Energía Solar Térmica, técnicas para el aprovechamiento

La energía solar térmica es una opción muy interesante para abastecer de energía a millones de hogares, puesto que permite, por un lado, disminuir nuestra dependencia de los combustibles fósiles y, por otro, reducir las emisiones de gases de efecto invernadero responsables del cambio climático. En los últimos años, la energía solar térmica ha experimentado en España un gran desarrollo, pero todavía se halla lejos de los objetivos fijados en el Plan de Energías Renovables (PER), aprobado en agosto de 2005, que plantea alcanzar en el año 2010 una superficie instalada de captadores de 4,9 millones de metros cuadrados. El Código Técnico de la Edificación (CTE) es una de las medidas adoptadas para la consecución de este objetivo, puesto que obliga a instalar sistemas de captación, almacenamiento y utilización de energía solar térmica de baja temperatura en los edificios de cualquier uso de nueva construcción o que se rehabiliten, en los que exista demanda de agua caliente sanitaria o climatización de piscina cubierta.

El objeto de este libro es introducir al lector en las instalaciones de energía solar térmica de baja temperatura para uso residencial, haciendo referencia a todos los componentes de la instalación, desde los elementos principales a los elementos de regulación y control, e indicando criterios de diseño, dimensionado y montaje. El lector encontrará que lo descrito en el libro no sólo abarca los aspectos teóricos del tema sino también los prácticos.

CAPÍTULO 1. INTRODUCCIÓN 1
1.1 El sistema energético .1
1.2 Las energías renovables.6
1.2.1 Energía de la biomasa.7
1.2.2 Energía eólica .8
1.2.3 Energía geotérmica .9
1.2.4 Energía hidráulica .11
1.2.5 Energía mareomotriz.12
1.2.6 Energía undimotriz13
1.2.7 Energía maremotérmica 15
1.2.8 Energía osmótica.16
1.2.9 Energía solar .17
1.3 La energía solar térmica en el mundo.19
1.4 La energía solar térmica en Europa.20
CAPÍTULO 2. LA RADIACIÓN SOLAR.25
2.1 El Sol, fuente de energía25
2.1.1 Terminología básica26
2.1.2 La constante solar .26
2.1.3 El espectro solar27
2.2 Influencia de la atmósfera.29
2.3 El balance energético en la Tierra.31
2.4 El movimiento Tierra-Sol.33
2.4.1 Ángulos básicos 36
2.4.2 El tiempo solar 39
2.4.3 Ángulos relativos a superficies inclinadas.40
2.5 Irradiación solar extraterrestre .42
2.6 Irradiación solar terrestre .43
2.7 Medición de la radiación solar45
2.8 Fundamentos físicos del aprovechamiento de la energía solar.48
2.8.1 El cuerpo negro.48
2.8.2 Absorbancia49
2.8.3 Emitancia 50
2.8.4 Superficies selectivas 50
CAPÍTULO 3. LAS INSTALACIONES SOLARES TÉRMICAS53
3.1 Descripción de una instalación solar térmica.53
3.2 Clasificación de las instalaciones solares térmicas54
3.2.1 Clasificación según el principio de circulación 55
3.2.2 Clasificación según el sistema de expansión 56
3.2.3 Clasificación según el sistema de intercambio .58
3.2.4 Clasificación según el sistema auxiliar59
3.2.5 Clasificación según la aplicación62
CAPÍTULO 4. EL SISTEMA DE CAPTACIÓN 67
4.1 Descripción y clasificación de los captadores solares 67
4.2 Componentes del captador plano .73
4.2.1 Cubierta transparente74
4.2.2 Placa absorbente.75
4.2.3 Tubos de intercambio .75
4.2.4 Aislamiento.76
4.2.5 Carcasa .76
4.3 Balance energético 77
4.4 Rendimiento térmico.79
4.5 Conexionado de los captadores 82
4.6 Área total, área de apertura y área del absorbedor86
4.7 Estructura de soporte 87
4.8 Distancia mínima entre filas de captadores 87
CAPÍTULO 5. EL SISTEMA DE INTERCAMBIO 91
5.1 Mecanismos de transmisión de calor 91
5.1.1 Transmisión de calor por conducción 91
5.1.2 Transmisión de calor por convección.93
5.1.3 Transmisión de calor por radiación 95
5.1.4 Resistencia térmica .95
5.1.5 El coeficiente global de transmisión de calor .96
5.2 Descripción y clasificación de los intercambiadores de calor.98
5.2.1 Intercambiadores internos.98
5.2.2 Intercambiadores externos 99
5.3 Eficiencia del intercambiador101
5.4 Factor captador-intercambiador .102
5.4.1 Cálculo del intercambiador 103
CAPÍTULO 6. EL SISTEMA DE ACUMULACIÓN113
6.1 Descripción .113
6.2 La estratificación de las temperaturas.114
6.3 El aislamiento 114
6.4 Clasificación de los acumuladores 114
6.4.1 Clasificación según la posición.115
6.4.2 Clasificación según el material .116
6.4.3 Clasificación según el sistema de intercambio .117
6.5 Dimensionado del sistema de acumulación122
CAPÍTULO 7. EL SISTEMA HIDRÁULICO 123
7.1 Componentes del sistema hidráulico 123
7.2 Tuberías .124
7.2.1 Dilatación térmica 126
7.2.2 Cálculo de tuberías y pérdidas de carga.126
7.2.3 Aislamiento.136
7.3 Válvulas .138
7.3.1 Válvulas de esfera .139
7.3.2 Válvulas de asiento.139
7.3.3 Válvulas de resorte140
7.3.4 Válvulas de clapeta.142
7.3.5 Válvulas de equilibrado 144
7.3.6 Válvulas termostáticas.145
7.4 Bombas de recirculación.146
7.4.1 Requisitos de las bombas de circulación150
7.4.2 Cálculo de la bomba 152
7.5 Vasos de expansión .152
7.5.1 Tipología.153
7.5.2 Cálculo de vasos de expansión según la norma UNE 100155 .154
7.5.3 Cálculo del vaso de expansión del circuito primario .158
7.6 Elementos accesorios.162
7.6.1 Disipadores de calor.162
7.6.2 Purgadores de aire 168
7.6.3 Reductores de presión 170
7.6.4 Manómetros170
7.6.5 Termómetros.171
7.6.6 Conjuntos prefabricados .172
7.6.7 Contadores de energía 173
7.7 Fluido caloportador.174
CAPÍTULO 8. EL SISTEMA AUXILIAR.179
8.1 Introducción179
8.2 Conexión del sistema auxiliar con la instalación solar .181
8.2.1 Sistema auxiliar en serie con la acumulación solar 181
8.2.2 Sistema auxiliar-acumulador en serie con la acumulación solar183
8.2.3 Sistema auxiliar en paralelo con la acumulación solar.183
8.3 Dimensionado del sistema auxiliar .185
CAPÍTULO 9. EL SISTEMA DE CONTROL191
9.1 Sensores.193
9.2 Termostato diferencial 196
9.3 Actuadores 198
9.4 Control del proceso de carga del acumulador solar.199
CAPÍTULO 10. APLICACIONES205
10.1 Climatización de piscinas205
10.1.1 Circuito abierto.206
10.1.2 Circuito cerrado207
10.2 Producción de ACS .208
10.2.1 Producción de ACS centralizada y acumulación distribuida209
10.2.2 Producción de ACS centralizada y acumulación centralizada .211
10.2.3 Producción de ACS centralizada, acumulación centralizada
e intercambiador individual .213
10.3 Calefacción214
10.4 Refrigeración .216
10.4.1 La refrigeración por absorción216
10.4.2 El ciclo de absorción de simple efecto .218
10.4.3 El ciclo de absorción de doble efecto.220
10.4.4 La absorción rotativa 222
10.4.5 Instalaciones de pequeña y media potencia para producción de ACS,
apoyo a calefacción y producción de frío223
10.4.6 Instalación para producción de agua caliente sanitaria, apoyo a calefacción
y producción de frío en instalaciones de gran tamaño.224
CAPÍTULO 11. CÁLCULO DE INSTALACIONES227
11.1 El Código Técnico de la Edificación227
11.2 Contribución solar mínima .229
11.3 Cálculo de la energía solar disponible 235
11.4 Cálculo de la demanda de energía en instalaciones de ACS 236
11.5 Cálculo de la demanda de energía en la climatización de piscinas240
11.6 Cálculo de la demandas de calefacción y refrigeración .242
11.6.1 El método de los grados-día .242
11.6.2 Cálculo aproximado de la carga térmica244
CAPÍTULO 12. PREVENCIÓN DE LA LEGIONELOSIS.247
ANEXO I. NORMATIVA APLICABLE 253
ANEXO II. TABLAS DE REFERENCIA 256
ANEXO III. CÁLCULO DE LAS PÉRDIDAS POR ORIENTACIÓN E INCLINACIÓN .271
ANEXO IV. CÁLCULO DE LAS PÉRDIDAS DE RADIACIÓN SOLAR POR SOMBRAS275
ANEXO V. MÉTODOS DE CÁLCULO.283
BIBLIOGRAFÍA306