Tipos de Sistema ST a Gran Escala

  1. Sistemas con depósito(s) de agua sanitaria

Los sistemas más simples para sistemas de energía solar con hasta 30 m2 (323 pies2) de campo colector son los sistemas que utilizan uno o dos depósitos de agua sanitaria y la opción de desinfección térmica. El diseño sistema de almacenamiento se corresponde con las de una vivienda unifamiliar o bifamiliar.
Como alternativa a los intercambiadores de calor sumergidos que proporcionan calefacción auxiliar, es posible utilizar una unidad de carga de almacenamiento externa. Este método de calentamiento auxiliar también permite la desinfección térmica de todo el sistema de almacenamiento de agua doméstica. Tiene las siguientes ventajas y desventajas en comparación con los sistemas con tanques de almacenamiento búfer:

VENTAJAS
■ diseño de sistema simple
■ mejor aprovechamiento de las bajas temperaturas del colector
■ menos componentes del sistema
■ bajos costos si los materiales se seleccionan con sensatez
■ sin necesidad de regulador de descarga ni intercambiadores de calor.

DESVENTAJAS
■ menor rendimiento térmico debido a la desinfección térmica
■ bajo ciertas condiciones, los depósitos de agua domésticos pueden implicar costos más altos que los sistemas de almacenamiento búfer.

Sistema solar térmico con posibilidad de sanitización de agua con energía térmica

La desinfección térmica lleva todo el sistema de almacenamiento a un nivel de temperatura elevado. Para minimizar la pérdida de rendimiento solar, esto debe hacerse al final de la tarde, justo antes de que se extraiga una gran cantidad de agua tibia. Esto asegura las temperaturas de almacenamiento más bajas posibles por la noche y al día siguiente, lo que permite que el sistema se encienda lo antes posible a la mañana siguiente. Con este tamaño de sistema, se pueden utilizar diseños de intercambiador de calor tanto sumergidos como externos.

Como el agua sanitaria es calentada por el sistema solar a través de un intercambiador de calor interno, se puede prescindir de otro intercambiador de calor, en comparación con un sistema con depósitos búferes de almacenamiento. Por lo tanto, hay menos pérdidas de temperatura (diferencia de temperatura en el segundo intercambiador de calor). En la parte inferior del depósito de agua sanitaria, la temperatura del agua fría se orienta a la del suministro de agua sanitaria. De esta forma, el sistema de energía solar puede aportar su contribución incluso a bajas temperaturas, y así lograr altos rendimientos.
La necesidad de tales medidas de desinfección térmica depende obviamente en gran medida de las regulaciones locales sobre agua potable. Dado que la desinfección térmica genera un consumo adicional de energía, debe evitarse cuando la normativa lo permita.

2. Sistemas con acumuladores térmicos

Un aumento en el nivel de temperatura en todo el tanque de almacenamiento de agua sanitaria conduce automáticamente a mayores pérdidas de energía en el sistema. Con grandes depósitos de agua doméstica que sirven como sistemas de almacenamiento de energía solar, las pérdidas son mayores que en los sistemas convencionales de calentamiento de agua con depósitos más pequeños. Además, el calentamiento del almacenamiento de energía conduce a una reducción en la utilización del circuito debido a las pérdidas de calor asociadas con las temperaturas más altas. El rendimiento energético puede disminuir hasta un 15% con condiciones límite.
Es común que en los sistemas descritos en esta sección el calor ganado en el circuito colector se almacena primero en un acumulador térmico búfer y se conduce al acumulador de agua sanitaria solo cuando es necesario. Para obtener un alto rendimiento del sistema, similar al de los sistemas con almacenamiento de energía más directo, se utilizan las variantes del sistema que se describen en los siguientes apartados.
El uso de intercambiadores de calor externos (con excepción de los acumuladores estratificados y su carga interna), también es común a estos sistemas. Cuando se alcanza una radiación solar mínima, la bomba del circuito colector se pone en marcha y calienta el circuito colector. Entonces si existe una temperatura útil en la entrada del intercambiador de calor del circuito colector, la bomba de carga del circuito búfer se enciende y los tanques búferes se cargan mediante un sistema de conmutación, por ejemplo una válvula de tres vías o un dispositivo de carga estratificada en el tanque búfer.

2.1. SISTEMAS DE ALMACENAMIENTO EN BÚFER QUE UTILIZAN EL PRINCIPIO DE CARGA DE ALMACENAMIENTO

Si la temperatura es más elevada en la zona de almacenamiento búfer (el acumulador búfer de la derecha en la siguiente figura) es posible alcanzar un nivel de temperatura útil para calentar el agua sanitaria en el acumulador de reserva, entonces la bomba de carga del circuito búfer y la bomba de carga del acumulador de ACS están conectadas . Idealmente, el acumulador de ACS debería dividirse en una zona de espera para calefacción auxiliar y una zona (inferior) para la carga del sistema solar.
La zona superior se mantiene continuamente al nivel de temperatura requerida para un suministro seguro mediante la calefacción auxiliar convencional. Teniendo en cuenta la normativa, toda la zona de almacenamiento de agua sanitaria se puede desinfectar térmicamente (no se muestra en la figura). De esta forma, el calentamiento de recarga del agua sanitaria y la desinfección térmica se realizan exclusivamente en el acumulador de ACS mediante calefacción convencional. En comparación con los diferentes conceptos para el calentamiento auxiliar del agua sanitaria hasta las temperaturas de extracción requeridas, este ha demostrado ser lo más conveniente con respecto a la utilización máxima del sistema solar.

VENTAJAS
■ La descarga del tanque de compensación es posible independientemente del consumo de agua actual.
■ Se logra una alta utilización del sistema para todo el sistema con calefacción auxiliar solo en el tanque de agua sanitaria.
■ El intercambiador de calor de descarga se puede mantener relativamente pequeño y económico.

DESVENTAJAS
■ El acumulador de ACS requiere una zona solar en la zona inferior, o la temperatura de la calefacción auxiliar debe reducirse para permitir la carga del sistema solar incluso a niveles de temperatura más bajos.
■ La descarga del tanque de almacenamiento búfer debe controlarse para mantener las temperaturas lo más bajas posible en la zona inferior del tanque de almacenamiento búfer más frío.

Sistema de almacenamiento intermedio que utiliza el principio de carga de almacenamiento; calefacción de recarga en el tanque de reserva

2.2. SISTEMAS DE ALMACENAMIENTO EN BÚFER QUE UTILIZAN EL PRINCIPIO DE FLUJO ÚNICO

Con este tipo de sistema el acumulador térmico búfer se descarga utilizando el principio de flujo único. Cuando se extrae agua sanitaria, y si al mismo tiempo existe un nivel de temperatura útil en el búfer más caliente, esta se descarga a través de una bomba de circuito. A continuación, el calor solar se transfiere al agua sanitaria. Controlando el flujo volumétrico en el circuito de descarga, el agua de reserva se puede enfriar, por ejemplo, a 5 K por encima de la temperatura de entrada del agua fría sanitaria. La condición previa para esto, sin embargo, es una adaptación muy precisa del flujo volumétrico en el circuito de descarga del tanque intermedio con el volumen de extracción momentánea, lo que requiere sistemas de control precisos y rápidos.

El enfriamiento del agua del tanque búfer es posible tanto para tasas de extracción pequeñas como grandes, y la zona de almacenamiento búfer más fría asume las temperaturas más bajas posibles. El rendimiento solar aumenta debido a la transferencia de calor del circuito solar a este nivel de baja temperatura.

VENTAJAS
■ Los tanques de agua domésticos existentes pueden seguir funcionando sin cambios después de la instalación del sistema solar. Incluso los sistemas puros de flujo único pueden complementarse con un sistema solar.
■ El sistema solar se puede conectar muy fácilmente a la red de agua doméstica existente mediante la instalación del intercambiador de calor del circuito de descarga.
■ Se puede lograr un mayor rendimiento solar mediante el retorno en frío al tanque búfer si el controlador de descarga funciona perfectamente.

DESVENTAJAS:
■ El control de la descarga debe funcionar con mucha precisión; en la práctica, esto no suele suceder.
■ Si las tasas de extracción varían considerablemente y el volumen del tanque intermedio es muy alto, el sistema de flujo único se vuelve lento y no puede suministrar suficiente calor desde el búfer.
■ El intercambiador de calor del circuito de descarga debe diseñarse para picos de extracción medios o máximos y, por lo tanto, es grande y costoso.
■ Los intercambiadores de calor provocan pérdidas de presión, que provocan variaciones de presión en el suministro de agua sanitaria con tasas de extracción cambiantes, que pueden provocar variaciones de temperatura desagradables con los grifos monomando.

3. Integración de sistemas de circulación

Para utilizar el calor solar para cubrir las pérdidas de calor de una línea de circulación, se deben observar las siguientes condiciones generales: Las regulaciones del agua potable influyen en gran medida en el régimen de temperatura en el que los sistemas de circulación están y deben operar. En general, se deben mantener temperaturas > 55 ° C (> 131 ° F). Este nivel de temperatura se devuelve al depósito de ACS en una posición determinada. Dependiendo del tiempo de funcionamiento de la circulación secundaria, puede ocurrir un aumento de temperatura en la zona más fría del acumulador. Además, esta circulación conduce a un proceso de mezcla que también se traduce en un menor rendimiento solar.

En la medida de lo posible, debe evitarse el calentamiento de la zona solar (inferior) del acumulador mediante el circuito de circulación. El nivel de temperatura, que es significativamente más alto que la temperatura del agua fría, conduciría a una fuerte reducción en la utilización del circuito del colector. Para sistemas de precalentamiento (o sistemas con bajas fracciones solares) en conexión con circulación secundaria y un retorno > 55 ° C (> 131 ° F), la conexión de un circuito de circulación al sistema solar tiene poco sentido. En un sistema solar con una fracción solar baja, se alcanza un nivel de temperatura> 55 ° C (> 131 ° F) en solo unos pocos días en el verano, lo que hace que la cobertura de las pérdidas de circulación a este nivel de temperatura sea prácticamente innecesaria.

Integración del circuito de circulación, según temperatura, en la mitad de la altura del tanque precalentador izquierdo o en el tanque de reserva derecho