Control de SST a Gran Escala

Básicamente, en los sistemas solares con acumuladores intermedios se deben controlar y regular dos sistemas:
■ el circuito colector / circuito de carga de almacenamiento
■ el circuito de descarga de la tienda.

  1. Circuito de carga de colector / almacenamiento

1.1. FUNCIÓN BÁSICA

Vea la Figura 5.6. Si hay una diferencia de temperatura útil entre el campo del colector y el acumulador solar, la bomba del circuito del colector y la bomba de llenado del acumulador se encienden y el acumulador se carga. Si la carga del acumulador ya no es posible debido a una disminución de la diferencia de temperatura, el controlador apaga las bombas y, por lo tanto, se evita la descarga no deseada del acumulador solar a través del campo del colector.
Casi todos los conceptos de control se basan en el principio de medición de la diferencia de temperatura y en los programas correspondientes para controlar los diferentes sistemas.

Control de carga de estanque de almacenamiento

Los intercambiadores de calor utilizados en el circuito del colector también influyen en la conmutación de las bombas. Un pequeño intercambiador de calor en el almacén con una diferencia de temperatura reductora entre el medio de transferencia de calor y el almacén solo puede suministrar una cantidad de calor cada vez menor al agua de almacenamiento. A pesar de las temperaturas más altas en el colector, el controlador debe apagar la bomba del circuito del colector en este caso para evitar una circulación ineficiente alrededor del circuito del colector. Por tanto, es necesario adaptar la diferencia de temperatura de desconexión al rendimiento del intercambiador de calor.

1.2. ESTRATEGIA DE CONTROL
La mayoría de los sistemas y conceptos de control que se encuentran en el mercado hoy en día siguen la estrategia de cargar el acumulador solar cuando se alcanza una diferencia de temperatura ajustable entre el campo colector (o temperatura de alimentación en el intercambiador de calor externo) y el acumulador (temperatura en la zona inferior). Así, en sistemas con almacenamiento de ACS, la carga desde el circuito del colector comienza, por ejemplo, a partir de una temperatura de 13 ° C (55,4 ° F) en el colector (entrada de agua fría de 8 ° C (46,4 ° F) más 5 K de temperatura diferencia). Durante la carga, este nivel de temperatura aumenta hasta que se alcanza la temperatura máxima de almacenamiento (60–95 ° C; 140–203 ° F).

Los colectores, circuitos y medio caloportador tienen una determinada capacidad calorífica. Cuanto más largas sean las líneas en el circuito del colector y mayor sea el diámetro de la tubería, mayor será la capacidad calorífica en el circuito del colector. Por tanto, aumenta la inercia del sistema. En sistemas del tamaño considerado, es habitual permitir primero que el circuito del colector “se caliente para calentar” a través de un circuito de derivación (esto evita el enfriamiento del almacén). El circuito de derivación no se utiliza en sistemas solares pequeños con trayectos de línea cortos debido a las menores capacidades de calor en el circuito del colector.

1.3. CIRCUITO DE BYPASS CON INTERCAMBIADOR DE CALOR INMERSO Y VÁLVULA DE TRES VÍAS
Además de la bomba del circuito del colector, el controlador del circuito del colector también gestiona una válvula de tres vías. Hasta que se alcanza una temperatura útil en la línea justo antes de la entrada al acumulador, el circuito del colector se conmuta a la operación de derivación y pasa por el intercambiador de calor del acumulador. Este sistema de conmutación se utiliza solo en conexión con intercambiadores de calor sumergidos.

Circuito bypass con válvula de 3 vías

1.4. CIRCUITO DE BYPASS CON INTERCAMBIADOR DE CALOR EXTERNO Y DOS BOMBAS

Además de la bomba del circuito del colector, el controlador del circuito del colector también puede gestionar la bomba de carga del circuito de almacenamiento. Hasta que se alcance una temperatura útil en la línea poco antes de la entrada al intercambiador de calor externo, solo está funcionando la bomba del circuito colector. Si se alcanza la temperatura útil, la bomba de carga del circuito de almacenamiento comienza a funcionar. Esta variante se examina con más detalle a continuación, en vista del uso generalizado de intercambiadores de calor externos.

Circuito bypass con control separado de colector y bombas del tanque de búfer.

1.4.1. CONTROL DEL CIRCUITO COLECTOR MEDIANTE RADIACIÓN Y SENSORES DE TEMPERATURA
Se puede conectar un sensor de radiación al campo del colector y conectarlo al controlador del circuito del colector. Con suficiente radiación solar, se pone en marcha la bomba del circuito colector. Para poner en marcha la bomba, es aconsejable comparar el valor de radiación medido con la temperatura del estanque de almacenamiento. Durante el funcionamiento del sistema, el controlador recopila continuamente información sobre la actividad de la bomba del circuito colector con los valores de radiación correspondientes, así como la temperatura del acumulador. Por ejemplo, a una temperatura de almacenamiento de 50 ° C (122 ° F), la bomba del circuito colector no se pone en marcha hasta que la radiación solar supera los 500 W / m2; a una temperatura de almacenamiento de 10 ° C (50 ° F), la bomba se enciende a 150 W / m2 de radiación solar. Esto evita que la bomba del circuito del colector se ponga en marcha a un nivel de radiación solar demasiado bajo para una mayor carga del acumulador.

Además, el controlador se adapta a las variables de ganancia y pérdida en el circuito del colector mediante la recopilación continua de los nuevos valores de temperatura y radiación.
Si el medio de transferencia de calor en el circuito del colector, frente a la entrada del intercambiador de calor alcanza una diferencia de temperatura de Δθ = 2–5 K por encima de la temperatura del acumulador, se pone en marcha la bomba de carga. Si Δθ cae por debajo de 1–3 K, la bomba de carga del circuito intermedio se detiene. Además, si la intensidad de la radiación solar medida en el sensor de radiación disminuye por debajo de un umbral, la bomba del circuito colector también se apaga. El sistema no se reinicia hasta que la intensidad de la radiación solar vuelve a aumentar.
Si la bomba del circuito del colector se pone en marcha con un valor fijo, por ejemplo 130 W / m2, esto puede conducir a tiempos de funcionamiento extremadamente largos de la bomba sin rendimientos. Por ejemplo, la radiación solar puede estar ligeramente por encima de este valor durante todo el día, pero el colector seguirá no alcanzando un nivel de temperatura útil. Además, cuando el estanque de almacenamiento ya está muy caliente, un nuevo arranque de la bomba del circuito colector en el bypass puede ser inútil (por ejemplo, si sale el sol después de un chaparrón por la tarde, la temperatura del colector no superará la temperatura del almacenamiento ni siquiera en la tarde noche).
Debe evitarse el sombreado del sensor de radiación. Por ejemplo, la célula solar puede quedar fuera de servicio por los excrementos de los pájaros: este tipo de avería debe tenerse en cuenta en caso de defectos.

1.4.2. CONTROL DEL CIRCUITO COLECTOR MEDIANTE SENSORES DE TEMPERATURA
La bomba del circuito del colector puede ser encendida si la temperatura en un sensor de temperatura en el colector es 5-7 K por encima de la temperatura en el sensor del acumulador(parte inferior). Si se mide una temperatura de 2 a 5 K por encima de la temperatura del acumulador en el sensor situado frente a la entrada del intercambiador de calor, también se pone en marcha la bomba de carga del acumulador. Si la diferencia de temperatura cae por debajo de 2–4 K, las bombas se apagan una tras otra.


1.5. CARGA DEL TANQUE DE ALMACENAMIENTO A DIFERENTES NIVELES DE TEMPERATURA
Para lograr rápidamente temperaturas útiles en el acumulador, este debe dividirse en diferentes niveles de temperatura. Esto se puede hacer mediante conexión en serie en el lado de descarga, en el que el almacén se carga alternativamente en el área de almacenamiento frío o caliente. Con el uso de válvulas y bombas para controlar los diferentes tanques los niveles de temperatura deben limitarse a dos, independientemente del tamaño del sistema, ya que con el uso creciente de bombas y válvulas la susceptibilidad a fallas también aumenta mucho, sin que el rendimiento solar sea significativamente aumentado. La carga de los dos niveles puede realizarse alternativamente mediante una válvula de tres vías o una segunda bomba de carga. Después de que se haya medido una temperatura útil para cargar un nivel de almacenamiento en el sensor de temperatura en el circuito del colector frente a la entrada del intercambiador de calor, la válvula de tres vías se abre en el nivel de carga correspondiente. Con el uso de dos bombas de carga del tanque de almacenamiento en lugar de la válvula de tres vías, la bomba de carga del tanque de almacenamiento correspondiente se inicia para cargar el nivel utilizable. Un área de almacenamiento prioritario (nivel de carga) generalmente se define en los controladores para la carga. Este nivel de carga es llenado entonces como una prioridad, y solo si no es posible un aumento adicional de temperatura se utiliza el segundo nivel de carga.

Carga de un estanque de almacenamiento solar térmico mediante diferencias de temperatura

1.6. CARGA DEL DEPÓSITO DE ALMACENAMIENTO EN EL CASO DE DEPÓSITOS CON EQUIPO DE CARGA ESTRATIFICADO
Cuando se utiliza un equipo de carga por capas o estratificado, también es posible cargar varios acumuladores en un sistema conectado en serie. El agua caliente siempre sale por el equipo de carga en el acumulador más caliente al nivel de carga correspondiente a su temperatura. De esta forma, en el caso de niveles elevados de temperatura, el acumulador de calor se carga en la zona superior. Si el nivel de temperatura de carga desciende, el agua caliente sale del equipo de carga a niveles cada vez más bajos. Si el nivel de temperatura del circuito de carga en el tanque calentador ya no se puede usar, el agua se alimenta al nivel de temperatura correspondiente del segundo tanque (más frío) a través de la ruta alternativa de la capa más baja. Este sistema de carga de almacenamiento requiere un controlador especialmente adaptado. Esto solo mide la temperatura en el tanque más frío; la carga de los diferentes niveles se realiza automáticamente a través del equipo de carga de capas sin el uso de más válvulas o bombas.

Llenado de tanques de almacenamiento usando equipo de almacenamiento estratificado.

2. Descarga del circuito del tanque búfer

Según la estrategia de descarga, se utilizan el método de control correspondientemente adaptados según el principio de carga de almacenamiento o el principio de flujo único.
Para evitar la posible acumulación de cal en el intercambiador de calor de descarga del sistema de almacenamiento búfer y, además, para establecer una temperatura máxima para el diseño del intercambiador de calor, la temperatura en la entrada del intercambiador de calor de descarga está limitada, por ejemplo, a 55 ° C (131 ° F) (pero teniendo en cuenta las regulaciones de agua potable). Esto se lleva a cabo mediante un proceso de mezcla mediante una válvula mezcladora termostática en la entrada o un mezclador en la línea de retorno del intercambiador de calor. La válvula mezcladora termostática se ajusta a la temperatura máxima deseada de entrada al intercambiador de calor.
La válvula de tres vías o el mezclador de tres vías en la línea de retorno se controla mediante un controlador de valor fijo o, para sistemas más pequeños, también mediante un cabezal de termostato con sensor remoto. Por tanto, la precisión del controlador depende del tiempo de funcionamiento de la válvula / mezclador y de la velocidad del procesamiento de la señal en el controlador de valor fijo. Para los sistemas con controladores de descarga para controlar el principio de flujo único, que reaccionan muy rápidamente, por lo tanto, a menudo se prescinde de la restricción de alimentación, ya que su velocidad de control es demasiado baja en comparación con la regulación de descarga.

2.1. PRINCIPIO DE CARGA DEL TANQUE DE ALMACENAMIENTO

El controlador de descarga compara las temperaturas en el búfer (caliente) y en el área inferior del depósito de agua sanitaria. Si la temperatura en el búfer es 2–5 K más alta, las bombas se ponen en marcha para descargar el búfer. Si la diferencia de temperatura cae por debajo de 1–2 K, ambas bombas se apagan. Durante la carga, la temperatura en el depósito de agua sanitaria aumenta y, por tanto, también en el retorno de la descarga del búfer. Para evitar un aumento demasiado severo de las temperaturas de retorno en la descarga del búfer, la temperatura en la zona inferior del depósito de agua sanitaria suele ser limitada. Por lo tanto, para descargar el acumulador búfer, deben instalarse controladores de diferencia de temperatura para limitar la temperatura máxima a través del sensor de medición (= sensor de almacenamiento inferior). La temperatura máxima se puede establecer, por ejemplo, en 30 ° C (86 ° F).

Si el almacenamiento de agua sanitaria se enfría como resultado del drenaje de más agua, entonces, la carga continúa, si existe un nivel de temperatura útil en el tanque búfer. Para evitar un calentamiento no deseado del tanque búfer más frío durante la operación de carga, se puede instalar una válvula de tres vías adicional en la línea de retorno del circuito de descarga. Si luego se mide una temperatura más alta en el sensor de temperatura que en el búfer más frío, entonces la válvula de tres vías cambia el flujo al tanque de búfer más caliente.
La válvula de tres vías no es necesaria para amortiguadores con equipo de carga estratificada, ya que la línea de retorno de descarga del búfer se conduce al nivel de temperatura correspondiente a través del equipo de carga estratificada.

2.2. PRINCIPIO DE FLUJO ÚNICO
El objetivo de este principio es el mejor enfriamiento posible del agua de reserva durante la descarga o el aumento máximo de temperatura en el agua sanitaria. Para cumplir con ambos objetivos, el flujo volumétrico del circuito de descarga debe coincidir con el flujo volumétrico (variable) del circuito de agua sanitaria. Esto se hace ciclando (o controlando la velocidad) la bomba de descarga.
El controlador de descarga mide la diferencia de temperatura entre la parte superior del tanque intermedio (más caliente) y el agua fría. Si el búfer está 2–5 K más caliente que la entrada de agua fría, la bomba del circuito de descarga del búfer se pone en marcha, por ejemplo, al 10% de su caudal nominal. De esta forma se supera en primer lugar la inercia del circuito de descarga y se consigue una temperatura útil en el intercambiador de calor del descargador para su uso inmediato en los grifos de agua caliente. El controlador monitorea el flujo en el circuito de agua sanitaria. Si se mide un flujo aquí, se pone en marcha la bomba de descarga de búfer y el flujo volumétrico de la misma se regula de acuerdo con el criterio “flujo de retorno más frío posible”. Para ello, con la bomba de descarga en funcionamiento, se mide la diferencia de temperatura entre la temperatura de entrada del agua fría y la temperatura de salida del retorno. Si la bomba de descarga del circuito intermedio es ciclada por el controlador (o está regulada por velocidad), se establece una diferencia de temperatura seleccionable entre la entrada de agua fría y el flujo de retorno del circuito de descarga del búfer de, por ejemplo, 5 K. por lo tanto, se descargará hasta la temperatura de la entrada de agua fría más 5 K. Para esta variante de control es necesario utilizar sensores precisos y de reacción rápida. Los sensores deben instalarse de acuerdo con las instrucciones del fabricante utilizando mangas de inmersión. Para evitar pérdidas de presión o posibles fuentes de error, la medición del caudal debe realizarse, si es posible, en el circuito de agua sanitaria mediante comparaciones de temperatura en lugar de monitores de caudal o similares. Deben tenerse en cuenta las instrucciones adicionales del fabricante relativas al posicionamiento de los sensores con respecto a los rendimientos.