SISTEMAS TERMICOS SOLARES EN AGRONEGOCIOS

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1 SISTEMAS TERMICOS SOLARES EN AGRONEGOCIOS FIDEICOMISO DE RIESGO COMPARTIDO, MARZO DEL 2012 El Fideicomiso de Riesgo Compartido (FIRCO) agradece a la Deutsche Gesellschaft für Internationale Zusammenarbeit (GIZ) GmbH (Cooperación Alemana al Desarrollo) por la colaboración y asistencia que brindó durante el desarrollo del presente documento. La colaboración de la GIZ se realizó por encargo del Ministerio Federal de Cooperación Económica y Desarrollo (BMZ) de la República Federal de Alemania y en el marco de la cooperación bilateral entre México y Alemania. RENUNCIA DE RESPONSABILIDAD Este documento ha sido preparado a iniciativa del Fideicomiso de Riesgo Compartido (FIRCO). Las opiniones expresadas en este documento no necesariamente representan la opinión de la GIZ.

2 PREFACIO Presentación El establecimiento de un Manual de Sistemas Térmicos Solares para los agronegocios, tiene el propósito de resumir y hacer entendibles las buenas prácticas emanadas de las especificaciones técnicas, para la adecuada instalación de sistemas térmicos solares en las agroindustrias de México por parte de los proveedores, que incidan en la reducción de emisiones de gas de efecto invernadero (GEI) y que de forma específica se desarrolle un instrumento que permita brindar a los potenciales beneficiarios de esta tecnología y a los técnicos de las dependencias públicas que participan en el fomento y promoción de la misma, conocer las orientaciones para instrumentar la implementación de este tipo de sistemas de forma exitosa, y tener elementos básicos para el desarrollo de este tipo de Proyectos. El presente Manual, pretende ser un instrumento que permita romper con las barreras de conocimiento respecto a las bondades de este tipo de tecnologías y que pueda ser utilizado como una referencia básica, tanto por los productores interesados, como por diferentes instancias públicas, así como los proveedores de este tipo de sistemas El Manual está dividido en tres partes principales, que consideran desde las condiciones específicas que el agronegocio debe tener para implementar eficientemente este tipo de proyectos y los diferentes componentes con que debe contar el sistema, y su adecuada instalación, pasando por las especificaciones técnicas elaboradas por el FIRCO y el GIZ para que estas sean seguidas por los proveedores y así se puedan dimensionar, entregar e instalar sistemas con la suficiente certidumbre de que éstos contienen un grado confiable de calidad y durabilidad, y terminando con la serie de requisitos que los proveedores deberán de cumplir para la preparación de sus ofertas y una forma de cómo evaluarlas tanto técnica, como económicamente,. Las 3 partes principales que contiene este manual son: A) Sistemas Térmicos Solares en Agronegocios B) Especificaciones Técnicas para Sistemas de Calentamiento de Agua con Energía Solar Térmica C) Manual para la Evaluación de Ofertas Técnico Económicas de Sistemas Térmicos Solares Objetivos del Manual - Promover y difundir un instrumento que permita dar a conocer las principales prácticas y especificaciones que se deben de considerar para el desarrollo de sistemas térmicos solares en el sector agropecuario - Orientar a los productores, técnicos y funcionarios, en relación con las principales prácticas en el desarrollo de esta tecnología, a fin de asegurar la calidad en la implementación de los proyectos - Fijar las condiciones técnicas base que deben cumplir las instalaciones térmicas solares para el calentamiento de líquido, especificando los requisitos de durabilidad, fiabilidad y seguridad. - Tener una guía para la evaluación de las propuestas técnicas y económicas por parte de los proveedores. 2

3 Campo de aplicación El presente manual estará enfocado a productores del sector agropecuario con necesidades de calentamiento de agua en un rango comprendido de 27 C a 90 C para los diferentes usos en procesos productivos. También está dirigido a técnicos y funcionarios del sector público y privado para apoyar la toma de decisiones en materia de promoción y difusión de esta tecnología. Su ámbito de aplicación se extiende a todos los sistemas mecánicos, hidráulicos, eléctricos y electrónicos que forman parte de las instalaciones de un sistema térmico solar que usen para la conversión térmica, colectores solares planos o de tubos evacuados, quedando excluidos de este manual, los colectores del tipo concentradores, y las aplicaciones para la climatización de aire para invernaderos, por ser ambas aplicaciones, de naturaleza distinta en la forma de dimensionarlos, evaluarlos e instalarlos, haciendo mención que éstos serán tratados en un manual por separado. En determinados supuestos para los proyectos se podrán adoptar, por la propia naturaleza del mismo o del desarrollo tecnológico, soluciones diferentes a las exigidas en este manual, siempre que su necesidad quede suficientemente justificada y que éstas no impliquen una disminución de las exigencias mínimas de calidad. Por último, es importante mencionar que esta primera versión fue preparada con la visión de servir como una guía y base de consulta modificable, tratando de incorporar lo mejor que se consideró mas aplicable a las características de los agronegocios en México, por lo que esta primera versión se evaluará y se le dará seguimiento en cuanto a las consideraciones para su aplicación, haciéndolo modificable en una segunda versión, de acuerdo a las retroalimentaciones obtenidas posteriormente por parte de los diferentes usuarios de este manual. FIDEICOMISO DE RIESGO COMPARTIDO MARZO DEL

4 PRINCIPIOS DE SISTEMAS TÉRMICOS SOLARES EN AGRONEGOCIOS El presente manual contiene recomendaciones y normativas que permiten obtener el máximo rendimiento, calidad y seguridad de instalaciones térmicas solares en México aplicados a los agronegocios..una instalación térmica solar diseñada de acuerdo a lo que se indica en este manual, garantiza un producto de buen desempeño, máxima rentabilidad, operación segura y una adecuada prestación de servicios por parte del proveedor, de acuerdo a los compromisos que aquí se le exigen. Adicionalmente, se incluyen herramientas prácticas para el uso por parte de los proveedores. 4

5 INDICE I. CONSIDERACIONES GENERALES Presentación Objetivos del manual Campo de aplicación... 4 II. PARTES PRINCIPALES DE UN SISTEMA TERMICO SOLAR Subsistema de Captación Solar Subsistema de Acumulación Subsistema de Circulación Subsistema de Control Subsistema Auxiliar III. CONFIGURACIONES BÁSICAS GENERALIDADES IV. CRITERIOS GENERALES DE DISEÑO REQUISITOS GENERALES FLUIDO DE TRABAJO PROTECCIÓN CONTRA CONGELAMIENTO SOBRECALENTAMIENTOS RESISTENCIA A PRESIÓN PREVENCIÓN DE FLUJO INVERSO DIMENSIONADO Y CÁLCULO DATOS DE PARTIDA DIMENSIONADO BÁSICO DISEÑO DEL SISTEMA DE CAPTACIÓN GENERALIDADES ORIENTACIÓN, INCLINACIÓN, SOMBRAS CONEXIONADO ESTRUCTURA DE SOPORTE DISEÑO DEL SISTEMA DE ACUMULACIÓN SOLAR GENERALIDADES SITUACIÓN DE LAS CONEXIONES VARIOS ACUMULADORES SISTEMA AUXILIAR EN EL TERMOTANQUE DISEÑO DEL SISTEMA DE INTERCAMBIO TÉRMICO DISEÑO DEL CIRCUITO HIDRÁULICO GENERALIDADES TUBERÍAS BOMBAS AISLAMIENTOS VALVULAS TANQUE DE EXPANSIÓN SISTEMA DE LLENADO PURGA DE AIRE DRENAJE RECOMENDACIONES ESPECÍFICAS ADICIONALES PARA SISTEMAS POR CIRCULACIÓN NATURAL RECOMENDACIONES ESPECÍFICAS ADICIONALES PARA SISTEMAS DIRECTOS DISEÑO DEL SISTEMA DE ENERGÍA AUXILIAR DISEÑO DEL SISTEMA ELÉCTRICO Y DE CONTROL DISEÑO DEL SISTEMA DE MONITORIZACIÓN EQUIPOS DE MEDIDA 40 V. CONDICIONES GENERALES DE MONTAJE GENERALIDADES MONTAJE DE ESTRUCTURA Y SOPORTE MONTAJE DEL TERMOTANQUE MONTAJE DEL INTERCAMBIADOR MONTAJE DE LA BOMBA MONTAJE DE TUBERIAS Y ACCESORIOS MONTAJE DEL AISLAMIENTO MONTAJE DE CONTADORES 45 ANEXOS. 46 ANEXO I: DEFINICIONES

6 I. CONSIDERACIONES GENERALES 1.1 Presentación El establecimiento de un Manual de Buenas Prácticas para la Instalación de Sistemas Térmicos Solares para el Sector Agropecuario, tiene el propósito de resumir y hacer entendibles las buenas prácticas emanadas de las especificaciones técnicas, para la adecuada instalación de sistemas térmicos solares en las agroindustrias de México por parte de los proveedores, que incidan en la reducción de emisiones de gas de efecto invernadero (GEI) y que de forma específica se desarrolle un instrumento que permita brindar a los potenciales beneficiarios de esta tecnología y a los técnicos de las dependencias públicas que participan en el fomento y promoción de la misma, conocer las orientaciones para instrumentar la implementación de este tipo de sistemas, y tener elementos básicos para el desarrollo de este tipo de Proyectos. El esquema para el desarrollo del Manual de Buenas Prácticas para la Instalación de Sistemas Térmicos Solares para el Sector Agropecuario, pretende ser un instrumento que permita romper con las barreras de conocimiento respecto a las bondades de este tipo de tecnologías y que pueda ser utilizado, tanto por los productores interesados, como por diferentes instancias públicas, así como los proveedores de este tipo de sistemas El Manual considera desde las condiciones específicas que el agronegocio debe tener para implementar eficientemente este tipo de proyectos hasta los diferentes componentes con que debe contar el sistema, y su adecuada instalación. 1.2 Objetivos del Manual - Promover y difundir un instrumento que permita dar a conocer las principales prácticas que se deben de considerar para el desarrollo de sistemas térmicos solares en el sector agropecuario - Orientar a los productores, técnicos y funcionarios, en relación con las principales prácticas en el desarrollo de esta tecnología, a fin de asegurar la calidad en la implementación de los proyectos - Fijar las condiciones técnicas base que deben cumplir las instalaciones térmicas solares para el calentamiento de líquido, especificando los requisitos de durabilidad, fiabilidad y seguridad. 1.3 Campo de aplicación El presente manual estará enfocado a productores del sector agropecuario con necesidades de calentamiento de agua en un rango comprendido de 27 C a 90 C para los diferentes usos en procesos productivos. También está dirigido a técnicos y funcionarios del sector público y privado para apoyar la toma de decisiones en materia de promoción y difusión de esta tecnología. Su ámbito de aplicación se extiende a todos los sistemas mecánicos, hidráulicos, eléctricos y electrónicos que forman parte de las instalaciones. En determinados supuestos para los proyectos se podrán adoptar, por la propia naturaleza del mismo o del desarrollo tecnológico, soluciones diferentes a las exigidas en este manual, siempre que su necesidad quede suficientemente justificada y que éstas no impliquen una disminución de las exigencias mínimas de calidad. 6

7 II. PARTES PRINCIPALES DE UN SISTEMA TERMICO SOLAR En un sistema térmico solar, y para propósitos de lograr una mejor comprensión del mismo, sus componentes se pueden agrupar en diferentes subsistemas, de acuerdo con la función que desempeñan: - Subsistema de Captación: Donde se transforma la radiación solar en energía térmica transferida al líquido y lo constituye básicamente el conjunto de colectores solares convenientemente formados en arreglos. - Subsistema de Acumulación: Donde se almacena la energía térmica interna producida por el sistema, y que básicamente se conoce como termotanque, y que puede comprender un intercambiador de calor. - Subsistema de distribución o circulación: Formado por las tuberías, accesorios, elementos de impulsión y aislamiento térmico adecuados, diseñados para transportar la energía térmica producida, a los elementos de acumulación y de consumo con el mínimo consumo de energía externa y evitando al máximo las pérdidas térmicas. - Subsistema de Control: Sirve para ajustar en el tiempo los aportes energéticos y los consumos de agua caliente y optimizar el funcionamiento del sistema, accionando de forma automática el elemento de impulsión (bomba recirculadora) en base a las diferencias de temperatura detectadas por los sensores térmicos que forman parte de este subsistema y que se colocan de forma conveniente dentro del sistema. Otra función importante es la de efectuar la medición de la energía generada por el sistema térmico solar y su almacenamiento en forma de datos, para su posterior consulta. - Subsistema Auxiliar: Es un elemento de apoyo a la instalación solar para complementar el aporte solar en periodos de poca radiación o exceso en el consumo. En su diseño hay que procurar que el consumo de energía primaria convencional sea la mínima posible. Comúnmente conocido como boiler o caldera. Una representación gráfica de todos los subsistemas se representa en la figura 1. Fig. 1 Subsistemas que conforman un Sistema térmico solar 7

8 A continuación se da una explicación más a detalle de cada uno de los subsistemas. 2.1 Subsistema de captación solar: Este subsistema está formado básicamente por un conjunto de colectores solares y sus elementos de fijación e interconexión. El colector solar es el elemento básico del sistema, el cual utiliza la radiación solar para calentar un fluido de trabajo (fluido térmico), que por lo general es agua, anticongelantes, aire o refrigerantes. Para los agronegocios, los que más se utilizan, se pueden clasificar de acuerdo a su construcción y temperatura de operación en 2 grandes grupos, sin ser limitativo: - Colectores Planos cubiertos, cuya temperatura de trabajo va de los 30 C a los 70 º C. - Colectores de Tubos Evacuados cuya temperatura de trabajo va de los 70 º C a los 120 º C. Las características generales que debe reunir un colector solar, para asegurar una larga vida útil, son las siguientes: - Resistentes a condiciones ambientales adversas (ambientes marinos, polvo, nieve, granizo, etc.) - Resistentes a temperaturas altas y bajas - Estable y duradero (vida útil > 15 años) - Fácil de instalar y operar - Eficiente en conversión de energía Estas características son las que se exigen en las normativas nacionales e internacionales vigentes, y que los colectores, independientemente de su tipo, deberán de cumplir para poder ser usados en agronegocios. La normativa aplicable se explicará en capítulos posteriores de este manual. Fig. 2 Arreglo de colectores planos Fig. 3 Detalle de construcción de colector plano Fig. 4 Arreglo de colectores de tubos evacuados Fig. 5 detalle de construcción de colector de tubos Evacuados, tecnología heat pipe 8

9 2.2 Subsistema de Acumulación o almacenamiento térmico. Fig. 6 termotanque azul = agua fría, rojo = agua caliente Este subsistema es más conocido como termotanque. Un termotanque es el elemento de la instalación solar térmica que permite almacenar energía térmica con las mínimas pérdidas energéticas posibles. Los más frecuentes en las instalaciones actuales suelen ser depósitos aislados térmicamente que puedan incorporar (o no) un intercambiador de calor. Los aspectos más importantes de un termotanque, son su resistencia mecánica, su durabilidad y la calidad del aislamiento. Mientras menor es el coeficiente de pérdidas (W/ C), (que depende de la naturaleza y espesor del aislamiento) mejor comportamiento tendrá. Un buen diseño de un termotanque debe permitir que se produzca la estratificación, es decir que la temperatura del agua se distribuya verticalmente. Con esto se mejora el funcionamiento del sistema, ya que el agua más caliente se sitúa en la parte más alta del termotanque y es la que va al servicio, mientras que el agua que retorna al colector es la más fría, con lo cual el colector es más eficiente. 2.3 Subsistema de Circulación o Hidráulico Tuberías Es evidente que un sistema térmico solar tiene que incorporar las correspondientes tuberías y accesorios por las que circula el fluido de trabajo. El dimensionado correcto, la elección del material y el aislamiento cuando sea necesario son aspectos claves para conseguir una buena instalación solar. En general, es bueno optimizar el trazado de las tuberías a emplear a una determinada instalación. Teniendo en cuenta que el fluido de trabajo puede alcanzar temperaturas elevadas, las tuberías del circuito primario deben ser de cobre, acero inoxidable o material plástico resistente al calor. Las uniones de las tuberías entre sí y con otros accesorios deben resistir también las temperaturas y presiones de trabajo previsibles. No olvidar los aspectos de corrosión cuando se utilicen materiales diferentes. Sin embargo, las tuberías del circuito secundario pueden ser también de cobre, acero inoxidable y de material plástico acreditado para esta aplicación Bomba de circulación Fig. 7 Tuberías que forman parte del circuito hidráulico Normalmente en las instalaciones de energía térmica solar de grandes dimensiones, se emplean bombas para impulsar el fluido de trabajo, aunque en algunos casos pueda evitarse su uso y producir el movimiento del fluido por diferencias de densidad producidas por cambios de temperatura (efecto termosifón). Por lo tanto, es un componente importante en las instalaciones. Las bombas pueden ser del tipo en línea, de rotor seco o húmedo o de bancada. El diseño debe hacer que las bombas trabajen dentro de los límites recomendados por el fabricante y preferentemente en el retorno del circuito, que es la parte más fría del sistema. En general, los materiales de la bomba serán resistentes a la corrosión y a las temperaturas del fluido y deben funcionar correctamente a la presión máxima del circuito. La 9

10 normativa tanto nacional como internacional, exige que en instalaciones grandes las bombas estén duplicadas, para evitar paradas del sistema cuando se produzca una avería en alguna de ellas Válvulas Fig. 8 Ejemplos de Bombas: en línea y centrifugas Todas las instalaciones térmicas solares requieren el uso de diferentes tipos de válvulas para cumplir funciones diversas, como las que se describen a continuación: - Válvula de corte: Permite o impide el paso del fluido de trabajo. Este tipo de válvulas son muy frecuentes y se utilizan con gran profusión en todas las instalaciones. - Válvula de seguridad: Permite limitar la presión máxima del circuito. Normalmente se taran o calibran por debajo de la presión máxima de trabajo de los componentes del circuito. - Válvula anti retorno: Impide el paso del fluido en un sentido y permite la circulación en el otro. más conocida como válvula check. - Válvula de regulación: Permite equilibrar hidráulicamente el circuito. Puede ser manual o automática. - Válvula de llenado automático: Sirve para introducir el fluido de trabajo en el circuito y mantener la presión de funcionamiento. - Válvula termostática: Permite limitar la temperatura del fluido por lo que sirve como elemento de control y seguridad frente a posibles quemaduras. - Válvula eliminadora de aire (sistema de purga): Es el dispositivo que permite la salida del aire que puede acumularse dentro de los circuitos, en forma de burbujas atrapadas dentro de la tubería o elementos del sistema. El purgador puede ser manual o automático. a b c d 10 Fig. 9 Válvulas: a) de corte, seguridad y llenado, b) Anti retorno o check c) de seguridad instalada en colector d) Eliminadora de aire (sistema de purga)

11 2.3.4 Aislamiento térmico El aislamiento térmico en los sistemas solares es fundamental, en particular en los Termotanques y en las tuberías. En la elección de los materiales aislantes a emplear hay que tener en cuenta una serie de circunstancias: - Los aislantes deberán de soportar temperaturas elevadas (de alrededor de 120 C durante mucho tiempo y de 180 C en periodos cortos). - Deben ser resistentes a los efectos de la intemperie (radiación ultravioleta, corrosión por agentes externos) y a la fauna nociva (roedores, pájaros, insectos, etc.). - Deben cumplir los requisitos de espesor e instalación de acuerdo a las especificaciones técnicas del FIRCO para Sistemas Térmicos Solares. El aislamiento no dejará zonas visibles de tuberías o accesorios, quedando únicamente al exterior los elementos que sean necesarios para el buen funcionamiento y operación de los componentes. Fig. 10 detalle del aislamiento térmico de una tubería tanque de expansión Es un dispositivo que permite absorber las variaciones de volumen y presión en un circuito cerrado producidas por las variaciones de temperatura del fluido circulante. Un error muy frecuente en el diseño de las instalaciones térmicas solares es el no considerar este dispositivo o emplear un tanque de expansión demasiado ajustado en tamaño, por lo que se recomienda su inclusión y su dimensionamiento con un margen de protección. Tanques de expansión de hasta 35 litros pueden ser conectados directamente en la tubería correspondiente. Cuando se trate de tamaños mayores, el tanque viene provisto de patas de apoyo con lo cual normalmente se conectará a la red por la parte superior del tanque. Fig. 11 Tipos de tanques de expansión 2.4 Subsistema de Control. En un sistema térmico solar, es necesario ajustar en el tiempo el consumo, la captación solar, la acumulación y el aporte auxiliar. De aquí la necesidad de que las instalaciones térmicas solares incluyan un subsistema de control. 11

12 2.4.1 Sistema de control - termosifón Del lado de la captación y la acumulación, el sistema termosifónico supone por sí mismo un buen instrumento de control ya que no se necesita ningún dispositivo especial. Como se indica en la figura 12, la circulación natural como consecuencia de la variación de temperatura del fluido de trabajo supone un buen procedimiento de captación y acumulación controlado por la intensidad de la radiación solar incidente. En aquellos lugares donde haya riesgo de congelamiento la circulación por termosifón no impide usar un sistema de control de este tipo. Basta con utilizar mezclas anticongelantes en el primario de una instalación con circuito indirecto, o adicionar una válvula anticongelante en caso de usar un circuito directo. Fig. 12 Control por termosifón Sistema de control - circulación forzada Cuando el sistema es de circulación forzada es imprescindible un sistema de control basado en la medida de las temperaturas del fluido de trabajo en la salida de los colectores y en la parte baja del termotanque. Hay que prestar atención a la colocación correcta y a la medición precisa de temperatura de los sensores de control. El aparato de control debe incorporar una pantalla en la cual se puedan leer los valores más significativos del funcionamiento de la instalación. En cualquier caso, es interesante conocer la temperatura del fluido disponible para consumo. Hay aparatos de control que informan de defectos de funcionamiento de la instalación. Es especialmente importante que se disponga de la documentación técnica del sistema de control de forma permanente. Fig. 13 Control en sistemas de circulación forzada En una instalación con circulación forzada se acciona la bomba de circulación cuando la diferencia de temperaturas entre la parte baja del termotanque y la parte más caliente de los colectores solares es 12

13 superior a un cierto valor, y se para la bomba cuando esta diferencia de temperatura baja a otro valor inferior. En caso de no contar con la suficiente experiencia se recomienda dejar el control con los parámetros de fábrica. Tómese en cuenta que las medidas que accionan el control pueden no ser perfectas y dar lugar a funcionamientos inadecuados. Por ello debe asegurarse bien una instalación adecuada de los sensores y un funcionamiento correcto del subconjunto. A este tipo de control se le conoce comúnmente como control diferencial. Fig. 14 Principio de funcionamiento del control diferencial Sensores de temperatura Para poder registrar o conocer las distintas temperaturas del fluido de trabajo, se emplean los sensores correspondientes. Existen diferentes tipos de sensores: de resistencia de platino (Pt100, Pt1000) o termistores (de semiconductor NTC o PTC). Un aspecto fundamental para una buena medida de la temperatura es la correcta colocación del sensor, es decir que la temperatura que marca el dispositivo de medida sea lo más próxima posible a la temperatura del fluido que pretendemos medir. Para conseguirlo, es mejor emplear una sonda de inmersión que una de contacto y, en este último caso, asegurarse de un buen contacto térmico y el correspondiente aislamiento. Es evidente que hay que asegurarse que el sensor elegido sea el adecuado (rangos de temperaturas, precisión de la medida, estabilidad y durabilidad). Fig. 15 Sensores de inmersión y de contacto Otros componentes de medición y control En ocasiones resulta conveniente medir otras variables de las instalaciones solares: Caudal: Se emplean Caudalímetros que se deben colocar en la zona de menor temperatura del circuito. Adicionalmente se puede incorporar a la medida de caudal, la medición de temperatura, con lo cual podemos obtener la entalpía del fluido (vulgarmente conocido como contador de calor). Presión: Se emplean manómetros absolutos o relativos que permiten conocer las pérdidas de carga o visualizar la presión absoluta de un circuito. 13

14 Filtros: es interesante incluir filtros en algunas instalaciones en las que puedan introducirse elementos extraños al fluido de trabajo que perjudiquen el buen funcionamiento de algunos elementos Fig. 16 caudalímetro, manómetro y filtro 2.5 Subsistema Auxiliar Un sistema térmico solar es un sistema que convierte la energía del sol en energía térmica transferida a un fluido de trabajo, aplicado a los agronegocios. Sin embargo, como sabemos, el recurso solar no siempre está disponible debido a las condiciones climáticas que prevalezcan en el lugar, limitando dicho recurso solar y haciendo el servicio intermitente, debido a nublados que se pudieran presentar en varios días consecutivos, o por fenómenos atmosféricos extraordinarios, como tormentas tropicales o huracanes. Por lo anterior, para garantizar siempre la cantidad de agua caliente a la temperatura requerida, se recomienda instalar un sistema de calentamiento de respaldo, el cual apoyará al sistema térmico solar en caso de las eventualidades explicadas anteriormente. Este sistema de calentamiento de apoyo, deberá estar dimensionado de tal manera que sea capaz de suministrar la demanda completa del proceso para el caso de una indisponibilidad completa del sistema solar térmico, por ejemplo por una falla, mantenimiento o condiciones climáticas desfavorables. El sistema de respaldo puede ser convencional, pudiendo ser calentadores eléctricos, o bien que utilicen gas LP, diesel u otros combustibles, y se conocen como boilers o calderas (ver fig. 17). Como se indica en la figura 17 el subsistema auxiliar debe colocarse en serie con el consumo, ya que si se sitúa dentro del termotanque (o en paralelo con él) perjudica de manera importante el rendimiento total del sistema. En sistemas pequeños, si el sistema auxiliar en línea no es modulante, hay que hacer la conexión mediante un by pass de acuerdo a la figura 17. Fig. 17 Subsistema auxiliar con by pass caldera de respaldo Boiler de respaldo 14

15 III. CONFIGURACIONES BÁSICAS DE SISTEMAS TERMICOS SOLARES 3.1 Generalidades Para efectos de definir los requisitos mínimos de los sistemas térmicos solares aplicados a los agronegocios, se consideran las siguientes clases de sistemas: a) Sistemas solares de calentamiento compactos o prefabricados: Son lotes de productos con una marca registrada, los que son vendidos como equipos completos y listos para instalar, con configuraciones fijas. Los sistemas de esta categoría se consideran como un solo producto de un modelo definido. Si un sistema es modificado, ya sea cambiando su configuración, o variando uno o más de sus componentes, éste será considerado como un nuevo sistema. Hay varios tipos de productos dentro de esta categoría: - Sistemas con Colector termotanque integrados. - Sistemas por termosifón. - Sistemas por circulación forzada como lote de productos con configuración fija Fig. 18 Sistemas solares compactos o prefabricados b) Sistemas solares de calentamiento a medida o por elementos: Son aquellos sistemas construidos de forma única, o montados con partes elegidas de una lista de componentes y como resultado de un dimensionamiento. Los sistemas de esta categoría son considerados como un conjunto de componentes conformado en subsistemas (ver capitulo anterior). Los sistemas solares de calentamiento a medida se subdividen a su vez en dos categorías: i. Sistemas grandes a medida: En general, son diseñados por ingenieros, proyectistas y fabricantes para un proyecto en específico, que requiere satisfacer una demanda específica en cuanto a cantidad y nivel de temperatura a emplear. ii. Sistemas pequeños a medida: Son ofrecidos por una compañía y descritos en un archivo de clasificación, en el cual se especifican todos los componentes y posibles configuraciones de los sistemas fabricados por la compañía. Cada una de estas combinaciones se considera como un solo sistema a medida. 15

16 Fig. 19 Sistema grande a medida para Agronegocio en Yucatán Como referencia se puede consultar la Tabla 1, en donde se exponen algunas diferencias entre estas definiciones. Tabla 1: División de sistemas solares de calentamiento prefabricados y a medida Sistemas Solares Prefabricados 1 Sistemas Solares a Medida 2 Sistemas por termosifón 3 para agua caliente Sistemas montados de circulación forzada 4 o sanitaria termosifón, usando componentes y configuraciones descritos en un archivo de clasificación (principalmente sistemas pequeños) Sistemas de circulación forzada como lote de productos con configuración fija, para agua caliente sanitaria Sistemas con colector termotanque integrados (es decir, en un mismo aparato), para agua caliente sanitaria. Sistemas únicos en el diseño y montaje, (principalmente sistemas grandes). 1 También denominados equipos domésticos o equipos compactos. 2 También denominados instalaciones diseñadas por elementos. 3 Termosifón es un circuito con canalizaciones o conductos por los cuales circula un líquido, sin ser impulsado ni aspirado por bombas, simplemente en razón de las variaciones de densidad que experimenta al calentarse en una parte del mismo y enfriarse en otra. 4 Los sistemas de circulación forzada son aquellos que requieren de una bomba de circulación para transferir la energía de los colectores al, o los Termotanques. 3.2 CLASIFICACIONES BÁSICAS En consideración con los diferentes objetivos atendidos por este manual, se aplicarán los siguientes criterios de clasificación: a) Por el principio de circulación se clasificarán en: - Instalaciones por termosifón o circulación natural, en la que el fluido de trabajo circula por convección natural. - Instalaciones por circulación forzada, equipada con dispositivos (bombas) que provocan la circulación forzada del fluido de trabajo. 16

17 Fig. 20 Clasificación por el principio de circulación b) Por el tipo de circuito: - Sistema directo (abierto). Son aquellos en las que el fluido de trabajo se calienta directamente en los colectores solares y el circuito que sigue el fluido de trabajo es abierto, es decir, el fluido que circula por los colectores es el mismo que va al consumo. - Sistema indirecto (cerrado). Son aquellas en las que el fluido que se calienta en los colectores solares no es el mismo que el que va al consumo. Es decir, el agua de consumo se calienta indirectamente a partir del fluido de trabajo que circula por el circuito primario de la instalación. En particular hay un circuito primario cerrado sin comunicación con el circuito secundario o de consumo, con el que sólo intercambia energía térmica. Fig. 21 Clasificación por el tipo de circuito d) Por el sistema de aporte de energía auxiliar: En la Figura 22, se observan las diferentes configuraciones de instalaciones recomendadas según el tipo de clasificación, considerando las más usuales. Siempre pueden existir combinaciones de éstas e incluso otras. El empleo de configuraciones diferentes a las que aquí se recomiendan debe dar lugar a prestaciones o ganancias solares similares o mejores a las obtenidas por éstas. 17

18 Figura 22 IV. CRITERIOS GENERALES DE DISEÑO Y CONSTRUCCION 4.1 Requisitos generales Los materiales de la instalación deben soportar las máximas temperaturas y presiones que puedan alcanzarse. Todos los componentes y materiales cumplirán lo dispuesto en las normas de Aparatos a Presión, que les sea de aplicación. Cuando sea imprescindible utilizar en el mismo circuito, materiales 18

19 diferentes, especialmente cobre y acero, en ningún caso estarán en contacto, siendo necesario situar entre ambos juntas o acoplamientos dieléctricos. En todos los casos es aconsejable prever la protección catódica del acero. Los materiales situados a la intemperie se protegerán contra los agentes ambientales, en particular contra el efecto de la radiación solar y la humedad. Para procesos intensivos en agronegocios, el diseño, cálculo, montaje y características de los materiales, deberán cumplir los requisitos establecidos por el proceso. Se debe tener particular precaución en la protección de equipos y materiales que puedan estar expuestos a agentes exteriores especialmente agresivos, producidos por procesos cercanos. Antes de entrar de lleno a definir los pasos necesarios a seguir para un buen dimensionamiento y diseño del sistema, es necesario enumerar los requisitos generales de seguridad que toda persona que vaya a dimensionar un sistema térmico solar, debe tener siempre en cuenta para asegurar un diseño de calidad, y libre de riesgos. Dichos requisitos vienen señalados en los siguientes 6 apartados de este capítulo Fluido de trabajo Como fluido de trabajo en el circuito primario se utilizará agua de la red, agua desmineralizada o con aditivos, según las características climatológicas del lugar y del agua utilizada. Los aditivos más usuales son los anticongelantes, aunque en ocasiones se puedan utilizar anticorrosivos. La utilización de otros fluidos térmicos requerirá incluir su composición y calor específico en la documentación del sistema y la certificación favorable de un laboratorio acreditado. En cualquier caso, el ph (Indicador de la acidez de una sustancia) a 20 C del fluido de trabajo, estará comprendido entre 5 y 9, y el contenido en sales (dureza del agua) se ajustará a los señalados en los puntos siguientes: a) La salinidad del agua del circuito primario no excederá los 500 mg/l totales de sales solubles. b) El contenido en sales de calcio no excederá los 200 mg/l, expresados como contenido en carbonato cálcico. c) El límite de dióxido de carbono libre contenido en el agua no excederá los 50 mg/l. Fuera de estos valores, el agua deberá ser tratada. El diseño de los circuitos evitará cualquier tipo de mezcla de los distintos fluidos que pueden operar en la instalación. En particular, se debe prestar especial atención a una eventual contaminación del agua potable por el fluido del circuito primario. Para aplicaciones en procesos industriales, las características del agua exigidas por dicho proceso no sufrirán ningún tipo de modificación que pueda afectar al mismo Protección contra congelamiento El fabricante, proveedor final, instalador o diseñador del sistema, deberá fijar la mínima temperatura permitida en éste. Todas las partes del sistema que estén expuestas al exterior deberán ser capaces de soportar la temperatura especificada sin daños permanentes en él. Cualquier componente que vaya a ser instalado en un recinto donde la temperatura pueda caer por debajo de los O C, deberá estar protegido contra congelamiento. El fabricante deberá describir el método de protección anti-congelamiento usado por el sistema. Para efectos de este manual, podrán utilizarse los siguientes métodos como sistemas de protección anti-congelamiento: Efectos indeseables por el frío 19

20 a) Mezclas Anticongelantes en el circuito primario b) Recirculación de agua de los circuitos c) Drenaje automático con recuperación de fluido d) Drenaje al exterior (sólo para sistemas prefabricados y que no excedan la cantidad de 3 sistemas) Mezclas anticongelantes Como anticongelantes podrán utilizarse los productos, solos o mezclados con agua, que cumplan la reglamentación vigente y cuyo punto de congelación sea inferior a 0 C, o que deberá estar acorde con las condiciones climáticas del lugar. En todo caso, su calor específico no será inferior a 3 kj/(kgºk), equivalentes a 0,7 kcal/(kg C). Se deberán tomar precauciones para prevenir posibles deterioros del fluido anticongelante, como resultado de condiciones de altas temperatura. La instalación dispondrá de los sistemas necesarios para facilitar el llenado de la misma y para asegurar que el anticongelante esté perfectamente mezclado. Es conveniente que se disponga de un depósito auxiliar para reponer las pérdidas de fluido que se puedan dar en el circuito, de forma que nunca se utilice para la reposición un fluido cuyas características no cumplan lo estipulado en este manual. Este último punto será de carácter obligatorio en los casos en que exista riesgo de congelamiento y cuando el agua deba ser tratada. En cualquier caso, el sistema de llenado no permitirá que las pérdidas de concentración producidas por fugas del circuito sean resueltas con reposición de agua de red. Fig. 23 Características del líquido anticongelante. Ejemplo mezcla de agua - glicol Recirculación del agua del circuito Este método de protección anti-congelamiento asegurará que el fluido de trabajo esté en movimiento cuando exista riesgo a helarse. Cuando la temperatura detectada, preferentemente en la entrada de colectores (o salida, o aire ambiente circundante), alcance un cierto valor cercano al de congelación del agua (como mínimo 3 C superior para mayor seguridad), el sistema de control actuará activando la circulación del circuito primario. Este sistema es adecuado para zonas climáticas con períodos de baja temperatura de corta duración. Se evitará, siempre que sea posible, la circulación de agua en el circuito secundario, debido a que supone grandes pérdidas energéticas Drenaje automático con recuperación del fluido Cuando hay riesgo de congelamiento, el fluido en los componentes del sistema que está expuesto a baja temperatura ambiente, es drenado a un depósito para su posterior uso. La inclinación de las tuberías horizontales debe estar en concordancia con las recomendaciones del fabricante en el manual del instalador y ésta será de al menos 20 mm. /m, para así evitar estancamientos y posibles congelamientos. El sistema de control activará la electroválvula de drenaje, cuando la temperatura detectada en colectores alcance un cierto valor cercano al de congelación del agua (como mínimo 3 C superior para una mayor seguridad). El vaciado del circuito se realizará en un tanque auxiliar de almacenamiento, debiéndose 20

21 prever un sistema de llenado de colectores para recuperar el fluido. El sistema requiere utilizar un intercambiador de calor entre los colectores y el acumulador, para mantener en éste la presión de suministro de agua caliente Sistemas de drenaje al exterior (sólo para sistemas solares prefabricados) El fluido en los componentes del sistema que está expuesto a baja temperatura ambiente, es drenado al exterior cuando existe peligro de congelamiento. La inclinación de las tuberías horizontales debe estar en concordancia con las recomendaciones del fabricante en el manual de instalación y cuya pendiente será de 1 en el sentido de la circulación del fluido. Este sistema no está permitido en los sistemas solares a medida Sobrecalentamientos Protección contra sobrecalentamientos El sistema deberá estar diseñado de tal forma que con altas radiaciones solares prolongadas sin consumo de agua caliente, no se produzcan situaciones en las cuales el usuario tenga que realizar alguna acción especial para que el sistema retome su forma normal de operación. Cuando el sistema disponga de la posibilidad de drenajes, como protección ante sobrecalentamientos, la construcción deberá realizarse de tal forma que el agua caliente o vapor del drenaje no supongan ningún peligro para los habitantes y no se produzcan daños en el sistema, ni en ningún otro material en el edificio o vivienda. Cuando las aguas sean duras (con un contenido en sales de calcio mayores a 200 mg/l), se realizarán las previsiones necesarias para que la temperatura de trabajo de cualquier punto del circuito de consumo no sea superior a 60 C, En cualquier caso, se dispondrán los medios necesarios para facilitar la limpieza de los circuitos. En cuanto a la selección de materiales, existen variadas alternativas que responden satisfactoriamente a estas condiciones operacionales. Su elección va a depender principalmente si la aplicación se refiere al circuito primario o secundario. Dado que normalmente el circuito primario utiliza fluido caloportador, existe mayor libertad en cuanto a la selección de materiales. Uno de los materiales más adecuados para aplicaciones en circuitos secundarios es el cobre Protección contra quemaduras En sistemas de agua caliente sanitaria donde la temperatura de agua caliente en los puntos de consumo pueda exceder los 60 C, se deberá instalar un sistema automático de mezcla u otro que limite la temperatura de suministro a 60 C aunque en la parte solar pueda alcanzar una temperatura superior para sufragar las pérdidas. Este sistema deberá ser capaz de soportar la máxima temperatura posible de extracción del sistema solar Protección de materiales y componentes contra altas temperaturas El sistema deberá ser diseñado de tal forma que la temperatura máxima alcanzada por el sistema sea siempre inferior a la permitida por los materiales y componentes Resistencia a la presión Se deberán cumplir los requisitos de la norma mexicana NOM-020-STPS-2002, Recipientes sujetos a presión y calderas Funcionamiento -Condiciones de seguridad. En caso de sistemas de consumo abiertos con conexión a la red, se tendrá en cuenta la máxima presión de la misma para verificar que todos los componentes del circuito de consumo soportan dicha presión Prevención de flujo inverso La instalación del sistema deberá asegurar que no se produzcan pérdidas energéticas relevantes, debidas a flujos inversos no intencionados, en ningún circuito hidráulico del sistema. La circulación 21

22 natural que produce el flujo inverso se puede favorecer cuando el acumulador se encuentra por debajo del colector, por lo que en esos casos habrá que tomar las precauciones oportunas para evitarlo. En sistemas con circulación forzada, se aconseja utilizar una válvula anti-retomo para evitar flujos inversos. 4.2 Dimensionado y cálculo Datos de partida Los datos de partida necesarios para el dimensionado y cálculo de la instalación están constituidos por dos grupos de parámetros, que definen las condiciones de uso y climáticas Condiciones de uso Las condiciones de uso vienen dadas por la demanda energética asociada a la instalación, según los diferentes tipos de consumo: Para aplicaciones de agua caliente sanitaria, la demanda energética se determina en función del consumo de agua caliente. Para aplicaciones en procesos agropecuarios intensivos, se deberá tener en cuenta la demanda energética y potencia necesaria, realizándose un estudio específico y detallado de las necesidades, definiendo claramente si es un proceso discreto o continuo, y el tiempo de duración del mismo. Para instalaciones combinadas, se realizará la suma de las demandas energéticas sobre base diaria o mensual, aplicando factores de simultaneidad si es necesario Condiciones climáticas Las condiciones climáticas vienen dadas por los siguientes factores: - la radiación global total en el campo de colectores, - la temperatura ambiente diaria - la temperatura del agua de la red. Para objeto de este manual podrán utilizarse datos de radiación y temperatura de entidades de reconocido prestigio nacional. A falta de otros datos, se recomienda usar las tablas de radiación publicados por el Observatorio Meteorológico Nacional, o por el Instituto de Geofísica de la UNAM. Los datos de temperatura ambiental se pueden obtener del Instituto Nacional de Estadística Geografía e Informática (INEGI) Dimensionado básico El dimensionado básico de una instalación, cualquiera que sea su aplicación, deberá realizarse de modo que durante ningún mes del año la energía producida supere el 110% de la demanda de consumo, ni el 100% en no más de tres meses seguidos. Para estos efectos, y para instalaciones de un marcado carácter estacional, no se tomarán en consideración aquellos períodos de tiempo en los cuales la demanda se sitúe un 50% debajo de la media correspondiente al resto del año. En caso de no aplicarse esta restricción, se debe indicar el sistema utilizado para la disipación del exceso de energía producida. En el caso de que se dé la situación de estacionalidad en los consumos indicados anteriormente, deberán tomarse las siguientes medidas de protección de la instalación: Vaciado parcial del campo de colectores. Esta solución permite evitar el sobrecalentamiento, pero dada la pérdida de parte del fluido del circuito primario, si éste es un anticongelante, deberá ser repuesto por un fluido de características similares, debiendo incluirse este trabajo entre las labores del contrato de mantenimiento. Tapado parcial del campo de colectores. En este caso, el colector está aislado del calentamiento producido por la radiación solar y a su vez, evacua los posibles excedentes térmicos residuales a través del fluido del circuito primario (que sigue atravesando el colector). 22

23 Desvío de los excedentes energéticos a otras aplicaciones existentes o redimensionar la instalación con una disminución del número de colectores. El rendimiento de la instalación se refiere a la producción de la energía solar térmica necesaria para el sistema térmico solar. Para este caso, se definen los conceptos de fracción solar y rendimiento medio estacional o anual de la siguiente forma: a) Fracción solar f = E s / D b) Eficiencia del sistema η Sys = E s / (S * I col ) Donde: I col = Σ I glob * Δt c) Coeficiente de rendimiento β Sys = E s / P el Donde: E s [kwh] D [kwh] S [m²] I col [kwh/m²] de área. I glob [W/m²] P el [kwh] Energía térmica suministrada por el sistema solar. Demanda Energética o Carga térmica. Superficie Colectora o Área de apertura de los colectores. Irradiación solar que incide sobre una cierta superficie durante cierto tiempo y por unidad Irradiación solar recibida por un objeto por unidad de tiempo y por unidad de superficie. Energía parásita. El concepto de energía solar suministrada (Es), se refiere a la energía demandada que realmente es satisfecha por la instalación de energía solar. Esto significa que para su cálculo nunca podrá considerarse más de un 100% de aporte solar en un determinado periodo (día, mes o año). Para el cálculo del dimensionado de instalaciones a medida, podrá utilizarse cualquiera de los programas informáticos de dimensionamiento comerciales de uso aceptado y mencionados en la especificación técnica de sistemas térmicos solares del Firco. Fig. 24 Ejemplo de un programa de dimensionamiento y simulación El programa informático de dimensionamiento especificará, al menos sobre base mensual, los valores medios diarios de la demanda de energía y del aporte solar. Asimismo, el programa informático de dimensionamiento incluirá las prestaciones globales mensuales y anuales definidas por: La demanda de energía térmica La energía solar térmica aportada La fracción solar media anual El rendimiento medio anual 23

24 La selección de sistemas solares prefabricados se realizará a partir de los resultados de las pruebas de certificación del sistema, obtenidas por medio de un organismo certificador, como se menciona en la especificación técnica del Firco. Independientemente de lo especificado en los párrafos anteriores, en caso de agua caliente sanitaria, hay que tener en cuenta que el sistema solar se debe diseñar y calcular en función de la energía que aporta a lo largo del día, no de la potencia de los colectores solares. Por tanto, se debe prever una acumulación acorde con la demanda y el aporte, al no ser ésta simultánea con la generación. Para esta aplicación, el área total de los colectores tendrá un valor tal que cumpla la condición: V 50 < --- < 180 A Donde A será el área total de los colectores expresada en m 2 y V, el volumen del depósito de acumulación solar expresado en litros, cuyo valor recomendado es aproximadamente la carga de consumo diaria M: V= M Además, para instalaciones con fracciones solares bajas (definidas más arriba en este mismo punto), se deberá considerar el uso de relaciones V/A pequeñas y para instalaciones con fracciones solares elevadas, habrá que aumentar dicha relación. 4.3 Diseño del sistema de captación (Campo de colectores solares) Generalidades Los colectores planos con cubierta, de tubos evacuados o de tubos de calor, deberán ser nuevos y estar certificados por algún organismo de certificación nacional o internacional ampliamente reconocido, cuyo logotipo estará impreso en la placa de identificación. Además, deberá existir rastreabilidad con el número de certificado otorgado así como las curvas de rendimiento obtenidas por el citado laboratorio, y el organismo certificador. No se aceptan certificados que vengan en otro idioma distinto al español o al inglés. Sin exclusiones de selección de materiales, se destaca el uso del cobre en la fabricación de los absorbedores para colectores solares, principalmente dada su alta conductividad térmica. La pérdida de carga del colector para un caudal de 1 litro/minuto por m2 será inferior a 1 m c.a. El colector, si este es de placa plana llevará, preferentemente, un orificio de ventilación, de diámetro no inferior a 4 mm., situado en la parte inferior, de forma que puedan eliminarse acumulaciones de agua en el colector. El orificio debe realizarse de manera que el agua pueda drenarse totalmente sin afectar al aislamiento. Cuando se utilicen colectores con absorbedores de aluminio, obligatoriamente se debe usar fluidos de trabajo con un tratamiento inhibidor de los iones de cobre y hierro. En general, dentro de los sistemas térmicos solares, se presentan perdidas de calor en particular en los colectores, debido al proceso de transformación de energía solar a energía térmica. En este sentido y dependiendo de los usos del agua caliente, existen 2 rangos que definirán que tan grandes pueden ser dichas pérdidas. Tomando en cuenta el coeficiente global de pérdidas de los colectores solares, se considerarán dos grupos, dependiendo del rango de temperatura de trabajo: Sistemas solares prefabricados1 Sistemas solares a medida2 Las instalaciones destinadas exclusivamente a producir agua caliente sanitaria, precalentamiento de agua de procesos agropecuarios intensivos, podrán emplear colectores cuyo coeficiente global de pérdidas esté comprendido entre 9 W/(m2 C) y 4,5 W/(m2 C). En particular, para colectores con cubierta, se exigirá un factor de pérdidas menor a 7 [W/(m2C)]. En ambos grupos, el rendimiento medio anual de la instalación deberá ser mayor al 40%. 24

25 4.3.2 Orientación, inclinación, sombras La orientación e inclinación del sistema de captación y las posibles sombras sobre el mismo, serán tales que las pérdidas respecto al óptimo sean inferiores a los límites de la tabla 2. Se considerarán dos casos: General y superposición de colectores, según se define más adelante. En todos los casos se deben cumplir tres condiciones: Pérdidas por orientación e inclinación, pérdidas por sombreado y pérdidas totales inferiores a los límites estipulados respecto a los valores óptimos. Tabla 2 Orientación e Sombra Total inclinación (OI) (S) (OI+S) General 10 % 5 % 15 % Superposición 15 % 15 % 30 % Se considera la dirección sur como orientación óptima y para la inclinación óptima β opt, se elige uno de los valores siguientes, dependiendo del período de utilización: Consumo constante anual: β opt = Latitud Geográfica Consumo preferente en invierno: β opt = Latitud Geográfica + 10º Consumo preferente en verano: β opt = Latitud Geográfica - 10º Se debe evaluar la disminución de prestaciones que se origina al modificar la orientación e inclinación de la superficie de captación, no aceptándose en este concepto la disposición horizontal del colector. Una regla fundamental para conseguir la superposición de las instalaciones solares es la de mantener, dentro de lo posible, la alineación con los ejes principales de la edificación. Para situar una instalación solar correctamente, es necesario conocer los ángulos más importantes de posición del sol y de los colectores: Fig. 25 Ángulos significativos del colector solar: inclinación (β) y Azimut (ψ) Definiciones: Ángulo de inclinación, β, definido como el ángulo que forma la superficie de los colectores con el plano horizontal (ver Figura 26). Su valor es 0 para colectores horizontales y 90 para verticales. Ángulo de azimut, ψ, definido como el ángulo entre la proyección sobre el plano horizontal de la normal a la superficie del colector y el meridiano del lugar (ver Figura 27). Valores típicos son 0 para colectores orientados al sur, +90 para colectores orientados al este y -90 para colectores orientados al oeste. 25

26 Figura 26 Angulo de Inclinación Ψ Figura 27 Angulo de Azimut Se deberá de efectuar un estudio de perfil de obstáculos, para determinar si la instalación solar sufrirá un sombreado, y definir si este impactará o no al rendimiento de la instalación, tomando en cuenta la trayectoria en la bóveda celeste que el sol sigue a lo largo del año, y la obstrucción que puedan tener los rayos solares con respecto a posibles obstáculos que se pudieran superponer durante su recorrido (árboles, edificios, torres, cerros, etc) Fig. 28 Diagrama de altura solar con perfil de obstáculos También se deberán de tomar en cuenta las posibles sombras que pudieran efectuarse entre las filas de los colectores de la instalación, por lo que se deberán de calcular las distancias entre filas. Para evitar que las filas precedentes proyecten una sombra excesiva, se deberá de efectuar el siguiente procedimiento: La separación entre líneas de colectores se establece de tal forma que al mediodía solar del día más desfavorable (altura solar mínima) del periodo de utilización, la sombra de la arista superior de una fila de colectores ha de proyectarse, como máximo, sobre la arista inferior de la fila siguiente. En equipos ue se utilicen todo el año o en invierno, el día más desfavorable corresponde al 21 de diciembre (con 26

27 respecto al hemisferio norte). En este día la altura solar es mínima, y al mediodía solar tiene el valor siguiente: h 0 = (90 Latitud del lugar) 23.5 En la figura 2 vemos que la distancia mínima, d, entre filas de colectores es: d= d 1 + d 2 = z/tanh 0 + z/tan α = lsen α/tanh 0 + lsen α/tan α Por lo tanto, la formula de la distancia mínima entre hileras de colectores queda así: RAYO d= l(sen α/tanh 0 + cos α) z l h 0 d1 d2 α Fig. 29 Distancia entre filas de colectores Conexionado Los colectores se dispondrán en filas constituidas preferentemente por el mismo número de elementos. Las filas de colectores se pueden conectar entre sí en paralelo, en serie o en serie-paralelo. Se debe instalar válvulas de cierre en la entrada y salida de las distintas baterías de colectores y entre las bombas, de manera que puedan utilizarse para aislamiento de estos componentes en labores de mantenimiento, sustitución, entre otros. Dentro de cada fila, los colectores se conectarán en serie o en paralelo. El número de colectores que se pueden conectar en paralelo tendrá en cuenta las limitaciones del fabricante. El número de colectores conexionados en serie no será superior a cinco para evitar bajos rendimientos. Se dispondrá de un sistema para asegurar igual recorrido hidráulico en todas las baterías de colectores. En general, se debe alcanzar un flujo equilibrado mediante el sistema de retorno invertido. Si esto no es posible, se puede controlar el flujo mediante válvulas de equilibrado. Se deberá prestar especial atención en la estanquidad y durabilidad de las conexiones del colector. Figura 30. Conexión de colectores: a) En serie; b) En paralelo; c) En serie-paralelo. 27

28 4.3.4 Estructura de soporte Si el sistema posee una estructura soporte que es montada normalmente en el exterior, el fabricante deberá diseñar dicha estructura para soportar ráfagas de viento de acuerdo a los reglamentos de construcción de la localidad, en caso de no existir dichos reglamentos, se considerará una velocidad de diseño igual al récord máximo reportado para la localidad de acuerdo al Servicio Meteorológico Nacional (SMN), no siendo en ningún caso inferior a m/s (100 km/h). El diseño y la construcción de la estructura y el sistema de fijación de colectores, permitirá las necesarias dilataciones térmicas, sin transmitir cargas que puedan afectar a la integridad de los colectores o al circuito hidráulico. Los puntos de sujeción del colector serán suficientes en número, teniendo el área de apoyo y posición relativa adecuada, de forma que no se produzcan flexiones en el colector superiores a las permitidas por el fabricante. Los topes de sujeción de los colectores y la propia estructura no darán sombra sobre estos últimos. Los criterios de construcción así como los materiales empleados en la elaboración de la estructura, deberán cumplir con los lineamientos establecidos en la especificación técnica de sistemas térmicos solares del Firco. 4.4 Diseño del sistema de acumulación térmica solar (Termotanque) Generalidades Los termotanques para agua caliente sanitaria y las partes de termotanques combinados que estén en contacto con agua potable, deberán cumplir los requisitos establecidos en la especificación técnica de sistemas térmicos solares del Firco y con la norma NOM-020-STPS-2002, Recipientes sujetos a presión y calderas Funcionamiento Condiciones de seguridad. Preferentemente, los termotanques serán de configuración vertical y se ubicarán en zonas interiores. Los termotanques se clasifican según 3 criterios fundamentales: Posición vertical u horizontal. Sin intercambiador o con intercambiador de calor incorporado, siendo de serpentín o de doble envolvente. Por el tipo de material empleado Fig. 31 Clasificación de termotanques En caso de que el termotanque esté directamente conectado con la red de distribución de agua caliente sanitaria, deberá ubicarse un termómetro en un sitio claramente visible por el usuario. Aun cuando los termotanques solares tengan el intercambiador de calor incorporado, se cumplirán los requisitos establecidos para el diseño del sistema de intercambio en el apartado correspondiente de este manual. 28

29 Los termotanques de los sistemas grandes a medida, con un volumen mayor de 20 m3, deberán llevar válvulas de corte u otros sistemas adecuados para cortar flujos al exterior del depósito no intencionados en caso de daños del sistema. Cuando el intercambiador esté incorporado al acumulador, la placa de identificación indicará además, los siguientes datos: Superficie de intercambio térmico en m2 Presión máxima de trabajo del circuito primario Cada termotanque vendrá equipado de fábrica con los necesarios empalmes o manguitos de acoplamiento, soldados antes del tratamiento de protección, para las siguientes funciones: Empalmes roscados para la entrada de agua fría y la salida de agua caliente. Registro embridado para inspección del interior del termotanque y eventual acoplamiento del serpentín. Empalmes roscados para la entrada y salida del fluido primario. Empalmes roscados para accesorios como termómetro y termostato. Empalmes para el vaciado. Los termotanques vendrán equipados de fábrica con las bocas necesarias, soldadas antes de efectuar el tratamiento de protección interior. El termotanque estará enteramente recubierto con material aislante y es recomendable disponer una protección mecánica en chapa pintada al horno, o lámina de material plástico. Todos los termotanques irán equipados con la protección catódica establecida por el fabricante para garantizar la durabilidad del mismo. Todos los termotanques se protegerán, como mínimo, con lo indicado en el reglamento de aparatos a presión correspondiente. Para objeto de este manual, podrán utilizarse termotanques con las características y tratamiento descritos a continuación: Termotanques de acero vitrificado Termotanques de acero con tratamiento epóxíco. Termotanques de acero inoxidable Situación de las conexiones Con objeto de aprovechar al máximo la energía captada y evitar la pérdida de la estratificación de temperatura en los depósitos (ver figura 32), la situación de las tomas para las diferentes conexiones serán las establecidas en los siguientes puntos: Conexión con el circuito primario: - Conexión directa: La alimentación del agua caliente se ubicará entre el 90% al 100% de la altura en la parte superior del tanque y la toma del agua fría se ubicará en la parte inferior entre el 5% y 10% de la altura del tanque. - Conexión indirecta mediante un intercambiador térmico: La alimentación del agua caliente estará entre el 10 % y el 50 % de la altura en la parte superior y la toma del agua fría estará ubicada en la parte inferior entre el 5% y el 10% de la altura del tanque. Conexión con el circuito secundario: - Conexión directa: La toma del agua caliente se ubicará entre el 90% al 100% de la altura del termotanque, siendo la conexión más alta; y la alimentación con agua fría se realiza en el parte inferior. 29

30 - Conexión indirecta (vía intercambiador): La toma de agua caliente se realizará entre el 90% al 100% y la alimentación con agua fría entre el 50% al 75% de la altura en la parte superior. - Con el propósito de evitar la pérdida de la estratificación de temperatura, se deberá asegurar que el regreso de agua caliente proveniente de los colectores solares ingrese al termotanque en un punto localizado entre el 50% y 75% de la altura del tanque de almacenamiento, o bien incorporar difusores interiores en el termotanque. Con el propósito de afectar al mínimo la estratificación de temperaturas, los Termotanques deben tener difusores en la entrada del agua fría de alimentación y deberán estar colocados en la parte inferior del termotanque. Un diseño delgado y cilíndrico del termotanque favorece también una buena estratificación. Fig.32 Estratificación de la temperatura Varios acumuladores Cuando sea necesario que el sistema de acumulación solar esté formado por más de un depósito, éstos se conectarán en serie invertida en el circuito de consumo o en paralelo con los circuitos primarios y secundarios equilibrados, tal como se puede ver en la Figura 33. La conexión de los termotanques permitirá la desconexión individual de los mismos sin interrumpir el funcionamiento de la instalación. Fig. 33. a) Conexión en serie invertida con el circuito de consumo; b) Conexión en paralelo con el circuito secundario equilibrado Sistema auxiliar en el termotanque No se permite la conexión de un sistema auxiliar en el termotanque, ya que esto puede suponer una disminución significativa de la eficiencia de la instalación solar, para proporcionar las prestaciones energéticas que se pretenden obtener con este tipo de instalaciones. 30

31 4.5 Diseño del sistema de intercambio térmico (Intercambiador de calor) Un intercambiador térmico transfiere indirectamente la energía térmica absorbida en el conjunto de colectores, del circuito primario al termotanque. Se necesita si se utilizan diferentes fluidos en el circuito primario y secundario como anticongelantes o si los circuitos se manejan a diferentes presiones y/o temperaturas. Especialmente en regiones de agua dura es muy importante separar el circuito primario por medio de un intercambiador para proteger los colectores de depósitos de sales. Si el sistema cuenta con intercambiadores térmicos internos o externos (ver figura 34), se deberá cumplir con lo siguiente: El intercambiador del circuito de colectores incorporado al termotanque estará situado en la parte inferior de este último y podrá ser de tipo sumergido o de doble envolvente. El intercambiador sumergido podrá ser de serpentín o de haz tubular. La relación entre la superficie útil de intercambio del intercambiador incorporado y la superficie total de captación, no será inferior a 0,15. La potencia P mínima de diseño del intercambiador (en Watts), en función del área A de colectores (en m2) cumplirá la condición: El intercambiador será de placas de acero inoxidable o cobre, y deberá soportar las temperaturas y presiones máximas de trabajo de la instalación. Se deberá tener especial cuidado en aquellos sistemas en donde se pueda generar corrosión por corrientes galvánicas. El intercambiador térmico podrá ser retirado para reparación o mantenimiento, sin drenado o vaciado del liquido del circuito. Por tanto, se preverán válvulas de corte en todos los orificios del intercambiador, además se recomienda instalar las válvulas de purga de aire y drene necesarias. El diseño del intercambiador de calor permitirá su limpieza utilizando productos líquidos. El fabricante del intercambiador de calor garantizará un factor de ensuciamiento menor al permitido en diseño, dimensionado y cálculo de instalaciones de energía solar térmica. En regiones con agua dura y temperaturas del fluido de transferencia térmica que excedan los 60 C, se necesita tomar medidas contra incrustación, por ejemplo la ampliación de la superficie del intercambiador y permitir su limpieza. Especialmente intercambiadores de placas y de tubos lisos se prestan para estas condiciones porque son menos propensos a la incrustación. Los tubos de los intercambiadores de calor tipo serpentín sumergido en el depósito, tendrán diámetros interiores inferiores o iguales a una pulgada, para instalaciones por circulación forzada. En instalaciones por termosifón, tendrán un diámetro mínimo de una pulgada. Cualquier intercambiador de calor existente entre el circuito de colectores y el sistema de suministro al consumo, no debería reducir la eficiencia del colector debido a un incremento en la temperatura de funcionamiento de colectores en más de lo que los siguientes criterios especifican: Cuando la ganancia solar del colector haya llegado al valor máximo posible, la reducción de la eficiencia del colector causada por el intercambiador de calor, no debería exceder el 10% (en valor absoluto). Si se instala más de un intercambiador de calor, tampoco este valor debería ser excedido por la suma de las reducciones debidas a cada intercambiador. El criterio se aplica también si existe en el sistema un intercambiador de calor en la parte de consumo. Si en una instalación a medida sólo se usa un intercambiador entre el circuito de colectores y el acumulador, la transferencia de calor del intercambiador de calor por unidad de área de colector no debería ser menor de 40 W/( K m2). La pérdida de carga de diseño en el intercambiador de calor no será superior a 3 m c.a., tanto en el circuito primario como en el secundario. 31

32 Fig. 34 Diferentes tipos de intercambiadores de calor 4.6 Diseño del circuito hidráulico Generalidades En la fase de diseño debe concebirse un circuito hidráulico de por sí equilibrado, realizando un apropiado dimensionamiento del diámetro de las tuberías del circuito hidráulico, y/o utilizando el método del retorno inverso. Si no fuera posible, el flujo debe ser controlado por válvulas de equilibrado. En particular, México es un país que posee una gran diversidad de calidad de aguas, las que no se encuentran totalmente normalizadas. Por esta razón, se debe tomar especial precaución al momento de especificar los materiales y condiciones de operación del circuito secundario Tuberías El conjunto de tuberías y conexiones deberán cumplir con las siguientes características: En las tuberías del circuito primario podrán utilizarse como materiales cobre o acero inoxidable. Se admiten tuberías de material plástico, como Polipropileno copolímero random (PP-R), Policloruro de vinilo superclorado (CPVC) con protección a la irradiación solar, siempre que tengan la acreditación de que son aptas para esta aplicación. En el circuito secundario o de servicio de agua caliente sanitaria, podrá utilizarse cobre y acero inoxidable, además de materiales plásticos que soporten la temperatura máxima del circuito como los que 32