Circuito primario para sistemas solares térmicos de ACS

Un sistema solar térmico para agua caliente sanitaria puede funcionar mediante circulación natural o mediante una bomba que mueve el fluido entre los colectores y el acumulador. En los sistemas forzados, el circuito primario es especialmente importante porque transporta el calor captado por los paneles solares hasta el intercambiador de calor del estanque.

Nuestro kit termosifón o termo solar Termic está fabricado para entregar agua caliente captada a través de la energía solar térmica. El kit se compone de un acumulador o estanque solar, un panel solar, a veces llamado colector solar, y sus respectivos accesorios.

Qué es el circuito primario

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

En un sistema solar térmico indirecto, el fluido caloportador circula por los colectores y entrega su energía al agua de consumo mediante un intercambiador de calor. El intercambiador puede estar dentro del estanque acumulador, en forma de serpentín, o fuera de este, mediante un intercambiador de placas.

Sistemas Solares Térmicos: Son llamados así por su composición de colectores solares con estanque de acumulación independiente al panel. El agua es calentada directamente mediante la circulación de esta entre el estanque y los colectores, o bien mediante circuitos cerrados entre los colectores solares y un medio de intercambio de calor, el cual puede estar dentro del estanque acumulador (serpentín) o fuera de este (intercambiador de placas).

El circuito primario es, por tanto, un circuito cerrado o controlado que conecta los captadores solares, la bomba, las tuberías, el vaso de expansión, las válvulas de seguridad, los purgadores y el intercambiador de calor.

Tipos de circulación en los sistemas solares

Principio pasivo

Principio pasivo. Sistema que utiliza medios físicos naturales para su funcionamiento. En esto se usa el efecto que el agua caliente sube por si misma, o bien gracias a la presión de la red.

Los colectores solares que integran el colector solar y el estanque acumulador y funcionan por termosifón, es decir por circulación natural que hace subir el fluido más caliente y bajar el más frío, son llamados colectores solares térmicos.

Principio activo

Principio activo. Diferente al anterior, se utiliza una bomba para mover el agua del sistema.

El sistema Split presurizado utiliza una bomba con un controlador para hacer circular el agua entre los paneles solares y el tanque de almacenamiento, los cuales se encuentran separados, mientras que el colector se puede colocar en el techo de su edificación, el tanque y la estación de bombeo se pueden instalar en cualquier parte, lo que permite adecuarse a la estructura arquitectónica de su hogar o del lugar a instalarse.

El tanque trae incorporado en su interior un serpentín de cobre, o bien el intercambio de calor también se puede hacer fuera del estanque con un intercambiador de placas.

Funcionamiento del circuito primario presurizado

El sistema solar de circulación forzada utiliza una bomba con un controlador para transportar el fluido caloportador entre los colectores y el acumulador. Cuando la radiación solar aumenta la temperatura del captador, una centralita activa la bomba y el fluido caliente se dirige hacia el intercambiador. Después de entregar su energía, el fluido vuelve al colector para repetir el ciclo.

Los tubos colectores al vacío calientan el agua fría que entra en el tanque. Naturalmente el agua asciende, desplazando la que se encuentra en la parte superior del tanque y que está a menor temperatura.

En el flujo indirecto pasivo Close Loop, el funcionamiento base es igual al anterior. El agua de intercambio de calor se encuentra en el circuito primario, dentro de los tubos de vacío y el estanque. Dentro del estanque se encuentra el intercambiador de calor en forma de serpentín de cobre. Al interior del serpentín circula agua de consumo, esta entra a temperatura de la red y sale con un aumento de la temperatura para consumo.

La tecnología U-PIPE consiste en un tubo de cobre en forma de U y que es su interior transporta agua. La radiación solar penetra el tubo exterior de cristal y es capturada en el exterior del tubo de cristal interior por una capa difusora altamente selectiva.

El “Heat Pipe”, es un sistema el que el fluido caloportador es un fluido vaporizante encerrado en los tubos.

Heat Pipe (un pipe por tubo): Los tubos de vacío poseen al interior un tubo de cobre, y este en su interior, contiene un líquido vaporizante que a 25°C el fluido se calienta y se vaporiza absorbiendo el calor latente.

La radiación solar provoca la evaporación del líquido, haciendo que éste suba al extremo superior del tubo, que al estar más frío hace que el vapor se condense, ceda así su energía al agua de consumo, y regresa en estado líquido por gravedad al extremo inferior del tubo, iniciándose de nuevo el ciclo.

Elementos principales del circuito primario

• Colectores solares: captan la radiación solar y calientan el fluido caloportador.
• Bomba de circulación: mueve el fluido entre los captadores y el intercambiador.
• Controlador solar: gestiona el funcionamiento de la bomba mediante sondas de temperatura.
• Intercambiador de calor: transfiere la energía del circuito primario al agua de consumo.
• Vaso de expansión: absorbe las variaciones de volumen causadas por los cambios de temperatura y presión.
• Válvula de seguridad: descarga fluido cuando la presión supera el límite previsto.
• Purgadores: permiten evacuar el aire acumulado en los puntos altos del circuito.
• Tuberías y accesorios: conectan los colectores, el acumulador y los elementos de protección.

Los sistemas forzados tienen un vaso de expansión, pero este tiene sus límites y a veces, aunque si es a menudo no es normal, es probable que la presión suba hasta un punto en el que se pueda dañar la instalación y como medida de precaución se pone esa válvula, válvula de seguridad.

El lugar de ubicación de la misma puede ser variable, aunque si tu instalación tiene un grupo de control compacto del que sale el tubo hacia el vaso de expansión la válvula tiende a estar al principio de este tubo. Puede estar a la entrada de los captadores también.

Pérdida de líquido en el circuito primario

Un problema frecuente en una instalación de ACS es que el circuito primario pierda líquido sin que se observe una fuga visible en las roscas o uniones.

Tu sistema tiene una válvula que cuando hay mucha presión deja escapar líquido. Por tanto, si estás teniendo temperaturas muy altas puede ser que la válvula esté tirando líquido.

Si no encuentras la fuga es probable que tire el líquido del primario por ella, deberías mirar si hay restos debajo. Si el primario estuviera picado perderías mucho líquido, ya que el circuito tiene bastante presión, pero si son pequeñas pérdidas lo lógico es que te pierda una válvula de seguridad.

La válvula de seguridad suele disponer de un embudo de desagüe bajo ésta. La presencia de humedad, manchas, restos de glicol o señales de descarga en esa zona puede indicar que la pérdida no se produce en las uniones, sino en la válvula.

¿Puede evaporarse el fluido por el purgador?

Puede ser que no tengas válvula de corte en los purgadores y se evapore y se descargue el sistema. Verifica si tienes válvulas de corte en los purgadores y la zona donde esté la válvula de seguridad.

No es normal tener que añadir agua continuamente. Si el fluido se convierte en vapor por temperaturas elevadas, puede escapar por un purgador que permanezca abierto o por una válvula de seguridad que descargue debido a una sobrepresión.

Si no detectas fugas puede que salga el agua ya evaporada, por eso no ves charcos que te puedan indicar la fuga.

Temperatura, presión y estancamiento del captador

Cuando el colector alcanza temperaturas muy altas, el fluido del circuito primario se dilata y aumenta la presión. Si el vaso de expansión no puede absorber la variación de volumen, la válvula de seguridad puede abrirse y expulsar parte del líquido.

El llenado debe realizarse bajo condiciones seguras y siguiendo el procedimiento previsto para la instalación. Ten cuidado y rellena el primario cuando no les dé el sol a los colectores, con la diferencia de temperatura al meter agua fría puede quebrarse algún cristal.

El otro tema sí que entraña riesgos: el rellenar el primario a plena luz del sol, sobre todo si tiene aire en su interior y lo más seguro que sea así, parecerá un géiser.

La temperatura de la parrilla del absorbedor puede ser altísima, más si no se está “refrescando” con el fluido caloportador, y el shock térmico al que se puede ver sometida puede, aparte de deformarla irremediablemente o forzar la resistencia de las soldaduras, alterar el equilibrio térmico del conjunto.

En ese caso, cuando el cristal está a pleno rendimiento de tensión por dilatación, una pequeña variación en la presión interna o un movimiento de la carcasa debido a la flexión del absorbedor puede quebrarlo.

Un cristal de captador a plena temperatura se rompe fácilmente.

Cómo revisar una pérdida que no se ve

1. Revisar la válvula de seguridad y el tubo de descarga.
2. Comprobar si existen restos de líquido debajo del embudo de desagüe.
3. Verificar que los purgadores tengan válvulas de corte.
4. Inspeccionar los puntos altos del circuito y las conexiones próximas a los colectores.
5. Comprobar la presión del circuito en frío y después de alcanzar temperaturas elevadas.
6. Revisar el estado y la precarga del vaso de expansión.
7. Buscar señales de humedad, depósitos, corrosión o manchas en las uniones.
8. Comprobar que no haya aire acumulado en el circuito.
9. Verificar el funcionamiento de la bomba y del controlador solar.
10. Revisar la salida superior entre la placa y el depósito, especialmente en termosifones de perfil bajo.

Esos termosifones de perfil bajo son muy delicados y pueden coger aire en un punto y dejar de funcionar.

Si consigues ver las placas, sácale una foto donde están los purgadores y revisa qué hay por ahí.

Aire en el circuito primario

La presencia de aire puede impedir la circulación correcta del fluido, provocar ruidos, reducir el intercambio de calor y favorecer el aumento localizado de temperatura.

El aire acumulado en los puntos altos puede interrumpir el flujo, mientras que una bomba que trabaja con aire puede sufrir cavitación o dejar de transportar el fluido con eficacia.

Una instalación que se calienta durante un tiempo y después deja de calentar puede presentar aire en la parte superior del captador, una pérdida de presión o una interrupción de la circulación.

Si la parte superior del captador está ardiendo, no se puede ni tocar, pero el equipo deja de calentar, y la parte superior del acumulador está muy caliente si se toca desde fuera, es necesario revisar el circuito hidráulico, el purgado, la bomba, el controlador y el intercambio de calor.

Sistema Drain-Back o de vaciado del circuito primario

Este es un sistema solar de circulación forzada con drenaje o vaciado del circuito primario. Cuando la bomba del primario se para los captadores se vacían. De esta forma no hay peligro de heladas ni de sobrecalentamientos.

Cuando la bomba del primario se detiene, los captadores se vacían de líquido; como el sistema no es presurizado, el agua contenida en el circuito caerá al drain back.

Gracias a su diseño evita la necesidad de instalar purgadores y vaso de expansión y autoprotege la instalación; de esta forma no hay peligro de heladas ni de sobrecalentamientos.

La novedad del sistema drain-back es que incluye aire en el sistema. Cuando el equipo está inactivo, el líquido caloportador se encuentra en el intercambiador de calor, mientras el captador y la tubería del circuito solar contienen el aire del sistema.

Cuando la bomba se pone en marcha, el líquido del sistema es contenido en un estanque de acumulación o en el interior del serpentín que se aloja en el estanque acumulador.

La combinación de ambos elementos, aire y líquido solar, ofrece interesantes ventajas frente a los sistemas convencionales.

Ventajas del Drain-Back

• Protección contra temperaturas extremas: ya sea en épocas de heladas o de alta radiación solar, los captadores permanecen vacíos de líquido para evitar sobrepresiones y mantener todo el sistema fuera de peligro.
• Instalación sencilla: conectar y listo; así de simple es la instalación del Drain Pack.
• Equipamiento integrado: al incorporar todos los elementos necesarios para la correcta gestión del circuito primario, como bomba, regulador solar y sondas, sólo es necesario instalar los captadores solares y unirlos al depósito.
• Sin cálculos: Drain-Back viene con todos los elementos ya dimensionados para que no haga falta hacer ningún tipo de cálculo.
• Ahorro: el sistema de drenaje automático evita la instalación y mantenimiento de purgadores y del vaso de expansión, imprescindibles en una instalación solar convencional.
• Integración arquitectónica: se ofrecen tres soluciones de instalación en cubierta plana, tejado inclinado e integrado en el tejado.
• Funcionamiento silencioso: puede funcionar sin cavitación de la bomba.

En el mercado los hay que alcanzan más de 15 metros sin estanque de drenaje exterior.

Tipos de colectores solares y su relación con el circuito primario

Colectores planos

Los colectores planos consisten en una caja plana metálica por la que circula un fluido, que se calienta a su paso por el panel.

Los colectores planos protegidos son los más utilizados por tener la relación coste-producción de calor más favorable.

En ellos, el captador se ubica en una caja rectangular, cuyas dimensiones habituales oscilan entre los 80 y 120 cm de ancho, los 150 y 200 cm de alto, y los 5 y 10 cm de espesor, aunque existen modelos más grandes.

La cara expuesta al sol está cubierta por un vidrio muy fino, mientras que las cinco caras restantes son opacas y están aisladas térmicamente.

Dentro de la caja, expuesta al sol, se sitúa una placa metálica. Esta placa está unida o soldada a una serie de conductos por los que fluye un caloportador, generalmente agua, glicol, o una mezcla de ambos.

Los colectores solares planos funcionan aprovechando el efecto invernadero, el mismo principio que se puede experimentar al entrar en un auto estacionado al sol en verano.

Al paso por la caja, el fluido caloportador que circula por los conductos se calienta y transporta esa energía térmica a donde se desee.

El rendimiento de los colectores mejora cuanto menor sea la temperatura de trabajo, puesto que a mayor temperatura dentro de la caja, en relación con la exterior, mayores serán las pérdidas por transmisión en el vidrio.

• En los colectores planos existen pérdidas por convección.
• Son menos eficientes que los colectores de tubos de vacío.
• La acumulación de condensación en el interior del colector genera corrosión, reduciendo el rendimiento y durabilidad.
• El interior del panel es propenso a fugas, corrosión y restricción del flujo debido a posibles esclusas de aire.
• Sólo entregan máxima potencia con los rayos del sol perpendiculares al colector, al mediodía.

Colectores planos no protegidos

Los colectores planos no protegidos son una variante económica de los anteriores donde se elimina el vidrio protector, dejando la placa expuesta directamente al ambiente exterior.

Carecen también de aislamiento perimetral.

Debido a su limitada eficiencia, necesitan una superficie más grande para conseguir las prestaciones deseadas, pero lo compensan con su bajo coste.

Colectores solares de tubos de vacío

El tubo de vacío es un óptimo producto en cuanto a potencia y geometría.

Los tubos se estructuran en dos tubos de vidrio concéntricos que en un lado se cierran en forma de media esfera y en el otro lado se fusionan entre sí.

El espacio intermedio entre los tubos se evacúa y finalmente se cierra de forma hermética, mediante aislamiento por vacío.

El tubo exterior es transparente y deja pasar los rayos solares al tubo interior, que los absorbe de una forma muy eficiente.

Para poder aprovechar la energía solar, la superficie externa del tubo de vidrio interior se cubre con una capa altamente selectiva y no contaminante, concebida así como un absorbedor.

Este recubrimiento se encuentra protegido en el espacio vacío intermedio.

El vacío es un excelente aislante. Las propiedades de aislamiento son muy buenas; si el interior del tubo está a muy alta temperatura, el tubo exterior es frío al tacto.

Los colectores solares de tubo de vacío son el resultado de la aplicación de la más alta tecnología en el diseño, fabricación y selección de materiales, con el fin de obtener una elevada eficiencia en la entrega de agua calentada por energía solar.

• La reposición de un tubo dañado es sencilla.
• Ofrecen elevada absorción solar en casos de amplios ángulos con respecto al azimut.
• Son relativamente insensibles al ángulo de colocación, lo que permite libertad arquitectónica y estética.

Selección del sistema solar

Combinando estos cuatro principios, los siguientes sistemas existen en el mercado. La selección del mejor sistema depende de su ubicación y su necesidad.

Con una radiación solar todo el año y sin temperaturas bajo cero, el sistema directo pasivo es el más conveniente y económicamente más rentable.

En zonas donde el cielo es cubierto durante temporadas y el ambiente es muy frío, se recomienda utilizar tubos de vacío.

Para aquellos que no les “gusta” tener un estanque visible o por otras consideraciones técnicas o estéticas, requerirán que el estanque de agua esté en una ubicación separada de los paneles; un sistema activo es la recomendación.

Cada sistema variará en complejidad según los requerimientos de cada mandante y su situación geográfica, y por ello variarán los precios.

Dimensionamiento, componentes y puesta en servicio

Antes de definir una instalación es necesario precisar qué incluye y qué excluye: bombas, tanques, panel de control, instalación y puesta en servicio.

La elección del sistema depende de la ubicación, la radiación solar, la temperatura ambiente, la orientación, la inclinación, la distancia entre el captador y el acumulador y las necesidades de agua caliente sanitaria.

Un alto coeficiente de rendimiento del captador y un control electrónico sofisticado son elementos relevantes para el funcionamiento del sistema.

La distancia máxima entre el captador y el interacumulador también debe considerarse en el diseño.

Requisitos y programas para proyectos solares

Rediseñamos nuestro mejor kit para cumplir con los requisitos Serviu y ser el mejor termosifón posible para nuestros contratistas y beneficiarios.

Esto quiere decir excelentes componentes con un excelente precio.

Contamos con un equipo de colaboradores expertos en proyectos solares para SERVIU, para los proyectos de mejoramiento de vivienda (PPPF), DS 255, DS 27, programas de integración, etc.

Si ustedes son una EGIS o PSAT, Termic puede ayudarlos a instalar.

La Ley 20.365 entrega una franquicia tributaria asociada a la instalación de colectores solares térmicos en viviendas nuevas bajo UF 4500.

Permite que las empresas constructoras descuenten de sus impuestos el valor de los colectores solares térmicos una vez aprobada la recepción municipal definitiva.

Estas instalaciones poseen el reglamento a la ley, emitido en el Decreto 331.

Las empresas constructoras deberán incorporar al formulario 29 la declaración jurada 1808, la que indica la información de los colectores instalados en el proyecto.

Para ello, los colectores solares deberán estar registrados en la SEC.

Para que la SEC haya otorgado dicho certificado, el panel debe cumplir con estrictas normas internacionales, como la europea KEYMARK, o tener certificación de laboratorios autorizados.

Antes de decidir la adquisición e instalación de un determinado colector solar, para un lugar específico y con una determinada inclinación, usted debería asegurarse de que éste cumple las exigencias de rendimiento y ahorro que el SII exige a fin de otorgar el subsidio.

En www.programasolar.cl existe un programa F-Chart, tabla de cálculo, con el fin de calcular con las características del equipo y las condiciones de instalación.

Las especificaciones técnicas del colector indican los datos que usted debe ingresar a dicho algoritmo F-Chart para obtener la información final.

Este indicará claramente si el panel ingresado cumple o no con las condiciones exigidas, entregando además otros parámetros de interés.

Recomendaciones de seguridad y mantenimiento

• No rellenar el circuito primario cuando los colectores estén expuestos a una radiación solar intensa.
• Revisar la presión con el sistema frío y comprobar su comportamiento durante el calentamiento.
• Comprobar el estado del vaso de expansión y su capacidad para absorber la dilatación del fluido.
• Verificar que los purgadores dispongan de válvulas de corte cuando el diseño lo requiera.
• Inspeccionar periódicamente la válvula de seguridad y su descarga.
• Eliminar el aire acumulado en los puntos altos del circuito.
• Comprobar el funcionamiento de la bomba y del controlador solar.
• Revisar que el fluido utilizado sea compatible con los colectores, las tuberías y el intercambiador.
• Evitar trabajar directamente sobre captadores calientes.
• Solicitar asistencia técnica cuando no se pueda identificar el origen de la pérdida.

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