3.6 Numerical examples
4.1.1 Existence and Uniqueness
Un factor importante de los sistemas solares térmicos es el modo de flujo del circuito primario solar. Este modo puede ser alto, bajo o ajustado. (Peuser et al, 2004).
5.4.1 Alto flujo
El modo de alto flujo implica que el caudal específico del circuito primario oscila entre 40 – 80 l h-1 m-2, valor similar a los recomendados para un captador. Por tanto estos caudales
exigen que los captadores se conecten entre ellos en paralelo. Dado que los caudales son relativamente elevados, las tuberías del circuito primario deben de ser de unos diámetros elevados. Asimismo, las bombas hidráulicas deben ser de mayor potencia y por ello el consumo de energía eléctrica también será relativamente elevado. Por otro lado, la disposición hidráulica puede llegar a ser complicada (FIGURA 5-20). El conjunto de todos estos factores implica una mayor inversión inicial y mayores costes de explotación.
El salto térmico que se obtiene en este modo de flujo oscila entre 5 y 15 °C, dependiendo del valor del caudal específico y de la irradiación solar. De este modo el sistema solar obtiene rendimientos térmicos relativamente elevados. Sin embargo, en términos de energía primaria, el rendimiento no será tan elevado debido al mayor consumo eléctrico de los equipos de bombeo.
Figura 5-20– Disposición hidráulica de sistema de captación conectado en paralelo con retorno invertido, (Peuser et al, 2004).
5.4.2 Bajo Flujo
El modo de bajo flujo se caracteriza por disponer de un caudal específico del campo de captadores entre 12 y 20 l h-1 m-2. Para obtener este flujo es necesario que los captadores
se conecten en serie, por lo menos parcialmente, de tal manera que por cada uno de ellos circule el caudal recomendado por el fabricante.
Las principales ventajas de este modo de operación respecto modo de alto flujo son las siguientes:
Mayor simplicidad del circuito hidráulico. Diámetros de tuberías más reducidos.
Bombas de menor potencia y consumo de energía eléctrica más reducido.
Obviamente, para una superficie de captación, el salto térmico obtenido en este modo de operación es más elevado que en alto flujo con valores que oscilan entre los 20 y 50 °C en función del calor del caudal específico y la irradiación.
En principio se puede pensar que como el sistema de captación opera a una temperatura media superior a la del alto flujo, su rendimiento es inferior. Esto es así siempre y cuando la temperatura de entrada en el captador sea la misma. Lo que sucede, especialmente en sistemas solares conectados a acumuladores estratificados, es que los mayores saltos térmicos del campo de captadores dan lugar a un elevado grado de estratificación en el acumulador, lo que a su vez provoca que la temperatura de entrada en el captador sea más baja. De este modo la temperatura media de operación de los captadores es similar o incluso más baja que la de alto flujo, dando lugar a rendimientos similares o más elevados. Este modo de operación es adecuado para la mayoría de instalaciones de gran tamaño.
Figura 5-21– Disposición hidráulica de sistema de captación conectado en serie, (Peuser et al, 2004).
5.4.3 Flujo ajustado
Con el modo de flujo ajustado, el caudal total que circula por el campo de captadores se adapta a la irradiancia solar mediante una bomba de caudal variable. De este modo se puede mantener una temperatura de salida más o menos uniforme independiente de la irradiancia solar. El nivel de caudal máximo que corresponde al nivel máximo de irradiación solar depende de la conexión de los captadores y la temperatura de salida deseada. Este modo de operación es muy recomendable para instalaciones de calefacción solar que requieren una elevada estratificación en el acumulador.
Es necesario mencionar que este modo de operación tiene dos variantes en función del caudal máximo específico. Para valores elevados (alto flujo), el modo se denominará alto flujo ajustado y para valores bajos se denominará bajo flujo ajustado.
5.4.4 Modo de flujo para instalaciones integradas en redes de calor y frío
El modo de operación más adecuado para sistemas solares conectados a redes de distribución de calor depende los siguientes factores:
Uso de la red de calor (calefacción o/y refrigeración) Conexión hidráulica del sistema solar a la red de calor. Fracción solar de la demanda de calefacción o refrigeración.
En la Tabla 5-8 se muestran los modos de flujo posibles para diferentes variaciones de los tres factores apuntados anteriormente en el régimen de calefacción. El salto térmico en estas redes de calefacción suele ser alto (20 °C habitualmente). Así se observa que para fracciones solares altas los modos de operación recomendados son bajo flujo y bajo flujo ajustado. Esto es así porque es fácil que el sistema solar pueda asumir en muchas ocasiones la demanda térmica de la red de distrito y dado que se necesita un salto térmico relativamente elevado, es necesario operar la planta solar en el modo bajo flujo. Sin embargo, para fracciones solares bajas, el modo de operación puede ser alto o bajo tanto en la conexión serie como en la paralelo.
En el caso del régimen de refrigeración, los modos de operación posibles se encuentran en la Tabla 5-9. En el caso de fracciones solares bajas, los modos son equivalentes a los de calefacción. Para fracciones solares elevadas, los modos de operación recomendados son el alto flujo o el alto flujo ajustado, justo lo contrario que en el régimen de calefacción: la razón de ello es el bajo salto térmico en el generador de las enfriadoras térmicas.
También es necesario apuntar que desde el punto de vista de consumo de energía primaria los modos de operación ajustados son más recomendables ya que se obtienen ahorros importantes en el consumo eléctrico de las bombas. De todas estas consideraciones se puede concluir que para fracciones solares bajas es más adecuado el bajo flujo ajustado ya que permite ahorros económicos importantes en la inversión inicial y durante la explotación de las plantas solares. Sin embargo, para elevadas fracciones solares el modo de operación es bajo/bajo ajustado para calefacción y alto/alto ajustado para refrigeración. Por tanto es necesario realizar un análisis más riguroso mediante
simulaciones ya que los modos de operación dependen en gran medida de la proporción entre la demanda de calefacción y la demanda de refrigeración.
TABLA 5-8. Modos de flujo recomendados para sistemas solares térmicos integrados en redes de distribución de calor para calefacción, según conexión hidráulica y fracción solar.
Uso de la red de calor
Salto térmico red de calor
Conexión a
red de calor Fracción solar
Modo de operación recomendado
Calefacción > 20 °C
Paralelo
Alta Bajo flujo
Bajo flujo ajustado
Baja
Bajo flujo
Bajo flujo ajustado. Alto flujo
Alto flujo ajustado
Serie
Alta Bajo flujo.
Bajo flujo ajustado
Baja
Bajo flujo
Bajo flujo ajustado Alto Flujo
TABLA 5-9. Modos de flujo recomendados para sistemas solares térmicos integrados en redes de distribución de calor para refrigeración, según conexión hidráulica y fracción solar.
Uso de la red de calor
Salto térmico red de calor
Conexión a
red de calor Fracción solar
Modo de operación recomendado
Refrigeración 5-10 °C
Paralelo
Alta Alto Flujo
Alto flujo ajustado
Baja
Bajo flujo
Bajo flujo ajustado Alto Flujo
Alto flujo ajustado
Serie
Alta Alto Flujo
Alto flujo ajustado
Baja
Bajo flujo
Bajo flujo ajustado Flujo normal
Flujo normal