajas era necesario el uso de
intercambiadores de calor para evitar congelaciones en el sistema. En los meses de mayor irradiación se podría
mejorar el rendimiento haciendo que la inclinación de la placa diera lugar a que los rayos incidentes del Sol
adoptaran una entrada óptima en la superficie absorbedora. Sin embargo, en los meses de inviernos, esta
inclinación haría que la penalización fuera mucho mayor y en términos globales anuales se sufriría una pérdida
de rendimiento.
Los sistemas que trabajan con caudales más bajos que los sistemas convencionales funcionan igual o mejor
que éstos. Comparando numéricamente los resultados, en Albuquerque, Madison y Washington las mejoras en
los rendimientos son prácticamente inexistentes, tan sólo un aumento entre 1 y 2 puntos con respecto a los
sistemas convencionales. Sin embargo, Miami, que es la que presenta un mejor clima para este tipo de
instalaciones, incrementa su rendimiento en un 5% usando caudales más bajos que los convencionales. Pero la
verdadera ventaja de trabajar con menores caudales reside en las reducciones de costes de la instalación, que
permite tuberías de menos diámetro que se traduce en un ahorro inicial en materiales, así como una reducción
en los costes de operación debido a la reducción de los costes de bombeo del fluido.
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59 Influencia del caudal en el rendimiento de sistemas de energía solar para ACS
4 RESUMEN Y CONCLUSIONES
4.1 Resumen
Este proyecto se estructura en tres apartados diferenciados, un primer capítulo de introducción, uno centrado
en el captador solar y otro para estudiar la influencia del caudal sobre el rendimiento.
Lo primero que encontramos en el capítulo de introducción es una revisión bibliográfica sobre artículos y tesis
relacionados con los sistemas que trabajan con caudales bajos, que nos sirve para tener una vista general de la
preocupación a lo largo de los años sobre este tema, y además servirán de apoyo para la realización del
proyecto en sí.
En el primer capítulo de introducción se quiere poner de manifiesto la importancia de aprovechar la energía
solar. Según datos de la Solar Heat Worldwide de 2014 hay una capacidad mundial instalada de 406 Gw,
únicamente superada por otra energía renovable, la eólica. De toda esta capacidad instalada, Europa representa
un 12%, mientras que la primera potencia en este sector sigue siendo China con un 70% de esta capacidad.
Después hay otra parte importante dentro del primer apartad en el que se definen los elementos de un sistema
de ACS y se clasifican los diferentes sistemas de energía solar para ACS.
El segundo capítulo se centra en el elemento principal de todo sistema de energía solar para ACS, el captador.
Aquí se definen todos los elementos que la componen y su funcionalidad dentro del sistema, así como el
principio de funcionamiento por el que se rige el captador. Además de esto se definen las ecuaciones del
modelo en régimen permanente de un captador, teniendo en cuenta la reflectividad y absortividad en medios
semitransparentes para el cálculo del producto (𝜏𝛼), y el coeficiente global de pérdidas del captador.
El tercer capítulo explica la influencia que tiene en el rendimiento de los sistemas de ACS el caudal que circule
por el interior de los tubos. En primer lugar, se habla sobre cómo se ha buscado tradicionalmente optimizar el
rendimiento de los captadores, para después indicar la influencia de la distribución de los tubos, de la
estratificación en el tanque y del intercambiador de calor en el sistema.
Finalmente, hay un apartado en el que se hace un análisis del comportamiento de sistemas trabajando con
caudales no convencionales. Este estudio se apoya en simulaciones extraídas de una de las tesis que se indican
al inicio del proyecto en el apartado del estado del arte, y para cada sistema y localización va comparando el
rendimiento y así poder sacar conclusiones.
4.2 Conclusiones
Uno de los objetivos de este proyecto era analizar el comportamiento de los sistemas para ACS cuando
trabajan con caudales bajos. Cuando esto ocurre, hay dos consecuencias directas sobre el sistema, y sobre su
rendimiento. La primera es que un caudal más reducido implica que la estratificación en el depósito de
acumulación aumente, por lo que tendremos el agua más caliente disponible para la demanda solicitada y, por
otro lado, el agua que sale por la parte inferior del depósito hacia el captador solar está a una temperatura
menor. Y esto es otro aspecto positivo, ya que, si la temperatura de entrada al captador es menor, las pérdidas
por convección del captador son menores, y si las pérdidas térmicas son menores, el rendimiento es mayor.
Parece evidente que si se trabaja con caudales menores y, por lo tanto, el factor de evacuación de calor sea
menor, esto afecte negativamente al rendimiento, pero no tiene por qué ser así ya que a medida que la
velocidad del flujo va disminuyendo, la temperatura de entrada al captador puede reducirse, lo que se traduce
en unas pérdidas térmicas menores.
Se traten de caudales convencionales o no, se ha comprobado que los mejores rendimientos se obtienen
cuando los caudales del circuito primario y secundario son del mismo orden.
Resumen y conclusiones
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Respecto a las placas de parrilla, podemos decir que caudales menores hacen que la distribución de
temperaturas sufra un desequilibrio, pero que conforme los caudales son menores el flujo se distribuya de una
forma más uniforme.
Otro aspecto que debemos valorar es el hecho de que al trabajar con caudales menores los costes de operación
debidos al bombeo se reducen y, además permiten que el diámetro de los tubos sea menor, algo que ahorra
costes de instalación.
Según las simulaciones de las que se han extraído los datos, hay otros dos factores muy importantes antes de
valorar si es mejor un caudal de trabajo u otro y son la localización de la instalación y el clima de esa zona.
El sistema que presentaba los mejores rendimientos era un sistema convencional con un intercambiador de
calor en un clima donde era necesario el uso de intercambiador para evitar problemas de congelación en la
placa. Sin embargo, usando caudales reducidos en un clima como el de Miami, que es más estable durante
todo el año, el rendimiento anual era de casi 5 puntos por encima que el de los sistemas convencionales.
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61 Influencia del caudal en el rendimiento de sistemas de energía solar para ACS
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