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Republic of Ecuador

NTE INEN 2507 (2009) (Spanish): Rendimientotérmico de colectores solares en sistemas decalentamiento de agua para uso sanitario.Requisitos

INSTITUTO ECUATORIANO DE NORMALIZACIÓN

Quito - Ecuador

NORMA TÉCNICA ECUATORIANA NTE INEN 2 507:2009

RENDIMIENTO TERMICO DE COLECTORES SOLARES EN

SISTEMAS DE CALENTAMIENTO DE AGUA PARA USO

SANITARIO. REQUISITOS.

Primera Edición THERMAL PERFORMANCE OF SOLAR COLLECTOR IN WATER HEATING SYSTEMS FOR SANITARY USE. REQUIREMENTS. First Edition DESCRIPTORES: Calor, termodinámica, colectores solares, agua, requisitos. CO 06.11-401 CDU: 644.1:536.22:536.49 CIIU: 3814 ICS: 97.100.99

CDU: 644.1:536.22:536.49 CIIU:3814 ICS: 97.100.99 CO 06.11-401

2009-840 -1-

Norma Técnica

Ecuatoriana Voluntaria

RENDIMIENTO TERMICO DE COLECTORES SOLARES EN

SISTEMAS DE CALENTAMIENTO DE AGUA PARA USO SANITARIO. REQUISITOS.

NTE INEN

2 507:2009 2009-11

1. OBJETO

1.1. Esta norma establece los requisitos para el rendimiento térmico de colectores solares en sistemas de calentamiento de agua para uso sanitario a temperatura menor a 100˚C y su etiqueta informativa.

2. ALCANCE 2.1. Esta norma se aplica a colectores solares de placa plana y colectores solares de vacío.

3. DEFINICIONES 3.1. Para los efectos de esta norma, se aplican las definiciones citadas a continuación: 3.1.1. Absorbedor. Componente del colector solar que recibe radiación solar y la transforma en energía térmica. 3.1.2. Ángulo de incidencia. Es el ángulo entre la radiación solar directa y la normal al plano de apertura.

3.1.3. Área de apertura. Es el área máxima proyectada de un colector solar a través de la cual se capta la energía solar no concentrada.

3.1.4. Aislamiento térmico. Aquellos materiales de bajo coeficiente de conductividad térmica, cuyo empleo en los sistemas solares tiene por objeto reducir las pérdidas de calor.

3.1.5. Ángulos de inclinación del colector. Angulo menor entre el plano de abertura de un colector solar y el plano horizontal.

3.1.6. Área bruta. Es la máxima área proyectada del módulo completo del colector solar, incluido el conjunto de los dispositivos de montaje.

3.1.7. Capacidad nominal. Volumen de agua caliente contenida en el depósito y en el colector solar.

3.1.8. Colector solar. Es un dispositivo diseñado para absorber la radiación solar incidente y transferir energía térmica a un fluido que pasa a través de el.

3.1.9. Corrosión. Deterioro de una superficie causada por una reacción química o electroquímica con el ambiente.

3.1.10. Cubierta del colector. Material que cubre el área de apertura del colector solar y permite el paso de la radiación solar hacia el interior de este.

3.1.11. Deformación severa. Cualquier condición que modifica las dimensiones e impide el funcionamiento adecuado del colector solar.

3.1.12. Deterioro. Cualquier condición que impida el funcionamiento adecuado del colector solar.

3.1.13. Eficiencia térmica instantánea. Es la relación entre la energía útil y la energía solar incidente en el instante de la medición.

3.1.14. Fluido de transferencia. Agua que pasa a través de, o está en contacto con el colector solar y transporta la energía térmica fuera de este.

(Continúa) DESCRIPTORES: Calor, termodinámica, colectores solares, agua, requisitos

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3.1.15. Irradiancia. Relación entre la energía removida por un fluido de transferencia durante un período de medición dado, y la radiación solar total (en MJ/m2) que incide sobre el área bruta del colector solar, durante dicho período de medición. 3.1.16. Plano de abertura. Plano en o sobre el colector solar a través del cual se admite radiación solar sin concentrar. 3.1.17 Precisión máxima de operación. Es aquella definida por el fabricante como la mayor presión de trabajo para la cual fue diseñado el colector solar. 3.1.18 Radiación solar. Radiación emitida por el sol, prácticamente toda la que es incidente en la superficie terrestre en longitudes de onda menores que 3µm; a menudo llamada radiación de onda corta.

3.1.19 Radiación total. Es la cantidad de energía solar incidente sobre una superficie en todo el espectro solar.

3.1.20 Requerimiento máximo o capacidad de entrega. Volumen de agua caliente que el sistema debe suministrar diariamente para el consumo, en las condiciones de máxima demanda y la temperatura máxima prevista.

3.1.21 Sistema de circulación forzada. Sistema que utiliza una bomba para hacer circular el fluido de transferencia entre el absorbedor y los colectores.

3.1.22 Sistema termosifón. Sistema que utiliza solo los cambios de densidad del fluido de transferencia, para lograr la circulación entre el colector y el dispositivo de almacenamiento.

3.1.23 Sistema directo. Sistema de calentamiento solar en que el agua calentada para consumo final o circulado al usuario, pasa directamente a través del colector.

FIGURA 1. Sistema de calentamiento solar directo

3.1.24 Sistema indirecto. Sistema de calentamiento solar en que un fluido de transferencia de calor, diferente del agua para consumo, pasa directamente a través del colector.

FIGURA 2. Sistema de calentamiento solar indirecto

(Continúa)

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3.1.25 Uso sanitario. Volúmenes de agua potable destinada a satisfacer necesidades elementales de aseo del ser humano, como limpieza personal y limpieza de bienes.

4. CLASIFICACIÓN 4.1. Los colectores solares objeto de esta norma, de acuerdo a su estructura se clasifican de la siguiente forma: 4.1.1 Colectores solares de placa plana. Estos colectores poseen una cubierta transparente de vidrio o plástico que aprovecha el efecto invernadero, formado por una serie de tubos de cobre, los cuales expuestos al sol absorben la radiación solar y se la transmiten al fluido que atraviesa su interior.

FIGURA 3. Colector solar térmico de placa plana

4.1.2. Colectores solares de vacío. Van dotados de una doble cubierta envolvente, herméticamente cerrada, aislada del interior y del exterior, y en la cual se ha hecho el vacío. Su finalidad es la de reducir las pérdidas por convección.

5. DISPOSICIONES GENERALES 5.1. El sistema solar térmico, en general debe estar constituido por tres elementos principales, estos son: 5.1.1. Colector. Está constituido por una superficie absorbente expuesta a la radiación solar. La energía solar absorbida por la placa de vidrio es transferida al agua que circula en tubos colocados en contactos con la misma. 5.1.2. Depósito de almacenamiento. El almacenamiento de energía captada permite hacer frente al carácter discontinuo de la energía solar. Es hecho a través del almacenamiento de agua en un depósito apropiado y se manifiesta por la elevación de la temperatura del agua almacenada. 5.1.3. Sistema auxiliar de apoyo. Se recurrirá a un sistema de apoyo siempre que haga falta complementar el suministro del sistema de calentamiento solar, otorgando siempre prioridad al sol. El dimensionamiento del sistema de apoyo es hecho de la misma forma que los sistemas convencionales de calentamiento de agua, teniendo en cuenta el volumen de agua necesaria y su distribución a lo largo del día, así como las temperaturas del agua de la red y la del agua de uso. 5.2. La transferencia de energía entre cada uno de los elementos del sistema de calentamiento solar de agua es asegurada por los circuitos primario y secundario. 5.2.1. Circuito Primario. Transferencia de energía captada en los colectores para su almacenamiento.

(Continúa)

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5.2.1.1 La transferencia de calor a través del fluido de transporte, desde los colectores hasta el depósito de almacenamiento puede hacerse por: a) Circulación natural o termosifón. Cuando la circulación por termosifón no es posible, por motivo de estética del edificio o por que no existe el desnivel necesario entre el depósito y los colectores, se recurre a la circulación forzada instalando una bomba hidráulica en el circuito entre colectores y depósito. b) Circulación forzada. Utiliza una bomba hidráulica, accionada por un comando diferencial que lee la diferencia de temperaturas entre la temperatura de salida de los colectores y la temperatura de la parte más baja del depósito. 5.2.1.2 La transferencia de calor entre el sistema de captación y el sistema de almacenamiento puede realizarse de las siguientes formas: a) Transferencia directa. El agua de la red es calentada directamente en el colector. b) Transferencia indirecta. Se utiliza un intercambiador que separa el agua que se calienta en el colector de aquella que proviene de la red. Esta alternativa es recomendable para casos en los que: b.1) Hay riesgo de congelamiento de agua en los colectores y tenga que usarse aditivos anticongelantes. b.2) El agua sea excesivamente dura y las deposiciones calcares obstruyan el paso del agua. b.3) Haya riesgo de corrosión por contacto del agua con las tuberías. b.4) El límite de la presión aplicable al sistema de captación sea inferior a la presión nominal de la red. c) Los intercambiadores pueden ser colocados en el circuito entre los colectores y el depósito. d) Los intercambiadores internos pueden ser de dos tipos: serpentín sumergido en el depósito o de chaqueta. 5.2.2 Circuito Secundario. Suministro a la red de distribución. 5.3. En la medida en que sea necesario se recurrirá a un apoyo energético convencional para asegurar la totalidad de las necesidades de agua caliente. 5.3.1. Sistema auxiliar de apoyo en serie. Este apoyo típicamente eléctrico, puede ser incorporado en el depósito solar o en un depósito distinto que se encuentra en serie con el depósito solar; en relación con el circuito de consumo el apoyo en serie incorporado en el depósito solar puede funcionar de forma programada, es decir, se utilizará momentos antes de determinados períodos de consumo o en horas en que haya baja radiación solar. 5.3.2. Sistema auxiliar de apoyo en paralelo. En el caso de sistemas domésticos con el apoyo en paralelo, el uso del apoyo debe ser decidido por el usuario siempre que este verifique que no existe agua caliente almacenada en el sistema solar.

(Continúa)

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6. DISPOSICIONES ESPECÍFICAS 6.1. Parámetros característicos para el dimensionamiento de sistemas solares térmicos de calentamiento de agua. Se debe tener en cuenta el destino para el cual se diseñó la edificación en donde se instalará el sistema, así como el número y actividades de sus ocupantes. a) Consumo y temperatura de agua caliente. El volumen de agua caliente que el sistema debe suministrar diariamente para el consumo, puede tomarse como regla que en promedio por persona se requieren aproximadamente 50 litros de agua a 50 °C , por día. b) Carga diaria promedio. El volumen de agua caliente que los colectores deben aportar diariamente al sistema a la temperatura máxima prevista, por cada metro cuadrado de superficie del absorbedor, está entre 200 y 300 litros por cada metro cuadrado de superficie del absorbedor si se considera una familia promedio de 4 a 6 personas, respectivamente.

7. REQUISITOS 7.1. Requisitos Específicos 7.1.1 Los requisitos deben verificarse mediante los ensayos descritos en el numeral 8 de esta norma. 7.1.1.1 Ensayo de presión estática inicial. El colector solar debe ser sometido a ensayos de presión estática previas a su exposición a la radiación solar, con el objeto de verificar su resistencia y capacidad de soportar las presiones a las que será sometido. Los resultados del ensayo son: a) Cero fugas de agua b) No debe existir caída de presión c) No debe existir deterioro o deformación severa 7.1.1.2 Ensayo de exposición a la radiación solar. Con objeto de verificar la integridad del colector solar, éste debe ser expuesto por lo menos durante 30 días a una radiación solar incidente de 29,0 MJ/m2, medida en el plano de su área de apertura. Durante la ensayo, el colector solar no debe sufrir ningún tipo de daño o degradación de sus componentes. 7.1.1.3 Ensayo de choque térmico con rocío de agua. Para verificar la resistencia de un colector solar plano a condiciones reales donde, después de estar expuesto por un largo período de tiempo a la radiación solar y recibir en algún momento precipitación pluvial, éste no debe: a) Existir penetración de humedad al interior del colector solar b) Existir deformación que provoque un mal funcionamiento. 7.1.1.4 Ensayo de presión estática final. Luego de la ensayo de exposición a la radiación solar, se debe someter al colector solar a una nueva ensayo de presión estática, y los resultados deben ser los mismos que los obtenidos en el numeral 7.1.1.1. 7.1.1.5 Ensayos de rendimiento térmico. Para determinar la eficiencia instantánea del colector solar y garantizar su comportamiento bajo un amplio rango de temperaturas de operación, se debe obtener una representación semejante a la curva de eficiencia, como se indica en la figura 4. Para ello se debe tomar valores de radiación incidente, temperatura ambiente, y de temperatura del agua a la entrada y a la salida del colector solar, según la siguiente ecuación.

GdtAdtTT

g ttg

ifsftt

21

,p21 )( C m

−=

η

(Continua)

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Donde:

= flujo de masa del fluido de transferencia de calor, en kg/s. cp = calor específico del fluido de transferencia de calor, en J/kg.˚C. Tf,s = temperatura del fluido de transferencia de calor a la salida del colector, en ˚C. Tf,i = temperatura del fluido de transferencia de calor que ingresa al colector, en ˚C. Ag = área de colección del colector, en m2. G = radiación solar, en W/m2. t1, t2 = tiempo al principio y final de un período de ensayo, en horas.

Figura 4. Ejemplo de curvas de eficiencia térmica

7.1.1.6 Ensayo para estimar el factor modificador por efectos del ángulo de incidencia de la radiación solar directa sobre el colector solar. El factor modificador por efectos del ángulo de incidencia de la radiación solar directa sobre el colector solar, debe ser tal que no varíe más de ±2% del valor de incidencia normal. Éste factor se debe determinar según la siguiente ecuación, para definir la manera en que la eficiencia térmica del colector solar varía según los diferentes ángulos con los que la radiación solar directa incide respecto de la normal al área de apertura del colector solar.

−−= 1

cos11θτα obk

Donde: K = modificador del ángulo de incidencia. bo = constante adimensional usada en el factor modificador por efectos del ángulo de incidencia de la radiación solar directa. = ángulo de incidencia entre los rayos solares directos y la normal a la superficie del colector solar plano de cara al sol (área de apertura), en ˚C.

(Continúa)

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Figura 5. Factor modificador por efectos del ángulo de incidencia de la radiación solar directa sobre el colector solar, para tres colectores solares con una capa no selectiva en el

absorbedor, en función del ángulo de incidencia.

Figura 6. Factor modificador por efectos del ángulo de incidencia de la radiación solar directa sobre el colector solar, para tres colectores solares con una capa no selectiva en el

absorbedor, en función de (1/cos - 1)

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7.1.1.7 Constante de tiempo. La constante de tiempo es el tiempo requerido para que la siguiente ecuación tome el valor de 0,368.

368,0,,,

,,, =−

−

ifinicialsf

ifTsf

TTTT

Donde: Tf,s,T = temperatura del fluido de transferencia de calor que deja el colector en un tiempo determinado, en ˚C. Tf,s,inicial = temperatura del fluido de transferencia de calor a la salida del colector, al comienzo del período de ensayo de la constante de tiempo, en ˚C. Tf,i = temperatura del fluido de transferencia de calor que ingresa al colector, en ˚C. 7.2. Requisitos Complementarios 7.2.1. Ensayo de choque térmico con circulación de agua fría. Este ensayo aplica a colectores solares, cuyo diseño especifique que el ensayo está permitido. Cuando en la operación normal de un colector solar, por alguna razón es drenado completamente, quedando expuesto a la radiación solar, y en algún momento es llenado con agua a temperatura ambiente; no debe existir penetración de humedad al interior del colector solar, ni agrietamiento, alabeo o pandeo de la cubierta principal.

8. MÉTODOS DE ENSAYO

8.1. Los ensayos para evaluar la eficiencia térmica de los colectores solares objetos de esta norma, deben ser los establecidos en la norma ANSI/ASRHAE 93 Methods of testing to determine the termal perfomance of solar collector.

9. ETIQUETADO 9.1. Los colectores solares objeto de esta norma deben llevar una etiqueta informativa ubicada en un área visible al usuario y permanecer adherida al producto. 9.1.1. La etiqueta debe contener en forma legible como mínimo la siguiente información: Ver Anexo A. a) La leyenda “RENDIMIENTO Y EFICIENCIA TÉRMICA”. b) Nombre del fabricante o marca comercial. c) Modelo y serie del equipo. d) Fecha de fabricación. e) Área de apertura en metros cuadrados (m2). f) Presión máxima de operación en kilopascales (kPa). g) Flujo recomendado del colector solar en litros por minuto (l/min). h) La leyenda “Ecuación de eficiencia térmica”, seguida de la expresión =0,691-3,5x-12,2x2; x=(Tin-Ta)/G i) Una tabla indicando de acuerdo al uso del colector (piscina o doméstico), los siguientes datos: la temperatura típica de operación en grados centígrados, el calor útil en MJ/día⋅m2 y la capacidad de calentamiento en climas prevalecientes en litros/día⋅m2.

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ANEXO A

ETIQUETA INFORMATIVA MODELO

(Continúa)

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ANEXO B

FÓRMULAS PARA CALCULAR EL ÁNGULO QUE FORMAN LA DIRECCIÓN DE INCIDENCIA DE LA RADIACIÓN SOLAR DIRECTA Y LA NORMAL A LA SUPERFICIE DEL COLECTOR

Figura B.1. Ángulo que forman la dirección de incidencia de la radiación solar directa y la normal a la superficie del colector solar

Si θ es el ángulo que forman el vector s y n como se muestra en la figura B.1, entonces:

Cos(q )= sˆ · nˆ

en donde s y n son vectores unitarios definidos de la siguiente manera:

nˆ = (SenYSenD, CosYSenD, CosD) sˆ = (SenASenZ , CosASenZ , CosZ )

Como resultado del producto escalar entre n y s, se tiene que:

Cos(q )= SenZSenDCos(A - Y)+ CosZCosD

Donde: Δ = Ángulo que forma el colector con el plano horizontal igual al ángulo que forma la normal a la superficie del colector (dada por n) y la vertical al plano horizontal Ψ = ángulo acimutal de la proyección de la normal (n) a la superficie del colector, sobre el plano horizontal. Z = ángulo cenital de Sol, ángulo complementario de la altura angular aparente del Sol, es decir β = 90 - Z, y A = ángulo acimutal del Sol, A = 0 al Sur, al Oriente A < 0 y A > 0 al Poniente.

(Continua)

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Se sabe también que:

Cos(Z )= Sen(δ )Sen(φ )+ Cos(δ )Cos(φ)Cos(ω)=Sen (β) Donde: δ = Declinación solar y se puede calcular usando alguna de las fórmulas empíricas que existen en la literatura, como la siguiente:

−= − )82(

365360399.0)( 1 jSenSenjδ

En donde: j = es el día del año. φ = es la latitud geográfica del sitio en donde se realiza el ensayo. ω = es el ángulo horario el cual se calcula en términos del TSV (ver nota 1), tiempo solar verdadero en horas; de la siguiente manera:

)12(12

−= TSVπω

TSV = Tofc ε+−

+=15

locstofc

LLTTSV

Donde: Tofc = es el tiempo oficial u hora local según el uso horario que le corresponda al punto geográfico que se trate, en horas. Para todo el Ecuador, la hora local es GMT – 5horas. Lst, = es la longitud meridiano de referencia correspondiente al uso horario del lugar, en horas. Lloc,= es la longitud geográfica local, igual a 75˚ = es la ecuación del tiempo: ε = 9.87*sin (2B) – 7.53cos (B) – 1.5sin (B) B = (n-81) (360/364), donde n es el día del año correspondiente a la realización de la ensayo. ______________________________ NOTA 1. Para gran parte de la Sierra, TSV=Tofc-15minutos. En la Costa, TSV=Tofc-20min

(Continúa)

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Para calcular el Ángulo Acimutal del Sol, A, se tienen que:

( ) ( ) ( )( ) ( )ZSenCos

SenZCosSenACosφ

δφ −=)(

( ) ( ) ( )( )ZSenSenCosASen ωδ

=

Si Sen (A) < 0, entonces A= -Cos-1 (Cos(A)) Si Sen (A) > 0, entonces A= +Cos-1 (Cos(A))

(Continua)

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APÉNDICE Z

Z.1. DOCUMENTOS NORMATIVOS A CONSULTAR

ANSI/ASRHAE 93 Methods of testing to determine the termal perfomance of solar collector.

Z.2. BASES DE ESTUDIO

Norma peruana NTP 399.400 Colectores solares. Método de ensayo para determinar la eficiencia de los colectores solares. Comisión de Reglamentos Técnicos y Comerciales-INDECOPI, Lima, 2001. Proyecto de Norma Mexicana PROY-NMX-ES-001-NORMEX-2005 Energía Solar-Rendimiento Térmico y Funcionalidad de colectores solares para calentamiento de agua-Métodos de Ensayo y Etiquetado. Comité Técnico de Normalización Nacional para Energía Solar, México, 2005. Instituto Ecuatoriano de Normalización: Asoleamiento. INEN, Quito, 1978 ANSI/ASRHAE 93-1786 Methods of testing to determine the termal perfomance of solar collector. American National Standard Institute. ISO 9806-1: 1994, Test methods for solar collectors – Part 1: Thermal performance of glazed liquid heating collectors including pressure drop. International Organization Standard. Geneve, 1994.

INFORMACIÓN COMPLEMENTARIA

Documento: NTE INEN 2 507

TÍTULO: RENDIMIENTO TERMICO DE COLECTORES

SOLARES EN SISTEMAS DE CALENTAMIENTO DE AGUA

PARA USO SANITARIO. REQUISITOS.

Código:

CO 06.11-401

ORIGINAL: Fecha de iniciación del estudio: 2009-01-08

REVISIÓN: Fecha de aprobación anterior por Consejo Directivo Oficialización con el Carácter de por Acuerdo No. de publicado en el Registro Oficial No. de Fecha de iniciación del estudio:

Fechas de consulta pública: de a Subcomité Técnico: Comité Interno Fecha de iniciación: 2009-05-15 Fecha de aprobación: 2009-05-15 Integrantes del Subcomité Técnico: NOMBRES:

Ing. Fausto Lara Ing. Verónica Benítez Ing. Diego Almeida Ing. Marco Fernández Ing. Enrique Troya Ing. Soledad Arias (Pro Secretaria Técnica)

INSTITUCIÓN REPRESENTADA: AREA TECNICA DE NORMALIZACION AREA TECNICA DE NORMALIZACION SERVICIOS TECNOLOGICOS AREA TECNICA DE CERTIFICACION AREA TECNICA DE VERIFICACION MINISTERIO DE ELECTRICIDAD Y ENERGIA RENOVABLE

Otros trámites: El Directorio del INEN aprobó este proyecto de norma en sesión de 2009-08-14 Oficializada como: Voluntaria Por Resolución No. 078-2009 de 2009-10-13 Registro Oficial No. 65 de 2009-11-12