Cómo dimensionar un sistema de calentamiento solar

En este nuevo artículo dedicado a las instalaciones térmicas explicamos la forma de dimensionar la bomba de circulación del colector y los diámetros de las tuberías para un sistema solar de calentamiento de agua y del espacio.

El requerimiento fundamental es que necesitamos bombear un sistema hidráulico que impulse bastante fluido caliente (típicamente agua) a través de los colectores solares para quitar eficientemente el calor que el sol está depositando en ellos. Si el caudal es demasiado pequeño, los colectores funcionan más calientes y menos eficientemente, si el caudal es demasiado grande estaremos derrochando energía en la bomba y aumentarán los costes iniciales del sistema.

Los pasos implicados en el dimensionado de la bomba son los siguientes:

1. Cálculo del caudal de los colectores.
2. Medir la distancia vertical entre la parte suprior  del colector y el nivel del agua del tanque.
3. Cálculo de la caída de presión y velocidad de caudal en el sistema de distribución.
4. Seleccionar una bomba que proporcione 1) el caudal estimado en el paso 1, 2) elevación vertical calculada en el paso 2, y 3) puede manejar la caída de presión calculada en el paso 3.

Descripción del circuito

Veamos un ejemplo, formado por 6 colectores de 40 sqft cada uno. Los colectores tienen tubos de subida verticales de ½” (alrededor de 9 por colectores), y cabezales de 1” en la parte superior e inferior. Los colectores se colocan lado a lado con colectores conectados entre sí. Desde el punto de vista del caudal, esto pone a todos los colectores en paralelo.

El agua es bombeada desde un tanque de almacenamiento justo detrás y debajo de los colectores en el colector más a la derecha.

El agua es bombeada desde un depósito de almacenamiento justo detrás y debajo de los colectores más bajo en el colector más a la izquierda.

El ejemplo que tratamos es con el que abrimos esta entrada y cubre el dimensionado de la bomba (3), y las líneas de alimentación y retorno al colector.

Se trata de un sistema drainback (de drenaje), lo cual significa que cuando la bomba no está operando, todo el fluido en el colector y sistema de distribución de agua drena al tanque de almacenamiento por gravedad. 

Esto proporciona protección anticongelante al sistema.

1)     Cálculo del caudal a los colectores

Los colectores necesitan tener suficiente caudal para retirar el calor del colector bajo condiciones soleadas. Este caudal puede calcularse conociendo la entrada de calor solar al colector y la eficiencia del colector, pero es más fácil usar las recomendaciones del fabricante. Datos típicos proporcionados por los fabricantes van de 25-150 l/hm².

Conociendo la superficie total de captadores podemos por tanto calcular fácilmente los caudales apropiados para el sistema solar.

El número de colectores en paralelo que conectemos en el sistema nos proporcionará la energía térmica pero si conectamos demasiados colectores en paralelo el caudal no será uniforme.

2)     Medición de los requerimientos de altura verticales

En un sistema drainback, cuando el sol llega a los colectores, el controlador encenderá la bomba, y la bomba debe ser capaz de bombear el agua de forma que la parte superior del colector arranque el caudal. Para estar seguros que la bomba puede hacer esto, debemos medir cuidadosamente la distancia vertical entre el nivel de agua en el tanque, y la parte superior del colector. La bomba debe ser capaz de impulsar el agua al menos esta distancia vertical.

Ya que los caudales son muy bajos las pérdidas por fricción en la tubería no necesitan ser consideradas. 

Una vez el caudal es establecido, el caudal en la línea de alimentación es equilibrado por el flujo que cae en la línea de retorno, y la bomba no necesita cumplir los requerimientos de altura vertical. Superada la presión de arranque, la bomba solamente debe superar las pérdidas de presión en las tuberías.

3)     Cálculo de la caída de presión en las tuberías

En el siguiente paso debemos estimar los tamaños de las tuberías, y luego calcular la caída de presión total a través del sistema por: 1) Los colectores, 2) las tuberías de alimentación y retorno en los accesorios y 3) cualquier caída de presión en válvulas u otros componentes.

Calculado el tamaño de las tuberías debemos también calcular la velocidad del caudal y la caída de presión. 

Si la velocidad es demasiado alta, o la caída de presión es más grande de lo que la bomba razonablemente puede manejar, debemos aumentar el tamaño de la tubería.

Necesitamos también dimensionar las longitudes de las tuberías de alimentación y retorno, y el número y tipo de cada accesorio y válvula.

En la siguiente tabla mostramos la caída de presión en tuberías de ¾”

4)     Selección de la bomba

Para seleccionar la bomba debemos obtener:

1. Altura vertical de arranque.
2. Caudal con pérdidas de presión.

Usaremos las curvas de la bomba para determinar qué bombas cumplen los criterios seleccionados. Para cada bomba, las curvas muestran la combinación de caudales y altura de presión que la bomba puede producir.

Necesitaremos una bomba que pueda producir una determinada altura estática o de arranque, y en ese punto de la curva debemos obtener el caudal que necesitamos para el funcionamiento de los colectores.

Sistemas en bucle cerrado con anticongelantes

Los sistemas en bucle cerrado que usan anticongelante para protección contra el hielo están siempre completamente llenos de fluidos, así que no tienen lugar los requerimientos de altura de arranque como se producen en los sistemas drainback.

Pero, el anticongelante incrementa la viscosidad y pérdidas de fricción en tuberías, y los anticongelantes tienen una menor capacidad calorífica, así que más anticongelante debe circular para transferir la misma cantidad de calor al colector.

El siguiente procedimiento cubre los sistemas en bucle cerrado y asume una mezcla de anticongelante glicol agua 50-50.

Para diseñar un sistema en bucle cerrado, usaremos el mismo procedimiento que en los sistemas drainback con estos cambios.

1. Multiplicaremos el caudal del colector por 1,15 para tener en cuenta la menor capacidad de transferencia térmica – pero no superaremos los 0,075 gpm/sqft.
2. Saltaremos la medición de la vertical del tanque al colector.
3. Calcularemos la caída de presión y la multiplicaremos por 1,3 para tener en cuenta el incremento de viscosidad de la solución anticongelante.

4.       Dimensionaremos la bomba de la misma forma que el sistema drainback, pero dejaremos los requerimientos de altura de arranque y usaremos los caudales y caída de presión indicadas en los puntos 1 y 3.

Bibliografía:

• Pump and pipe sizing for a solar wáter/space heating system. Build it solar.