OFERTA TÉCNICA DE SISTEMAS SOLARES TÉRMICOS
1. ANTECEDENTES.
1.1. Se trata de suministrar un sistema de captación de energía solar para el calentamiento de agua caliente sanitaria a 1 vivienda unifamiliar genérica ubicada en SANTIAGO.
1.2. Dicha vivienda es ocupada por 4-6 personas y presenta un consumo de unos 250 litros de agua caliente a 45 °C por día, valor tomado para el diseño de la instalación.
1.3. Se supone que la vivienda cuenta con 1 calefont standard de 13 litros aunque el ideal es un calefont solar de llama modulante, de 10 litros.
1.4. El objetivo fundamental de este proyecto es minimizar a partir de un sistema solar térmico, SST, el consumo de gas para el calentamiento de agua y obtener un servicio permanente de agua caliente como se ha descrito.
2. ESQUEMAS CONSIDERADOS.
Los tipos y variantes de sistemas en uso en el mercado es muy amplia y aquí se ha escogido los más representativos y simples para intentar dar un panorama general al lector. Cada uno de los sistemas que se presenta tiene sus atributos técnicos y representa un nivel de inversión diferente así como una performance diferente en cuanto a ahorro obtenido.
2.1. Dos sistemas de circulación forzada con colectores solares planos (uno standard y uno selectivo).
2.2. Un sistema de circulación forzada con tubos al vacío tipo Heat Pipe.
2.3. Finalmente un Termosifón presurizado con captación vía Tubos al vacío con Heat Pipe.
3.DESCRIPCIÓN DE COMPONENTES: En lo que sigue se describe los componentes genéricos de cada sistema.
3.1. Colector: Este elemento, normalmente presente como una batería de 2 o más unidades, es capaz de captar desde la radiación solar, una cantidad de energía calórica suficiente para calentar el agua hasta la temperatura requerida entre un 100% en verano hasta un 25-40% en invierno, según el tipo de colector, debido a la menor radiación. El colector absorbe la radiación y calienta el fluido calo-portador en su interior el que circula gracias a una Bomba Eléctrica (salvo el caso del termosifón, ver 2.4.3) hasta la parte inferior del estanque acumulador donde mediante un serpentín calienta el agua fría de la red disponible, sin tener contacto directo con ella. El fluido calo-portador que ha entregado parte de su energía calórica, retorna a los colectores gracias a la bomba siguiendo un circuito cerrado.
3.1.1.Colector Solar Plano: Está conformado por una caja metálica con cubierta de vidrio en cuyo interior se ubica una parrilla de tubos por lo general de cobre con una aleta de cobre o aluminio que recibe los rayos solares. Estos pasan a través del vidrio y los transforma en calor, transfiriendo la energía calórica al fluido que circula por el interior de los tubos de cobre. Ver anexo Nº2.
3.1.2.Colector de Tubos al Vacío: Está conformado por un conjunto de tubos ubicados uno al lado del otro que reciben la luz solar y la entregan al fluido circulante transformada en calor. Cada tubo es en realidad un doble tubo en que el espacio entre ambos está al vacío y por tanto no conduce el calor hacia afuera. Los rayos pasan a través del primer tubo, luego a través del espacio entre tubos y en el segundo tubo, cubierto interiormente por una capa absorbente, se transforman en calor, el cual no puede devolverse hacia afuera. A partir de este punto, hay varias formas por las que el calor llega hasta el fluido caloportador y el agua de consumo, desde el calentamiento directo hasta el Heat Pipe. Este último consiste en un fino tubo de cobre, ubicado al centro del segundo tubo, que contiene un fluido que conduce el calor recibido desde el vidrio mediante una aleta metálica. Se vaporiza en el interior del tubo y luego asciende y se condensa, entregando su calor en un cabezal más frío y que está en contacto con el fluido caloportador o directamente con el agua de consumo (caso del Termosifón). Es un sistema con muy pocas pérdidas y muy adecuado para zonas con buena presencia de radiación difusa. Ver Anexo Nº 2.
3.2. Estanque Acumulador: El tamaño de este estanque es proporcional al consumo y en este caso, se plantea un estanque de 300 litros lo que cumple bien con las normas de diseño. Este estanque puede ser de acero inoxidable o bien acero revestido en esmalte, recubierto con 4-5 cm de aislante térmico de poliuretano y por una chapa metálica exterior de protección física. El agua fría de la red ingresa al estanque donde es calentada hasta conseguir la máxima temperatura posible de acuerdo a la radiación disponible y el consumo registrado. Cada vez que el usuario de la vivienda abre la llave de agua caliente, saca agua caliente desde la parte superior del acumulador ( la más caliente) hacia el calefón y simultáneamente ingresa agua fría al estanque en su parte inferior haciendo bajar su temperatura en esa zona, que es donde se encuentra el serpentín calefactor, de aprox. 0,8-1,5m2 de superficie de contacto. El estanque de almacenaje para el agua caliente solar está construido interiormente en acero inoxidable o bien acero revestido con vitrificado sanitario que no contamina el agua alcanzando ésta una calidad sanitaria. De acuerdo a la calidad del agua original, es posible que se depositen sales de calcio al interior del estanque y por fuera del serpentín haciendo necesaria su limpieza química cada cierto número de meses o años, lo que se determina en una inspección visual y se evidencia por una baja en el rendimiento de la instalación. En casos de dureza extrema en el agua, como suele ocurrir en la cuenca en torno a Santiago, se recomienda la instalación de un equipo ablandador de agua antes de instalar este sistema.
3.3. Sistema en Termosifón: En este sistema no existe Bomba de Circulación. El flujo de calor se produce por medio de convección natural, la que ocurre dentro del colector donde un fluido que puede ser el agua de consumo misma o un fluido caloportador se calientan y ascienden hasta el estanque acumulador por simple diferencia de densidad siendo reemplazado por liquido más frío (y pesado) que baja desde el estanque. En este esquema el estanque acumulador SIEMPRE debe estar por sobre el colector, lo que en muchos casos lo hace muy visible sobre la techumbre. En el caso del Heat Pipe presurizado esta función de transporte del calor por convección natural hacia el estanque acumulador la realiza el fluido contenido en el interior del fino tubo de cobre ya descrito. De cualquier forma el agua fría entra al estanque acumulador por su parte inferior y sale hacia el calefont por la parte superior del mismo, luego de haber sido calentada.
3.4. Sistema de Apoyo: Está constituido por el calefont (o una caldera mixta: ACS y calefacción) y un dispositivo que discrimina la dirección del agua seguido de un dispositivo de regulación termostática de la temperatura. En efecto, antes de llegar al calefón el agua, actúa la válvula termo-reguladora de 5 vías. Ésta es deseable en el caso del calefón solar y casi obligatoria en el caso de un calefón standard como se explica a continuación. Esta válvula, en su primera etapa mide la Temperatura del agua solar y si es superior a 45ºC, la deja pasar directamente hacia la etapa de mezclado con agua fría para salir finalmente a la temperatura que el usuario haya definido como óptima, SIN PASO por el calefón (por lo que este se mantiene más limpio). Si no tiene los 45ºC, la desvía hacia el calefón, el que automáticamente se enciende y aumenta la temperatura del agua.
3.4.1.Diferencias entre calefonts: En este punto se nota la diferencia fundamental entre un calefón standard y uno “solar”. El calefón standard eleva la temperatura del agua circulante unos 15-25ºC según como esté regulado. Esta regulación debe hacerla el propio usuario sin ningún nivel de automatismo en este caso. Si la temperatura de entrada es cercana a los 40ªC, la temperatura final alcanzada en un calefón standard excede bastante el nivel de confort señalado y debe usarse bastante agua fría para reducir la temperatura hasta el rango deseado, implicando un consumo inoficioso de combustible. En cambio, en el calefón solar, éste se setea para entregar una temperatura final deseada y el aparato mismo regula la intensidad de su llama para conseguir tal objetivo. De este modo casi no se quema combustible innecesariamente. En Anexo Nº 3 se puede ver las características de un calefont solar de 10 lt /min.
3.4.2.Etapa de Termo-regulación: El agua caliente que sale del calefont, pasa también a la etapa de mezclado con agua fría saliendo a la temperatura deseada. Esta etapa se programa para mezclar con agua fría y entregar siempre una temperatura pre-definida que normalmente es de unos 43°C aprox., es decir la temperatura oscilará entre 40 y 45 °C, nivel que es confortable para la gran mayoría de las personas. De este modo, el calefont instalado permanecerá gran parte del tiempo apagado, encendiéndose automáticamente solo cuando el sistema solar no sea capaz de suministrar agua a un mínimo de 45°C y también se asegura que la temperatura del agua tampoco excederá considerablemente ese valor en ninguna circunstancia, protegiendo a los usuarios de quemaduras con agua muy caliente. En el Anexo Nº1 se muestra el esquema 2CSP 1S 300 CFN en que se incluye la válvula de 5 vías asociada a un calefón standard.
3.5. Sistema de Control. Es un elemento clave para conseguir un comportamiento eficiente del sistema en los casos de circulación forzada. En cambio, en los sistemas de tipo Termosifón o no existe o se limita a ser un mero indicador sin función de control. Para cumplir su función, se dispone de 2 a 3 sensores de temperatura que se ubican adecuadamente y se les denomina como ST1 (parte alta del último colector), ST2 (zona fría del estanque acumulador) y ST3 (ubicación variable según el tipo y modelo de control utilizado). Estos envían su señal a una unidad electrónica de control (CPU) la que se programa para conseguir los objetivos deseados. En el caso de circulación forzada , las labores a cumplir son al menos las siguientes:
3.5.1.Partida y detención de la bomba de circulación conforme a la diferencia de temperatura registrada por los sensores entre la parte superior del último colector (punto más caliente) y la zona baja del estanque acumulador (zona fría). Si detecta más de 8-10ºC hace andar la bomba y si esta diferencia baja a 3-4 ºC la detiene. Esto es para optimizar el uso de la bomba eléctrica: solo anda cuando hay energía calórica para transferir.
3.5.2.Protección al sistema en general y al estanque acumulador en particular: si ST2 alcanza una temperatura límite, digamos 60ªC, la bomba se detiene, el estanque deja de recibir calor y el sistema entra en una fase conocida como estancamiento. En ella, los colectores y el circuito de calentamiento alcanzan una alta temperatura en que el calor que reciben del sol se iguala a las perdidas hacia el ambiente.
3.5.3.Hay otras muchas funciones como anti-congelamiento, ayuda para partida, partida y detención de elementos disipadores de energía o de calefacción de otros estanques, movimientos de válvulas en sistemas más complejos, etc…que son cumplidas a partir de las lecturas de estos 2-3 sensores o de un 4º que se puede adicionar en ciertos casos.
3.6. Otros Elementos:
3.6.1.Este circuito está capacitado para absorber el exceso de energía que suele producirse en los meses de verano o cuando el consumo se reduce muy drásticamente. En efecto, se contempla un Vaso de Expansión de 18 litros para absorber la dilatación del agua desde los 15ªC hasta la temperatura de estancamiento del sistema, que puede alcanzar desde 150 hasta más de 200ªC, con vaporización del contenido de los colectores. Toda esta expansión del fluido requiere un espacio de contención, el que es proporcionado por dicho vaso.
3.6.2.Tanto el circuito del fluido caloportador como el circuito de agua caliente están dotados de Válvula de Seguridad que aliviará presión al alcanzarse normalmente 6-8 bar y operará solo en el caso de que el vaso de expansión respectivo no lograra su propósito.
3.6.3.Todas las cañerías de conexión expuestas al ambiente se cubren con Aislante de 15-25 mm de espesor de tipo elastomérico o de lana mineral, para reducir las pérdidas de calor a su mínima expresión.
3.6.4. El circuito primario (fluido caloportador), construido en cañería de cobre tipo L, está soldado, con un mínimo de uniones, con estaño al 95% y si el colector instalado fuera de alta eficiencia, se utiliza soldadura de plata al 15%. El circuito de agua caliente se contempla en PPR Termo-fusionado de 20 mm de diámetro.
Se sugiere visitar nuestra página web www.ranergia.cl donde se podrán encontrar imágenes de sistemas reales instalados.
4. Estimación de la Cobertura Solar.
4.1. Dado el buen nivel de radiación en la zona se debe esperar un elevado nivel de cobertura solar, esto es muy bajo consumo de gas y concentrado en los meses de invierno. Conservando el nivel de consumo de diseño, el ahorro anual de combustible debería alcanzar del orden del 60-75% dependiendo del sistema seleccionado y siempre que el sistema sea operado y mantenido correctamente. Puede notarse en el cuadro resumen de la Oferta Económica la notable diferencia de ahorro que genera el sistema PREMIUM CSP 250 debido a la alta eficiencia de sus colectores aparte de una buena elasticidad para aumentar el consumo sin un deterioro insostenible en la economía del sistema, pudiendo alcanzar hasta 420 lt/día como promedio anual. Los demás casos están también indicados allí.
5. Otros Aspectos Importantes.
5.1. Ante un periodo conocido y prolongado de nulo consumo (P. Ej.: en vacaciones) es conveniente dejar cubierto con un paño los colectores para evitar recalentamiento innecesario con riesgo de rotura de cañerías y pérdidas del fluido calo-portador o agua por acción de soplado de las válvulas de seguridad. Dependiendo del sistema de control escogido, se puede también habilitar una función de enfriamiento nocturno, con lo cual lo anterior no es necesario.
5.2. Se supone que los colectores se instalarán sobre la techumbre o bien en el piso sobre un atril mirando hacia el norte con la menor desviación posible para maximizar la captación calórica.
5.3. Del mismo modo, las faenas necesarias para la instalación del sistema contemplan instalación sobre techo de tejuela asfáltica o zinc sobre cubierta de madera (no tejas, que requieren cuidados especiales) e incluyen solo trabajos de fijación de cañerías a muros existentes. No se consideran reparaciones o modificaciones a techumbre o muros ni excavaciones en terreno, pisos u otras superficies. Se recomienda realizar las reparaciones de techumbre antes de ejecutar esta instalación. De ser necesario realizar obras no contempladas, se deberán cotizar y facturar en forma paralela a la presente oferta.
6. Mantenimiento.
6.1. Es mínimo y se limita por parte del usuario a los siguientes aspectos:
6.1.1. La cubierta de vidrio del colector debe mantenerse lo más limpia posible, en particular durante el invierno cuando la radiación es más escasa. La limpieza debe hacerse con agua y un paño limpio, evitando rayar la superficie, nunca en seco.
6.1.2.Debe verificarse que el sistema no presente filtraciones en ninguno de los componentes o conexiones instalados, lo que queda cubierto por garantía del instalador durante el periodo de un año siempre que no se incurra en mal uso de la instalación o mal trato de alguno de sus componentes por parte de los usuarios. Dar aviso al instalador.
6.2. El instalador debe realizar cada 6 meses una inspección y proceder a reparar o recambiar los elementos que pudieran registrar un comportamiento anómalo. El listado de chequeo varía conforme al tipo de sistema instalado. La inspección y reparación no tiene costo durante el primer año siempre que se cumplan las condiciones de garantía: buen trato a los equipos, no intervención de terceros y seguir las instrucciones del manual de uso.
Nota: el valor de un calefont solar como el descrito en el Anexo Nº 3, es de unos $170.000 más IVA, instalado, sin considerar extensión del tubo de salida de tiro balanceado, lo que agregaría unos $25.000 más IVA adicionales. Sin embargo, al usarse este calefont, podría no instalarse la válvula de 5 vías sino solo una válvula mezcladora termostática, lo que reduciría el costo del conjunto en unos $ 70.000 más IVA., quedando así el valor neto del calefont solar solo en $100.000 a 125.000 más IVA ( si se requiere extensión). Este valor es comparable al de algunos modelos standard con tiro natural. Sin embargo, aquél genera una economía adicional de gas gracias a contar con sistema de llama modulante como se informó antes.
