3. descripción de ensayos. -...

Metodología y análisis comparativo de equipos solares prefabricados indirectos por termosifón. Proyecto Fin de Carrera Miguel Ángel Navarro Martínez

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3. Descripción de ensayos. Los ensayos que pueden realizarse en el laboratorio son los siguientes:

• Control de documentación: Examen de documentación según UNE-EN 12976-1 apartado 4.6.

• Contaminación del agua: Examen de documentación según UNE-EN 12976-2 apartado 5.4 (UNE-EN 1717).

• Protección contra rayos: Examen de documentación según UNE-EN 12976-2 apartado 5.5 y anexos E y F.

• Equipo de seguridad: Examen de documentación según UNE-EN 12976-2 apartado 5.6 (UNE-EN 12976-1 apartado 4.4).

• Etiquetado: Examen de documentación según UNE-EN 12976-2 apartado 5.7 (UNE-EN 12976-1 apartado 4.7).

• Protección contra flujo inverso: Examen de documentación según UNE-EN 12976-2 apartado 5.10.

• Ensayo de rendimiento térmico. Se sigue la Norma UNE-EN 12976-2 apartado 5.8.2 a). (ISO 9459-2).

• Ensayo de resistencia a heladas. Se sigue la Norma UNE-EN 12976-2 apartado 5.1.

• Ensayo de protección contra sobretemperaturas. Se sigue la Norma UNE-EN 12976-2 apartado 5.2.

• Ensayo de resistencia a presión. Se sigue la Norma UNE-EN 12976-2 apartado 5.3.

De entre todos estos ensayos tienen particular interés energético los ensayos de rendimiento térmico, de resistencia a heladas, de protección contra sobretemperaturas, de resistencia a presión y el examen de documentación para la protección contra flujo inverso. Se estudian a continuación estos cinco ensayos.


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3.1. Ensayo de rendimiento térmico. Se recomienda la realización del ensayo de resistencia a heladas y del ensayo de sobretemperatura con anterioridad al ensayo de rendimiento. El motivo es que el ensayo de rendimiento requiere de varios días de trabajo. Cuando un sistema falla en alguno de los ensayos, el defecto debe ser corregido por el fabricante antes de la realización del ensayo de rendimiento térmico. Los ensayos de resistencia a heladas y de sobretemperatura con frecuencia advierten defectos o malos funcionamientos. Si se localizaran los defectos en el equipo después de realizar el ensayo de rendimiento, esto nos obligaría a repetirlo. El ensayo de rendimiento comprende los siguientes ensayos:

• No menos de 6 ensayos de rendimiento diario, de 1 día de duración, con una extracción al final del día.

• Un ensayo para determinar el grado de mezcla durante la extracción. • Un ensayo nocturno de pérdidas de calor en el acumulador. En el caso de

sistemas forzados, otro ensayo de pérdidas en el acumulador, con el bucle del captador desconectado.

• En el caso de que el cliente lo requiera, puede realizarse también un ensayo con extracción de medio volumen del acumulador al mediodía.

El principal interés de todos ellos es la obtención de datos para la predicción del rendimiento a largo plazo del sistema. Estos ensayos, independientes entre sí, implican un acondicionamiento del sistema a una temperatura conocida, y dejarlos evolucionar en el exterior, bajo ciertas condiciones según cada tipo de ensayo. Se registra la radiación que incide en el sistema y las temperaturas de entrada y salida, pudiéndose determinar entonces las entradas y salidas energéticas del sistema. A continuación se describen los distintos ensayos que componen el de rendimiento térmico, se comentan los datos obtenidos de cada uno de ellos y se marcan las diferencias con el procedimiento de ensayo anterior a la norma actual, que describía el Instituto Nacional de Técnica Aerospacial (INTA) en el informe Nº PTS/RPT/4840/006/95 "Procedimiento de ensayos de eficiencia energética de equipos solares domésticos".


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3.1.1. Ensayo de determinación del rendimiento diario. Se sigue la norma ISO 9549-2 apartado 7. Los límites marcados son los indicados en esta norma. Consiste en un ensayo de un día de duración en el que se acondiciona el sistema a un punto de partida conocido, se deja evolucionar al exterior 12 horas, controlando variables como irradiancia solar y temperatura ambiente y después se mide su situación final. El punto de partida conocido se consigue haciendo circular agua por el sistema hasta que su temperatura sea uniforme. La situación final se calcula a través de una extracción de agua, en la que se controla el caudal y las temperaturas de entrada y salida. Este proceso se asemeja a un día cualquiera de trabajo del equipo solar en el que solo se realizara una extracción de agua al final del día. El ensayo de rendimiento térmico consta como mínimo de 6 ensayos de determinación del rendimiento diario. Los resultados deben obtenerse para al menos 4 días diferentes con aproximadamente los mismos valores de temperatura ambiente media diurna menos temperatura de entrada de agua fría, (Ta(day)-Tmain) y valores de radiación distribuidos uniformemente de 8 MJ/m2 a 25 MJ/m2. Los resultados también deben obtenerse para al menos dos días más con valores de Ta(day)-Tmain al menos 9 K por encima o por debajo de Ta(day)-Tmain obtenidos para los cuatro primero días. Los valores de Ta(day)-Tmain deben estar siempre entre -5 K y +20 K para cada día de ensayo. El procedimiento de ensayo descrito a continuación es la particularización de la norma ISO 9549-2 apartado 7 al laboratorio del IAER. Procedimiento de ensayo: El sistema debe encontrarse montado según las instrucciones del fabricante y orientado hacia el mediodía solar. Los sensores (piranómetros, anemómetro, contador eléctrico y sensores de temperatura y presión) deben estar correctamente conectados al Sistema de Adquisición de Datos y listos para la toma de datos al comienzo del ensayo. Los captadores y piranómetros deben estar limpios y el anemómetro y los piranómetros encontrarse en el plano del captador. El viento producido por los ventiladores debe incidir en el plano del captador con una velocidad media entre 3-5 m/s, medida a una distancia de 50 mm de la superficie de la cubierta y no debe haber desviación mayor del 25% en toda la superficie. La posición inicial de las válvulas debe ser la indicada en la siguiente figura:


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Figura 3.1. Esquema del laboratorio durante el ensayo de rendimiento diario.


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Se conecta la bomba de recirculación del termo. Dicha conexión se realiza a través de un enchufe en el lateral del cuadro derecho. El programador digital de la electroválvula de entrada se configura para que realice una purga de agua de uno o dos minutos, 10 minutos antes de realizar la extracción. Para ello se programan las electroválvulas situadas en el lateral y en el interior del cuadro derecho. El programador digital de la electroválvula de salida se sincroniza con el ordenador de control para que realice una extracción de agua igual al volumen del sistema una vez comenzada la extracción. Esto es necesario porque, de no ser así, durante la extracción, la bomba de calor existente en su función de frío no podría mantener la temperatura de agua fría que entra al depósito fluctuando menos de 0,25 K y sin variar en más de 0,2 K en su extracción, como se indica en la norma. Nota: La cantidad de agua exacta no es importante, por lo que, conocido el caudal con el que se extrae el agua, se programa para que extraiga agua cierto número de minutos, tal que el volumen extraído sea aproximadamente el deseado. Por ejemplo, para evacuar unos 200 litros a 9,5 litros/minuto, se programa una apertura de algo más de 20 minutos. El set-point de la bomba de calor (solo se usa en la función de frío) se configura a 10º C, por ser la temperatura más baja que es capaz de conseguir la bomba. Tras elegir la temperatura de entrada al sistema, siempre cumpliendo los requisitos de Ta(day)-Tmain anteriormente fijados en la norma ISO 9549-2 apartado 7, se configuran los relés de temperatura del acumulador de 1000 l un par de grados menos que la temperatura de entrada. Los relés de temperatura de entrada, situados en el cuadro derecho, se configuran a la temperatura anteriormente elegida. Se configuran los relés de temperatura del termo eléctrico, situados en la parte baja del cuadro derecho, unos dos grados por encima de la temperatura de entrada elegida. Se configuran en el cuadro central los siguientes pasos:

• La válvula de 3 vías del depósito de 1000 l, situada junto al intercambiador, en la posición de modo automático.

• La bomba del depósito de 1000 l en modo manual. • La válvula de 3 vías de entrada de agua en modo automático.

Con la válvula de esfera situada a la entrada del sistema, se regula el caudal a 600 l/h ±50 l/h. Se programa el ordenador para que abra automáticamente la válvula de 3 vías de entrada de agua y empezar así con el acondicionamiento. Se tapa el captador con una manta térmica reflectante (se retirará justo antes de empezar el ensayo).


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En esta parte del acondicionamiento del sistema, se hace circular agua por el equipo a ensayar, poniéndola en contacto con el intercambiador de la bomba de calor trabajando en modo frío y con el intercambiador del termo eléctrico. Ambos estaban fijados a una temperatura levemente inferior y superior respectivamente a la temperatura que se había elegido como temperatura de entrada al sistema. Transcurrido cierto tiempo (unas 2 horas) todo el circuito se encuentra a la temperatura elegida como temperatura de entrada. Se considera que el sistema ha alcanzado una temperatura uniforme cuando la diferencia entre la temperatura de entrada y salida del equipo difiere menos de 1 K durante más de 15 minutos. Se cierra la válvula de tres vías y se para el acondicionamiento. Si el equipo fuera de circulación forzada, se usaría su bomba para el acondicionamiento del agua del primario. En tal caso, no se pararía la bomba después de alcanzar la temperatura uniforme, sino que se dejaría funcionando hasta justo antes del inicio del ensayo. Se aísla el circuito by-pass mediante válvulas para evitar la circulación natural. El equipo de acondicionamiento queda en funcionamiento pero sin extracción de agua. Con esto se consigue mantener un volumen de agua suficiente a la temperatura adecuada, que es necesaria con posterioridad en la extracción. Se destapa el captador justo antes de empezar el ensayo, 6 horas antes del mediodía solar. Durante las siguientes 12 horas se deja evolucionar el sistema. Se registran las siguientes medidas:

• Irradiancia solar global sobre la apertura del captador. • Irradiancia solar difusa sobre la apertura del captador. • Temperatura del aire ambiente alrededor del captador. • Velocidad del aire cerca del captador. • Energía consumida por la circulación y control de aparatos del sistema,

si es que posee aparatos eléctricos (bombas, controladores, válvulas solenoides, etc). Los equipos termosifónicos no suelen disponer de estos sistemas, por lo que no existe este consumo (energía parásita).

Nota: Realmente el SAD del laboratorio del IAER también registra durante este tiempo otras variables como caudal y temperaturas de entrada y salida al sistema, pero durante las doce horas de exposición al exterior no son de utilidad. Estas medidas serán de utilidad durante la extracción. Diez minutos antes de empezar la extracción, 6 horas después del mediodía solar, se produce la extracción de 2 minutos que se había programado con anterioridad. Esta extracción se realiza para asegurar que el agua en la tubería entre el controlador de temperatura de entrada de agua fría y la entrada el acumulador esté a la temperatura que se eligió al inicio del día como temperatura de entrada. (Temperatura de acondicionamiento, Tmain). El sistema de acondicionamiento había estado funcionando todo este tiempo para que la temperatura de entrada permaneciese constante. Se tapa el captador.


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Seis horas después del mediodía solar se realiza la extracción de al menos 3 veces el volumen de acumulación de agua. La extracción continúa en el caso de que la diferencia de temperatura entre el agua extraída y la temperatura de entrada sea superior a 1 K. El primer volumen de agua va a sumidero por las exigencias en el control durante la extracción de la temperatura del agua de entrada al acumulador que se indicaron con anterioridad (no puede fluctuar en más de ± 0,25 K, y no puede desviarse en más de ± 0,2 K). El caudal durante la extracción afecta fuertemente al perfil de extracción, por lo que el sistema de control debe mantener un caudal constante de 600 l/h ±50 l/h. Durante la extracción se registran mediante SAD los datos de caudal, irradiancia, temperatura ambiente, temperatura entrada y salida, con lecturas por lo menos cada 15 segundos. El registro de estos datos se realiza en ficheros que se usan posteriormente para el estudio. Análisis y presentación de resultados. La norma ISO 9459-2, en su apartado 8.1, pide que se presenten los resultados de este ensayo siguiendo los formatos dados en el anexo A de dicha norma. Además deben representarse los perfiles de temperatura de extracción medida y normalizada y los diagramas entrada-salida e incremento de temperatura, tal como se describe en sus apartados 8.2 a 8.4. Se comentan a continuación cada una de ellas: Perfiles de temperatura de extracción medidos. A partir de los ficheros de datos registrados, se representan los valores de temperatura de extracción hasta al menos 3 veces el volumen del agua del depósito del equipo. Se realiza para un día de ensayo con radiación solar entre 8 y 16 MJ/m2 y otro entre 16 y 25 MJ/m2. Perfiles de temperatura de extracción normalizada f(V). Se calcula la energía contenida en cada décima parte del volumen del acumulador extraída como:

])([*** TmainViTdiCpwwViQi −∆= ρ

Con Tdi(Vi) la temperatura media del volumen de agua extraído. ∆Vi es la décima parte del volumen extraído. Es necesario extraer al menos 3 veces el volumen del depósito o bien hasta que Td-Tmain ≤ 1K. Entonces la energía total contenida en el depósito y extraída del acumulador es:

∑=

=n

i

QiQ1


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El valor Fi del perfil de temperatura de extracción normalizado f(V), asociado a cada valor ∆Vi se calcula como:

Q

QiFi =

Y corresponde a la fracción de energía sobre el total que se encuentra en esa porción de volumen. Se obtiene así la gráfica f(V). A partir de los valores de Fi se puede calcular la gráfica F(V), que representa la energía sumada hasta ese punto de la extracción, en porcentaje sobre el total. Para ello se sumarían los valores de Fi hasta ese momento. Energía de salida Q del sistema en función de la radiación. La norma ISO 9459-2 dice que el rendimiento de un sistema de agua caliente sanitaria solo solar puede representarse por la ecuación:

321 ))((Q aTmaindayTaaHa +−∗+∗=

Los coeficientes a1, a2, a3 se calculan aplicando un método de mínimos cuadrados a los resultados de los ensayos del laboratorio. Q es la energía contenida en el depósito según el ensayo de rendimiento definido en la norma. Incremento de temperatura Td(max)-Tmain en función de la radiación. Se representan los puntos individuales y las rectas

321 ))(((max) bTmaindayTabHbTmainTd +−∗+∗=−

Los coeficientes b1, b2, b3 también se calculan aplicando un método de mínimos cuadrados a los resultados de los ensayos del laboratorio. Td(max) es la máxima temperatura del agua extraída del depósito. Td(max)-Tmain es el incremento máximo de temperatura que se produce en el depósito. Presentación de resultados. Los resultados del ensayo de rendimiento diario se registran en el informe de ensayo y predicción del rendimiento anual y debe incluir los siguientes puntos:

• Diagrama esquemático del circuito de ensayo. • Fotografía de la instalación de ensayo. • Latitud y longitud de la localización de ensayo, azimut e inclinación del

captador. • Durante las doce horas de exposición al ambiente, para cada día de

ensayo: radiación solar diaria en la apertura del captador, radiación solar difusa diaria en la apertura del captador, Tmain, Ta(day) y Ta(day)-Tmain.

• Durante la extracción, para cada día de ensayo: Td(max), Td(av), Td(max)-Tmain, velocidad del viento, volumen de agua extraído y Q.


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• Gráfica de energía de salida del equipo frente H. Se dibujan para valores de Ta(day)-Tmain = -10, 0, 10 y 20 K

• Ajuste lineal de los datos de producción diaria de energía del equipo Q= a1*H+ a2*(Ta(day)-Tmain)+ a3.

• Gráfica del incremento de temperatura del equipo Td(max)-Tmain frente H. Se dibujan para valores de Ta(day)-Tmain = -10, 0, 10 y 20 K

• Ajuste lineal de los datos del incremento de temperatura del equipo Td(max)-Tmain = b1*H+ b2*(Ta(day)-Tmain)+b3.

• Gráficos del perfil de temperatura de extracción normalizada f(V) para H<16MJ/m2 y H≥16

Estos resultados servirán como partida para el cálculo del rendimiento a largo plazo del equipo.


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3.1.2. Ensayo para la determinación del grado de mezcla. Se sigue la Norma ISO 9549-2 apartado 7.7. Los límites marcados son los indicados en esta norma. Este ensayo se realiza para caracterizar la medida en que se mezclan el agua caliente del depósito de acumulación que está siendo extraída, con el agua de reposición al depósito, que se encuentra a la temperatura de entrada, Tmain. Para ello se calienta de manera uniforme el equipo por encima de 60ºC y después se realiza la extracción del agua del depósito. Al graficar la temperatura del agua de extracción frente al volumen extraído se observa con claridad esta mezcla. El procedimiento de ensayo descrito a continuación es la particularización de la norma ISO 9549-2 apartado 7.7 al laboratorio del IAER. Procedimiento de ensayo: Se comprueban los siguientes pasos: El sistema debe encontrarse montado según las instrucciones del fabricante y orientado hacia el mediodía solar. Los sensores (piranómetros, anemómetro, contador eléctrico y sensores de temperatura y presión) deben estar correctamente conectados al SAD y listos para la toma de datos al comienzo del ensayo. En el laboratorio del IAER el ensayo se realiza en el exterior, por lo que se tapan los captadores solares con mantas reflectantes para protegerlos del sol. La norma permite también hacer este ensayo en interior. Entonces se colocaría una pantalla radiativa a una temperatura 20 K por debajo de la ambiente, enfrente de los captadores. Durante el ensayo de grado de mezcla los generadores de aire deben estar apagados. La posición inicial de las válvulas debe ser la indicada en la siguiente figura:


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Figura 3.2 Esquema del laboratorio durante el ensayo de grado de mezcla.


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El set-point de la bomba de calor se configura a 10º C, por ser la temperatura más baja que es capaz de conseguir la bomba de calor en su modo frío. Se elige como temperatura de entrada una algo inferior a 30 ºC. Ésta será la temperatura del agua de reposición al acumulador durante la extracción. Se configuran los relés de temperatura del acumulador de 1000 l un par de grados menos que la temperatura de entrada. Se configuran los relés de temperatura del termo eléctrico, situados en la parte baja del cuadro derecho, unos dos grados por encima de la temperatura de entrada elegida. Se hace circular el agua de entrada por los dos intercambiadores asociados al acumulador de 1000 l y al termo eléctrico, cada uno a una temperatura algo inferior y superior respectivamente a la temperatura de entrada elegida, para que el agua adquiera la pretendida temperatura de entrada para la reposición. Se configuran en el cuadro de control los siguientes pasos:

• La bomba de recirculación del acumulador de1000 l en modo manual. • La válvula de 3 vías del depósito de 1000 l situada junto al

intercambiador, en la posición de modo automático. • La bomba del depósito de 1000 l en modo manual. • La válvula de 3 vías de entrada de agua en modo apagado.

Se tapan los captadores con una manta reflectante. Se procede a calentar el equipo a ensayar. Se podría calentar dejando el sistema al exterior sometido a la radiación solar, pero es más cómodo y rápido calentar con la caldera de gas. Se enciende la caldera de gas con un set-point de 70 ºC y cuando se alcance una temperatura superior a 60 ºC durante más de 15 minutos en el sensor de temperatura de salida del acumulador, se apaga la caldera. Se aísla el sistema de la caldera cerrando las llaves de entrada y salida a la caldera. Se abren las llaves de la bomba de recirculación y se acciona dicha bomba, con un caudal de al menos 5 veces el volumen del depósito por hora, hasta que la temperatura de salida del acumulador varíe menos de 1 K durante15 minutos. Se consigue así mezclar y homogeneizar el agua del depósito de acumulación. Se cierran las llaves de la bomba de recirculación y se abren las llaves de entrada y salida al equipo. Se realiza una purga de 1 a 2 minutos en la válvula de entrada al sistema para que la temperatura de entrada en la extracción sea la elegida inicialmente (algo inferior a 30ºC).


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Se configura la válvula de 3 vías de entrada al equipo en modo manual en el cuadro de control. Se extrae al menos un volumen de agua equivalente a 3 veces el volumen del acumulador. Si la diferencia de temperaturas entre el agua extraída y el agua de entrada es superior a 1 K, se mantiene la extracción hasta que la diferencia sea menor a 1 K. La extracción se realiza a un caudal constante de 600 l/h ± 50 l/h. La entrada de agua de reposición al acumulador, con agua a temperatura algo inferior a 30ºC, no debe variar en más de 0,25 K y con una deriva no mayor de ± 0,2 K. Durante la extracción se registran el caudal, la temperatura del agua extraída y de entrada al menos cada 15 segundos. Perfil de temperatura mezcla de extracción g(V). A partir de los datos obtenidos en el ensayo de grado de mezcla, y siguiendo el mismo proceso que para calcular f(V), se obtiene el perfil de temperatura de mezcla de extracción g(V). Los resultados del ensayo de grado de mezcla se añaden al informe de ensayo y predicción del rendimiento anual. El perfil g(V) se representa junto con la temperatura de agua fría de reposición al depósito.


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3.1.3. Ensayo de pérdidas en el acumulador. Se sigue la Norma ISO 9549-2 apartado 7.8. Los límites marcados son los indicados en esta norma. Estos ensayos sirven para calcular las pérdidas de calor en los cálculos de rendimiento del sistema. Se usan, por ejemplo, en el cálculo de las pérdidas causadas por el flujo inverso en el bucle del captador. El coeficiente Us que se extrae, se utiliza para la predicción a largo plazo del equipo. En sistemas forzados, el ensayo consta de dos ensayos idénticos, salvo porque uno se realiza con el circuito del captador abierto y el otro con dicho circuito cerrado, es decir, un ensayo con la bomba del circuito primario en funcionamiento y otro con la bomba parada. Es normal en sistemas forzados que van a trabajar en localidades con temperatura ambiente no muy bajas, no poner anticongelante en el sistema primario y utilizar el funcionamiento de la bomba del circuito primario como protección contra heladas. Esto hace que se enfríe el acumulador que estaba caliente. Con este ensayo se intenta cuantificar las pérdidas por este efecto. En los sistemas termosifónicos, como los ensayados para este estudio, no se realiza el segundo ensayo. Los ensayos se realizan con los equipos montados igual que para el ensayo de determinación del rendimiento diario, anteriormente explicado. La norma permite realizar el ensayo en interior, usando una pantalla radiativa a una temperatura 20 K inferior a la temperatura ambiente, enfrentada a los captadores, pero en el laboratorio del IAER se usa el método al exterior. En el método al exterior el equipo se encuentra expuesto a un cielo claro por la noche. También pueden usarse algunas horas de la mañana o de la tarde, siempre que en esos momentos se tape el captador solar. El procedimiento de ensayo descrito a continuación es la particularización de la norma ISO 9549-2 apartado 7.8 al laboratorio del IAER. Procedimiento de ensayo: Se necesita calentar el acumulador a una temperatura superior a 60 ºC, en general entre 60 y 70 ºC. Para ello se puede dejar operar el sistema al sol, pero en el laboratorio del IAER se usa una caldera de gas natural. Se revisa que el sistema solar se encuentre montado según las instrucciones de instalación, con los sensores de temperatura, presión, caudal, velocidad de viento e irradiación solar conectados al SAD y éste listo para la toma de datos. Se revisa que las válvulas se encuentren en la misma posición que la necesaria en el ensayo de grado de mezcla (ver figura 3.2). En los momentos en que exista irradiación solar se tapa el captador con una manta reflectante. Se encienden los ventiladores para que la velocidad del aire incidente sobre el acumulador a ambos lados del captador se encuentre entre 3-5 m/s.


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A continuación, en el caso de que vayan a realizarse más ensayos al día siguiente, es conveniente configurar el set-point de la bomba de calor a la temperatura deseada, los relés de temperatura del acumulador de 1000 litros a la temperatura deseada Tf, y los relés de temperatura de entrada al sistema a la temperatura deseada. Si no van a realizarse ensayos al día siguiente los pasos anteriores son innecesarios. Se configura en el cuadro derecho los relés de temperaturas del termo eléctrico a la temperatura deseada Tc. Se pone en modo manual, en el cuadro central, la bomba de recirculación del acumulador de 1000 l. Se configura en el cuadro central la válvula de tres vías del intercambiador en modo automático, la bomba a modo manual y la válvula de tres vías de entrada de agua al banco en modo apagado. Se registran con el sistema de adquisición de datos el caudal, irradiancia, velocidad de viento y temperaturas ambiente, de entrada y de salida. Se enciende la caldera de gas con un set-point de 70 ºC, se apaga la caldera y cuando se alcance una temperatura superior a 60 ºC en el sensor de temperatura de salida del acumulador durante más de 15 minutos, se cierran las llaves de entrada y salida de agua a la caldera para aislar el circuito de una posible extracción de agua. Se abren las llaves de la bomba de recirculación. Se mezcla y homogeneiza el agua en el acumulador. Para ello se acciona la bomba de recirculación a un caudal de al menos 5 veces el volumen del tanque por hora. Una vez que la temperatura de salida del acumulador varía menos de 1 K durante 15 minutos, se considera que ya ha alcanzado una temperatura uniforme. Se para entonces la bomba de recirculación y se cierran las llaves de la bomba de recirculación. Se abren las llaves de entrada y salida de agua al sistema solar y se configura la válvula de tres vías de entrada de agua al bando en modo manual en el cuadro central. Se deja el equipo entre 12 y 24 horas expuesto a un cielo claro por la noche o algunas horas de la mañana o de la tarde, siempre que en esos momentos se tape el sistema de irradiación solar. Después se reinicia la circulación del agua en el acumulador para alcanzar una temperatura uniforme. La temperatura se supone uniforme a la salida del acumulador cuando varía menos de 1 K durante un periodo de15 minutos. Se toma como la temperatura final del acumulador la temperatura media durante ese período de 15 minutos.


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Cálculo de los coeficientes de pérdidas de calor, Us. Para calcular el coeficiente de pérdidas de calor, Us, en vatios por kelvin, se usa la ecuación:

−−

∆=

)(,

)(,ln

**

avsTaTf

avsTaTi

t

VsCpUs wwρ

Con Ti la temperatura inicial; Con Tf la temperatura final; Ta,s(av) la temperatura ambiente adyacente al depósito, en valor medio; ∆t el tiempo, en segundos, entre el momento en que la circulación de agua a través del acumulador se detiene y el momento en que se reinicia. Nota: si el depósito se encuentra al exterior, como ocurre en el laboratorio del IAER, Ta,s(av) = Ta (temperatura ambiente). Los resultados del ensayo de grado de mezcla se registran en el informe de ensayo y predicción del rendimiento anual y debe incluir los siguientes puntos:

• Volumen del acumulador. • Temperatura inicial Ti y final Tf del agua en el acumulador. • Temperatura media del aire ambiente contiguo al acumulador durante el

ensayo Ta,s(av), en nuestro caso igual a la temperatura ambiente. • Velocidad media del viento sobre la apertura del captador y sobre el

depósito durante el ensayo. • Duración del ensayo. • Valor medio deducido del coeficiente de pérdidas térmicas del

acumulador Us. Ensayo de pérdidas en el acumulador con el captador desconectado. Para sistemas forzados se llevaría a cabo un segundo ensayo idéntico, para determinar los coeficientes de pérdidas de calor del acumulador con el circuito del captador desconectado, es decir, sin flujo en el circuito del captador. Este segundo ensayo es idéntico al ensayo de pérdidas nocturnas ya comentado, pero habiendo desconectado el acumulador del captador (es decir, sin flujo en el circuito del captador). Debe eliminarse también la posibilidad de que exista flujo inverso. Una vez conseguido esto, se procedería igual que para el ensayo anterior. En el caso de realizarse el segundo ensayo, con el circuito del captador desconectado, se incluirían en el informe de ensayo los mismos resultados que en el caso anterior para dicho ensayo.


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3.1.4. Ensayo de sistema con extracción al mediodía. Se sigue la Norma ISO 9549-2 anexo C (informativo). Los límites marcados son los indicados en esta norma. Se trata de un ensayo opcional, que pueden pedir las empresas. Al no ser obligatorio, las empresas no están obligadas a pedir la realización de este ensayo al laboratorio del IAER. Ninguno de los equipos ensayados para este estudio incluye la realización de este ensayo. La utilidad de este ensayo es determinar la capacidad de un sistema para entregar un volumen de agua con temperatura elevada al mediodía. En este ensayo se realizan dos extracciones de agua:

• Una extracción al mediodía, equivalente a la mitad del volumen del acumulador.

• Otra extracción al final del día, equivalente a vez y media el volumen del acumulador.

Procedimiento de ensayo: El día de ensayo debe tener una radiación solar en el área de apertura, H, mayor de 20 MJ/m2, con más de 10 MJ/m2 las 6 horas previas al mediodía solar y más de 10MJ/m2 las 6 horas posteriores al mediodía solar. Se acondiciona el equipo de forma análoga al ensayo de rendimiento diario, pero a una temperatura de agua de entrada, Tmain, igual a Ta(day)-5 K. Seis horas antes del mediodía solar el sistema debe encontrarse a la temperatura Tmain. En ese momento se para el acondicionamiento y se deja operar el sistema durante 12 horas. Se hacen las mismas mediciones que en el ensayo de rendimiento diario. Al mediodía solar se extrae un volumen equivalente a la mitad del volumen del acumulador, reponiendo con agua a temperatura Tmain, definida previamente. Seis horas después del mediodía solar se realiza la segunda extracción. El caudal debe ser de 600 l/h. Durante ambas extracciones, se miden variables como en el ensayo de grado de mezcla. En el caso de haber realizado el ensayo opcional con extracción al mediodía, la norma ISO 9459-2 apartado 8.4.1 pide que se representen los perfiles de temperatura del agua de extracción en las situaciones dadas en la Tabla 3 de dicha norma, es decir en las 2 extracciones que se realizan: una de 0,5 veces el volumen del depósito, al mediodía solar y otra de 1,5 veces el volumen del depósito, 6 horas después.


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3.1.5. Predicción del rendimiento a largo plazo. Con los ensayos que componen el ensayo de rendimiento se obtenían: a) Las características de producción total de energía del sistema, determinadas a partir de los ensayos como una función de la radiación diaria y de la diferencia de temperatura ambiente y la temperatura del agua fría.

321 ))(( aTmaindayTaaHaQ +−∗+∗=

b) El perfil de la temperatura de extracción, expresada como una función de volumen y normalizada de tal manera que el área englobada por la curva de perfil de extracción f(V) sea igual a 1:

∫∞

=0

1)( dVVf

El valor de f (V) es conocido para cada décima parte del volumen del acumulador. c) El perfil de mezcla de extracción, expresada como una función de volumen y normalizada de tal manera que el área englobada por la curva de perfil de extracción g(V) sea igual a 1:

∫∞

=0

1)( dVVg

El valor de g(V) es conocido para cada décima parte del volumen del acumulador. d) El coeficiente de pérdidas de calor por el acumulador Us, en W/K. Los datos dados hasta ahora deben servir como entradas al método de predicción a largo plazo del rendimiento. El método necesita además los siguientes datos, tanto climáticos como de consumo, para los 365 días del año. Datos climáticos necesarios: a) La radiación solar diaria sobre el plano del captador, H, en MJ/m2. b) La temperatura ambiente promedio en el periodo de 6 horas antes del mediodía solar hasta las 6 horas después del mediodía solar para cada día, Ta(day). c) El promedio de la temperatura ambiente durante la noche por la noche, Ta(night). Datos de consumo del sistema necesarios: a) El volumen de consumo diario de agua caliente, Vc, o el límite mínimo de temperatura útil para el consumo de agua caliente. b) La Temperatura de entrada de agua fría, Tmain, para cada día. El método pretende tener una precisión en torno al 5 % en el cálculo del rendimiento cuando se realiza una única extracción de agua 6 horas después del mediodía solar.


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Los resultados del ensayo dan lugar a la caracterización del rendimiento del equipo independientemente de las condiciones climáticas en las que se obtuvieron. Las características del equipo se utilizan para determinar la energía solar mensual y anual de acuerdo a unas determinadas condiciones climáticas y de demanda. La tabla A.2 del anexo A (normativo) de la norma UNE-EN 12976-2 indica el formato de presentación de los indicadores de rendimiento para los sistemas únicamente solares o de precalentamiento QL, fsol y Qpar. Los resultados deben presentarse sobre la base anual de un volumen de consumo (carga o demanda), Vc, para las localidades de Estocolmo, Wurzburgo, Davos y Atenas. En el anexo B (normativo) de la norma UNE-EN 12976-2, se dan las condiciones de referencia para la predicción del rendimiento. Entre estas condiciones se destaca que se toma como temperatura deseada (válvula mezcladora) Tcarga = 45 ºC y que los volúmenes de consumo Vc diarios deben seleccionarse entre una de las siguientes series: 50 l/d, 80 l/d, 110 l/d, 140 l/d, 170 l/d, 200 l/d, 250 l/d, 300 l/d, 400 l/d, 600 l/d o extender estas series multiplicando por √2 y redondeando al múltiplo de 10 más cercano. El fabricante debe proporcionar una carga de diseño para el sistema. Se deben usar el valor más cercano de las series superiores, así como el menor y mayor más próximo. Se recomienda usar todos valores de la serie menores y mayores, aquellos que caigan en el rango de 0,5 veces y 1,5 veces la carga de diseño. Según el apartado 3 del anexo B de la norma UNE-EN 12976-2, el cálculo de la temperatura de agua fría en la localidad de referencia debe hacerse de acuerdo con:

[ ] )365/)(2(* samplitudmediacw DDíasen −∗∗∆+= πϑϑϑ

donde θcw es la temperatura del agua fría a usar en la presentación de rendimientos; θmedia es la temperatura media anual del agua fría del sitio de referencia; ∆θamplitud es la amplitud promedio de las variaciones estacionales en el sitio de referencia; [Día] es el número de día del año; Ds es el término de ajuste.

Localidad de referencia

θmedia

[ºC] ∆θamplitud

[ºC] Ds

[d]

Estocolmo 8,5 6,4 137 Wurzburgo 10,0 3,0 137

Davos 5,4 0,8 137 Atenas 17,8 7,4 137

Tabla 3.1 Datos para el cálculo de la temperatura de agua fría en las localidades de referencia

Para Estocolmo, Davos, Wurzburgo y Atenas se usa el año de ensayo de referencia. El laboratorio del IAER obtiene estos datos de la red de SolarKeyMark. Estos datos están disponibles por todos los laboratorios de ensayos europeos. Se usan valores de temperatura diurna, Ta(day), igual al valor de la media de temperatura ambiente diaria más 2,5 ºC y valores de temperatura nocturna Ta(night) igual al valor de la media diaria menos 2,5 ºC. Estos valores son los usados en el programa DAY-B-D.BAS dado en el anexo B de la norma ISO 9549-2:1995


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(informativo), donde se propone un programa de cálculo del rendimiento a largo plazo en BASIC. El procedimiento de cálculo es el siguiente: Se calcula el rendimiento del sistema para el primer día y a partir del segundo se considera que la energía puede transferirse de un día al otro, porque solo un pequeño volumen de agua se ha extraído durante el día o porque ocurrió una mezcla en el acumulador durante la extracción. Parte de esta energía se pierde durante la noche por las pérdidas de calor en el acumulador, pero la otra parte provoca que el acumulador pueda empezar el día siguiente con una temperatura inicial superior a la temperatura del agua fría de red. Se supone que esta agua se mezcla perfectamente con el agua de reposición al comienzo del día. El procedimiento de cálculo utiliza los datos obtenidos de los ensayos de rendimiento diario del sistema. Por lo tanto, las predicciones se aplican solo para una única extracción 6 horas después del mediodía solar. La energía de salida del sistema a largo plazo se calcula sumando la energía de salida del sistema para cada día, sobre el periodo total de días considerados. Cálculo para el día 1. Los pasos a seguir para realizar los cálculos de predicción del día 1 son los siguientes: A partir de las condiciones para el día 1: -Radiación = H (1); -Temperatura ambiente diurna media = Ta(day)(1); -Temperatura del agua fría = Tmain(1); -Volumen de extracción Vc(1) o temperatura límite de extracción = Th(1). El sistema empieza el día a la temperatura de agua fría de red, Tmain(1) y tras12 horas de operación, 6 horas después del mediodía sola, se extrae un volumen Vc(1), correspondiente al consumo del día uno. La energía total contenida en el sistema en ese momento, Q(1), se calcula como:

321 ))1()1)(((**)1( aTmaindayTaaHaQ +−+=

Si la demanda en agua caliente tiene un límite en temperatura es necesario calcular la temperatura del agua caliente extraída. Nota: En los cálculos de predicción del rendimiento a largo plazo realizados en el IAER la demanda de agua caliente está limitada por volumen y no por temperatura. Se utiliza el perfil de temperatura en función del volumen.

CpwwVs

VfQTmainVTd

***1,0

)(*)1()1()(

ρ+=

Para todos los cálculos se usa VsCpwwVs *4180** =ρ en MJ/K.


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El volumen consumido, Vc(1), será el máximo para el cual la temperatura de agua extraída, Td, calculada de la forma anterior, sigue siendo superior al límite en temperatura para el consumo, Th(1). Para una demanda en agua caliente limitada por el volumen, se omite el paso anterior y se continúa calculando la energía contenida en el volumen extraído. El equipo tiene una energía total Q(1), pero no necesariamente se extrae toda. La energía extraída será la correspondiente al volumen Vc(1), tal como se indica en el anexo B (normativo) de la norma UNE-EN 12976-2.

∫='

)()1()1(V

o

dVVfQQc

Donde V' se determina por dos condiciones:

)arg(***)1( TredaTcCpwwVcQc −≤ ρ y VcV ≤´ La energía que se queda en el acumulador, QR, se calcula como:

)1()1()1( CR QQQ −=

Parte de esta energía se pierde durante la noche. Esta energía perdida durante la noche puede ser calculada utilizando el coeficiente de pérdidas de calor del acumulador.

[ ]

∆−−−=CpwwVs

tUsnightTaTiCpwwVsQLOS **

*exp1*)(***

ρρ

Donde Ti es la temperatura media del acumulador al comienzo de la noche y Ta(night) es la temperatura ambiente media durante la noche. Ti se calcula a partir del valor de QR:

CpwwVs

QTmainTi R

**

)1()1(

ρ+=

La energía que queda en el acumulador a la mañana siguiente es QR(1)-QLOS. Se supone que por la mañana el acumulador ha vuelto a ser mezclado completamente y que el agua está a una temperatura uniforme Ts. Esta temperatura Ts, se calcula como:

CpwwVs

QQTmainTs LOSR

**

)1()1()2(

ρ−

+=


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Cálculo para el día 2 y los días siguientes. A continuación se indican los pasos a seguir para realizar los cálculos de predicción del día 2 y los días sucesivos: Las condiciones para el día 2, son: -Radiación =H (2); -Temperatura ambiente diurna media = Ta(day)(2); -Temperatura del agua fría = Tmain(2); -Volumen de extracción Vc(2) o temperatura límite de extracción = Th(2). El sistema no empieza el día a la temperatura de agua fría de red, como ocurría el día uno, sino a la temperatura uniforme Ts(2) que se calculó antes. Ts(2) tiene que ser mayor que Tmain(2). Tras12 horas de operación, 6 horas después del mediodía solar, se extrae un volumen Vc(2) correspondiente al consumo del día 2. Paso 1-La energía disponible 6 horas después del mediodía solar se debe a 2 factores: Una parte de la energía disponible es la que debería haberse acumulado si el sistema se hubiera llenado durante la extracción de agua caliente 6 horas después del mediodía solar a la temperatura inicial Ts(2). Esta primera parte estaría debida a la interacción del equipo con el exterior. Suponiendo que el sistema durante la extracción se llenara a la temperatura inicial Ts(2), la energía en el depósito podría calculase con la ecuación:

3))2()2)(((*2)2(*1)1:2( aTsdayTaaHaparteQ +−+= Ecuación que es equivalente a la ecuación para el día uno pero usando Ts(2) en vez de Tmain, al ser esa ahora la temperatura de partida, y con la Ta(day) y H del segundo día. La segunda parte de la energía disponible estaría debida al hecho de que el sistema durante la extracción no se llenó con agua a Ts(2), sino que se ha llenado con agua a Tmain(2), que es inferior a Ts(2).

))2()2((***)2:2( TmainTsCpwwVsparteQ −= ρ La energía total disponible será pues:

)2:2()1:2()2( parteQparteQQ +=


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Paso 2- Volumen de extracción para alcanzar el límite de temperatura mínima NOTA: Este paso solo es necesario si la demanda en agua caliente tiene un límite en temperatura. Para una demanda en agua caliente limitada por el volumen, como ocurre en nuestro caso, se omite este paso y se continúa con el paso 3, calculando la energía contenida en el volumen extraído. Es necesario calcular el perfil de temperatura del agua caliente en función del volumen para el día 2.

Para el día 1 se usaba la ecuación: CpwwVs

VfQTmainVTd

***1,0

)(*)1()1()(

ρ+=

Pero para el día 2, para calcular el perfil de temperatura, es necesario considerar las dos contribuciones de energía: Q(2:part 1) y Q (2:part 2). Se calcula el perfil de temperatura para el día 2 utilizando la ecuación:

CpwwVs

VgparteQ

CpwwVs

VfparteQTmainVTd

***1,0

)(*)2:2(

***1,0

)(*)1:2()2()(

ρρ++=

A partir de la temperatura Td se calcula el volumen consumido Vc(2). Vc(2) se calcula determinando el volumen máximo para el que la temperatura Td, calculada según la ecuación anterior, permanece mayor que Th(2). Paso 3: Energía extraída. Para el día 2, una parte de la energía obtenida en el volumen de extracción Vc(2) es

3))2()2)(((*2)2(*1)1:2( aTsdayTaaHaparteQ +−+= , la energía que se entregaría si el sistema se llenara con agua a la temperatura inicial Ts(2). Pero no toda esta energía es extraída. Depende del volumen Vc(2) que se extraiga. Para calcular la parte de esta energía que se extrae se utiliza la función f(V):

∫='

)()1:2()1:2(V

o

dVVfparteQparteQc

La energía ))2()2((***)2:2( TmainTsCpwwVsparteQ −= ρ , debida al hecho de que el sistema durante la extracción no se llenó con agua a Ts(2), sino que se ha llenado con agua a Tmain(2), que es inferior a Ts(2), tampoco se extrae en su totalidad. Depende del volumen Vc(2) que se extraiga. La porción extraída se calcula usando el perfil de mezcla, g(V):

∫='

)()2:2()2:2(V

o

dVVgpartQpartQc

El valor de V´ se determina cuando se calcula la energía total extraída de acuerdo a las condiciones:

)arg(***)2:2()1:2()2( TredaTcCpwwVcparteQcparteQcQc −≤+= ρ y VcV ≤´


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Paso 4: Energía que se queda en el acumulador La energía total que queda en el acumulador al final del día 2 se calcula como:

)2()2()2( QcQQR −= Paso 5: Energía perdida durante la noche. Parte de la energía que queda al final del día 2 en el acumulador se pierde durante la noche. Esta energía perdida durante la noche puede ser calculada utilizando el coeficiente de pérdidas de calor del acumulador:

[ ]

∆−−−=CpwwVs

tUsnightTaTiCpwwVsQLOS **

*exp1*)(***

ρρ

Donde Ti es la temperatura media del acumulador al comienzo de la noche y Ta(night,) es la temperatura ambiente media durante la noche. Ti se calcula a partir del valor de QR:

CpwwVs

QTmainTi R

**

)2()2(

ρ+=

La energía que queda en el acumulador a la mañana siguiente es QR(1)-QLOS. Se supone que por la mañana el acumulador ha vuelto a ser mezclado completamente y que el agua esta a una temperatura uniforme Ts. Esta temperatura Ts, se calcula como:

CpwwVs

QQTmainTs LOSR

**

)2()2()3(

ρ−

+=

Paso 6: Días siguientes. El procedimiento empieza de nuevo para los días siguientes del 3 al 365, repitiendo los pasos realizados en el día 2. Resultados para la base anual. La energía de salida del sistema, para cualquier periodo dado, es la suma de las energías de salida diarias calculadas para cada día.

)(...)2()1( nQcQcQcQ +++= Se realiza el balance energético del sistema sobre una base anual, tal que n = 365 días. Para sistemas únicamente solares y sistemas de precalentamiento se obtienen los siguientes indicadores de rendimiento a partir del ensayo de rendimiento:

• El calor producido por el sistema solar de calentamiento, QL. • La fracción solar, fsol. Es la energía suministrada por la parte solar del

sistema dividida por la carga total del sistema. • La energía parásita anual, Qpar, si existe. Es el consumo de electricidad

anual realizado por bombas, sistemas de control y válvulas eléctricas del


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sistema asumiendo un tiempo de operación de la bomba de captadores de 2000 h. Se utilizará la especificación del fabricante para el consumo del sistema solar, Qpar. En todos los equipos ensayados para este estudio Qpar es nulo.

Se incluye además los valores de energía demandada, Qd, según la localidad de referencia y el volumen de consumo, Vc. Los resultados de la predicción del rendimiento se registran en el informe de ensayo y predicción del rendimiento anual. Los resultados se muestran para las distintas localidades de referencia y volúmenes de consumo diarios considerados.


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3.1.6. Diferencias entre la Norma actual ISO 9459-2 y el método de ensayo anterior. La norma actual que determina el método de ensayo exterior para la caracterización y predicción del rendimiento anual de los sistemas solares es la norma ISO 9459-2. Antes de establecerse este método de ensayo, el laboratorio del IAER estaba autorizado por La Dirección General de Industria Energía y Minas como laboratorio capacitado para realizar ensayos de equipos solares domésticos. Para facilitar la incorporación de estos equipos en el programa PROSOL, se realizaba un ensayo de rendimiento recogido en el informe Nº PTS/RPT/4840/006/95 del Instituto Nacional de Técnica Aerospacial (INTA): "Procedimiento de ensayos de eficiencia energética de equipos solares domésticos" Los principales puntos en los que el método de ensayo anterior, descrito por el INTA, difiere del ensayo de determinación del rendimiento diario que se incluye en la actual ISO 9459-2 son los siguientes: Al igual que para la actual norma, el método descrito por el INTA realizaban un mínimo de 6 ensayos válidos, pero en distintas condiciones. Antiguamente debían cumplir la condición de que la diferencia entre la temperatura ambiente diurna y la temperatura del agua fría de entrada fuese igual a 10 ± 5ºC, por ser las condiciones de salto térmico que se producen más usualmente a lo largo del año, y con valores de radiación global diaria en el rango mayor de 20 MJ/m2 en plano horizontal. No se utilizaban ventiladores de aire para homogeneizar las condiciones de operación. Existen otras pequeñas diferencias, de menor importancia, como que los caudales de trabajo eran de 9 l/min, levemente inferiores a los actuales, y se exigían solo 5 minutos manteniendo la diferencia de temperatura entre la entrada y la salida del depósito de acumulación menor de 1 ºC. Las medidas las tomaba al menos cada minuto para la irradiancia global en el plano de captación, temperatura ambiente y velocidad del aire circundante. En la extracción la toma era cada 5 segundos. En el caso del ensayo de pérdidas en el acumulador, los principales puntos en los que el método de ensayo anterior, descrito por el INTA, difiere del ensayo que se incluye en la actual ISO 9459-2 son las siguientes: El informe del INTA definía

tTanTin

QfQiUs

∆−−= 1

Con Qi, Qf la energía contenida en el sistema expresada en vatios al principio y al final del periodo de ensayo; Tin la temperatura media del agua al comienzo del ensayo; Tan la temperatura ambiente durante el periodo de ensayo; ∆t la duración del ensayo en segundos. Era necesario realizar el ensayo para dos temperaturas, una a 50 ± 5 ºC y otra a 70 ± 5ºC. Se calculaba Us para ambos casos y se tomaba el valor del más desfavorable. Para calcular Qi se acondicionaba el equipo a la temperatura inicial y una vez estabilizado se procedía inmediatamente a la extracción. Para calcular Qf se


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acondicionaba el equipo 8 horas después del mediodía solar y se dejaba en exposición nocturna 10 horas. Después se realizaba la extracción. Los caudales eran algo inferiores, de 9 l/min, y se exigían solo 5 minutos manteniendo la diferencia de temperatura entre la entrada y la salida del depósito de acumulación menor de 1 ºC. El informe del INTA no proponía un ensayo de pérdidas con la bomba del circuito primario en funcionamiento, para los equipos de circulación forzada. En el procedimiento de ensayo anterior descrito por el INTA, no se realizaba un ensayo de características similares al de grado de mezcla durante la extracción, por lo que no es posible la comparación con la actual ISO 9459-2. Los principales puntos en los que difiere el cálculo de resultados, entre el método de ensayo anterior, descrito por el INTA y el procedimiento de predicción a largo plazo que se incluye en la actual ISO 9459-2, son las siguientes: El procedimiento del INTA obtenía la ecuación característica del sistema con los días válidos y usando el método de mínimos cuadrados para una variable independiente en la forma:

baHQu += siendo Qu la energía útil máxima aportada por el equipo y H la radiación solar global diaria. Calculaba para cada día de ensayo válido el rendimiento diario como:

100HA

Qi=η

Para calcular el rendimiento solar medio diario del equipo, promediaba los rendimientos del equipo en los distintos días de ensayo. Con los datos y resultados obtenidos del informe de ensayo del INTA y utilizando los valores climáticos obtenidos en la Cátedra de Termodinámica y Fisicoquímica de la Escuela Superior de Ingenieros de Sevilla, podían obtenerse prestaciones energéticas anuales del equipo, como las que se calculaban en el programa PROSOL.


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3.2. Ensayo de resistencia a heladas. Los sistemas de agua caliente sanitaria son dispositivos que contienen volúmenes de líquidos encerrados, por tanto presentan las habituales dificultades con los cambios de temperatura y en especial con los cambios de volumen debidos a la congelación. Los fabricantes fijan una temperatura mínima permitida por el sistema, tal como se exige en el Documento Básico HE 4 en su punto 3.2.2.2, que cualquier parte del equipo expuesta al exterior debe ser capaz de soportar sin daños permanentes en el sistema. En el caso de que la temperatura a la que puedan ser expuestos pueda ser inferior a 0 ºC, los componentes interiores deben estar protegidos contra heladas. Existen distintos métodos por los que un equipo puede estar protegido contra heladas, por lo que las comprobaciones a realizar dependen del método que se haya usado. Se sigue la norma UNE-EN 12976-2 apartado 5.1. Sistemas que usan fluido anticongelante. Es un sistema muy extendido. Consiste en llenar el circuito primario con un fluido anticongelante para bajar el punto de congelación. Normalmente se usa una mezcla glicol/agua. En estos casos solo se realiza una inspección visual. Nota: En general, la mínima temperatura permitida por el sistema es igual al punto de congelación del fluido anticongelante. Si la concentración de algunos fluidos anticongelantes (como glicol) excede cierto límite, se pueden congelar sin dañar al sistema. En este caso la mínima temperatura permitida puede ser menor que el punto de congelación del fluido anticongelante. Es el fabricante el que debe indicar las características del anticongelante. Sin embargo, si no están disponibles suficientes datos sobre el punto de congelación, debe medirse el punto de congelación y comprobarse contra la mínima temperatura permitida por el sistema, dada por el fabricante. Por norma general esto no es necesario al ser suficientes los datos aportados, de no ser así la norma indica que debería comprobarse el punto de congelación midiendo la concentración de glicol (por ejemplo, usando un refractómetro portátil). El punto de congelación debería ser como el recomendado por el fabricante en concordancia con el clima local (temperatura mínima esperada del aire, enfriamiento radiativo de los captadores). Se debe comprobar si la concentración del fluido es conforme con las especificaciones. Nota: El Documento Básico HE 4 en su punto 3.2.2.2 indica que para proteger contra heladas la instalación debe elegirse un producto químico no toxico cuyo calor específico no sea inferior a 3 kJ/kg*K, en 5ºC por debajo de la mínima histórica registrada.


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Sistemas de drenaje con recuperación. Es un sistema más usual en equipos de circulación forzada, que disponen de centralita. Es normal que sea el sensor del captador el que accione el funcionamiento. El sistema contra heladas consiste en evacuar el fluido en riesgo de helada (circuito primario) a un pequeño depósito donde es almacenado y desde el que luego se recupera para que pueda seguir siendo usado. Las tuberías del circuito de captadores deben ser conformes a las recomendaciones del fabricante en el manual del instalador, y si no existe instrucción, de acuerdo con las condiciones de referencias dados en Anexo B de la Norma UNE-EN 12976-2:2006. Procedimiento de ensayo: Se enciende la bomba y se observa el manómetro o el indicador del nivel de agua del propio equipo. El drenaje puede observarse a través de la reducción en la lectura del manómetro o indicador del nivel de agua. Se apaga la bomba, y se observa el manómetro o indicador de nivel de agua. En el caso de no existir manómetro o indicador de nivel, es el propio fabricante el que debe proporcionar los métodos de comprobación de llenado y drenaje, y reflejarlo en las instrucciones. Sistemas con drenaje al exterior. En este caso los fluidos en riesgo de helada son drenados al exterior, no siendo recuperables con posterioridad. Presenta incomodidades de mantenimiento. Los equipos usados en este ensayo son un baño de hielo con agua y un sensor de temperatura de fluido. Procedimiento de ensayo: Se comprueba la correcta apertura y cierre de las válvulas. Si se dispone de una válvula de solenoide de drenaje independiente de la unidad de control, se simula la temperatura de apertura. Si existe una válvula de protección contra heladas no eléctrica (válvula de solenoide) se puede hacer una comprobación usando un spray congelante para simular la temperatura de apertura, rociando en el elemento sensor de temperatura. Hay que comparar la temperatura medida de la válvula abierta con la temperatura nominal dada por el fabricante. Es importante que la parte sensible/sensor de la válvula de protección contra heladas este ubicada correctamente. Las tuberías del circuito de captadores deben ser conformes a las recomendaciones del fabricante en el manual de instalador, y si no existe instrucción, según las condiciones dadas en las tablas b2 y b3 dadas en Anexo B de la Norma UNE-EN 12976-2:2006. Se abre la válvula de drenaje manualmente y se mide el fluido drenado con un depósito y un cronómetro. Si el sistema usa una válvula de protección contra heladas operada eléctricamente, el drenaje se debe comprobar interrumpiendo la potencia.


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Protección contra heladas y funciones de control combinadas. Los equipos usados en este ensayo son un baño de hielo con agua y un sensor de temperatura de fluido. Procedimiento de ensayo: Para sistemas en los que la protección contra heladas y las funciones de control estén combinadas, la unidad de control se debe comprobar como sigue: Se ajusta la temperatura simulada del sensor de protección contra heladas a un valor que desactiva la protección contra heladas. Se disminuye lentamente la temperatura simulada. Se mide la temperatura TFP (protección-heladas) del actuador relacionado. Se compara con el valor nominal dado por el fabricante. Otros sistemas. Para todos los demás sistemas, se debe comprobar el sistema de control de bombeo, la válvula de drenaje al exterior o cualquier otro dispositivo o sistema de protección contra heladas según las especificaciones del fabricante y la mínima temperatura permitida especificada por el fabricante. Para sistemas integrados, u otros sistemas solares domésticos de calentamiento de agua con el depósito ubicado al exterior, deben llevarse a cabo ensayos especiales de resistencia a heladas (como se describe en capitulo C1 de la Norma UNE-EN 12976-2:2006). Los datos que se anotan en el informe de ensayo dependen del tipo de método utilizado. En todos los casos se indicará el método de ensayo usado.

• Para sistemas con fluido anticongelante se anotan el tipo de fluido anticongelante, la densidad, la capacidad calorífica, el punto de congelación y la temperatura mínima indicada por el fabricante.

• Para sistemas con drenaje se indica si es con recuperación o al exterior, la temperatura mínima recomendada por el fabricante, la temperatura mínima de ensayo, si el drenaje es activo o no, el tiempo de drenado y cantidad de fluido drenada.

• Para sistemas de protección contra heladas y funciones de control combinadas, se anota la temperatura mínima recomendada por el fabricante, la temperatura mínima de ensayo y si es o no correcto el funcionamiento de la unidad de control.


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3.3. Ensayo de protección contra sobretemperatura. Existen motivos por los que un sistema solar domestico puede generar agua a una temperatura demasiado elevada. Por ejemplo puede permanecer varios días sin extracción de agua, o sufrir fallos en la corriente eléctrica. En estas situaciones el usuario debe estar a salvo frente al agua recalentada que puede producirse y el equipo estar protegido contra daños. Para confirmar que en efecto existe una protección adecuada se realiza el ensayo de protección frente a sobretemperatura. Se sigue la norma UNE-EN 12976-2:2006 apartado 5.2. Los límites marcados son los que indica esta norma. El ensayo puede realizarse al exterior o usando un simulador solar. Para el método con simulador solar, sería necesaria una pantalla radiativa o lámpara solar y un piranómetro para medir la radiación de onda corta del simulador solar. En el laboratorio del IAER se utiliza el método de exterior. Para la realización de este ensayo se requiere un banco de ensayo exterior, un piranómetro, un sensor de temperatura ambiente, un caudalímetro y un suministrador de agua controlado a una temperatura y presión dentro del rango de 5 ºC a 25 ºC y 200 kPa a 600 kPa o la presión máxima que indique el fabricante, la que sea menor. Las instrucciones del sistema (ficha usuario y etiqueta) deben indicar claramente si sistema de protección contra sobrecalentamientos depende del suministro eléctrico y/o del suministro de agua fría. Procedimiento de ensayo: Se comprueba que el sistema, tanto el descrito en el manual de instalación como el instalado en la bancada de ensayos, dispone de los sistemas de seguridad necesarios y están correctamente ubicados, por ejemplo, válvulas de seguridad y otros dispositivos de protección contra sobrecalentamientos situados en el lugar correcto, que no haya válvulas entre componentes y válvulas de descarga, etc. Existen sistemas que drenan parte del agua potable como protección ante sobrecalentamientos, en estos casos el drenaje de agua caliente o del vapor que pueda producirse debe realizarse de forma que no produzca daños en el sistema o en la vivienda o suponer un peligro para los habitantes. Cuando el sistema contenga un anticongelante, no se debe superar la temperatura máxima que indique el fabricante del anticongelante. Se comprueba que el sistema esté montado según las instrucciones de instalación con el captador orientado hacia el mediodía solar. Se hace notar que, a diferencia de los ensayos de rendimiento diario y de pérdidas en el acumulador, en el ensayo de protección de sobretemperatura los generadores de aire deben estar apagados. Se revisa que los instrumentos de medida de presión, temperaturas, caudal y radiación estén correctamente conectados al sistema de adquisición de datos y este se deja listo para el registro de los datos al comienzo del test.


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Se revisa el circuito de acondicionamiento de agua, de tal forma que siga el esquema siguiente:

Figura 3.3 Esquema del banco de ensayos durante el ensayo de protección contra sobretemperatura.

En concreto deben encontrarse abiertas las válvulas de entrada y salida de agua, y cerradas las válvulas de entrada y salida de agua a la caldera, la válvula de la bomba de presión, las válvulas de la bomba de recirculación y la válvula de purga. Del mismo modo que en el ensayo de rendimiento diario del sistema, con el sistema de acondicionamiento de agua se hace circular agua por el equipo hasta alcanzar una temperatura de 5 ºC a 25 ºC y una presión de 200 kPa a 600 kPa o la presión máxima de trabajo del fabricante, la que sea menor. Se aísla el sistema, quedando el sistema acondicionado tras alcanzar estas condiciones. Se deja operar el sistema un mínimo de 4 días consecutivos sin ninguna extracción de agua caliente y hasta que el campo de captadores haya estado expuesto 2 días consecutivos a una radiación solar que en el plano del campo de captadores exceda 20 MJ/m por día y a una temperatura ambiente que exceda 20 ºC durante el mediodía solar. Se abren las válvulas de entrada y salida de agua del sistema y se extrae un volumen de agua mayor que el volumen del acumulador a un caudal de 10± 1 l/min. En concreto en el laboratorio se extraen un equivalente a 3 veces el volumen del acumulador. Si la diferencia de temperaturas entre la temperatura del agua extraída y la del agua fría de entrada es superior a 1 K después de tres volúmenes de acumulador, entonces la extracción continúa hasta que la diferencia de temperatura sea menor de 1 K.


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Para sistemas que contengan algún circuito de material no metálico, se mide la máxima temperatura en el circuito durante el ensayo de protección contra sobretemperaturas, para usarlo en el ensayo de resistencia a presión. En el informe de ensayo se anotan los siguientes puntos del ensayo de protección contra sobretemperatura:

• Radiación y temperatura ambiente media para cada día de ensayo. • Gráfica del registro de la temperatura de agua caliente extraída frente al

tiempo. • Gráfica del registro de la temperatura de agua caliente extraída frente al

volumen total de agua extraída. • Para sistemas con circuitos de material no metálico, se registra la

máxima temperatura alcanzada durante el ensayo. • Sistema de protección contra sobretemperatura utilizado (si se han

utilizado). • Presencia de vapor (si se observa un goteo de líquido en las válvulas de

seguridad y en la purga). • Fallos observados, en particular con respecto a algún defecto que pueda

afectar a la utilidad del sistema, como la deformación de tuberías y fugas de componentes o fluidos.

• Número de días de ensayo realizados en niveles de radiación mayores de 20 MJ/m2.

• Se anotan la marca, el modelo de identificación del sistema, incluyendo dispositivos auxiliares y la inclinación del campo de captadores.


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3.4. Ensayo de resistencia a presión. La finalidad de este ensayo es evaluar la presión hidráulica tarada de todos los componentes e interconexiones del equipo cuando esta instalado. En el caso de que el sistema contenga circuitos no metálicos, en necesario hacer el ensayo de sobretemperatura antes del ensayo de presión, pues se necesita la máxima temperatura medida en el ensayo de sobretemperatura para usarlo en el de presión. Se sigue la norma UNE-EN 12976-2 apartado 5.3. Los equipos necesarios para la realización del ensayo son una plataforma y estructura soporte adecuada para la instalación del sistema, una fuente de presión para regular la presión, un indicador de presión adecuado para determinar la presión del ensayo dentro del 5 % y una válvula de purga. Como medida de seguridad, cuando los sistemas de ensayos tienen un espacio de expansión integral o el depósito contiene aire atrapado, se recomienda usar un recinto seguro contra explosiones.

Figura 3.4 Esquema del banco de ensayos durante el ensayo de resistencia a presión.


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Procedimiento de ensayo: Lo primero es comprobar que el sistema, tanto el instalado en la bancada de ensayos como el descrito en el manual de instalación, está correctamente diseñado y montado frente a presión, por ejemplo, si existen válvulas de seguridad y otros dispositivos de protección contra sobrecalentamientos y están ubicados en el lugar correcto, si no hay válvulas entre componentes y válvulas de descarga, etc. Se instala el sistema solar de calentamiento de agua sobre una plataforma de ensayo de acuerdo con las instrucciones del fabricante. En el laboratorio del IAER, para purgar el aire y homogeneizar la temperatura a una próxima a la del ambiente, se realiza un acondicionamiento de modo análogo al que se realiza en el ensayo de rendimiento diario. Se tapa el captador con una manta reflectante. Si existen válvulas de descarga de presión, se inutilizan durante el ensayo para prevenir su apertura. Se conecta el indicador de presión y la válvula de purga a la salida de agua caliente del sistema. Se conecta la válvula de aislamiento y la fuente de presión hidráulica, usando agua como fluido de ensayo, a la entrada de agua fría del sistema. Se llena con agua parte del sistema utilizando la fuente de presión hidráulica y se purga todo el aire posible fuera del sistema a través de la válvula de purga a la salida de agua caliente del sistema. Se aplica una presión hidráulica igual a 1,5 veces la presión de trabajo máxima especificada por el fabricante. Se aísla la fuente de presión cerrando la válvula de aislamiento y se registra la lectura del manómetro. Para sistemas con circuitos metálicos, se dejan transcurrir 15 minutos antes de volver a tomar la lectura del manómetro, correspondiente al valor final de presión del ensayo. Para sistemas con circuitos con materiales no metálicos, este debe ensayarse a presión durante 1 h a la temperatura mayor medida durante el ensayo de protección contra sobretemperaturas más 10 ºC antes de tomar la lectura de presión final. Se abre la válvula de purga para liberar la presión del sistema y se registra cualquier deformación o fuga de agua permanente visible de los componentes del sistema e interconexiones. Se desconecta la válvula de purga, el indicador de presión, la válvula de aislamiento y la fuente de presión hidráulica del sistema.


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Para aquellos sistemas no construidos con un intercambiador de calor y un circuito de transferencia de calor presurizado separado, se omiten los siguientes pasos del procedimiento: Se conecta la válvula de purga y el indicador de presión a la toma de drenaje del circuito de transferencia de calor del sistema y se conecta la válvula de aislamiento y la fuente de presión hidráulica, usando el fluido de transferencia de calor especificado por el fabricante, para llenar la toma del circuito de transferencia de calor. Se llena el circuito de transferencia de calor del sistema usando la fuente de presión hidráulica y se purga todo el aire posible fuera del circuito a través de la válvula de purga en la parte de drenaje de la zona superior del campo de captadores. Se aplica una presión hidráulica igual a 1,5 veces la presión de trabajo máxima individual especificado por el fabricante. Se aísla la fuente de presión cerrando la válvula de aislamiento y se registran las lecturas del indicador de presión al principio y al final del siguiente intervalo de 15 min. Se libera la presión del sistema a través de la válvula de purga y se registra cualquier deformación y fuga del fluido de transferencia de calor permanente visible de los componentes del sistema e interconexiones. Se inspecciona visualmente al final del ensayo. En el informe de ensayo se anotan los siguientes puntos del ensayo de resistencia a presión, tanto del primario como del secundario:

• Duración del test, presiones máximas de ensayo aplicadas, presión al principio y al final del ensayo.

• Deformación o fuga permanente visible. • Se anota si el ensayo de presión aplicado es mas bajo que 1,5 veces la

máxima presión de trabajo especificada por el fabricante • En caso de que hubiera materiales no metálicos en el circuito, se anota la

temperatura del fluido. Nota: El Documento Básico HE-4, en su apartado 3.2.2.4 indica que la presión hidráulica no deberá caer más de un 10 % del valor medio medido al principio del ensayo. El circuito de consumo deberá soportar la máxima presión requerida por las regulaciones nacionales europeas de agua potable para instalaciones de agua de consumo abiertas o cerradas. En caso de sistemas de consumo abiertos con conexión a la red, se tendrá en cuenta la máxima presión de la misma para verificar que todos los componentes del circuito de consumo soportan dicha presión.


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3.5. Protección contra flujo inverso. Se sigue la norma UNE-EN 12976-1:2006 apartado 4.1.5. El sistema debe disponer de dispositivos para prevenir aumentos en pérdidas relevantes debidas a flujos inversos no intencionados en ningún circuito hidráulico del sistema. Para realizar la comprobación se debe realizar inspección visual para comprobar si existe alguna válvula de retención a la entrada del sistema (en el circuito secundario) u otro tipo de protección tal como indica la norma UNE-EN 12976-2:2006 apartado 5.10.

3. descripción de ensayos. -...

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