- 1.energa solar trmica G U A S P R C T I C A S D E E N E R G A S
R E N O VA B L E Saven maqueta okok.indd 126/3/08 12:01:43
2. TTULO DE LA PUBLICACINGua prctica de Energa Solar TrmicaLa
presente Gua prctica de Energa Solar Trmica ha sido editada por la
Agencia Valenciana de la Energa yforma parte de una serie de
publicaciones dirigidas a diferentes sectores ....AVENAgencia
Valenciana de la EnergaCalle Coln, 1, 4 planta46004
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javieribezFotomecnica e impresin: LAIMPRENTA CGDeposito Legal:
V-1051-2008aven maqueta okokOKOK.indd 2 27/3/08 08:47:58 3. NDICE
ndice general 1. Introduccin a la Energa 9 1.1. La energa9 1.2.
Consumo energtico mundial actual11 1.3. Impacto ambiental de la
energa13 2. La radiacin solar 19 2.1. La constante solar 19 2.2.
Componentes de la radiacin solar19 2.3. El movimiento solar21 2.4.
Aprovechamiento de la energa solar23 3. Elementos caractersticos de
una instalacin 29 3.1. Sistema de captacin de calor29 3.1.1
Captador solar plano29 3.1.2 Captadores sin cubierta 31 3.1.3.
Captadores solares de vaco32 3.1.4. Rendimiento de los captadores
solares33 3.1.5 Fluido caloportador 36 3.1.6 Temperatura de
estancamiento37 3.1.7 Integracin arquitectnica38 3.2. Sistema de
acumulacin 39 3.3. Sistema intercambio de calor 41 3.3.1 Tipos de
intercambiadores de calor41 3.3.2 Equipos compactos 42 3.4.
Circuito hidrulico43 3.4.1 Red de tuberas de la instalacin 44 3.4.2
Bomba de circulacin47 3.4.3 El vaso de expansin48 3.4.4 Sistema de
purga de aire49 3.4.5 Sistemas de llenado y de vaciado49 3.4.6
Vlvulas49 3.5. Sistema de energa convencional auxiliar 50 3.6.
Equipos de control 51 3.7. Sistema de medida53 4. Instalaciones57
4.1. Clasificacin de las instalaciones 57 4.2. Acoplamiento del
sistema de apoyo59 4.2.1 Acoplamiento en serie 59 4.2.2
Acoplamiento en paralelo60GUA PRCTICA DE ENERGA SOLAR TRMICA 3aven
maqueta okok.indd 3 26/3/08 12:01:44 4. NDICE4.2.3 Acoplamiento
directo 604.2.4 Circuito de recirculacin614.2.5 Tratamiento trmico
para la prevencin de la legionelosis62 4.3. Esquemas de
funcionamiento 62 4.4. Instalaciones solares en la edificacin64
4.4.1 Instalaciones con consumo centralizado64 4.4.2 Instalaciones
con consumo individual66 4.5. Disposicin de los colectores68 4.6.
Conexionado de los acumuladores71 4.7. Control de la temperatura de
los colectores72 5. Diseo y dimensionado77 5.1. Orientacin e
inclinacin de los captadores77 5.2. Clculo de la demanda79 5.2.1
Consumo de agua caliente79 5.2.2 Temperatura de utilizacin81 5.2.3
Temperatura de entrada del agua fra81 5.3. Diseo de la instalacin
83 5.3.1 Conceptos bsicos 83 5.3.2 Aporte de energa de la
instalacin solar 84 5.3.3 Dimensionado bsico. Mtodo f-chart 85
5.3.4 Mtodo orientativo a partir del rendimiento medio 88 5.3.5
Dimensionado del volumen de acumulacin 89 5.3.6 Dimensionado del
intercambiador 89 5.3.7 Vaso de expansin 90 5.3.8 Bomba de
circulacin91 5.4. Las sombras en una instalacin solar 92 6.
Aplicaciones de la energa solar trmica 99 6.1. Produccin de agua
caliente sanitaria99 6.2. Calentamiento de agua de piscinas99 6.2.1
Piscinas al aire libre 100 6.2.2 Piscinas cubiertas 100 6.3.
Calefaccin 101 6.4. Climatizacin solar 102 6.5. Energa solar para
procesos industriales103 7. Situacin socioeconmica de la energa
solar trmica109 7.1. Contexto nacional e internacional 109 7.2. La
energa solar trmica en la Comunidad Valenciana 111 7.3. Previsin
futura de la energa solar trmica en la Comunidad Valenciana 113 4
GUA PRCTICA DE ENERGA SOLAR TRMICAaven maqueta okok.indd 426/3/08
12:01:44 5. NDICE 8. Casos prcticos 119 8.1. Instalacin solar para
agua caliente sanitaria en bloque de apartamentos en Denia 119 8.2.
Instalacin solar combinada para ACS y calefaccin en residencia en
Oliva 119 8.3. Produccin de agua caliente sanitaria en un hotel en
Gandia 120 8.4. Energa solar trmica en la piscina municipal de
Algemes 121 8.5. Instalacin para acondicionar una piscina
individual descubierta en Calpe 122 8.6. Produccin de agua caliente
sanitaria en industria crnica en Orihuela122 9. Bibliografa127 10.
Normativa Aplicable131 11. Anexos 135 Anexo I. Radiacin solar en la
Comunidad Valenciana135 Anexo II. Demandas de ACS de referencia
segn el CTE 138 Anexo III. Exigencias del CTE para la contribucin
solar mnima139 Anexo IV. Mtodo de clculo f-chart141 Anexo V.
Temperaturas ambiente medias145 Anexo VI. Tablas para el clculo de
prdidas de radiacin solar por sombras147 Anexo VII. Prdidas de
carga en tuberas 149 Anexo VII. Unidades y factores de conversin
152 Anexo IX. Nomenclatura 153 Anexo X. GLOSARIO155GUA PRCTICA DE
ENERGA SOLAR TRMICA 5aven maqueta okok.indd 5 26/3/08 12:01:44 6.
aven maqueta okok.indd 6 26/3/08 12:01:44 7. 1. Introduccinaven
maqueta okok.indd 7 26/3/08 12:01:44 8. aven maqueta okok.indd 8
26/3/08 12:01:44 9. INTRODUCCIN 1 Introduccin a la Energa 1.1 La
energaSe define energa como la capacidad que tiene un sistema para
realizar un trabajo. Lasunidades que sirven para medir la energa
son las mismas que nos permiten cuantificar eltrabajo realizado por
un sistema. La unidad del Sistema Internacional que mide la
energaes el julio (J). 1J=1Wx1sOtras unidades de medida de la
energa son:
Calora:Cantidaddeenerganecesariaparaelevarlatemperaturadeungramodeagua
un grado de 14,5 a 15,5 C, a presin constante.
Frigora:Esunacaloranegativa.Eslaenergaquehayquesustraerdeungramodeagua
para enfriarlo un grado centgrado.
Termia:Equivalenteaunmillndecaloras.
Kilovatiohora:Energadesarrolladaporunaunidaddepotencia(kW)duranteunahora.
Toneladaequivalentedepetrleo:Cantidaddeenergasimilaralaqueproducela
combustin de una tonelada de petrleo. Su valor exacto es de 10.000
termias. Otras equivalencias: 1 tep = 107 kcal=11.628kWhLa energa
se puede presentar de formas muy diferentes: energa elctrica,
energa cintica,energa potencial, energa en forma de calor, energa
en forma de luz, etc. Todas lasactividades que se realicen
necesitan aporte de energa. Por ello, la energa es un factorclave,
y de su utilizacin y el impacto de este uso sobre el medio
ambiente, depende elprogreso de nuestra sociedad y la supervivencia
de las actuales formas de vida de nuestroplaneta.Una de las
caractersticas ms importantes de la energa es que ni se crea ni se
destruye,slo se transforma. Este principio, tambin conocido como la
ley de la conservacin de laenerga o primera ley de la termodinmica,
justifica las diferentes formas o estados quepuede adoptar la
energa en un mismo sistema. Un ejemplo claro sera la energa
potencialalmacenada en un embalse debido a la altura de la lmina de
agua con respecto la turbina,la cual se transforma en energa
cintica al pasar el agua por el sistema de conduccin(reduciendo su
altura pero aumentando su velocidad). Posteriormente la energa
cintica deeste caudal de agua induce un movimiento rotatorio a la
turbina que har que esta energase transforme en energa elctrica.GUA
PRCTICA DE ENERGA SOLAR TRMICA 9aven maqueta okok.indd 9 26/3/08
12:01:44 10. INTRODUCCIN FUENTES DE ENERGA Las fuentes de energa de
la tierra se pueden dividir en dos grandes grupos: las energas
renovables y las no renovables. Las fuentes de energa no renovables
son las que a escala humana no son capaces de crearse al mismo
ritmo en que se consumen. En cambio, las fuentes de energa
renovable son inagotables a escala humana y tienen, principalmente,
un origen solar. Las principales fuentes de energa primaria
son:Energas no renovablesEnerga fsil Son el carbn, el gas natural y
los productos petrolferos. Sonproductos formados a partir de la
descomposicin parcial degrandes masas de seres vivos que vivieron
hace millones de aos.Energa nuclear Consiste en energa de fisin y
energa de fusin. La fisin odesintegracin de ciertos ncleos pesados
libera gran cantidad deenerga en forma de calor que, mediante
turbinas de vaporproducen electricidad.La fusin consiste en
aprovechar la energa liberada en el procesode unin de dos tomos
para producir un tercero de menor masa.Energas renovablesEnerga
solar La captacin directa de la radiacin solar se puede aprovechar
paraproducir calor (solar trmica) o para producir electricidad
(solarfotovoltaica).Energa elicaLa energa del Sol calienta de forma
desigual la superficie de latierra provocando movimientos de la
masa atmosfrica en formade energa cintica que es aprovechada por
los aerogeneradorespara producir energa elctrica.Energa hidrulicaLa
energa acumulada en las masas de agua es transformada
enelectricidad a travs de unas turbinas situadas en una cota
inferior.Energa de la Se basa en la utilizacin de la energa qumica
contenida en labiomasa materia orgnica y algunos residuos,
utilizables como combustiblespara la obtencin de calor o la
produccin de electricidad. Sucombustin no altera el balance de CO2
en la atmsfera, ya questa absorbe la misma cantidad de CO2 para su
crecimiento queluego libera durante su combustin.Energa geotrmicaEs
la energa derivada del calor almacenado en el interior de
latierra.Energa del mar Es la energa de las mareas, la energa de
las olas y la obtenida delos gradientes trmicos a distintas
profundidades de los ocanos.Tabla 1: Fuentes de energa primaria.10
GUA PRCTICA DE ENERGA SOLAR TRMICAaven maqueta okok.indd 10 26/3/08
12:01:45 11. INTRODUCCIN 1.2 Consumo energtico mundial actualEl
consumo de energa de una poblacin est totalmente ligado a su
desarrollo econmico.Se estima que una tercera parte de los 6.000
millones de habitantes del planeta no tieneacceso a las fuentes de
energa comerciales y, aproximadamente, una cuarta parte de
lapoblacin mundial (EUA, Japn y UE) consume tres cuartas partes del
total de la energaque se comercializa en el mundo.En el ao 2020 se
espera que la poblacin mundial haya aumentado en ms de
2.000millones de personas y se espera que el consumo mundial de
energa se incremente un50%. Las cifras se detallan en la Tabla 2 y
Tabla 3.% sobre totalZona2004 2005Variacin % (2005)Norte
Amrica2.800 2.8010,3 26,6Amrica Latina 481501 4,54,8Europa yantigua
URSS 2.961 2.9841,1 28,3Oriente Medio492510 4,04,8frica 312317
1,83,0sia Pacfico3.246 3.4245,8 32,5 Tabla 2 : Consumo mundial de
energa primaria en Mtep. Fuente: Statistical Review of World
Energy. BP, 2006 Fuente de energaTotal (Mtep) %Petrleo
3.83736,4%Gas natural2.47523,5%Carbn
2.93027,8%Nuclear6276,0%Hidrulica 6696,3%Total 10.537 100,0% Tabla
3: Energa primaria comercializada en el mundo en el ao 2005.
Fuente: Statistical Review of World Energy. BP, 2006GUA PRCTICA DE
ENERGA SOLAR TRMICA 11aven maqueta okok.indd 1126/3/08 12:01:45 12.
INTRODUCCIN SITUACIN ENERGTICA DE LA COMUNIDAD VALENCIANA El
elevado consumo de gas natural y una mayor diversificacin energtica
hacen que la estructura energtica de la Comunidad Valenciana sea ms
parecida, en porcentaje, a la del conjunto de la Unin Europea que a
la de Espaa tal y como se ve en la Tabla 4.Consumo de EnergaUE
(2005)Espaa (2005) CV (2005)Primaria (Mtep)Total % Total%
Total%Petrleo 700,4 40,8% 71,8 49,2%5,6 45,6%Gas natural424,1 24,7%
29,1 20,0%3,4 27,6%Carbn 299,0 17,4% 21,2 14,5%0,00,0%Nuclear220,9
12,9% 15,0 10,3%1,8 15,0%Hidrulica70,8 4,1% 8,9 6,1%
0,32,3%Total1.715,2 145,9 12,2 (*) (*) Valores anteriores ms 1,17
Mtep de saldo elctrico.Tabla 4 : Consumo de energa primaria.
Fuente: DGPEM y Statistical Review of World Energy. BP, 2006Figura
1: Valores porcentuales de consumo de energa primaria en Europa
(2005), Espaa (2005) y la Comunidad Valenciana (2005).12 GUA
PRCTICA DE ENERGA SOLAR TRMICAaven maqueta okok.indd 12 26/3/08
12:01:46 13. INTRODUCCINDurante el ao 2005, la participacin de las
energas renovables en la Comunidad Valencianafue del 2,3% del total
de la energa primaria, mientras que en Espaa represent un 6,1 %y un
4,1% en la Unin Europea. Se observa que la participacin de las
energas renovablesen la estructura energtica sigue siendo todava
muy baja en los tres niveles geogrficos, enrelacin con los
objetivos planteados para el 2010.Por fuentes energticas, la
Comunidad Valenciana presenta una elevada demanda degas natural,
una moderada demanda de productos petrolferos y una prcticamente
nulademanda de carbn, a diferencia de los niveles de demanda
europeo y nacional.Asimismo, se observa un dficit de energa
elctrica en nuestra Comunidad a diferencia delos valores a nivel
nacional y europeo. 1.3 Impacto ambiental de la energaLos procesos
de captacin, transformacin y uso de la energa provocan
importantesimpactos sobre el medio ambiente, adems del propio
efecto de agotamiento progresivode los recursos no renovables. As,
los daos ms significativos suelen estar asociados alas emisiones
atmosfricas contaminantes, a la contaminacin de los medios
terrestre yacutico y a la generacin de residuos.Entre los impactos
ms importantes derivados del uso de la energa y principalmente de
lacombustin de energas fsiles, se cuentan la lluvia cida, el cambio
climtico, la destruccinde la capa de ozono estratosfrico y la
contribucin al aumento del ozono troposfrico. Figura 2. Instalacin
solar trmica en una vivienda aislada.Los procesos de transformacin
de la energa y en concreto, la generacin de energa elctricaa partir
de fuentes fsiles emiten a la atmsfera diferentes compuestos
contaminantes, SO2,CO2 (principal gas de efecto invernadero) y
metales pesados e hidrocarburos, responsablesde la acidificacin del
suelo y las aguas naturales y del smog fotoqumico. El 90% de
laemisiones de CO2 a la atmsfera tienen un origen energtico.La
respuesta de la comunidad internacional a estos serios problemas
ambientales se hatraducido en dos instrumentos jurdicos, la
Convencin Marco de Naciones Unidas sobre
elCambioClimtico,adoptadaen1992yqueentrenvigoren1994,yelProtocolodeKioto.El
objetivo de ambos instrumentos es luchar contra el cambio climtico
mediante una accininternacional de reduccin de las emisiones de
determinados gases de efecto invernadero GUA PRCTICA DE ENERGA
SOLAR TRMICA 13aven maqueta okok.indd 13 26/3/08 12:01:47 14.
INTRODUCCIN responsables del calentamiento del planeta. As, los
compromisos derivados del Protocolo
deKiotopretendenreducirlasemisionesdeCO2 un 5% a nivel mundial, un
8% para la UE y para Espaa permitir un incremento mximo del 15%,
lmite que en la actualidad se ha sobrepasado ampliamente, situndose
por encima del 40% respecto de 1990. Las tecnologas a partir de
recursos renovables juegan un papel destacado en la consecucin de
las polticas de freno del cambio climtico, puesto que suponen una
alternativa ventajosa desde el punto de vista ambiental frente a
las opciones convencionales.14 GUA PRCTICA DE ENERGA SOLAR
TRMICAaven maqueta okok.indd 14 26/3/08 12:01:47 15. aven maqueta
okok.indd 15 26/3/08 12:01:47 16. aven maqueta okok.indd 16 26/3/08
12:01:47 17. 2. La radiacin solaraven maqueta okok.indd 17 26/3/08
12:01:47 18. aven maqueta okok.indd 18 26/3/08 12:01:47 19. LA
RADIACIN SOLAR2 La radiacin solarLa energa del Sol llega a la
Tierra en forma de ondas electromagnticas que se propagan entodas
direcciones. Las ondas electromagnticas se caracterizan por la
frecuencia [f] con quela onda se repite completamente por unidad de
tiempo. La frecuencia se mide en herciosy cuanto mayor sea sta o
mayor sea el nmero de oscilaciones, mayor es la cantidad deenerga
transportada por la onda.La longitud de onda es el cociente entre
la velocidad de la luz (c= 3 x 10 8 m/s) y lafrecuencia. De este
modo, cuanto ms pequea sea la longitud de onda ms grande ser
lafrecuencia y ms energa transportar. 2.1 La constante solarLa
constante solar es la intensidad del flujo de radiacin solar que
incide sobre una unidadde superficie en un plano tangente a la
esfera imaginaria formada por la capa externa dela atmsfera.El
valor de la constante solar es de 1.367 W/m2. No es un valor fijo
ya que sufre ligerasvariaciones a lo largo del ao (aproximadamente
7 W/m2) debido a que la rbita terrestreno es circular sino
elptica.2.2 Componentes de la radiacin solarNo toda la radiacin
solar que incide sobre la atmsfera llega hasta la superficie de
nuestroplaneta. Los rayos solares al entrar en contacto y atravesar
el obstculo que supone laatmsfera sufren una serie de fenmenos
fsicos entre los que
destacamos:Reflexin.Unapartedelaradiacinsereflejaenlapartesuperiordelasnubes(comoen
un
espejo).Difusin.Losrayossolareschocanconlasmolculasgaseosasypartculasdepolvo
difundindose en todas direcciones, de forma que una parte vuelve al
espacio.Absorcin.Unapartedelaradiacinesabsorbidaporlasmolculaspresentesenla
atmsfera.Porejemplo,aunos25kmdealturaelozonopredominasobreotrasmolculas
absorbiendo principalmente las radiaciones de entre 0,2 a 0,32 mm
que se corresponde con los rayos ultravioletas.GUA PRCTICA DE
ENERGA SOLAR TRMICA 19aven maqueta okok.indd 1926/3/08 12:01:47 20.
LA RADIACIN SOLARFigura 3. Interaccin de la radiacin solar con la
atmsfera Debido a los anteriores fenmenos fsicos, un objeto situado
en la superficie terrestre recibir los siguientes tipos de
radiacin:
Radiacindirecta.Aquellosrayosquealcanzanlasuperficieterrestresinserdesviados.Esta
radiacin en das nublados es muy pequea y provoca sombras.
RadiacinDifusa.Laquellegaalasuperficieterrestredespusdehabercambiadovariasveces
de direccin al atravesar la atmsfera. A mayor nubosidad ms
importante es laradiacin difusa.
RadiacinReflejada.Lapartederadiacinreflejadaporelterrenoyotroselementosdela
superficie terrestre y que puede ser reabsorbida por otros objetos.
Al cociente entre laradiacin reflejada y la incidente en la
superficie terrestre se le llama albedo. A la suma de los tres
tipos de radiacin recibida se le llama radiacin total. En das
despejados la radiacin directa ser mucho mayor que la difusa. La
radiacin difusa puede llegar en un porcentaje de un 10-15% en das
claros y hasta un 95% en das nublados. A lo largo del ao la
radiacin difusa supone aproximadamente un tercio de la radiacin
total que llega la superficie terrestre. Para definir la energa
solar que llega a una superficie se usan las siguientes magnitudes:
Irradiancia(I):Potenciasolarincidenteporunidaddesuperficiesobreunplanodado.Seexpresa
en W/m2 .
Irradiacin(E):Energaincidenteporunidaddesuperficiesobreunplanodado,obtenidapor
integracin de la irradiancia durante un intervalo de tiempo dado,
normalmente unahora o un da. Se expresa en MJ/m2okWh/m2. La palabra
radiacin se utiliza para el concepto genrico. La cantidad de
radiacin directa que una superficie recibe depende del ngulo
formado entre sta y los rayos solares incidentes. Si la superficie
est situada perpendicularmente a20 GUA PRCTICA DE ENERGA SOLAR
TRMICAaven maqueta okok.indd 20 26/3/08 12:01:47 21. LA RADIACIN
SOLARlos rayos solares la radiacin directa ser mxima, disminuyendo
a medida que aumenta elngulo que forman los rayos con la normal al
plano en que inciden.Zona climtica MJ/m2 IH
