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1 Promueve: ENERGÍA SOLAR TÉRMICA Con el apoyo de: DESCRIPCIÓN La energía solar térmica consiste en el aprovechamiento de la energía procedente del Sol mediante su concentración y transformación posterior en calor. La transformación de esta energía del sol en energía aprovechable se realiza por medio de unos dispositivos denominados captadores solares. El captador solar térmico es el elemento de la instalación que capta la radiación solar y la transmite a un fluido caloportador (generalmente agua) para calentarlo hasta una cierta temperatura. Esta temperatura depende del diseño del captador. Así, según la temperatura que pueda alcanzar la instalación tendremos sistemas de energía solar térmica de baja, media y alta temperatura. PROPIEDADES Y CARACTERISTICAS TIPOS DE ENERGÍA SOLAR TÉRMICA En función del rango de aprovechamiento térmico, se distinguen tres tipos de energía solar térmica: de baja, media y alta temperatura. Energía solar térmica de baja temperatura se aplica cuando las temperaturas no son superiores a 80 C, tal es el caso de la obtención de agua caliente sanitaria y la de agua o aire caliente para calefacción de viviendas. Energía solar térmica de media temperatura, con temperaturas entre 80 C y 250 C, es la empleada en la producción de vapor para procesos industriales, producción de energía eléctrica a pequeña escala, detoxificación solar (descontaminación de gases y aguas residuales), desalación de agua de mar y refrigeración por absorción. Energía solar térmica de alta temperatura es la que se utiliza cuando se requieren temperaturas superiores a 250 C, y se aplica, fundamentalmente, para la producción de electricidad a gran escala. No obstante, se utiliza también para, por ejemplo, la síntesis y/o tratamiento superficial de materiales en hornos solares, producción de hidrógeno y otros combustibles solares (bioetanol, biodiesel) e, incluso, experimentos astrofísicos. VENTAJAS E INCONVENIENTES VENTAJAS La radiación solar es un recurso inagotable y con su uso se producen menos emisiones y vertidos al medio en relación a las energías convencionales. Tecnología plenamente madura y larga vida útil de sus instalaciones, superior a 25 años, con un mantenimiento de menor entidad que en el caso de sistemas convencionales. - 1

2 Son sistemas sencillos y fáciles de instalar y de elevada versatilidad. Se pueden adaptar a gran variedad de requerimientos. Una instalación de energía solar térmica no se suele diseñar para sustituir por completo al uso de energía convencional, ya que si fuera así sus dimensiones y complejidad la harían muy cara para su montaje y compra. Así el principal objetivo de una instalación solar es conseguir el máximo ahorro de energía convencional y así se consigue por tanto un ahorro económico. Los costes de operación y mantenimiento son muy reducidos, por tanto aunque la inversión pueda ser importante, éste es el único gasto significativo. INCONVENIENTES Imposibilidad de hacer coincidir la captación de radiación solar con las horas de necesidad térmica para la que se ha diseñado el sistema. Por ello, es necesario disponer de un sistema complementario de acumulación de ese calor capturado. Debido a lo anterior, es necesaria la instalación de un sistema convencional al igual que si no se instalaran los captadores solares. Los sistemas mixtos, consistentes en instalaciones solares que satisfacen necesidades mínimas de agua caliente sanitaria mientras existe radiación con un pequeño sistema de almacenamiento, son en la actualidad, una alternativa intermedia que satisface en gran parte la rentabilidad de las instalaciones solares. La inversión inicial de un sistema solar térmico es mayor frente al sistema convencional (coste de colectores solares y sistema de almacenamiento). Sin embargo, su coste de funcionamiento durante más de 25 años de vida será irrelevante comparado con el de compra de combustible o energía eléctrica, reparaciones, mantenimiento, etc asociado al sistema convencional. Resulta problemático su montaje en edificios existentes como consecuencia de su falta de previsión a nivel de proyecto, y si se monta existe la posibilidad de una imagen estética negativa por parte de usuarios y ciudadanos. De ahí la necesidad de integrar arquitectónicamente este tipo de instalaciones. DISEÑO, CONSTRUCCIÓN Y/O APLICACIÓN EXIGENCIAS DEL CTE EN ENERGÍA SOLAR TÉRMICA Desde el 29 de septiembre de 2006, el Código Técnico de la Edificación establece, en el Documento Básico HE4, que todos los edificios de nueva construcción y los rehabilitados que tengan una demanda de agua caliente sanitaria superior a 50 l al día, y las piscinas cubiertas climatizadas, deben disponer de instalaciones solares térmicas que satisfagan un porcentaje de su demanda de agua caliente. El porcentaje de la demanda de agua caliente que hay que satisfacer con energía solar depende de la zona climática, de la demanda total de agua caliente del edificio o piscina y del tipo de energía auxiliar que se utilice. - 2

3 Para el cálculo de las necesidades de ACS de un edificio se aplicarán las demandas de referencia a 60ºC de la tabla 3.1 de la sección HE4 (Tabla 1). En el caso de elegir una temperatura diferente a 60ºC se empleará la fórmula de conversión especificada también en el DB HE 4 (Fórmula 3.2). Para el cálculo de la demanda energética de una piscina cubierta se tomará como referencia lo establecido en la IT del RITE (RD 1027/2007), no lo establecido en la Sección HE4 del DB HE (ya que según la última modificación del RITE prevalece éste sobre el CTE): La temperatura del agua estará comprendida entre 24 ºC y 30 C según el uso principal de la piscina (se excluyen las piscinas para usos terapéuticos). Tabla 1. Demanda de ACS (DB HE-4 del CTE, 2006) El apartado 15.4 del RD 314/2006 que aprueba el CTE establece que los valores derivados de la exigencia básica HE 4 tendrán la consideración de mínimos, sin perjuicio de valores que puedan ser establecidos por las administraciones competentes y que contribuyan a la sostenibilidad, atendiendo a las características propias de su localización y ámbito territorial (RD 314/2006). De hecho, en las ordenanzas solares, que han sido aprobadas en más de 100 municipios en toda España, y en la legislación de algunas comunidades autónomas (Decreto 21/2006 de Cataluña), se establecen tablas para el cálculo de la demanda unitaria y la contribución solar mínima. Así, para el cálculo de la demanda en instalaciones solares térmicas de ACS y piscinas habrá que consultar la ordenanza solar que se aplique en el municipio y la legislación propia de la comunidad autónoma. Los usuarios deben conocer que tienen derecho a que en los nuevos edificios que adquieran, parte de la demanda térmica necesaria para calentar el agua caliente se tiene que aportar mediante una instalación solar, y que además, tienen la obligación de encargar un mantenimiento adecuado de esta instalación reflejándolo en el libro de mantenimiento del edificio. - 3

4 INSTALACIÓN SOLAR TÉRMICA DE BAJA TEMPERATURA El tamaño apropiado para un sistema de energía solar térmica depende, entre otras, de las características técnicas de los paneles solares, la necesidad diaria de agua caliente y las condiciones de la radiación solar (altitud y media de temperatura del lugar, latitud, cortos períodos de sombra). En 2009, el IDAE publicó un Pliego de Condiciones Técnicas de las Instalaciones de Energía Solar Térmica de baja temperatura (PCT). Su finalidad es establecer las condiciones técnicas que deben tomarse en consideración en la Convocatoria de Ayudas para la promoción de instalaciones de Energía Solar Térmica en el ámbito del Plan de Energías Renovables. Aunque se trata de un documento no obligatorio, es de gran interés porque fija las condiciones técnicas mínimas que deben cumplir las instalaciones solares térmicas para calentamiento de líquido, especificando los requisitos de durabilidad, fiabilidad y seguridad, en el ámbito mencionado de las subvenciones. El campo de aplicación de este documento se extiende a todos los sistemas mecánicos, hidráulicos, eléctricos y electrónicos que forman parte de estas instalaciones. El PCT establece también que, en determinados supuestos, para los proyectos se podrán adoptar soluciones diferentes a las exigidas en él, siempre que quede suficientemente justificada su necesidad y que no impliquen una disminución de las exigencias mínimas de calidad especificadas en éste. La importancia del PTC radica en que ha sido recogido básicamente en la Sección HE 4 del CTE, convirtiéndose de esta forma en reglamentario. Igualmente pueden proponerse soluciones alternativas, que se aparten total o parcialmente de los Documentos Básicos (DB) del CTE, siempre que se justifique documentalmente que las prestaciones son, al menos, equivalentes a los que se obtendrían por la aplicación de los DB. Figura 1. Esquema de una instalación solar térmica para producción de agua caliente (Fuente: EnerBuilding, 2007) En la figura 1 se muestra un esquema básico de una instalación solar para producción de agua caliente. Está constituida por los siguientes sistemas: - 4

5 1. Sistema de captación Es el principal elemento del sistema y está constituido por uno o varios captadores solares conectados entre sí. La misión de éstos es captar la radiación solar incidente para transformarla en energía térmica que es transferida al fluido que circula por su interior. Los captadores solares no sólo captan los rayos del Sol durante los días despejados; la radiación difusa existente durante los días nublados también es aprovechada (pero a un rendimiento menor). Así, durante los periodos de clima adversos será necesario aportar más energía mediante sistemas convencionales de apoyo. Los sistemas más difundidos y aceptados para conseguir el aprovechamiento solar térmico aplicado a la edificación (a media y baja temperatura) son: Captador solar plano con cubierta (Baja temperatura) Es el más extendido ya que consigue incrementos de temperatura de unos 60ºC con un coste reducido. Estos consisten en una caja hermética convenientemente aislada en cuya parte superior se encuentra un vidrio simple o de doble acristalamiento que capta la radiación directa permitiendo su paso e impidiendo su salida, siendo recogida en una superficie metálica, denominada absorbedor, quien la transmite a unos tubos por cuyo interior circula el líquido caloportador (Figura 2). Para lograr un mayor aprovechamiento se utiliza una pintura selectiva sobre el absorbedor, que captura parte de las ondas solares más efectivas en la transmisión de calor. Están indicados para la producción de agua caliente para ACS, calefacción por suelo radiante, etc. Figura 2. Componentes de un colector plano (EVE, 2005) - 5

6 Captador solar con tubos de vacío (Baja temperatura) Alcanza mayores temperaturas que los de placa plana, siendo habitual que lleguen a temperaturas de más de 100ºC. Consisten en unas cámaras cilíndricas de vidrio, por cuyo interior (parte central) pasa un fluido caloportador. El vacío disminuye de forma importante las pérdidas térmicas, anulando prácticamente las pérdidas por convección, permitiendo alcanzar mejores eficiencias a mayores temperaturas de funcionamiento. Se emplean para casi cualquier aplicación que requiera agua caliente entre 40 y 130 grados. Los tubos de vacío presentan una serie de ventajas respecto a los captadores planos: o o Son más eficientes que los captadores planos cuando se requieren altas temperaturas de agua caliente (por encima de 80 ºC-90 ºC), en climas fríos (al tener muy pocas pérdidas) y parcialmente nubosos (aprovecha la radiación difusa de los días nublados), Posibilitan una mejor integración arquitectónica, al ser menos sensibles a la orientación e inclinación de la instalación. Sin embargo, los tubos de vacío presentan los siguientes inconvenientes frente a los captadores planos: o o o La instalación de un captador de tubo de vacío es más cara al requerir mayor tiempo y formación. La manipulación de un tubo de vacío es más delicada, debido a una menor resistencia por el vacío al que se someten. La vida útil de un tubo de vacío es menor, sobre todo debido a las pérdidas de las condiciones de vacío. La garantía de los fabricantes de tubos de vacío son 2-3 años, frente a los 8-10 años de los captadores planos. Captador solar plano sin cubierta, no vidriados o de polipropileno (Baja temperatura) Es el modelo más simplificado de captador solar. Está compuesto por una gran cantidad de diminutos tubos de metal o de plástico por los que circula el agua. No están aislados ni cubiertos por una caja y/o cristal. Aunque tiene un coste reducido, sus prestaciones energéticas son modestas (aumento de temperatura en torno a 30ºC) y sus pérdidas de calor son grandes, lo que limita su aplicación a climatización de piscinas en especial en exteriores donde la normativo no exige ningún tipo de aporte solar. 2. Sistema de acumulación El sistema de acumulación está formado por uno o más depósitos de agua caliente que almacenan la energía térmica en forma de agua caliente ya que habitualmente, la demanda de ACS y calefacción no siempre coincide con el - 6

7 momento en el que hay suficiente radiación. La dimensión de los depósitos de almacenamiento deberá ser proporcional al consumo estimado y debe cubrir la demanda de agua caliente de uno o dos días. El CTE fija una relación entre la superficie de captación y el volumen de acumulación para la aplicación acs, debiendo estar comprendida entre 50 l/m 2 y 180 l/m Sistema de distribución Constituido por todos los elementos destinados a la distribución y acondicionamiento a consumo (tuberías y conducciones, vasos de expansión, bombas, purgadores, válvulas, etc.) 4. Sistema de regulación y control Asegura el correcto funcionamiento de la instalación al activar o desactivar los distintos elementos eléctricos de ésta para aprovechar la máxima energía solar posible. 5. Sistema de apoyo energía convencional auxiliar Para garantizar la continuidad del suministro de agua caliente en caso de escasa radiación solar y para hacer frente a un consumo superior al dimensionado, es necesario incorporar un sistema de apoyo que utilice energía convencional (equipos eléctricos, caldera de gas o gasóleo). Hay que resaltar que según el CTE y la absoluta totalidad de reglamentación autonómica y municipal vigente, la fracción solar mínima exigida es considerablemente superior cuando el equipo de apoyo utiliza energía eléctrica por efecto Joule. El Pliego de Condiciones Técnicas de las Instalaciones de Energía Solar Térmica de baja temperatura publicado por el IDAE considera las siguientes clases de instalaciones solares térmicas: a. Sistemas solares de calentamiento prefabricados: son productos con una marca registrada, que son vendidos como equipos completos y listos para instalar, con configuraciones fijas. b. Sistemas solares de calentamiento a medida o por elementos: son aquellos sistemas construidos de forma única o montados eligiéndolos de una lista de componentes. Los sistemas de esta categoría son considerados como un conjunto de componentes. Los sistemas solares de calentamiento a medida se subdividen en dos categorías: o Sistemas grandes a medida, que son diseñados únicamente para una situación específica. En general son diseñados por ingenieros, fabricantes y otros expertos. o Sistemas pequeños a medida. - 7

8 APLICACIONES DE LA ENERGÍA SOLAR TÉRMICA DE BAJA TEMPERATURA El aprovechamiento de la energía solar térmica de baja temperatura tiene tres aplicaciones fundamentales en la edificación: Producción de agua caliente sanitaria (ACS) Esta es la principal aplicación de la energía solar térmica en el sector doméstico y de servicios ya que las temperaturas que alcanzan no son elevadas (45 a 60ºC), el consumo de ACS es homogéneo a lo largo del año y cubre hasta un 70% de las necesidades térmicas a lo largo del año. El resto de las necesidades que no aportan los captadores solares se puede obtener de un sistema auxiliar, que habitualmente suele ser gasóleo, gas o energía eléctrica. Calefacción de baja temperatura La energía solar térmica puede ser un complemento al sistema de calefacción, sobre todo para sistemas que utilicen agua de aporte a menos de 60ºC. Para calefacción con aporte solar, el sistema que mejor funciona es el de suelo radiante o de radiadores de baja temperatura. La utilización de la energía solar para calefacción tiene el inconveniente de que sólo existe demanda de calefacción durante unos meses del año ya que en el periodo de verano generalmente no existe demanda de calefacción y se obtiene, por lo tanto, un menor aprovechamiento de la instalación. Además, la temporada de calefacción coincide con los meses de menor radiación solar, lo cual también resta rendimiento a estas instalaciones. Calentamiento de agua de piscinas El CTE (DB HE 4) obliga a incorporar instalaciones solares térmicas o instalaciones con otras fuentes de energías renovables para el calentamiento del agua en piscinas climatizadas. El uso de colectores solares térmicos también puede permitir el apoyo energético en piscinas al exterior alargando las horas y el periodo de baño en climas fríos. Además hay que considerar que el Reglamento de Instalaciones Térmicas en los Edificios (RITE) prohíbe el calentamiento de piscinas descubiertas con fuentes de energía convencionales. Aire acondicionado mediante máquinas de absorción Para la producción de frío mediante energía solar térmica se incluye un equipo de absorción en la instalación, que es el que produce frío a partir de un aporte de calor. En las máquinas de absorción para la refrigeración de edificios generalmente se emplea el agua como refrigerante y el bromuro de litio como absorbente. El rendimiento de las máquinas de absorción aumenta al incrementarse la temperatura de trabajo, necesitando temperaturas (80-90ºC) que son difíciles de alcanzar mediante colectores solares planos. Es por ello que hay que recurrir a colectores de alta eficiencia o a tubos de vacío. - 8

9 En España no existe obligatoriedad de instalar este tipo de instalaciones y actualmente están experimentando un gran desarrollo tecnológico. En la actualidad están apareciendo en el mercado equipos de refrigeración por absorción de baja potencia (idóneos para los sectores doméstico y comercial) activados con temperaturas de 90 ºC o inferiores. Uno de los campos de máximo desarrollo de las instalaciones solares térmicas que se verá en un plazo breve de años será la de colectores de vacío o planos de alto rendimiento que produzcan ACS, calefacción en invierno y, mediante máquinas de absorción, produzcan frío en el verano. EJEMPLOS DE APLICACIÓN Existe una amplia variedad de configuraciones en la instalación de sistemas solares térmicos en la edificación, y dentro de las distintas soluciones que hay para viviendo se distinguen dos grupos: viviendas unifamiliares y viviendas en altura o multifamiliares: o Para la demanda de agua caliente de las viviendas unifamiliares, existen en el mercado instalaciones solares térmicas prefabricadas que están formadas por todos los equipos necesarios de la instalación acoplados entre sí y listos para instalar. o Para edificios multifamiliares existen diferentes configuraciones y posibilidades que en cada caso el proyectista debe analizar detalladamente. Es fundamental la selección de la configuración adecuada para una óptima eficiencia, fiabilidad y durabilidad de la instalación. En la Figura 1 del Pliego de Condiciones Técnicas de las Instalaciones de Energía Solar Térmica de baja temperatura publicado por el IDAE aparecen diferentes configuraciones de instalaciones recomendadas según el tipo de aplicación, recogiéndose las más usuales. Siempre pueden existir otras y combinaciones de las anteriores (IDAE, 2009). Existen otras publicaciones y guías que proporcionan criterios para todo el proceso de la instalación y muestran distintos tipos de configuraciones y aplicaciones de instalaciones de energía solar térmica en la edificación. Algunas de ellas son ASIT (2008), Caballero (2010), Pereda y Pérez (2006). REFERENCIAS TÉCNICAS ASIT (2008) Guía ASIT de la Energía Solar Térmica. 140 pp. Caballero, R. (2010) La energía solar térmica en la edificación. En: Izquierdo, Y. (coord.) Soluciones energéticamente eficientes en la edificación. Dirección General de Industria, Energía y Minas de la Comunidad de Madrid, Madrid pp. Cámara Oficial de Comercio e Industria de Madrid, Consejería de Economía e Innovación Tecnológica de la Comunidad de Madrid (2006) Energía Solar Térmica en la Comunidad de Madrid. 118 pp. - 9

10 Dirección General de Industria, Energía y Minas de la Comunidad de Madrid (2006) Guía de la Energía Solar. 64 pp. EnerBuilding (2007) Eficiencia Energética en viviendas. 75 pp. Ente Vasco de la Energía (EVE) (2005) Energía Solar. 84 pp. IDAE (2009) Pliego de Condiciones Técnicas de Instalaciones de Baja Temperatura. 114 pp. Pereda, P. y A. Pérez (2006) Guía de Asistencia Técnica 17. Proyecto y Cálculo de Instalaciones Solares Térmicas. Fundación Cultural COAM-EA. Ediciones de Arquitectura. 3ª Edición (2010). 212 pp. Varios autores (2008) Manual de eficiencia energética. Escuela de Negocios (EOI) y Centro de Eficiencia Energética de Gas Natural Fenosa. 329 pp. - 10