MÓDULO 3: SISTEMAS SOLARES TÉRMICOS (SST) PARA AGUA CALIENTE SANITARIA (ACS)

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INDICE UNIDAD 1: INTRODUCCIÓN A LA ENERGÍA SOLAR TERMICA ........................ 3 1.1 CARACTERÍSTICAS DE LOS SISTEMAS SOLARES TÉRMICOS (SST) .... 4 1.2 TIPOS DE COLECTORES SOLARES TÉRMICOS ....................................... 6 UNIDAD 2: SISTEMAS SOLARES TÉRMICOS (SST) .......................................... 7 2.1 CONSIDERACIONES GENERALES SOBRE LOS SST ............................... 8 2.2 CLASIFICACIÓN DE LOS SST ..................................................................... 9 2.3 ESTIMACIÓN DE LA DEMANDA DE AGUA CALIENTE SANITARIA (ACS) ........................................................................................................................... 11 2.4 TEMPERATURA DEL USO DEL ACS ......................................................... 13 2.5 UBICACIÓN DEL SST ................................................................................. 15 2.6 EFECTO DE LA SOMBRA Y DE LA TEMPERATURA ................................ 17 2.7 EFICIENCIA DEL SST Y FRACCIÓN SOLAR............................................. 19 2.8 ESTIMACIÓN DEL TAMAÑO Y COSTOS DE UN SST ............................... 21 2.9 SST DIRECTO Y SST INDIRECTO ............................................................. 23 2.10 SST TERMOSIFÓN Y SST DE CIRCULACIÓN FORZADA ...................... 25 2.11 OTROS COMPONENTES DEL SST ......................................................... 27 UNIDAD 3: ORIENTACIONES PARA LA OPERACIÓN DE UN SST .................. 30 3.1 INSTALACIÓN DEL SST ............................................................................. 31 3.2 PUESTA EN MARCHA Y RECEPCIÓN DEL SST ...................................... 33 3.3 ADQUISICIÓN DE UN COLECTOR SOLAR ............................................... 35 3.4 OPERACIÓN Y MANTENCIÓN ................................................................... 37

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UNIDAD 1: INTRODUCCIÓN A LA ENERGÍA SOLAR TERMICA

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1.1 CARACTERÍSTICAS DE LOS SISTEMAS SOLARES TÉRMICOS (SST) Un SST transforma la radiación solar en energía térmica, energía que se trasmite a un fluido que puede ser agua, aceite o de otro tipo. En el caso de que se caliente agua, ésta normalmente se utiliza en duchas, baños, cocina o usos industriales. SISTEMA SOLAR TÉRMICO AGUA CALIENTE SANITARIA (SST) (ACS) Sistema que integra: Agua caliente que se utiliza en los - Un colector solar térmico. baños, duchas, cocinas o - Un depósito acumulador. lavaderos de casas o edificios. - Un conjunto de otros componentes encargados de realizar las funciones de captar la radiación solar, transformarla directamente en energía térmica, la que se transmite a un fluido de trabajo y por último, almacenar dicha energía térmica, bien en el mismo fluido de trabajo o en otro, para ser utilizada en los puntos de consumo de agua caliente sanitaria. Dicho sistema podrá ser complementado con algún sistema convencional de calentamiento de agua, sin embargo, éste no se considerará parte del SST. Las definiciones fueron extraídas desde Ley 20.365 que establece la FRANQUICIA TRIBUTARIA respecto de SISTEMAS SOLARES TÉRMICOS.

Los subsistemas que componen un SST se presentan en la siguiente tabla: SUBSISTEMAS QUE COMPONEN UN SST. Transforma la radiación solar en energía térmica aumentando la temperatura del ACS. Si en el módulo de ENERGÍA SOLAR FOTOVOLTAICA SISTEMA DE hablábamos de los “paneles fotovoltaicos”, en el CAPTACIÓN caso de energía solar térmica se habla de “COLECTORES SOLARES”, que son los componentes que transforman la radiación solar 4

SISTEMA DE ACUMULACIÓN

SISTEMA DE RESPALDO

en energía térmica. Componente donde se almacena el ACS hasta que sea utilizada. Se conoce como TERMO ACUMULADOR o ESTANQUE ACUMULADOR DE ACS. En algunas ocasiones es necesario recurrir a una fuente de energía distinta de la energía solar para calentar la cantidad necesaria de ACS. En esas ocasiones se utiliza un sistema de respaldo, el que puede ser un calefón o una caldera, por ejemplo.

En la siguiente imagen es posible ver la configuración básica de un SST: ene_m3u1_caracteristicas_1.jpg rediseñado FUENTE: Manual Práctico del Técnico Solar. Programa Solar, 2013.

El SST también incluye el sistema de cañerías, bombas y válvulas que permiten la transferencia de energía térmica hacia el ACS y hacia el uso final. ¡NO OLVIDAR! El COLECTOR SOLAR es un tipo de intercambiador de calor que convierte la radiación solar en energía térmica utilizable.

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1.2 TIPOS DE COLECTORES SOLARES TÉRMICOS Una primera categorización en los SST se produce por la diferencia entre las placas colectoras, ya que en el mercado podemos encontrar COLECTORES PLANOS Y DE TUBOS. COLECTOR SOLAR DEL ene_m3u1_tiposcolectores_1.png FUENTE: cortesía de IDMA. TIPO “PLANO”. En términos simples funcionan creando un efecto invernadero dentro de una caja aislada de color negro. El colector está conformado por una placa absorbente de color negro generalmente, el cual absorbe la radiación solar, una cubierta transparente que resiste cambios de temperatura y que reduce las pérdidas de calor por convección y radiación al ambiente y por una aislación en su área posterior para reducir las pérdidas por conducción. En la siguiente imagen podemos ver cómo está organizado un colector plano: ene_m3u1_tiposcolectores_2.png rediseñada

COLECTOR SOLAR DEL ene_m3u1_tiposcolectores_3.png FUENTE: cortesía de IDMA. TIPO “TUBOS”. Este tipo de SST también se conoce como “Tubos Evacuados” o sistemas “Heat Pipe”. Consiste en un tubo inserto en otro tubo, creando un vacío. El tubo interior cuenta con un fluido, que puede ser agua u otro tipo de fluido, y que recibe la radiación solar y trasmite el calor hacia el termo acumulador. Cada tubo funciona de manera independiente. En la siguiente figura podemos ver un esquema simple de un tubo: ene_m3u1_tiposcolectores_4.png rediseñada FUENTE: Sistemas Solares Térmicos II. Programa Solar, 2010.

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UNIDAD 2: SISTEMAS SOLARES TÉRMICOS (SST)

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2.1 CONSIDERACIONES GENERALES SOBRE LOS SST Al igual que en los SISTEMAS FOTOVOLTAICOS, los SST funcionan con la RADIACIÓN SOLAR, por lo que su ubicacióm es importante ya que determinará cuan eficiente será el sistema. La selección de la ubicación del SST también debe definirse en base a las sombras e inclinación que tenga el lugar, variables que también influyen en el funcionamiento del sistema. Recordemos que los factores de INCLINACIÓN, SOMBRAS Y TEMPERATURA influyen en el desempeño del SST, por lo que no se recomienda el comparar dos SST instalados en casas vecinas, ya que los rendimientos serán distintos. Además de la localización del SST, son aspectos a considerar para la elección del sistema a implementar: • • • •

La demanda de agua caliente. Inclinación. Características de la edificación. Soluciones tecnológicas disponibles.

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2.2 CLASIFICACIÓN DE LOS SST Los SST se pueden clasificar según distintos parámetros tales como el tipo de circulación, la organización de sus componentes, el sistema de intercambio de calor, entre otros. Las clasificaciones más importantes corresponden a las del tipo de SISTEMA DE INTERCAMBIO TÉRMICO y la del PRINCIPIO DE CIRCULACIÓN UTILIZADO. Una primera clasificación que será descrita en esta unidad, corresponde a la clasificación del SST según su FORMA DE ACOPLAMIENTO, que refiere a si el sistema es integrado o se dispone de manera desacoplada. A continuación, se presentan algunas imágenes relacionadas:

CLASIFICACIÓN DE LOS SST SEGÚN SU FORMA DE ACOPLAMIENTO El termo acumulador y el ene_m3u2_clasificacion_1.png sistema colector están muy SST cerca, a simple vista se INTEGRADO pueden ver ambos componentes. El sistema de colectores se ene_m3u2_clasificacion_2.png ubica en lugar donde capta radiación solar, mientras que SST el termo acumulador se DESACOPLADO instala cerca del lugar de consumo (baños y/o cocina, por ejemplo). Una segunda forma de clasificación de los SST, es de acuerdo al PRINCIPIO DE CIRCULACIÓN DEL FLUIDO el cual puede ser natural, conocida por TERMOSIFÓN, o FORZADA. Esta última requiere de una bomba de circulación por lo que utiliza energía eléctrica. Puede encontrar más detalles en el Manual Práctico del Técnico Solar. Una tercera forma de clasificar los SST, es de acuerdo al SISTEMA DE INTERCAMBIO, dependiendo si es directo o indirecto. Más adelante se revisará la diferencia de estos dos tipos de SST. 9

En la siguiente tabla se resumen los criterios de clasificación: CRITERIO PRINCIPIO DE CIRCULACIÓN SISTEMA DE INTERCAMBIO DE CALOR FORMA DE ACOPLAMIENTO

CLASIFICACIÓN Termosifón Circulación Forzada Directo indirecto Integrado o Compacto Desacoplado

DESCRIPCIÓN Funcionan por convección natural. Funcionan por bombeo. El fluido del circuito primario es el agua de consumo. El fluido del circuito primario es distinto del agua de consumo. El colector y acumulador se encuentran en la misma unidad El colector y el acumulador se encuentran separados y a distancia.

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2.3 ESTIMACIÓN DE LA DEMANDA DE AGUA CALIENTE SANITARIA (ACS) Al igual que en el caso de los SISTEMAS FOTOVOLTAICOS, uno de los aspectos más importantes y sensibles a la hora de instalar un SST, es el estimar la cantidad de ACS que es necesaria para satisfacer la demanda del usuario. En términos generales, se trabaja con promedios de cantidad de litros según el uso o tipo de usuario. Es así como en el caso de una casa residencial, se estima que cada persona consume entre 48 a 50 litros por día de ACS. Si en la casa viven 4 personas, entonces se estima que su consumo de ACS sería de 192 a 200 litros por día. Eso si, es necesario considerar las siguientes aclaraciones al respecto.

1º

2º

3º

ACLARACIONES AL EJEMPLO Se mencionó que el consumo diario estimado de ACS era de 50 litros por persona y este consumo corresponde a una ducha de 5 minutos de duración (se estima que se usan 10 litros de agua por minuto, asumiendo una presión del agua sin problemas). Este aspecto es muy relevante, ya que son muy pocas las personas que realmente se duchan sólo por 5 minutos. La mayoría de nosotros nos tomamos duchas que duran más tiempo y ese es un aspecto que debemos considerar para la estimación de la demanda de ACS. Los 50 litros de ACS al día corresponden sólo al uso en la ducha, por lo que si se quiere incluir algún otro uso de ACS, como para la cocina o el lavado de ropa, entonces hay que sumar más litros a los previamente calculados. La demanda de agua depende de la cultura del lugar, por lo que no se puede estimar igual consumo en localidades, ciudades o países con diferente disponibilidad de recursos y patrones de consumo arraigados. Por ejemplo, no se puede comparar la cantidad de agua que utiliza una persona de la comuna de Punitaqui, provincia de Limarí, ubicada al interior de la región de Coquimbo, donde las condiciones de secano y la aridez hacen que el recurso hídrico sea muy escaso, con ciudades con buena disponibilidad de recurso hídrico como Valdivia, región de Los Ríos.

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Generalmente se utilizan los consumos promedios que se han estimado para cada tipo de uso de ACS y una temperatura de referencia de 45 °C, como es el caso de la siguiente tabla que muestra distintos tipos de usuarios: LITROS POR DÍA Viviendas unifamiliares 40 Viviendas multifamiliares 30 Cuarteles 30 Fábricas y talleres 20 Centro de salud ambulatorio 60 Gimnasios 30 a 40 Oficinas 5 Residencias (ancianos, estudiantes, 80 etc.) Hospitales y clínicas 80 Hoteles (4 estrellas) 100 Hoteles (3 estrellas) 80 Hoteles/Hostales (2 estrellas) 60 Hostales/Pensiones (1 estrella) 50 Escuelas sin ducha 5 Escuelas con ducha 30 Campings 60 Restaurantes 8 a 15 Cafeterías 2 Vestuarios/Duchas colectivas 20 Lavanderías 5a7 CRITERIO DE CONSUMO

PARÁMETRO

Por persona/usuario

Por cama

Por alumno Por emplazamiento Por comida Por almuerzo Por servicio Por kilo de ropa

FUENTE: Sistemas Solares Térmicos II (MINENERGIA/GEF/PNUD/CDT, 2010)

¡NO OLVIDAR! Es muy importante explicarles a los beneficiarios de un SST lo relacionado con la capacidad del sistema, ya que el rendimiento de un SST estará dado también por el perfil de uso del ACS. Es decir un SST tendrá rendimientos distintos si, por ejemplo, lo utiliza una familia que se ducha en promedio 5 minutos versus otra familia que se ducha 10 minutos en promedio.

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2.4 TEMPERATURA DEL USO DEL ACS Mientras más baja sea la diferencia de temperaturas entre el agua caliente y el agua fría, menor será la demanda de energía asociada; de ahí la importancia de que el consumo se realice a la menor temperatura posible. En el extremo, si el consumo se hiciera a la temperatura del agua fría no habría demanda de energía. Para que el consumo de agua caliente produzca el efecto deseado, es necesario que se realice a una determinada temperatura que varía según la aplicación y el usuario. Normalmente casi todo el gasto de agua caliente se produce entre los 35 y 45°C, siendo utilizada el agua menos caliente para el lavado de manos y la más caliente para la limpieza en fregaderos. Una temperatura de hasta 38°C, medio grado o uno superior a la del cuerpo humano, es más que suficiente no sólo para la higiene sino para la sensación de comodidad. Las temperaturas de agua caliente deberán seleccionarse teniendo en cuenta: • La LEGISLACIÓN VIGENTE tanto en materia sanitaria como en ahorro y eficiencia energética, y otras. • Que la temperatura mínima de preparación sea de 45°C. • Las pérdidas térmicas hasta el punto de consumo producirán una caída de temperatura que siempre deberá ser INFERIOR A 3°C. • Que la temperatura máxima de uso siempre será INFERIOR A 60°C para evitar quemaduras. ¡NO OLVIDAR! La temperatura del agua de Red Media Mensual y Media Anual en ºC en las distintas comunas de Chile, puede ser encontrada en la guía Sistemas Solares Térmicos II La temperatura mínima de preparación se refiere a la temperatura del ACS que sale del SST antes de entrar al sistema de distribución (cañerías) y antes de ser consumida por el usuario (temperatura de uso). La temperatura de preparación siempre será mayor a la temperatura de uso, debido a las pérdidas térmicas que se producen por la circulación del agua. 13

De acuerdo con todo lo anterior, a medida que se aumenta la temperatura de preparación para cubrir una determinada demanda, será necesario un SST de mayor tamaño y costo.

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2.5 UBICACIÓN DEL SST En el caso de los SST, la selección del lugar donde se instalará el sistema es muy importante, ya que se debe buscar que la instalación no interfiera mayormente con la arquitectura de la edificación. De acuerdo a la información que entregan los módulos previos, en el rendimiento de una instalación solar es muy importante la orientación de los mismos (Norte, Sur) y su inclinación respecto del horizonte, o ángulo de inclinación, medido en grados: ene_m2u2_consideraciones_4.png rediseñada en el Módulo 2 Considerando la orientación e inclinación, se podrá definir el mejor lugar para instalar el SST. ¡NO OLVIDAR! Si se interviene, por ejemplo, un conjunto de casas, lo más probable es que no todas tengan techo con orientación norte o con la inclinación adecuada, por lo que cada SST se instalará de forma DIFERENTE. Esta situación debe ser explicada a los usuarios, de manera de evitar problemas a futuro. Otro aspecto importante a considerar en la selección de la ubicación del SST es el PESO del mismo. Dependiendo de la cantidad de ACS que sea necesaria producir, es posible definir que existen SST que vienen con el termo acumulador incorporado (entre 100 a 250 litros de capacidad), o casos en que los termos acumuladores se separan del colector y se instalan de forma separada (sobre 250 litros, generalmente). ¡NO OLVIDAR! Si un termo acumulador contiene 150 litros de ACS, este termo tendrá un peso de más de 150 kilos (recordando que 1 litro de agua pesa 1 kilo), por lo que es importante tener en cuenta la resistencia del techo antes de instalar un sistema de este tipo.

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En términos de SEGURIDAD, es recomendable que los SST que superen los 200 litros se instalen de manera separada, es decir, los colectores en el techo y el termo acumulador cerca del lugar de consumo. Otro factor a considerar es la PERCEPCIÓN DE LOS USUARIOS RESPECTO AL LUGAR DE INSTALACIÓN DEL SST, ya que para algunas personas se puede considerar que el SST sobre el techo se ve muy bien, pero para otras podría ser un factor que disminuya la plusvalía de la propiedad, por ejemplo. A continuación, se presentan algunas imágenes que muestran la integración del SST en distintas edificaciones: ene_m3u2_ubicacion_1.png ene_m3u2_ubicacion_2.png ene_m3u2_ubicacion_3.png ene_m3u2_ubicacion_4.png FUENTE: cortesía del CER e IDMA

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2.6 EFECTO DE LA SOMBRA Y DE LA TEMPERATURA Como se explicó en módulos anteriores, las SOMBRAS influyen en el rendimiento de los equipos que funcionan con energía solar, por lo que la recomendación es tratar de evitarlas. A diferencia del caso fotovoltaico en que las sombras pueden afectar todo el sistema, en el caso térmico las sombras no afectan el funcionamiento, pero si influyen en el rendimiento del sistema. Por ejemplo, un SST a cuyo colector le llegué un 50% de sombra demorará más tiempo en calentar el agua a la temperatura deseada. En cambio ese mismo sistema sin sombras que lo afecten, logrará los rendimientos indicados por el fabricante. A continuación se presentan unas imágenes que ayudarán a esclarecer lo enunciado. IMAGEN 1

IMAGEN 2

ene_m3u2_efecto_1.png

ene_m3u2_efecto_2.png

FUENTE: Cortesía IDMA.

FUENTE: Cortesía IDMA.

En estas imágenes se puede ver cómo la sombra del edificio cae sobre el SST de tubos al vacío. Al percatarse en el techo del edificio que está al fondo de cada fotografía, es posible dar cuenta que al de la IMAGEN 2 le llega una gran cantidad de radiación solar.

En cuanto a la temperatura, su principal efecto recae en que cuando es menor a los 0°C, el sistema podría congelarse (recordar que se está trabajando con agua). Para evitar este problema, muchos colectores incorporan LÍQUIDO ANTICONGELANTE, entendiéndose que el ACS no se mezcla con este líquido, lo que se conoce como sistema indirecto y que se revisará más adelante en detalle. Otro efecto de la temperatura es que influye en el tiempo en que se demora el agua en lograr la temperatura en la cual se utilizará. Por ejemplo, en invierno un SST se demorará más tiempo en calentar los 150 litros de lo que se demora en verano, ya que la temperatura ambiente en verano es mayor, al igual que la radiación solar.

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También hay que considerar la temperatura a la que está el agua fría antes de entrar al SST, ya que si es muy baja, como puede suceder en invierno, el SST aportará menos al aumento de temperatura. El caso extremo es cuando un SST no es utilizado en períodos de altas temperaturas, como por ejemplo un liceo en verano, caso en el cual se debe buscar la forma de tapar el colector para que no se sobrecaliente el SST.

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2.7 EFICIENCIA DEL SST Y FRACCIÓN SOLAR En función de la localización geográfica de un SST, las GUÍAS TÉCNICAS del MINISTERIO DE ENERGÍA han establecido porcentajes de contribución solar mínima para el desarrollo de los proyectos a lo largo del país. De acuerdo a la guía Sistemas Solares Térmicos II elaborada el año 2010, la contribución solar corresponde a la fracción entre la energía anual aportada por el SST y la demanda de energía para ACS estimada para la respectiva vivienda o instalación. Si existe un sistema que complementa el aporte energético del SST se le llama SISTEMA AUXILIAR (por ejemplo un calefón, una caldera, etc.). La LEY 20.365 otorgó durante los años 2010-2013 una franquicia tributaria a las constructoras que instalaron SST para ACS en viviendas, estableciendo una contribución solar mínima del SST según zonas climáticas de nuestro país definidas en la ley. Lo anterior, como requisito para poder acceder al incentivo estatal señalado. Para mayor información referente a esta ley puede revisar la normativa en la web http://www.bcn.cl/resumenes-de-leyes/franquicias-tributariassistemas-solares. En la siguiente tabla se pueden apreciar algunos ejemplos de comunas con la contribución solar mínima que debería tener un SST.

ZONA CLIMÁTICA

RADIACIÓN SOLAR GLOBAL MEDIA ANUAL (H) (KWH/M2/AÑO)

A

1.948 ≤ H

B

1.701 ≤ H < 1.948

C

1.454 ≤ H < 1.701

D

1.208 ≤ H < 1.454

COMUNAS (EJEMPLOS) Arica, Iquique, Antofagasta, Calama, Copiapó, Vallenar, Illapel. Caldera, La Serena, Ovalle, Santiago, Los Andes, San Felipe Coquimbo, Los Vilos, Angol, Pucón, Victoria, Curacaví, Melipilla, Isla de Pascua, Juan Fernández, San Antonio, San Fernando, Santa Cruz, Cauquenes, Constitución, Curicó, Linares, Parral, Talca, Chillán, Concepción, Coronel, Los Ángeles, Lota, Talcahuano. Cunco, Freire, Temuco, Villarrica, Algarrobo, Cartagena, Concón, Valparaíso, Viña del Mar, Arauco,

CONTRIBUCIÓN SOLAR MÍNIMA (%) 75 66

57

48

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E F

Osorno, Puerto Montt, Palena, Coyhaique, Futrono, Valdivia. Ancud, Castro, Quellón, Aysén, 39 961 ≤ H < 1.208 Torres del Paine. Cabo de Hornos, Natales, Punta 30 961 ≤ H Arenas, Río Verde, Timaukel. FUENTE: Sistemas Solares Térmicos II (MINENERGIA/GEF/PNUD/CDT, 2010).

¡NO OLVIDAR! En el Anexo I de la guía Sistemas Solares Térmicos II se encuentran definidas las zonas climáticas para las diferentes comunas de Chile. Se recomienda considerar el aporte solar mínimo señalado en estos documentos puesto que representa el aporte mínimo que debería tener el SST en términos de contribución energética.

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2.8 ESTIMACIÓN DEL TAMAÑO Y COSTOS DE UN SST Con los datos de demanda de ACS, los datos de radiación y el modelo de colector, es posible dimensionar el número de colectores solares que se requerirá instalar. En la CALCULADORA SOLAR TÉRMICA, aplicación web desarrollada por el CER y disponible en: http://apps.cer.gob.cl/calculadoras/calculadora_sst/index_sst, es posible estimar datos generales del SST, tales como el área de colectores, tamaño estanque, inversión requerida y tiempo aproximado de retorno de la inversión. Para realizar el cálculo es posible utilizar la MODALIDAD BÁSICA, en donde se requiere ingresar 5 parámetros, o AVANZADA, en caso que el usuario maneja mayor información y quisiera modificar algún parámetro preestablecido. Es importante señalar que esta herramienta permite tener una aproximación de las características generales que tendría el SST así como su costo aproximado, características que podrán variar al realizar el proyecto debido a las condiciones particulares de cada uno de ellos. ene_m3u2_estimacion_1.png La imagen muestra el menú de INICIO de la CALCULADORA SOLAR TÉRMICA, donde se deben ingresar los datos de UBICACIÓN (región y comuna), el TIPO DE INSTALACIÓN (seleccionar entre casa, hotel o colegio), el NÚMERO DE USUARIOS y el TIPO DE COMBUSTIBLE que se usa actualmente para calentar el agua. Como se indicó anteriormente, el menú de inicio de la CALCULADORA SOLAR TÉRMICA corresponde a la modalidad básica, por lo que si uno requiere realizar algún cambio o revisar los parámetros de inclinación, radiación solar o de consumo estimado, debe hacer clic en el botón que indica OPCIONES AVANZADAS: ene_m3u2_estimacion_2.png En la CALCULADORA SOLAR TÉRMICA se puede seleccionar entre tres tipos de instalación: casa, hotel o colegio. Como se mencionó anteriormente, para cada tipo de instalación se ha estimado un consumo de ACS por día (litros por día 21

utilizados), cifra que en la CALCULADORA SOLAR TÉRMICA se ha modificado para acercar las cifras a un valor real. TIPO DE INSTALACIÓN Casa Hotel Colegio

CONSUMO ESTIMADO POR CDT 40 litros/día 100 litros/día 30 litros/día

CONSUMO ESTIMADO POR CER 67 litros/día 113 litros/día 48 litros/día

Si se considera que estos valores son muy altos, entonces deberá cambiarlos en el menú de OPCIONES AVANZADAS de la CALCULADORA SOLAR TÉRMICA, así como también podrá modificar cualquier otro parámetro que estime necesario para mejorar la estimación del SST.

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2.9 SST DIRECTO Y SST INDIRECTO Como se mencionó anteriormente, dependiendo del sistema de intercambio del SST hablamos de SST DIRECTO o INDIRECTO.

SST DIRECTO

SST INDIRECTO

Cuando el fluido de los colectores es la Cuando el fluido de trabajo de los misma agua de consumo. colectores es independiente del agua de consumo. ene_m3u2_sst_1.png

ene_m3u2_sst_2.png

FUENTE: Taller sobre Sistemas Solares Térmicos, 2013 (presentación realizada por Rodrigo Valdovinos, IDMA).

FUENTE: Taller sobre Sistemas Solares Térmicos, 2013 (presentación realizada por Rodrigo Valdovinos, IDMA).

Entre los factores de decisión para optar por uno de los dos, se encuentran: • Las condiciones climáticas a las que se encuentra expuesto el colector, siendo necesario analizar si existe riesgo de heladas. De ser así, es más favorable optar por el SST INDIRECTO. • La dureza del agua, respecto de la cual se decide por SST INDIRECTO cuando ésta es muy alta, para evitar acumulaciones de minerales. A continuación se presentan las diferencias entre ambos tipos de sistemas: CRITERIO Fluido de trabajo Presión de trabajo en circuitos Sistema de llenado Sistema constructivo del conjunto Evolución del rendimiento Aplicaciones

SST DIRECTO SST INDIRECTO Sólo agua de la red Fluido con anticongelante Todo a la presión de la Pueden ser presiones red distintas No requiere Si necesita Más sencillo

Más complejo

Empeora con el tiempo

Se mantiene constante

Sólo

en

pequeños Cualquier

tipo

de 23

Uso en zonas con riesgo de heladas Uso con aguas muy duras Costo de la inversión Mayor costo de mantención

sistemas

instalación

Desaconsejado

Recomendado

Desaconsejado

Recomendado

Menor Limpieza colector

interna

Mayor del Mantención cerrado

de

circuito

FUENTE: Manual práctico del técnico solar. SST de ACS en viviendas unifamiliares (MINENERGIA / GEF / PNUD / CDT, 2013).

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2.10 SST TERMOSIFÓN Y SST DE CIRCULACIÓN FORZADA SST TERMOSIFÓN

SST DE CIRCULACIÓN FORZADA

Cuando se produce una circulación natural del fluido de acuerdo a la diferencia de densidades. El fluido térmico en los colectores aumenta su temperatura, disminuyendo su densidad y subiendo al termo acumulador. El fluido térmico a menos temperatura desciende a los colectores.

Utilizan una bomba de circulación para vencer la pérdida de carga del sistema.

ene_m3u2_termosifon_1.png ene_m3u2_termosifon_2.png FUENTE: Taller sobre Sistemas Solares Térmicos, 2013 (presentación realizada por Rodrigo Valdovinos, IDMA).

FUENTE: Taller sobre Sistemas Solares Térmicos, 2013 (presentación realizada por Rodrigo Valdovinos, IDMA).

En el caso de los SISTEMAS POR TERMOSIFÓN, el depósito de acumulación debe ir situado más arriba de los colectores, de manera de facilitar la circulación por diferencia de densidades (el agua caliente asciende hacia el termo acumulador, mientras que el agua fría desciende hacia los colectores). El SISTEMA DE TERMOSIFÓN tiene el riesgo de generar una circulación inversa, es decir, el fluido térmico de los colectores se enfría aumentando su densidad retrocediendo al termo acumulador. El fluido térmico en el termo acumulador mueve a los colectores, disipando el calor acumulado. Esta situación puede ocurrir durante la noche, debido al descenso de las temperaturas. La circulación inversa se puede evitar utilizando llaves de paso que impidan la circulación del fluido durante la noche. A continuación se presentan las diferencias entre ambos tipos de sistemas: CRITERIO Necesita bomba de circulación Caudales del calentamiento Regulación del caudal

CIRCULACIÓN FORZADA

TERMOSIFÓN No Proporcionales radiación solar Natural, no es preciso

Si a Fijo, salvo bombas de caudal variable Para evitar ciclos de arranque-parada 25

Posición relativa de los componentes Tipología de colector solar Tipo de termo acumulador Criterios selección componentes Trazado de cañerías Aplicaciones Precisa alimentación eléctrica Posible integración arquitectónica Ubicación del termo acumulador Pérdidas térmicas en circuitos

Criterio muy importante

Factor secundario

Normalmente parrilla

Cualquiera

Doble envolvente

Cualquiera

Menos importante la pérdida de carga Más delicado y preciso Menos condicionantes Mejor a pequeños Mejor en grandes sistemas instalaciones Poca pérdida de carga

No

Si

Con dificultad

Más sencilla

Normalmente va al exterior Peores en distancia a consumo Saltos de temperatura Temperatura de trabajo más altos Temperatura máxima de Sólo controlable por termo acumulador diseño Sistema de protección Mezcla anticongelante anti heladas Costo de inversión Menor Sólo mantención Costo de mantención preventiva No tiene costos Costo de explotación adicionales

Más facilidad para instalarlo en interior Peores en circuito primario Saltos de temperaturas más bajos Utilizable sistema de control Recirculación y vaciado automático Mayor Más mantención por control y bomba Costo de la energía eléctrica (bomba)

FUENTE: Manual práctico del técnico solar. SST de ACS en viviendas unifamiliares (MINENERGIA / GEF / PNUD / CDT, 2013).

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2.11 OTROS COMPONENTES DEL SST Ahora revisaremos otros componentes que conforman un SST, como las cañerías, los termo acumuladores, las bombas de circulación y los equipos de medida y de control. 1. Sistemas de acumulación o termo acumulador. Es recomendable que el sistema de acumulación preferentemente deba estar constituido por un único termo acumulador, de configuración vertical y situado en el interior de la edificación. Estas recomendaciones se basan en los siguientes factores: • Un único acumulador permite optimizar la relación superficie de pérdidas térmicas y volumen acumulado. Por el contrario, el único problema del acumulador único es que reduce la fiabilidad de la instalación al no poder disponer de capacidad de reserva para realizar operaciones de mantención sin parar la instalación. • La configuración vertical favorece la estratificación del agua caliente que, además, se puede potenciar con elementos adicionales específicos. • La ubicación en espacios interiores permite mejorar su protección y se reducen sensiblemente las pérdidas térmicas.

2. Cañerías. Las cañerías conectan hidráulicamente todos los componentes del SST y canalizan el movimiento de los fluidos. Existen varios factores que se deben considerar para la selección y diseño del circuito de cañerías. Por ejemplo, en la cañería de alimentación de agua al SST se deberá revisar que el diámetro debe ser adecuado para el caudal máximo de consumo de ACS. También es importante confirmar que la presión y el caudal disponible sean suficientes para la demanda de ACS que se necesita suplir. La cañería de salida de ACS del SST debe ser de COBRE O ACERO INOXIDABLE, debido a las temperaturas que puede alcanzar el ACS. En cañerías donde circule el agua a temperaturas menores a 60°C se pueden utilizar materiales como PVC-C, PE-X, PP, PE-RT, por ejemplo. Siempre hay que

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corroborar que las cañerías sean las adecuadas para el caudal y la presión de la red. ¡NO OLVIDAR! Uno de los aspectos más importantes en el sistema de cañerías, es que todas las cañerías por donde circule agua caliente deben estar AISLADAS TÉRMICAMENTE. El aislamiento de las cañerías que estén a la intemperie deben llevar una protección externa que asegure la durabilidad ante las acciones climatológicas siendo las más recomendables la protección con CHAPA DE ALUMINIO. También se pueden utilizar pinturas asfálticas, poliésteres reforzados con fibra de vidrio o pinturas acrílicas. El CIRCUITO HIDRÁULICO, como se conoce al conjunto de cañerías en un SST, puede contar con algunos elementos que mejoran el desempeño del sistema, como por ejemplo: COMPONENTE Vaso de expansión

Válvulas de corte Válvulas de seguridad Válvulas de retención Válvula de vaciado y drenaje Válvula mezcladora termostática

UTILIDAD Absorbe las variaciones de volumen y presión en un circuito hidráulico cerrado, variaciones que se producen por las oscilaciones de temperatura del fluido circulante. Se utilizan para abrir o cerrar el paso del fluido a través de una cañería, separando así los distintos componentes del sistema. Sirven para expulsar el fluido de trabajo al exterior del circuito, con el fin de evitar presiones elevadas. Impide el paso del fluido en un sentido y permite la circulación en el otro. Permiten el vaciado total de la instalación. También sirven para el llenado del circuito. Válvulas de tres vías que permiten regular la temperatura de salida del agua caliente, mezclando agua a dos temperaturas diferentes.

FUENTE: Manual práctico del técnico solar. SST de ACS en viviendas unifamiliares (MINENERGIA / GEF / PNUD / CDT, 2013).

3. Bomba de circulación. Recordemos que los SST DE CIRCULACIÓN FORZADA tienen entre sus componentes una bomba de circulación, accionada por un motor eléctrico que se encarga de mover el fluido en el circuito del SST. Es importante que la bomba se 28

seleccione y adecúe al caudal y la pérdida de carga del diseño. La potencia eléctrica de una bomba suele estar entre los 20 a 80 Wp. 4. Equipos de medida. Entre los aspectos que son importantes de medir en un SST están las TEMPERATURAS y las PRESIONES, que corresponden a los parámetros funcionales de un SST. Por un lado, los TERMÓMETROS nos ayudan a monitorear la temperatura del SST tanto en la entrada del circuito como en la salida, mientras que los MANÓMETROS son útiles para medir la presión del SST en su circuito primario. Otros implementos que se utilizan son los CAUDALÍMETROS, que sirven para medir y regular el caudal y los CONTADORES DE CALORÍAS, que sirven para obtener la cantidad de energía térmica producida.

5. Equipos de control. Se recomienda utilizar CONTROLADORES que muestren la TEMPERATURA del ACS en distintas partes del proceso: temperatura del agua al entrar al sistema, temperatura de salida del agua, temperatura del agua dentro del termo acumulador y temperatura de protección ante heladas, de manera de poder tener un control sobre el SST y regular su funcionamiento, evitando posibles riesgos.

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UNIDAD 3: ORIENTACIONES PARA LA OPERACIÓN DE UN SST

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3.1 INSTALACIÓN DEL SST Hay que tener en consideración que la INSTALACIÓN DE SISTEMAS SOLARES no es igual que la de otros sistemas de agua caliente y aunque el montaje de determinados componentes (cañerías, bombas, válvulas, etc.) puede ser bastante similar, hay otros aspectos que son distintos, fundamentalmente derivados del montaje de los colectores solares y del sistema de control. ¡NO OLVIDAR! Siempre se debe tener en cuenta el cumplimiento de las normativas vigentes en el país. Antes de comenzar las labores de instalación del SST, se recomienda que el MANDANTE, el BENEFICIARIO (que puede ser el mismo que el mandante) y el INSTALADOR, revisen en conjunto todo el proyecto SST de manera de comprobar, verificar y dar conformidad a que se puede realizar todo el montaje de la instalación. Espacios disponibles para ubicación de colectores, termo acumulador y el resto de componentes. Previsiones de espacios para trazados de circuitos. Sistemas de apoyo y sujeción establecidos. PRINCIPALES Procedimientos de montaje previstos. ASPECTOS A REVISAR Medios auxiliares necesarios para la correcta ejecución de la instalación. Accesibilidad a toda la instalación, tanto para el montaje como para operaciones posteriores de mantención. Otras recomendaciones generales que hay que considerar durante la instalación del SST son: 1. Todos los componentes y materiales que vayan a ser utilizados deben tener una CALIDAD y DURABILIDAD acorde al proyecto, de manera que resistan las condiciones a las que serán expuestos, especialmente a las condiciones exteriores como lluvia, humedad, radiación UV, etc. 31

2. Para todo el equipamiento instalado, es de suma importancia contar con una buena ACCESIBILIDAD y ESPACIO, de modo que su mantención, reparación o desmontaje sea lo más sencilla posible. A su vez, se debe tener presente que el equipamiento instalado no afecte la accesibilidad ni el espacio requerido para la mantención de otros equipos existentes en el lugar. 3. Cuando se prevean condiciones de HUMEDAD y eventual presencia de agua, se aconseja que todos los elementos queden elevados del nivel del suelo para protegerlos de estas situaciones. 4. Durante el montaje se recomienda tener siempre a mano las INSTRUCCIONES DE INSTALACIÓN que entregan los fabricantes de los componentes, para el caso de que sea necesaria su consulta. 5. Antes de que los componentes sean instalados en su ubicación definitiva, y salvo acuerdo contrario, la EMPRESA INSTALADORA es responsable de proteger y vigilar los materiales durante el transporte, almacenaje y montaje. 6. Las ABERTURAS de todos los aparatos y equipos deberían estar PROTEGIDAS con el fin de evitar la entrada de cuerpos extraños y suciedades. 7. Todos los elementos metálicos que no estén debidamente protegidos contra la OXIDACIÓN por el fabricante, serán recubiertos con el TRATAMIENTO ANTIOXIDANTE que se defina. ¡NO OLVIDAR! Mayores detalles referentes al PROCESO DE INSTALACIÓN DE UN SST los puede revisar en el Manual Práctico del Técnico Solar y en el documento Sistemas Solares Térmicos II.

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3.2 PUESTA EN MARCHA Y RECEPCIÓN DEL SST Antes de recibir con conformidad el SST es recomendable realizar una SERIE DE PRUEBAS que permitan asegurarse que el sistema vaya a operar de manera correcta y eficiente. Las pruebas deberán ser realizadas por la persona o empresa que haya instalado el SST, pero también se puede contratar a una empresa externa que pueda verificar todos los sistemas que se hayan instalado. Algunas de las pruebas se presentan a continuación. TIPO DE PRUEBA Prueba mecánica de los circuitos hidráulicos Llenado, purga y presurización del SST Puesta en marcha

Prueba de funcionamiento

DESCRIPCIÓN Se realizan pruebas de estanqueidad y estancamiento. Se llena el SST con el fluido de trabajo, se expulsa el aire que pudiese quedar en el sistema y se regulan las presiones de trabajo. Se realizan las operaciones de operación en versión manual y automática, lo que permite calibrar todo el sistema de control y monitoreo. Se realizan pruebas de encendido y apagado diario, seguimiento del proceso de calentamiento del agua, temperaturas alcanzadas por el SST, entrega de ACS y revisión de los sistemas de protección.

FUENTE: Manual práctico del técnico solar. SST de ACS en viviendas unifamiliares (MINENERGIA / GEF / PNUD / CDT, 2013).

Antes de la RECEPCIÓN FINAL del SST es recomendable que se realice una CAPACITACIÓN al personal que va a quedar encargado del sistema. Dicha capacitación debería abarcar temas como: • • • •

El chequeo y monitoreo del SST. Limpieza de los componentes. Mantenimiento del sistema de aislación. Resolución de problemas frecuentes y rendimientos esperados.

También se recomienda solicitar la entrega de un MANUAL DE INSTRUCCIONES DE USO, MONITOREO Y MANTENCIÓN. 33

La recepción del SST debería quedar oficializada mediante la firma de un ACTA por parte de todos los actores relacionados con el proyecto (beneficiario, mandante, instalador y contraparte técnica, si llegase a ser el caso). En dicha acta deberían especificarse todas las pruebas realizadas al SST, junto con los resultados obtenidos, además de listar todos los documentos que se entreguen al beneficiario.

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3.3 ADQUISICIÓN DE UN COLECTOR SOLAR Con la promulgación en el DIARIO OFICIAL del REGLAMENTO de la LEY 20.365 que otorgaba un beneficio tributario para aquellas empresas constructoras que instalaban SST para ACS en sus proyectos, y que actualmente no está vigente, se determinó que la SUPERINTENDENCIA DE ELECTRICIDAD Y COMBUSTIBLE, SEC, elaborase un REGISTRO DE COLECTORES SOLARES TÉRMICOS Y DEPÓSITOS ACUMULADORES CERTIFICADOS. En la página web de la SEC es posible encontrar una sección especial sobre colectores solares, y dentro del menú de la sección aparece el listado de “PRODUCTOS AUTORIZADOS”. Puede revisarla haciendo clic en http://www.sec.cl/portal/page?_pageid=33,4095516,33_5001644&_dad=portal&_sc hema=PORTAL ene_m3u3_adquisicion_1.png FUENTE: web de Colectores Solares Autorizados, SEC 2013.

También es posible verificar los productos según el CÓDIGO DE SERIE en la plataforma disponible por la SEC. Para conocer la plataforma, haga clic en: http://ww18.sec.cl/colectoressolares/publico/reportes/consultar_numero_serie.do Para revisar esta web, es necesario conocer el NÚMERO DE SERIE del producto para poder verificar si se encuentra registrado en SEC o no. FUENTE: web para verificación de series de Colectores Solares Autorizados, SEC 2013.

Se deben solicitar MANUALES DE USUARIO, que hagan referencia al uso, las precauciones y la mantención de los colectores, además de documentos asociados a los resultados de las pruebas al momento de entregar el sistema. Adicionalmente: • Si el sistema es PREFABRICADO se requerirán documentos que digan relación con la integración del sistema en la edificación.

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• Si el sistema es A MEDIDA se requerirán memorias técnicas de la instalación, incluyendo planos en que se especifique la relación entre los componentes del sistema. Un aspecto que siempre se debe considerar a la hora de tomar la decisión de instalar o no un SST es que idealmente no se le tengan que cambiar las COSTUMBRES DE USO DE ACS al usuario, sino más bien ADAPTAR la tecnología disponible a las condiciones que presente el lugar e instalación.

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3.4 OPERACIÓN Y MANTENCIÓN Para el correcto funcionamiento del SST es muy importante que el beneficiario y/o usuario del sistema conozca las condiciones de funcionamiento, los componentes que lo conforman y los parámetros bajo los cuales se logrará un óptimo desempeño. Es recomendable que se le explique al beneficiario que el contar con un SST no significa que el agua caliente se pueda consumir en exceso, NI SIGNIFICA QUE EL ACS SEA “GRATIS”. La última observación es importante toda vez que el SST no siempre va a poder cubrir el 100% de las necesidades de ACS, sino que también se deberá utilizar un sistema de apoyo (calefón, caldera u otro), especialmente en invierno. La socialización del funcionamiento del SST y las consideraciones para su correcta utilización, deben ser informadas a los usuarios idealmente entregando MATERIAL GRÁFICO con las INDICACIONES DE USO y PRECAUCIONES, teniendo como objetivo el trasmitir la realidad de funcionamiento, ventajas y limitaciones del SST. Se recomienda solicitar a la empresa instaladora la elaboración de un PLAN DE VIGILANCIA O DE MONITOREO, el que le permitirá al usuario realizar un control de funcionamiento del SST. Este plan puede ser elaborado de acuerdo al tipo de instalación que está en funcionamiento, partiendo de un sistema de monitoreo muy sencillo, hasta los sistemas automáticos que miden los parámetros de temperatura y presión del SST, aplicables a grandes instalaciones. En términos de mantención del SST, es posible también elaborar un PLAN DE MANTENCIÓN que nos permita conseguir la mayor vida útil de todos los componentes del sistema. El PLAN DE MANTENCIÓN puede incluir una inspección visual y un control de funcionamiento de cada elemento. Dicha mantención debiese realizarse, al menos, UNA VEZ AL AÑO. ¡NO OLVIDAR! En el Manual Práctico del Técnico Solar, puede encontrar diversas propuestas de planes de monitoreo y de mantenimiento preventivo.

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