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Trabajo Fin de Grado

Grado en Ingeniería en Tecnologías Industriales

Autora: Yolanda González Besa

Tutor: Isidoro Lillo Bravo

Departamento de Ingeniería Energética

Escuela Técnica Superior de Ingeniería

Universidad de Sevilla

Sevilla, 2014

Análisis Comparativo de la Influencia del

Anticongelante en una Instalación Solar Térmica

Análisis Comparativo de la Influencia del Anticongelante en una Instalación Solar Térmica

Yolanda González Besa Página 2



Trabajo Fin de Grado

Grado en Ingeniería en Tecnologías Industriales

Análisis Comparativo de la Influencia del

Anticongelante en una Instalación Solar Térmica

Autora:

Yolanda González Besa

Tutor:

Isidoro Lillo Bravo

Doctor Ingeniero Industrial. Profesor titular

Departamento de Ingeniería Energética

Escuela Técnica Superior de Ingeniería

Universidad de Sevilla

Sevilla, 2014



Trabajo Fin de Grado: Análisis Comparativo de la Influencia del Anticongelante en una

Instalación Solar Térmica

Autora: Yolanda González Besa

Tutor: Isidoro Lillo Bravo

El tribunal nombrado para juzgar el Proyecto arriba indicado, compuesto por los siguientes

miembros:

Presidente:

Vocales:

Secretario:

Acuerdan otorgarle la calificación de:

Sevilla, 2014

El Secretario del Tribunal



“El genio se hace con un 1% de

talento, y un 99% de trabajo”.

Albert Einstein



Agradecimientos

Ahora que todo parece acabar es como si estos años de estudio hubiesen pasado muy

deprisa pero, después de haberlos dedicados casi única y exclusivamente a la carrera, es

justo mirar atrás y agradecer a todos aquellos que me apoyaron, creyeron en mí y tuvieron

paciencia conmigo en momentos de agobio y estrés. En especial, mencionar a mi familia,

que siempre ha estado ahí, y a mis amigos.

En segundo lugar, agradecerle a mi tutor Don Isidoro Lillo su empeño, dedicación y

entrega en todo momento.

Por último, agradecerle a Don Jonathan Vera Medina su paciencia para resolver todas mis

dudas una por una y por estar siempre disponible cuando lo necesitaba.

Sin vosotros nada de esto hubiese sido posible.

Gracias



Resumen

Este proyecto consiste en el análisis comparativo, de manera teórica y experimentalmente,

del comportamiento de una instalación solar con dos fluidos de trabajo distintos, en primer

lugar con agua y en segundo lugar con una mezcla de agua y propilenglicol al 50%.

Primero se mostrará un análisis bibliográfico de las distintas soluciones anti-heladas

existentes para captadores solares y de las ventajas e inconvenientes de los anticongelantes

en instalaciones de agua caliente sanitaria y. posteriormente, a partir de los ensayos

realizados según la Norma ISO 9459-5, se analizarán los resultados obtenidos y se

cuantificará la diferencia entre la fracción solar de la instalación en el ensayo con agua y

con propilenglicol.



INDICE

1. Introducción ................................................................................................................ 12

2. Objeto .......................................................................................................................... 14

3. Análisis bibliográfico ................................................................................................. 15

3.1 Soluciones anti-heladas existentes para captadores solares en ACS ................. 15

3.1.1 Sistema cambio de fase PCS (phase change system)............................................ 15

3.1.2 Mezcla anticongelantes ......................................................................................... 17

3.1.3 Recirculación del agua en el circuito primario ..................................................... 19

3.1.4 Resistencia eléctrica en captadores ....................................................................... 20

3.1.5 Sistema integrado de colección de energía y almacenamiento ............................. 21

3.1.6 Drenaje automático de la instalación .................................................................... 24

3.2 Comparación de las ventajas e inconvenientes de los anticongelantes en ACS 25

3.2.1 Tipos de anticongelantes ....................................................................................... 26

3.2.1.1 Propilenglicol ................................................................................................. 30

3.2.1.2 Comparativa del propilenglicol con el etilenglicol ........................................ 39

4. Descripción de equipos............................................................................................... 41

4.1 Captador solar ..................................................................................................... 41

4.2 Acumulador ......................................................................................................... 43

4.3 Intercambiador de calor ..................................................................................... 45

5 Metodología................................................................................................................. 46

5.1 Descripción de las secuencias de ensayo ........................................................... 53

5.1.1 Secuencia S-sol. Test A ..................................................................................... 53

5.1.2 Secuencia S-sol. Test B ..................................................................................... 54

5.1.3 Secuencia S-Store .............................................................................................. 56

6 Comparación teórica entre el sistema con agua y con propilenglicol.................... 57

6.1 Cálculo del coeficiente de convección de ambos fluidos ...................................... 57



6.2 Análisis de la transferencia de calor en ambos fluidos ....................................... 60

7 Ensayos y resultados .................................................................................................. 65

7.1 Resultados del primer ensayo: con agua .......................................................... 67

7.1.1 Radiación global diaria...................................................................................... 67

7.1.1.1 Test A ............................................................................................................ 67

7.1.1.2 Test B ............................................................................................................. 67

7.1.1.3 Secuencia S-Store .......................................................................................... 68

7.1.2 Rendimiento total .............................................................................................. 69

7.1.2.1 Test A ............................................................................................................ 69

7.1.2.2 Test B ............................................................................................................. 69


7.1.3 Energía absorbida por el captador ..................................................................... 71

7.1.3.1 Test A ............................................................................................................ 71

7.1.3.2 Test B ............................................................................................................. 71


7.1.4 Rendimiento del captador.................................................................................. 73

7.1.4.1 Test A ............................................................................................................ 73

7.1.4.2 Test B ............................................................................................................. 74


7.1.5 Energía útil ........................................................................................................ 75

7.1.5.1 Test A ............................................................................................................ 75

7.1.5.2 Test B ............................................................................................................. 76


7.1.6 Fracción Solar ................................................................................................... 77

7.2 Resultados segundo ensayo: con propilenglicol ............................................... 79

7.2.1 Radiación global diaria...................................................................................... 79

7.2.1.1 Test A ............................................................................................................ 79



7.2.1.2 Test B ............................................................................................................. 79


7.2.2 Rendimiento total .............................................................................................. 80

7.2.2.1 Test A ............................................................................................................ 80

7.2.2.2 Test B ............................................................................................................. 81


7.2.3 Energía absorbida por el captador ..................................................................... 82

7.2.3.1 Test A ............................................................................................................ 82

7.2.3.2 Test B ............................................................................................................. 83


7.2.4 Rendimiento del captador.................................................................................. 84

7.2.4.1 Test A ............................................................................................................ 84

7.2.4.2 Test B ............................................................................................................. 84


7.2.5 Energía útil ........................................................................................................ 85

7.2.5.1 Test A ............................................................................................................ 85

7.2.5.2 Test B ............................................................................................................. 86


7.2.6 Fracción Solar ................................................................................................... 87

8 Comparaciones ........................................................................................................... 89

8.1 Radiación global diaria .......................................................................................... 89

8.1.1 Test A .................................................................................................................... 89

8.1.2 Test B .................................................................................................................... 90

8.1.3 Secuencia S-Store ................................................................................................. 91

8.2 Rendimiento total ................................................................................................... 92

8.2.1 Test A .................................................................................................................... 92

8.2.2 Test B .................................................................................................................... 93




8.3 Energía absorbida por el captador ....................................................................... 95

8.3.1 Test A .................................................................................................................... 95

8.3.2 Test B .................................................................................................................... 96


8.4 Rendimiento del captador ...................................................................................... 98

8.4.1 Test A .................................................................................................................... 98

8.4.2 Test B .................................................................................................................... 99

8.4.3 Secuencia S-Store ............................................................................................... 100

8.5 Energía útil ............................................................................................................ 101

8.5.1 Test A .................................................................................................................. 101

8.5.2 Test B .................................................................................................................. 102

8.5.3 Secuencia S-Store ............................................................................................... 103

8.6 Fracción solar ........................................................................................................ 104

9 Estudio comparativo de ambos ensayos para unas condiciones ambientales

similares ............................................................................................................................ 106

9.1 Caso 1 ..................................................................................................................... 108

9.2 Caso 2 ..................................................................................................................... 109

9.3 Caso 3 ..................................................................................................................... 110

9.4 Caso 4 ..................................................................................................................... 111

9.5 Comparación del rendimiento de la instalación ................................................ 113

10 Conclusiones .......................................................................................................... 114

11 Líneas de trabajo futuro ...................................................................................... 115

12 Bibliografía ............................................................................................................ 116



1. Introducción

España se ha caracterizado tradicionalmente por tener un mayor consumo de energía que la

media de los países europeos para una misma unidad de producto interior bruto. Si a esto

se le suma la buena situación geográfica en la que se encuentra, con grandes intervalos de

radiación solar, se obtiene una buena combinación para que España busque el

aprovechamiento de las energías renovables, en concreto de la energía solar, como medida

de ahorro energético. Los importantes esfuerzos que se han realizado en materia de ahorro

y eficiencia energética han conseguido un descenso de la intensidad energética final

superior al 13% durante los últimos años.

Debido a la concienciación de la sociedad sobre las ventajas que las energías renovables

poseen se han ido modificando las leyes y normativas que regulan las fuentes de energía y

su utilización.

La introducción de nuevas medidas en el Código Técnico de la Edificación (CTE) fue la

principal propuesta con el fin de impulsar las energías renovables en los edificios para

avanzar en la independencia y autosuficiencia de éstos. Actualmente, los edificios de nueva

construcción o rehabilitados están obligados a una contribución mínima de renovables para

usos térmicos, con lo que una parte de las necesidades previstas de calefacción, agua

caliente sanitaria o climatización se cubre con distintas posibilidades de energías

renovables.

Dentro del CTE, el Documento Básico basado en el Ahorro de Energía recoge como uno

de los requisitos básicos la contribución solar mínima de agua caliente sanitaria para cada

región de España, de modo que una parte de la necesidad energética del edificio se cubrirá

mediante sistemas de captación, almacenamiento y utilización de energía solar a baja

temperatura, teniendo en cuenta la localización y la demanda de agua caliente del edificio.

Además, en relación con la protección anti-heladas utilizada por los sistemas de agua

caliente sanitaria, el CTE obliga a utilizar como fluido de trabajo agua con aditivos, los

cuales serán productos químicos no tóxico con una serie de requisitos expuestos en dicho

código para que la instalación funcione correctamente.



Aparte de las mezclas anticongelantes, se podrán utilizar otros sistemas de protección

contra heladas que, alcanzando los mismo niveles de protección, sea aprobado por la

Administración Competente.

Para la utilización de las mezclas anticongelantes es importante conocer las ventajas e

inconvenientes que poseen los distintos anticongelantes y las diferencias que poseen éstos

con el agua para una correcta utilización y mayor aprovechamiento del sistema.



2. Objeto

El objeto de este proyecto es comparar teórica y experimentalmente el comportamiento de

una instalación solar con dos fluidos de trabajo distintos: en el primer ensayo se utilizará

agua y en el segundo una mezcla de agua y propilenglicol al 50% para comprobar cómo

influye energéticamente el propilengicol en las prestaciones de la instalación solar.

Para ello se han realizado dos ensayos idénticos con sus correspondientes extracciones,

según la Norma ISO 9459-5, y se han medido distintos parámetros en ambos sistemas,

intentando cuantificar la eficiencia de ambos sistemas.

Una vez realizados los ensayos, se cuantificará la diferencia entre la fracción solar de la

instalación en el ensayo con agua y en el ensayo con propilenglicol de acuerdo a la norma.



3. Análisis bibliográfico

3.1 Soluciones anti-heladas existentes para captadores solares en ACS

En el documento “DB HE Ahorro de energía del código técnico de la edificación” [1] se

especifica el uso de sistemas indirectos para la instalación solar de ACS, por el cual el

sistema de protección frente a heladas que se exige está basado en la adicción de

compuestos químicos al circuito primario, para que no se produzca la congelación del agua

que circula por el mismo, en condiciones climáticas frías.

Hay distintos métodos existentes para la protección de las instalaciones de ACS, que se

describen a continuación:

3.1.1 Sistema cambio de fase PCS (phase change system)

Se trata de un sistema solar de calentamiento de agua de dos fases en el que se usa como

fluido de trabajo la acetona o el metanol.

El fluido de trabajo circula por el circuito cerrado, que se extiende desde el colector solar

hasta un intercambiador de calor con forma de serpentín en el tanque termo. El fluido se

evapora en el colector solar y se condensa en la bobina del tanque termo, cediendo su calor

latente de vaporización al agua.

Este sistema evita la congelación, incrustaciones, corrosión y ensuciamiento, como viene

explicado en “Findings to improve the performace of a two-phase flat plate solar system,

ysing acetone and metanol as working fluids”. [2]

Las primeras investigaciones sobre este sistema surgieron en 1979 y se fueron

desarrollando durante los años 1981, 1989, 1992 y 1999, en los que prácticamente lo único

que se iba cambiando era el fluido de trabajo, tales como R11, R113 y R123, entre otros.



Poco después, en 2002, se empezaron a realizar investigaciones variando la geometría de

los termosifones bifásicos.

Los fluidos de trabajo utilizados en la mayoría de los casos tienen bajo punto de ebullición

a presión atmosférica y bajo calor latente de vaporización, como se puede observar en la

tabla 1.

Tabla 1. Propiedades de los diversos fluidos de trabajo

Al contrario que los fluidos de trabajo comentados anteriormente, con la acetona y el

metanol se puede trabajar a presiones cercanas a la atmosférica, debido al mayor calor

latente de vaporización, proporcionando mayor seguridad a los equipos.

Además de esto, otra ventaja que tienen es que el espesor de los tubos se podría reducir,

dando lugar a una construcción más sencilla y económica. Se ha comprobado que tanto la

acetona como el metanol se pueden utilizar con el cobre sin problemas de corrosión.

Como inconveniente podemos destacar el alto punto de ebullición que presentan a presión

atmosférica, aunque puede ser compensado por el alto calor latente de vaporización.

En este sistema de cambio de fase se distinguen los siguientes elementos: un colector solar,

un tanque termo y un circuito cerrado interno, que se extiende en todo el sistema en el que

tiene lugar el cambio de fase del fluido de trabajo.

En el circuito primario (figura 1), el fluido de trabajo se evapora en el colector solar, se

mueve por convección natural al tanque termo, situado por encima del colector, donde se

condensa en el serpentín sumergido en el intercambiador de calor, transfiriendo el calor

latente de vaporización al agua. A continuación, el fluido de trabajo se mueve hacia atrás

por gravedad, colocándose de nuevo en el colector solar para repetir el ciclo.



Figura 1. Esquema del circuito primario del PCS

El rendimiento en este procedimiento es algo inferior al de los sistemas convencionales,

mas presenta notables mejoras con respecto a la corrosión, la congelación, el agrietamiento

y el ensuciamiento, que hacen que la vida útil del sistema sea mayor.

3.1.2 Mezcla anticongelantes

Este procedimiento es el recomendado en el código técnico de la edificación [1] por eso es

el método más usado entre las instalaciones solares de ACS actuales. Además de ser

mencionado en el ámbito legislativo, también se ha tenido en cuenta en varios estudios

especializados, como el caso de los artículos “Control problems in solar domestic hot

water systems”[3] y “Performance of solar water heaters with narrow mantle heat

exchangers”[4].

Este sistema cambia el fluido que circula por el captador solar, pasando de ser agua potable

para consumo humano a una mezcla de agua con sustancias anticongelantes, como

etilenglicol o propilenglicol. El punto de fusión de esta mezcla se produce a una



temperatura más baja que la del agua potable, por lo que hace que se consiga evitar la

congelación en condiciones climatológicas adversas.

Como la mezcla de los fluidos que se calienta en los captadores solares no es apta para el

consumo humano, es necesario el uso de un sistema indirecto. Es decir, es necesario en la

instalación otro intercambiador situado en un lugar protegido de las heladas, para poder

realizar la transferencia de calor entre el fluido de trabajo y el agua potable disponible para

el consumo. A causa de este nuevo intercambiador, se produce una pérdida de energía que

da lugar a una temperatura menor del ACS respecto al sistema directo, ya que para que se

produzca la transferencia de calor entre el intercambiador debe existir una diferencia de

temperatura entre los fluidos que circulan por su interior.

Otro de los inconvenientes es la reducción de energía transportada por el fluido debido a

que la mezcla anticongelante posee un calor específico menor respecto al agua potable.

Esto hace que haya menor capacidad de transporte de energía desde el captador hacia el

intercambiador de energía con el agua disponible para el consumo.

Esta técnica es plenamente fiable y reconocida. La seguridad en el uso de mezclas

anticongelantes depende de la elección de la proporción del aditivo anticongelante en

función del clima de la zona donde está situada la instalación a proteger.

Además de todo esto, el procedimiento requiere un cierto mantenimiento a lo largo de la

vida útil de la instalación. Por lo tanto, es necesario el control de la concentración del

anticongelante en la mezcla de trabajo, que puede verse disminuida debido a fugas en el

circuito. Estas fugas deben ser repuestas con agua de red y además de esto, también es

necesario la sustitución del fluido anticongelante cada cierto tiempo, ya que las

propiedades se pierden con el paso del tiempo.

Esta medida será la que se analizará más en profundidad a lo largo de la memoria.



3.1.3 Recirculación del agua en el circuito primario

La recirculación de agua es un método adecuado para zonas climáticas con breves periodos

de bajas temperaturas, que pueden provocar la congelación del agua en el captador [5].

Como se describe en “Análisis de la influencia de las heladas y cal en instalaciones

solares térmicas” [5] y “Energía solar térmica en la edificación” [6], la protección frente a

las heladas está basada en la activación de una bomba, que se encarga de la circulación del

ACS cuando la temperatura del colector esté levemente por encima de la temperatura de

congelación del agua (en torno a los 3 ºC). Cuando ocurre esto una sonda colocada en el

captador lo detecta y manda una señal a un dispositivo electrónico llamado central anti

heladas, que se encarga de activar la bomba en el momento preciso.

Este método tiene como ventajas su sencillez y el poco trabajo de mantenimiento que se

requiere, que da lugar a un coste económico bajo. Éstas compensan el hecho de que parte

de la energía acumulada se pierde al hacer circular el caudal del agua por los captadores

cuando existen condiciones externas adversas. Si este proceso es muy continuado, la

pérdida de energía aumenta considerablemente. Debido a esto, este método es

recomendable solo para zonas donde las heladas se producen en breves periodos de tiempo.

La fiabilidad de la instalación depende únicamente de la precisión de la sonda de

temperatura y de un funcionamiento correcto de la central anti heladas.

Figura 2. Esquema de recirculación de agua en el circuito primario



3.1.4 Resistencia eléctrica en captadores

El funcionamiento de este método está basado en la instalación de una resistencia eléctrica,

normalmente de unos 30 W/m₂ a lo largo de los tubos que contienen el agua en el captador,

usada como procedimiento de protección frente a la formación de heladas. Cuando la

temperatura del agua es ligeramente superior a la de congelación, la resistencia se pone en

funcionamiento y caliente el fluido, evitando así la posible congelación del agua. “Freeze

Protection for Flat-Plate Collectors using Heating” [7]

Para dicho funcionamiento es necesario un sistema de control electrónico que activa o

desactiva la resistencia según la señal enviada por una sonda de temperatura situada en el

captador.

Es necesario un buen mantenimiento de la sonda de temperatura y del sistema de control

electrónico, ya que son los factores que determinan la fiabilidad del método.

La ventaja de este método es la posibilidad de utilización en zonas donde se alcancen

temperaturas extremadamente bajas, ya que la única condición que se debe cumplir es un

buen dimensionamiento de la resistencia.

Por otro lado, el principal inconveniente de este método es la disminución del rendimiento

global de la instalación, ya que se necesita un claro aporte de energía externa al proceso.

Esta disminución del rendimiento será mayor o menor según los periodos de heladas a los

que tenga que hacer frente el proceso. Por eso, el método debe instalarse en lugares donde

los periodos de heladas sean poco frecuentes.

Existe otro tipo de método, no muy extendido, con resistencias eléctricas aprovechando el

efecto termosifón, que permite la colocación del depósito de agua caliente a la intemperie y

la y la protección de heladas de los conductos que llegan y salen de él. Se menciona el

mismo en el artículo “Improving the actual performance of thermosiphon solar water

heaters”.[8]



La instalación de calentamiento solar de agua sanitaria se realizaría según el esquema

mostrado en la figura 3:

Figura 3. Esquema instalación del sistema anti heladas

Tiene dos modos de funcionamiento:

- Posición 1: La válvula V1 se encuentra cerrada y la V2 abierta. Esta posición se da

cuando la temperatura del tanque de agua calentada por el captador es lo

suficientemente alta para su consumo como ACS.

- Posición 2: La válvula V1 se encuentra abierta y V2 cerrada. En este caso el

suministro de agua caliente es debido únicamente al calentamiento de las

resistencias eléctricas.

3.1.5 Sistema integrado de colección de energía y almacenamiento

Este sistema llamado “Integrated collector/storage solar water heaters” (ICSSWH) en

inglés, combina la función de almacenamiento de agua caliente con la del colector solar en

un mismo dispositivo. Este procedimiento no es novedoso, ya que la idea fue patentada en



Estados Unidos en 1891 “Apparatus for utilizing the sun´s ray for heating water” [9]. El

concepto patentado fue un conjunto de recipientes metálicos en los que se almacenaba el

agua situados bajo el tejado y protegidos frente a la intemperie por un techo de cristal.

Figura 4. Esquema de la patente del sistema almecanamiento/calentamiento de agua

Aunque la patente fue hace ya muchos años, a día de hoy los prototipos siguen

consistiendo en un vaso metálico de almacenamiento de agua protegido de las condiciones

climatológicas por una superficie transparente.

El estudio “Techno-economic appraisal of an integrated collector/storage solar water

heater” [10] se centra en la viabilidad de utilización de este dispositivo en zonas de clima

atlántico, en las cuales existen unas condiciones frías exteriores moderadas, y esto hace

que el método sea idóneo en ellas. Esto es debido a que el agua almacenada se mantiene

por encima de la temperatura de congelación gracias al aislamiento y a la energía absorbida

en los periodos de irradiación solar.

Se prueban dos prototipos diferentes en condiciones de invierno moderadas. Estos constan

de un recipiente cilíndrico de aluminio, situado en el interior de un cajón forrado de una

superficie reflectante, de forma que la radiación incidente se concentre en el vaso

contenedor. Además, el vaso contiene un tubo interior construido según las

especificaciones descritas en “A comparative performance rating for an integrated solar

collector/storage vessel with inner sleeves to increase heat retention” [11]. La superficie

de cada vaso se cubre con una superficie selectiva de la radiación para evitar las pérdidas

de calor por radiación en onda larga.



Figura 5. Esquema de los prototipos

La principal diferencia que existe entre los dos prototipos consiste en que la parte superior

de uno de ellos se encuentra fuertemente aislada térmicamente del exterior, mientras que

por el contrario, en el otro no existe diferenciación entre las partes del depósito.

Debido a que existen distintas densidades, el agua más caliente se mantiene en la zona

aislada, mientras que la más fría se calienta en la zona inferior.

Los sistemas fueron probados a la intemperie durante los meses de invierno en Ulster

(Reino Unido), mostrando resultados satisfactorios, en los cuales no se produjo la

congelación del agua en ningún momento.

El principal inconveniente que presentan estos dispositivos es la menor eficacia de

absorción de la energía recibida de la irradiación del sol respecto a los sistemas

convencionales. Esto hace que sea necesaria una mayor superficie de captación para

satisfacer una misma demanda de ACS, dando lugar a un mayor coste.



3.1.6 Drenaje automático de la instalación

Este método ha sido mencionado en varios estudios como “Apparatus for utilizing the

sun´s rays for heating water” [9] y “Control problems in solar domestic hot water

systems” [3]. Consiste en un método más agresivo que los anteriores, ya que funciona

evitando que el fluido de trabajo esté presente en las zonas de la instalación que puedan

estar expuestas a temperaturas por debajo del punto de congelación del agua. Para ello se

requiere un buen sistema de control automático.

Cuando el sensor detecta que la temperatura alcanza un valor ligeramente superior al punto

de congelación, el sistema de control actúa sobre la bomba (el proceso es parecido al caso

de recirculación de agua en el circuito primario) y sobre una electroválvula de drenaje que

se encarga de vaciar el circuito de agua de los captadores. El circuito deberá permanecer

vacío hasta que el sensor no detecte que la temperatura en el colector ha aumentado.

El agua que ha sido drenada es llevada a un depósito auxiliar que está protegido de las

condiciones adversas exteriores. Además, es necesario utilizar un sistema de llenado de la

instalación, para la recuperación del líquido situado en el depósito auxiliar.

Este método tiene algunos inconvenientes que son descritos en “Análisis de la influencia

de las heladas y cal en instalaciones solares térmicas” [5], entre los que se pueden

destacar la alta inversión inicial, las pérdidas de fluido si no se dispone de un depósito

auxiliar y el gran mantenimiento requerido por la instalación, sobre todo en el proceso de

llenado del circuito primario, en el que se necesita purgar el aire de éste una vez

desaparecidas las condiciones adversas.

Además de esto, cualquier problema o avería en el sistema de control o en las válvulas que

se encargan del drenaje del agua podrían dar lugar a consecuencias muy graves para la

instalación, ya que hay una gran cantidad de procesos en los que se pueden presentar

problemas, como el vaciado y llenado de agua de la instalación y purga de aire, entre otros,

lo que hace que la fiabilidad de la instalación sea muy baja.

A pesar de esto, tiene una gran ventaja, ya que puede soportar temperaturas muy bajas si

todo funciona correctamente. Sin embargo, no es muy método muy recomendable, debido

a la cantidad de inconvenientes que presenta y su alto coste de mantenimiento. En cambio,

debido a su gran efectividad si se realiza correctamente, puede ser utilizado tanto en



lugares dónde las heladas son poco frecuentes, como donde sí lo son, como se recoge en

“Jordan´s first solar-heated house” [12] y “Recent experience with large solar termal

systems in the Netherlands” [13].

3.2 Comparación de las ventajas e inconvenientes de los

anticongelantes en ACS

Tal y como se ha dicho anteriormente una de las medidas existentes para la protección

contra heladas y la exigida por el Código Técnico de la Edificación (CTE) es la utilización

de las mezclas de agua y anticongelante.

La introducción del anticongelante supone una serie de ventajas e inconvenientes que hay

que estudiar. Antes que nada, hay que tener en cuenta que al utilizar una mezcla de agua

con refrigerante, es necesaria la adición de un sistema secundario, en el que se realizará la

transferencia de calor entre la mezcla y el agua que se utilizará para el consumo.

Los principales inconvenientes de este sistema secundario se encuentran recogidas en el

artículo “Aqueous propylene-glycol concentrations for the freeze protection of

thermosyphon solar energy water heaters” [14], entre las cuales destacan la alta viscosidad

que proporciona la mezcla de agua y glicol en comparación con el agua, la cual reducirá el

caudal de circulación y la menor capacidad de calor específico del fluido en comparación

con el agua.



3.2.1 Tipos de anticongelantes

Como características generales de los anticongelantes destacan:

Son tóxicos debido a que contienen una sustancia conocida como inhibidor de

la corrosión. Se debe evitar que se mezcle este fluido con el agua de consumo.

Además se pueden aplicar presiones distintas entre los diferentes circuitos de la

instalación, por lo que el circuito secundario tendrá una presión mayor que el

primario.

Son muy viscosos puesto que son más espesos, es decir, al fluido le cuesta más

avanzar por las tuberías provocando que las pérdidas de carga sean un factor

importante a la hora de elegir la bomba de circulación.

Dilatan más que el agua así que será necesario el uso de vasos de expansión.

Son inestables a más de 120 ºC. Si se alcanzase dicha temperatura, el

anticongelante podría degradarse convirtiéndose el fluido en un ácido que

afectaría a la vida de los componentes de la instalación perdiendo además todas

sus propiedades por lo que no protegería la instalación de una posible

congelación.

El calor específico es menor que el del agua. Esto significa que es capaz de

absorber más energía pero también que es más lento en cederla.

Según el artículo “A review of materials for solar heating systems for domestic hot water”

[15], el fluido de transferencia de calor absorbe calor del colector solar y la transfiere al

sistema de agua caliente sanitaria, ya sea directamente o indirectamente a través de un

intercambiador de calor.

Para una alta tasa de transferencia de calor, el líquido debe tener una alta conductividad,

una capacidad calorífica alta y baja viscosidad (esto afecta a los requisitos en el sistema de

bombeo); y para minimizar las tensiones en el sistema, el fluido debe tener baja densidad y

un bajo coeficiente de expansión térmica. Estas propiedades físicas de cuatro clases de

fluido de transferencia de calor (agua, glicol, aceites de silicona y aceites de hidrocarburos)

son dadas en la tabla 2.



Otras propiedades que deben ser consideradas son la corrosión, la toxicidad y el

rendimiento a alta y baja temperatura.

En la tabla 2 se puede observar que en los terrenos de propiedades físicas el agua es el

fluido que transfiere mayor cantidad de calor. Además, tiene la ventaja de que puede ser

utilizada directamente en el sistema de agua caliente sanitaria, así que se podría eliminar el

intercambiador de calor entre el circuito solar y el circuito interno. Sin embargo, los

problemas surgen debido a la congelación, ebullición, acumulación de cal y la corrosión.

Fluido Cp a 82 ºC (KJ/m3K) K a 82ºC (W/mK) ρ (Kg/m3) μ a 82 ºC (m2/s)

Agua 4190 0,64 1000 0,0035

Glicol 3630 0,415 1020 0,01

Aceites de silicona 1480 0,14 930 0,005

Aceites hidrocarburos 1770 0,121 880 0,001

Tabla 2. Comparación de las propiedades físicas de distintos fluidos

Entre los principales líquidos anticongelantes se encuentran:

Aceites:

Los aceites de transferencia de calor también se pueden usar como alternativa al agua. Sus

propiedades físicas son notablemente inferiores a los de la solución de agua+glicol, además

de que el coste aumentaría y se necesitan bombas más potentes debido a la alta viscosidad.

Como ventaja, no se encuentran problemas de congelación y ebullición. Otros

inconvenientes de los aceites son la toxicidad, corrosión con materiales que están fuera del

sistema (si se producen fugas), la tendencia a degradarse por oxidación y la tendencia a

degradarse o a autoencenderse a altas temperaturas.

Líquidos refrigerantes:

Los líquidos refrigerantes, tales como los cloroflourocabonos, pueden ser también

utilizados como fluidos de transferencia de calor. Representar un medio eficaz de



transferencia de calor debido a su capacidad para absorber grandes cantidades de calor por

evaporación, liberando el calor por condensación en un intercambiador de calor situado en

la parte superior del colector. El problema de los líquidos refrigerantes es que algunos

materiales no son compatibles con este fluido.

Metanol:

Tiene la fórmula química: CH3OH. Es el alcohol más sencillo, y es un líquido ligero,

volátil, incoloro, inflamable, tóxico y con un olor característico (más suave y más dulce

que el etanol). Se utiliza como un anticongelante, disolvente o combustible.

Etilenglicol:

Empezó a estar disponible en 1926 como anticongelante y a día de hoy se usa en multitud

de aplicaciones, sobre todo en la industria automovilística, aunque está siendo reemplazado

por el propilenglicol debido a su menor toxicidad. Uno de sus principales problemas es que

se oxida, formando cinco ácidos orgánicos (fórmico, oxálico, glicólico, glioxálico y ácido

acético). Debido a esto, es necesario el uso de inhibidores para prevenir esta oxidación.

Otro problema que tiene es que es venenoso para los humanos y otros animales, por lo

tanto debe ser manejado con cuidado y desechar adecuadamente.

Propilenglicol:

El propilenglicol, debido a su menor toxicidad, es usado sobre todo en sistemas de

procesamiento de alimentos o en las tuberías de agua en los hogares. Al igual que el

etilenglicol, el propilenglicol se oxida cuando se expone al aire y el calor, formando ácido

láctico. Si no es adecuadamente inhibido, este líquido puede llegar a ser muy corrosivo, así

que es necesario que se le añadan agentes tales como el fosfato dipotásico o el bicarbonato

de potasio.



Además de la corrosión del sistema de refrigeración, la incrustación biológica también se

produce. Así que es necesario un buen mantenimiento de los sistemas en los que se añada

la solución de glicol.

Glicerol:

Tiene como ventajas que no es tóxico, resiste temperaturas relativamente altas y no es

corrosivo. Fue utilizado como anticongelante para aplicaciones de automoción antes de ser

reemplazado por el etilenglicol, que tiene un punto de congelación más bajo.

En el laboratorio, el glicerol es un componente común de disolventes para enzimáticos

reactivos almacenados a temperaturas inferiores a 0ºC debido a la depresión de la

temperatura de congelación de soluciones con altas concentraciones de glicerol.

Fluido T congelación (ºC) Conductividad térmica K (W/mK) Cp (KJ/LK) Viscosidad (cP)

Agua 0 0,582 4,18 1,3

Metanol (12 %) -7,5 0,525 3,86 1,3

Etanol (15%) -7,5 0,5 3,83 2,7

Etilenglicol (19%) -7,5 0,501 3,94 2

Propilenglicol (20%) -7,5 0,484 3,86 2,8

Glicerol (26%) -7,5 0,481 3,97 3,1

Tabla 3. Propiedades de los fluidos utilizados como anticongelantes



3.2.1.1 Propilenglicol

Usos y aplicaciones:

- Formulaciones anticongelante/refrigerante.

- Disolventes

- Alimentación

- Sabores y fragancias

- Cosméticos y productos de cuidado personal

- Productos farmacéuticos

- Intermediarios químicos

- Fluidos hidráulicos

- Plastificantes

- Resina de formulaciones

- Operaciones de gas de deshidratación

Propiedades físico-químicas:

- Fórmula química:

- Masa molecular 76.09 g/mol

- Punto de fusión -59°C

- Punto de ebullición 188.2°C

- Conductividad térmica 0.34 W/m-K

- Aspecto: líquido viscoso incoloro

- Olor: prácticamente inodoro

- pH (50% solución): 6,5-7,5

- Punto de inflamación: 103 ºC

- Presión de vapor (20 ºC): 0,07 mmHg



- Densidad de vapor: 2,62 (aire=1)

- Densidad (20 ºC): 1,036 g/cm3

- Solubilidad en agua (20 ºC): completa

- Solubilidad en otros: soluble en etanol, éter, benceno, acetona, cloroformo, aceite de

pino, etc.

- Temperatura de autoinflamación: 420 ºC

- Viscosidad (20ºC): 55 mPa*s

Hay que tener en cuenta que si aumenta el porcentaje de glicol en la solución acuosa:

- Disminuye la temperatura de congelación

- Aumenta la densidad de la solución

- Disminuye el calor específico (Cp) hay que bombear más caudal (mayor energía

de bombeo)

- Aumenta la viscosidad de la solución mayor energía de bombeo

Ventajas:

a) Punto de congelación

Cuando los líquidos se enfrían a menudo se cristalizan como el hielo o se vuelven cada vez

más viscosos. Bajo condiciones normales, el propilenglicol y sus homólogos, en vez de

congelarse, se establecen en sólidos como el cristal.

La adición de un glicol al agua produce una solución con un punto de congelación por

debajo de la del agua. Esto ha llevado a la amplia utilización de agua-glicol como medio de

enfriamiento a temperaturas por debajo del punto de congelación del agua.



b) Presión de vapor y punto de ebullición

Todos los líquidos forman vapores que ejercen una presión característica de los materiales.

La presión ejercida por estos vapores en la presencia del líquido se llama presión de vapor,

y aumenta con la temperatura.

El punto de ebullición de un líquido es la temperatura a la que su presión de vapor es igual

a la presión externa en la superficie del líquido. Cuando el líquido se calienta en un

recipiente abierto, se hervirá cuando su presión de vapor es igual a la presión atmosférica.

Los glicoles tienen presiones de vapor más bajas que el agua y sus puntos de ebullición son

por encima del punto de ebullición del agua.

A 20 ºC la presión de vapor de agua es más de 100 veces mayor que la del propilenglicol.

Esta baja volatilidad de los glicoles disminuye su tendencia a evaporarse y por esto es

interesante para multitud de aplicaciones, como su uso como agente anticongelante.

c) Solubilidad

Los glicoles, como todos los alcoholes de bajo peso molecular, son solubles en todas las

proporciones en el agua. Por lo general, el propilenglicol es un mejor disolvente para

aceites y productos químicos orgánicos que el etilenglicol.

Inconvenientes:

a) Asociados a la transferencia de calor

El principal problema del uso de una mezcla de propilenglicol+agua en lugar de agua sola

va a ser que penalizará la transferencia de calor.

Sabiendo que:



U=coeficiente global de transferencia

A=área de transferencia

DTLM=diferencia logarítmica media de temperaturas

Sabiendo que el coeficiente global de transferencia depende de los coeficientes de película,

los principales parámetros de los que dependerá la transmisión de calor serán:

- Densidad del fluido

- Viscosidad del fluido

- Conductividad térmica del fluido

- Calor específico del fluido

a.1) Densidad

La densidad de un fluido se define como la magnitud escalar que relaciona la cantidad de

masa con un determinado volumen de la sustancia.

Las densidades del agua y la del propilenglicol son muy parecidas, dependiendo ambas de

la temperatura. Además, en una mezcla de agua y propilenglicol, la densidad variará

dependiendo del porcentaje de propilenglicol que tenga dicha mezcla.

A continuación se muestra una tabla en la que se relaciona la densidad con la temperatura y

la concentración en peso de propilenglicol:



Figura 6. Relación de la densidad con la temperatura para cada concentración en peso

del propilenglicol

a.2) Viscosidad

La viscosidad es una medida de la fricción interna de un líquido y se define como la

oposición de un fluido a las deformaciones tangenciales (debida a las fuerzas de cohesión

moleculares). Cuando la viscosidad aumenta, la tendencia a fluir disminuye. La viscosidad

en los glicoles varía inversamente con la temperatura. Los glicoles calientes fluyen

libremente, pero esta facilidad disminuye a medida que se enfrían. La temperatura más

baja a la que un líquido fluirá se llama punto de fluidez.

Mientras que la viscosidad dinámica del propilenglicol está en torno a 55 mPa*s, la del

agua es de 1 mPa*s.

Esta gran diferencia entre ambas sustancias hará que la transferencia de calor se vea

penalizada en el caso de la mezcla de agua y propilenglicol.



A continuación se muestra una gráfica en la que se representa los valores de la viscosidad

en función de la temperatura y de la concentración en peso de propilenglicol en la mezcla:

Figura 7. Relación de la viscosidad con la temperatura para cada concentración en peso

del propilenglicol

a.3) Conductividad térmica

La conductividad térmica es una propiedad física de los materiales que mide la capacidad

de conducción de calor. Es una propiedad intrínseca de cada material que varía en función

de la temperatura a la que se efectúa la medida.

Mientras que la conductividad térmica del agua es de aproximadamente 0,6 W/m*K, la del

propilenglicol es de 0,34 W/m*K.

Al ser la conductividad térmica del propilenglicol aproximadamente de la mitad del valor

de la del agua, este término también penalizará la transmisión de calor de la mezcla de

agua con propilenglicol en comparación con la de agua sola.



A continuación se muestra una gráfica en la que se representa la conductividad térmica del

propilenglicol en función de la temperatura y de la concentración de propilenglicol:

Figura 8. Relación de la conductividad térmica con la temperatura para cada

concentración en peso del propilenglicol

a.4) Calor específico

El calor específico es una magnitud física que se define como la cantidad de calor que hay

que suministrar a la unidad de masa de una sustancia para elevar su temperatura en una

unidad. En general, el valor del calor específico depende del valor de la temperatura

inicial.

Mientras que el calor específico del agua es de 4,18 kJ/kgK, el del propilenglicol está entre

2,5-3 kJ/kgK. Si el calor específico es menor, el caudal que hay que bombear para que se

transfiera la misma cantidad de calor aumenta. Al tener que bombear más caudal, aumenta

la energía de bombeo, y con eso el coste.



Figura 9. Relación del calor específico con la temperatura para cada concentración en

peso del propilenglicol

b) Otros inconvenientes

b.1) Problemas de corrosión

Según el artículo “Converting a closed-loop water system to a glicol system” [16], debido a

los problemas de corrosión del propilenglicol, la preparación del sistema tiene que tener en

cuenta los siguientes factores:

- Limpieza del sistema:

Para mejorar la eficiencia de la transferencia de calor y proteger al sistema de la corrosión,

todos los equipos y la instalación deben limpiarse con una solución de pH neutro.



- Materiales del sistema:

Los materiales estándar de construcción que se encuentran en los sistemas estándar de agua

caliente sanitaria se utilizan también en los sistemas con refrigerantes. Sin embargo, el

aluminio y zinc deben evitarse, ya que pueden ocasionar problemas de corrosión.

- Tanque de expansión:

En sistemas de intercambio de calor, el contacto directo de los glicoles con el aire hacen

que se descompongan en ácido glicólico, que puede reaccionar con el inhibidor de

corrosión y eliminarlo.

Debido a la alta densidad de los glicoles, el tanque de expansión debe ser capaz de

absorber aproximadamente un 4% más de volumen que en un sistema solo de agua.

b.2) Coste

Ya que se tiene que incluir el coste capital del propilenglicol, la disminución del calor

específico, el incremento de la bomba y la preparación del sistema, ya que a menudo se

tienen que introducir sustancias inhibidoras de la corrosión.

b.3) Durabilidad

Ya que las propiedades del propilenglicol van disminuyendo con el paso del tiempo y, por

tanto, deja de funcionar correctamente dentro de la instalación. De esta forma, el fin que se

persigue con la introducción del propilenglicol en la instalación, que es la protección anti-

heladas, va desapareciendo. Por esto mismo, hay que sustituir el propilenglicol cada cierto

tiempo para que sus propiedades sigan haciendo efecto en la instalación.



3.2.1.2 Comparativa del propilenglicol con el etilenglicol

La propiedad de ambos para bajar el punto de congelación del agua, junto con su baja

presión de vapor y altos puntos de ebullición constituyen las propiedades físicas más

importantes de ambos compuestos. Sus soluciones acuosas son aplicables en un amplio

rango de temperatura de -51ºC a 148 ºC, dependiendo por supuesto de las concentraciones

y del tipo de sistema en que sea usado.

- Eficiencia

Según el artículo “Heat degradation studies of solar heat transfer fluids” [17], una

comparación experimental fue llevada a cabo en Utah en un clima de agosto, en la que se

demostró que utilizando una solución acuosa al 50% de etilenglicol el sistema era un 9%

menos eficiente. Por otro lado, también se demostró que el uso de un 60% de

propilenglicol en solución acuosa disminuye la eficiencia del sistema en 10%.

- Toxicidad

Según el artículo anteriormente nombrado, siendo tanto el propilenglicol como el

etilenglicol soluciones disponibles, válidas y baratas, el etilenglicol es un líquido muy

tóxico, por lo que debe utilizarse solo con un intercambiador de doble pared. El

propilenglicol, sin embargo, al no ser tóxico y ser químicamente estable en todo el rango

de condiciones de funcionamiento, es el más utilizado, conteniendo además los inhibidores

apropiados para satisfacer estos requisitos.

- Viscosidad

La viscosidad es una característica importante ya que influye en la capacidad de bombeo y

transferencia de calor. Las soluciones acuosas de glicoles son más viscosas que el agua y

su viscosidad se incrementa en forma proporcional a la concentración de glicol. En

condiciones ambientales normales el etilenglicol ofrece menos resistencia al bombeo de

sus soluciones, así que las soluciones de propilenglicol que tengan que operar por debajo



de -15 ºC deben ser cuidadosamente evaluadas respecto a los requerimientos del sistema de

bombeo.

- Punto de congelación del agua

El etilenglicol es más efectivo que el propilenglicol para bajar el punto de congelación del

agua.

Según la siguiente tabla, se observa como varía el punto de congelación de ambas

sustancias según el porcentaje en peso de dicha sustancia en el agua:

Tabla 4. Punto de congelación según el porcentaje en peso del etilenglicol y del

propilenglicol



4. Descripción de equipos.

La instalación solar térmica utilizada se encuentra en la azotea del edificio L1 de la

Escuela Técnica Superior de Ingenieros de Sevilla, en la cual los equipos son

prefabricados, es decir, son lotes de productos con una marca registrada listos para instalar.

Estos sistemas se consideran un solo producto y se evalúan como un todo. Dentro de estos

podemos distinguir los siguientes elementos:

4.1 Captador solar

El sistema de captación está formado por un colector solar, que es un intercambiador de

calor que transforma energía radiante (Radiación Solar) en Energía Térmica, aumentando

la temperatura de un fluido contenido en el interior del captador. El tipo de colectores más

común es el sistema de captación con colectores solares planos, los cuales aprovechan

tanto la radiación directa como la difusa y no poseen mecanismos de seguimiento de la

posición del sol.

Los colectores solares funcionan siguiendo el principio del llamado “efecto invernadero”,

es decir, captan la energía solar en su interior y la transforman en energía térmica y, a su

vez, impiden su salida al exterior. Esto se debe a que el vidrio del colector es de un

material selectivo, siendo transparente a la longitud de onda de la radiación visible, por lo

que deja pasar la mayor parte de la energía del Sol. Dicha energía calienta la placa

colectora y se convierte en emisora de radiación de infrarrojos, los cuales no pueden

atravesar el vidrio ya que es opaco para esas longitudes de onda. En los colectores solares,

por tanto, aumenta la temperatura del fluido de trabajo superando la temperatura exterior, a

pesar de las pérdidas producidas por transmisión.



Las características técnicas del captador solar se describen a continuación:

Dimensiones externas:

Largo 2.13 m.

Ancho 1.20

Fondo 0.083 m.

Area bruta 2,5 m2.

Area neta 2,36 m2.

Dimensiones absorbedor:

Largo 2.05 m.

Ancho 1.15 m.

Area del absorbedor 2,36 m2.

5. Dimensiones externas

Datos energéticos:

1. Referidos al área de apertura:

Factor óptico 0,758

Factor lineal perdidas 5,54 W/m2K

Factor cuadrático perdidas 0,022 W/m2K

2. Referidos al área del absorbedor:

Factor óptico 0,749

Factor lineal perdidas 5,48 W/m2K

Factor cuadrático perdidas 0,022 W/m2K

Absorbedor:

Tipo: Multibanda

Material: Aluminio

Tipo de soldadura: Ultrasonica

Numero de tubos: 10

Tubos Colectores: 18

Tubos Verticales: 8

Recubrimiento: tipo Pintura Negra



Material: EPOCROM

Aislamiento:

Tipo: Manta.

Material: Lana de vidrio.

Largo: 2.1 m.

Ancho: 1.18 m.

Área: 2,48 m2.

Espesor: 0.04 m.

Parámetros de ensayo EN-12975:

Potencia Pico: 1789 W/m2.

Capacidad térmica efectiva: 14.280 kJ/K

Modificador del ángulo de incidencia: 0,88º.

Constante de tiempo: 53 s.

Tª estancamiento exp.: 99ºC

Tª estancamiento teórica: 128ºC

Figura 10. Foto del captador solar utilizado en los ensayos

4.2 Acumulador



En una instalación de energía solar térmica, la acumulación de energía es necesaria debido

al desfase que existe entre la radiación solar y el consumo. Para ello se utilizan los

depósitos de acumulación, cuya función es independizar el circuito de captación solar del

circuito de consumo.

El objetivo de la acumulación es almacenar la energía solar disponible en periodos de

escasa demanda para poder suministrarla posteriormente cuando existe demanda.

Se puede prescindir de la acumulación si se adopta como criterio de diseño aportar la

energía solar captada al sistema sólo cuando esté disponible en el subsistema de captación.

Este criterio se aplica en determinadas circunstancias cuando la demanda de energía de la

instalación es prácticamente constante durante las horas de disponibilidad del recurso

renovable.

Normalmente se emplean depósitos verticales facilitando la estratificación del mismo.

Gracias a este fenómeno se sitúa el líquido a mayor temperatura en la zona superior del

depósito y a menor temperatura en la zona inferior, debido a la diferencia de densidad

existente entre ambos. La estratificación consigue enviar agua al consumo lo más caliente

posible y devolver agua a los colectores lo más fría posible para aumentar su rendimiento.

Las características técnicas del acumulador se describen a continuación:

Volumen nominal: 300 litros.

Altura total: 1 m.

Diámetro depósito: 0.59 m.

Presión / Temperatura máxima

Servicio admisible: 6 bar/90ºC.

Protección contra oxidación: Vitrificado

s/EN 60335

Protección catódica: doble ánodo de Magnesio.

Conexiones agua fría/caliente: ¾”M.

Sonda temperatura: zona inferior acumulador.

Superficie intercambiador solar: 0.87 m2.



F

Figura 11. Foto del acumulador

4.3 Intercambiador de calor

Para el intercambio de calor se utilizará un intercambiador de serpentín, por el cual se

transfiere energía térmica desde el sistema de captación solar al sistema de acumulación.

El intercambiador está formado por un tubo en espiral y se encuentra sumergido en la parte

inferior del acumulador. El fluido primario circula por el interior del serpentín, cediendo su

calor al agua del depósito de acumulación, la cual una vez alcance la temperatura deseada

será apta para el consumo.



5 Metodología

Para la realización de los ensayos experimentales se ha procedido al diseño y ejecución de

una instalación de medidas en la azotea del edificio L1 de la Escuela Técnica Superior de

Ingenieros de Sevilla.

El proceso que se ha llevado a cabo para este estudio ha consistido en la realización de dos

ensayos exactamente iguales en un mismo circuito (el esquema del circuito se muestra en

la figura 12), únicamente cambiando el fluido de trabajo que pasa por el captador. En el

primero se utilizará agua y en el segundo se utilizará una mezcla de agua y propilenglicol

al 50%.

Aunque lo ideal sería que se realizasen los dos ensayos simultáneamente, como solo se

dispone de un sistema de agua caliente sanitaria, los ensayos se han tenido que realizar en

días distintos.

El sistema consta de un circuito primario formado por el captador, en el cual el fluido

recibe la energía solar y la transfiere, y un circuito secundario, en el cual se recoge la

energía transferida del circuito primario y la distribuye a los puntos de consumo.

Figura 12. Representación del circuito del sistema



En cada uno de los ensayos realizados se han medido las siguientes variables recogidas en

la tabla que se muestra a continuación:

Temperatura de entrada/ salida del captador: Se utiliza un sensor de temperatura

del captador. Tiene una frecuencia de 2 segundos y una incertidumbre máxima de

0,032 ºC. Los aparatos de medida se encuentran recogidos en las figuras 13 y 14,

respectivamente.

Figura 13. Sensor temperatura entrada al captador

Figura 14. Sensor temperatura salida del captador



Caudal primario: Se utiliza un caudalímetro. Tiene una frecuencia de 2 segundos y

una incertidumbre máxima de un 1%. El caudalímetro se encuentra recogido en la

figura 15.

Figura 15. Caudalímetro

Potencia y temperatura de la bomba: Se utiliza la bomba. Tiene una frecuencia de

2 segundos y una incertidumbre máxima de un 1%. Se encuentra en la figura 16.

Figura 16. Bomba



Temperatura de entrada/salida del acumulador: Se utilizan sensores de

temperatura en el acumulador. Tiene una frecuencia de 2 segundos y una

incertidumbre máxima de 0,032 ºC. Se encuentra en la figura 17.

Figura 17. Sensor temperatura salida acumulador

Caudal de consumo: Se utiliza un caudalímetro. Tiene una frecuencia de 2

segundos y una incertidumbre máxima de un 1%. Se encuentra en la figura 15.

Radiación solar: Se utiliza un piranómetro. Tiene una frecuencia de 2 segundos y

una incertidumbre máxima de 0,11 μV/W/m2. Se encuentra en la figura 18.

Figura 18. Piranómetro



Velocidad del viento: Se utiliza un anemómetro. Se encuentra en la figura 19.

Figura 19. Anemómetro

Temperatura del ambiente: Se utiliza un sensor de temperatura ambiente. Tiene

una frecuencia de 2 segundos y una incertidumbre máxima de 0,032 ºC. Se

encuentra en la figura 20.

Figura 20. Sensor de temperatura ambiente



Una vez obtenidas dichos parámetros, las utilizaremos para calcular las siguientes

variables:

1. Radiación global diaria (kJ/m2): se calcula haciendo un sumatorio del producto de

la irradiancia recibida en el área de apertura del captador por el tiempo de

incidencia para todo el día.

∑

2. Energía que gana el fluido cuando pasa por el captador (kJ): es la energía

térmica que se destina a satisfacer la demanda para el consumo. Se calcula con la

siguiente fórmula:

∑

3. Rendimiento del captador (%): es la relación entre la energía obtenida cuando pasa

el fluido por el captador solar y la energía solar aportada. Se calcula como sigue:

4. Energía útil (kJ): calor producido por el sistema solar de calentamiento, es decir,

es la cantidad de energía que contiene el agua extraída del acumulador, siendo nula

cuando no se extrae agua del acumulador. Se obtiene cada 2 segundos con la

siguiente fórmula:



5. Rendimiento de la instalación (%): relación de la energía útil obtenida por el

sistema de ACS y la energía solar aportada. Se calcula como sigue:

En el resto del trabajo el rendimiento de la instalación se medirá en relación a la

fracción solar.

6. Fracción solar (%): es la fracción de la demanda cubierta por el equipo solar, es

decir, la relación existente entre la energía térmica suministrada por la instalación

solar ( y la energía total demandada ( :

Se obtendrá un valor de la fracción solar a un volumen de carga. Esto significará

que ese porcentaje de la fracción solar será el porcentaje de días que se es capaz de

obtener ese volumen de carga a más de 45 ºC.

Siendo:

I: Irradiancia (W/ m2)

t: Tiempo (s)

: Caudal circuito primario (kg/s)

: Calor específico a presión constante (kJ/kgºC)

: Temperatura de salida del captador (ºC)

: Temperatura de entrada al captador (ºC)

A: Área de apertura del captador solar (m2)

caudal de extracción (L/min)

: densidad del fluido a la entrada del acumulador (kg/m3)

: temperatura del fluido a la salida del acumulador (ºC)

: temperatura del fluido a la entrada del acumulador (ºC)

: energía total demandada (kJ)



5.1 Descripción de las secuencias de ensayo

Dentro de cada ensayo se realizan las tres secuencias siguientes:

S-sol: Esta secuencia abarca un número consecutivo de días de medida con una

significativa entrada solar. Se llevarán a cabo dos test, el Test A y el Test B, según

las condiciones específicas diarias.

S-Store: Esta secuencia ensaya las pérdidas del acumulador.

S-aux: Ensaya el funcionamiento del sistema con un sistema auxiliar integrado con

bajas condiciones de irradiación. Cómo los sistemas considerados en este proyecto

no incluyen sistema auxiliar, esta secuencia no es de aplicación.

5.1.1 Secuencia S-sol. Test A

El Test A permitirá obtener información sobre el comportamiento del captador

funcionando en condiciones de alto rendimiento. Las extracciones se hacen de manera que

la temperatura del agua a la entrada al captador se mantenga fría.

El perfil de extracción consiste en realizar extracciones en los instantes especificados en la

tabla 5; indica el instante de inicio de la primera extracción del día y debe estar entre las

6:30 y las 8:00, hora solar.

Tabla 5. Perfil de extracciones para Test A



El volumen de cada extracción del Test A depende de las dimensiones del sistema, sin

embargo, el volumen de cualquier extracción no debe ser menor de 20 litros.

Tabla 6. Volúmenes de extracción para el test A

Para que un día de Test A sea válido, la irradiación en el plano del captador deberá superar

los 12 MJ/m2.

5.1.2 Secuencia S-sol. Test B

El Test B permitirá obtener información sobre las pérdidas de calor del acumulador y el

comportamiento del captador funcionando en condiciones de bajo rendimiento. Las

extracciones se hacen de manera que el sistema se mantenga lo más caliente posible

durante el mayor tiempo posible, pero evitando que el acumulador se sobrecaliente.

El perfil de extracción consiste en realizar cinco extracciones en los instantes especificados

en la tabla 7. De nuevo indica el instante de inicio de la primera extracción del día y

estará entre las 8:30 y las 10:00, hora solar.



Tabla 7. Perfil de extracciones para el test B

Los volúmenes de extracción para los días de Test B dependen de las dimensiones del

sistema y de la temperatura de extracción. El sistema se protege de la ebullición o de la

activación de la protección contra sobrecalentamiento realizando extracciones. Cada una

de estas extracciones finalizará cuando:

- Se hayan extraído al menos 5 litros y

- Bien el 20% de Vs se haya extraído o la temperatura de salida del acumulador sea

menor que la temperatura mínima de uso.

La temperatura mínima de uso o útil se fija según la siguiente tabla:

Tabla 8. Temperatura mínima de uso para los días de Test B



5.1.3 Secuencia S-Store

Esta secuencia permitirá identificar las pérdidas totales en el acumulador.

Consta de cuatro fases:

1. Acondicionamiento.

2. El calentamiento del acumulador requiere dos días consecutivos válidos de Test B.

3. El periodo de enfriamiento, el cual debe ser de 36 a 48 horas comenzando a partir

de la última extracción del periodo de calentamiento. Para que sea válida esta fase

no debe haber extracciones y la irradiancia debe tener valores bajos.

4. Acondicionamiento final.



6 Comparación teórica entre el sistema con agua y con propilenglicol

6.1 Cálculo del coeficiente de convección de ambos fluidos

Para comparar teóricamente la transferencia de calor mediante convección, es necesario

calcular el coeficiente de película o coeficiente convectivo (h), ya que cuantifica la

influencia de las propiedades del fluido, de la superficie y del flujo cuando se produce

transferencia de calor por convección. Por lo tanto, cuanto mayor sea este coeficiente

mayor será la transferencia de calor por convección.

Para el cálculo del coeficiente convectivo partiremos de las propiedades de ambos fluidos a

una temperatura de 36 ºC.

μ (Ns/m2)

Κ (W/mK)

ρ (kg/m3)

Cp (J/kgK)

Tabla 9 Propiedades del agua a 36 ºC

μ (Ns/m2)

Κ (W/mK)

ρ (kg/m3)

Cp (J/kgK)

Tabla 10. Propiedades del propilenglicol a 36 ºC



- Cálculo del coeficiente convectivo del agua:

Como se encuentra en el interior de un serpentín con un diámetro de 22 mm, se utilizará la

correlación asociada a convección forzada, flujo interno y conducto circular.

Se parte de un caudal de 9,51 L/min, por lo tanto:

Una vez que se tienen todos los datos se pasa a calcular los siguientes números

adimensionales:

Por lo tanto el Nusselt da un valor de:



Por último, el valor del coeficiente convectivo es igual a:

- Cálculo del coeficiente convectivo del propilenglicol:

Al igual que para el cálculo del coeficiente convectivo del agua, utilizaremos la correlación

asociada a convección forzada, flujo interno y conducto circular.

Se parte de un caudal de 9,51 L/min, por lo tanto:

Una vez que se tienen todos los datos se pasa a calcular los siguientes números

adimensionales:

Por lo tanto el Nusselt da un valor de:



Por último, el valor del coeficiente convectivo es igual a:

Por tanto los valores finales del coeficiente de película de cada fluido se recogen en la tabla

11:

Fluido Coeficiente de película

Agua 2001,644 W/m2K

Propilenglicol 559,798 W/m2K

Tabla 11. Coeficientes de película del agua y propilenglicol

6.2 Análisis de la transferencia de calor en ambos fluidos

Para comparar la transferencia de calor en el agua y en el propilenglicol, se supondrá que

se trata de un problema básico de convección, en el que un fluido circula con un cierto

caudal por el interior de un conducto circular con una temperatura de entrada conocida. La

superficie del conducto, en contacto con la radiación solar, estará a una temperatura mayor

que el fluido, y esta diferencia de temperaturas hará que el fluido a la salida del conducto

tenga una temperatura mayor.



Figura 21. Esquema del problema de transmisión de calor por convección

I(W/m2) : irradiacia solar

As (m2) : área de la superficie de transferencia

Tsup (ºC): temperatura de la superficie del conducto

qm(kg/s): caudal másico del fluido que circula por el interior del conducto

Tef (ºC): temperatura del fluido a la entrada al conducto

Tsf (ºC): temperatura del fluido a la salida al conducto

Se partirá de los siguientes datos, que serán iguales para los dos casos, el sistema con agua

y el sistema con propilenglicol:

qm=9,41 L/min

Tef =30 ºC

Tsup =45 ºC

As =



Y se obtendrán las siguientes incógnitas:

Q : cantidad de calor que se transfiere al fluido (kW)

Tsf = temperatura del fluiso a la salida del condcuto (ºC)

Para ello se utilizarán el siguiente sistema de ecuaciones, en el que se utilizará la ecuación

del balance de energía (1) y la ecuación de transferencia de calor para un conducto con

temperatura de superficie constante (2):

donde

( ) ( )

- Resolución del problema con agua:

Teniendo los siguientes datos:

qm=0,1576 kg/s

Tef = 30 ºC

Tsup = 45 ºC

As =

Cp= 4,174 kJ/kgK

hw= 2001,644 W/m2K



Solo queda sustituir los valores en las dos ecuaciones descritas anteriormente, (1) y (2), y

resolver, ya que se trata de un sistema de dos ecuaciones con dos variables.

Finalmente queda:

- Resolución del problema con propilenglicol:

Teniendo los siguientes datos:

qm=0,1633kg/s

Tef = 30 ºC

Tsup = 45 ºC

As =

Cp= 3,610 kJ/kgK

hp= 559,798 W/m2K

Tal y como se ha hecho en el agua, se sustituyen los valores en las dos ecuaciones descritas

anteriormente, (1) y (2), y resolver.

Finalmente queda:

𝑇𝑠𝑓 º𝐶

𝑄 𝑘𝑊

𝑇𝑠𝑓 º𝐶

𝑄 𝑘𝑊



Por lo tanto, comparando ambos fluidos:

Fluido Tsf (ºC) Q (KW)

Agua 42,1 7,96

Propilenglicol 36,02 3,55

Tabla 12: Resultados al problema de la transferencia de calor para ambos fluidos

Se observa que para las mismas condiciones de entrada y mismo área del conducto, el agua

tiene mejor transferencia de calor que el propilenglicol, debido a un mayor calor específico

(Cp) y a un mayor coeficiente de convección (h).



7 Ensayos y resultados

En la tabla 13 se describen los dos ensayos realizados, ambos con un caudal

aproximadamente constante e igual a 9,41 L/min. En ellos se pueden distinguir las distintas

secuencias y la fecha y hora de inicio y fin de cada una de ellas:

ENSAYO 1 S.Sol A inicio 27/06/2014 6:00:00 h

AGUA fin 30/06/2014 2:30:40 h

S.Sol B inicio 05/07/2014 6:00:01 h

fin 09/07/2014 2:24:01 h

S.Store inicio 29/06/2014 23:00:00 h

fin 04/07/2014 14:22:01 h

ENSAYO 2 S.Sol A inicio 22/07/2014 6:02:00 h

AGUA + fin 25/07/2014 2:34:01 h

PROPILENGLICOL S.Sol B inicio 30/07/2014 6:03:00 h

fin 03/08/2014 2:27:01 h

S.Store inicio 24/07/2014 23:32:01 h

fin 29/07/2014 14:24:01 h

Tabla 13. Descripción de ensayos

Para ambos ensayos se calculará el rendimiento del captador, el cual se define como sigue:

(MJ) : energía que gana el fluido al pasar por el captador.

(MJ/m2) : radiación en el captador.

(m2) : área del captador.



De esta forma se calculará el rendimiento global para el test A, test B y secuencia de

ensayo S-store. Para ello en un archivo Excel se colocan por columnas las siguientes

variables medidas cada dos segundos en aquellos intervalos de tiempo en los que funciona

la bomba:

(ºC) : temperatura del fluido a la salida del captador, la cual se corregirá con los

parámetros de calibración.

(ºC) : temperatura del fluido a la entrada del captador, la cual se corregirá con los

parámetros de calibración.

(W/m2) : irradiancia global en el captador.

Ahora se pasará a calcular la energía que gana el fluido al pasar por el captador de la

siguiente manera:

( )

(kg/s) : caudal que pasa por el captador.

(kJ/kg ºC) : calor específico del fluido.

(kg/m3) : densidad del fluido.

Para el cálculo de la radiación en el captador (H), solo habrá que integrar la irradiancia

global en el captador (I) cada dos segundos.



7.1 Resultados del primer ensayo: con agua

7.1.1 Radiación global diaria

7.1.1.1 Test A

A continuación se muestran los valores de la radiación global diaria en MJ/m2 del Test A

del ensayo con agua:

Día H (MJ/m2)

27/06/2014 24,64

28/06/2014 24,83

29/06/2014 25,23

Tabla 14. Radiación global diaria del Test A del ensayo con agua

Se observa que las radiaciones globales diarias son muy parecidas, debido a que los días de

ensayo son consecutivos.

7.1.1.2 Test B

En la tabla 15 se pueden observar los valores de las radiaciones globales diarias para el test

B del ensayo con agua:

Día H (MJ/m2)

05/07/2014 24,72

06/07/2014 20,81

07/07/2014 24,92

08/07/2014 25,08

Tabla 15. Radiación global diaria del Test B del ensayo con agua



7.1.1.3 Secuencia S-Store

A continuación se muestra una tabla con los valores de la radiación global diaria para cada

uno de los días de la secuencia S-Store:

Día H (MJ/m2)

30/06/2014 25,08

01/07/2014 22,96

02/07/2014 19,83

03/07/2014 0,43

04/07/2014 0,15

Tabla 16. Radiación global diaria de la secuencia S-Store del ensayo con agua

Se observa que en los días 3 y 4 de Julio la radiación diaria es casi inexistente. Eso es

debido a que la secuencia S-Store tiene que tener entre 36-48 horas de enfriamiento, en las

cuales la bomba se para y el captador se tapa.



7.1.2 Rendimiento total

7.1.2.1 Test A

En la tabla 17 se muestran los valores del rendimiento total diario de la instalación para el

test A del ensayo con agua:

Día η total (%)

27/06/2014 32

28/06/2014 47

29/06/2014 46

Tabla 17. Rendimiento total diario del Test A del ensayo con agua

7.1.2.2 Test B

En la tabla 18 se muestran los valores del rendimiento total diario de la instalación para el

test B del ensayo con agua:

Día η total (%)

05/07/2014 8

06/07/2014 15

07/07/2014 14

08/07/2014 16

Tabla 18. Rendimiento total diario del Test B del ensayo con agua

Se observa que, tal y como cabía esperar, los rendimientos del Test B, al ser a altas

temperaturas y a baja eficiencia, son bastante menores que los rendimientos del Test A,

que da información a baja temperatura y alta eficiencia.




En la siguiente tabla se muestran los valores del rendimiento total de la instalación en cada

uno de los días de la secuencia S-Store del ensayo con agua:

Día η total (%)

30/06/2014 8

01/07/2014 14

02/07/2014 16

03/07/2014 0

04/07/2014 3898

Tabla 19. Rendimiento total diario de la secuencia S-Store del ensayo con agua

Para los días 3 y 4 de julio la radiación es muy pequeña (prácticamente nula) debido a que,

como se ha dicho anteriormente, el captador debe ser tapado en el periodo de enfriamiento.

Esto hace que el rendimiento total de la instalación salga desorbitado. Sin embargo, para el

día 3 de julio la energía útil obtenida es nula, como se verá en la tabla 28, así que el

rendimiento se hace cero.



7.1.3 Energía absorbida por el captador

7.1.3.1 Test A

En la siguiente tabla se muestran los valores de la energía absorbida por el captador en

cada uno de los días del Test A del ensayo con agua, medida en MJ:

Día Ecap (MJ)

27/06/2014 28,53646

28/06/2014 29,97437

29/06/2014 28,24712

30/06/2014 0

Tabla 20. Energía diaria absorbida por el captador en el Test A del ensayo con agua

Esta energía se calcula según ∑ , tal y como se ha dicho al

principio del capítulo 7. Cuanto mayor sea la energía absorbida por el captador, mayor

diferencia habrá entre las temperaturas de entrada y salida del captador y, por tanto, mayor

será la transferencia de calor entre el sol y el fluido caloportador.

7.1.3.2 Test B

En la tabla 21 se muestran los valores de la energía absorbida por el captador en cada uno

de los días del Test B del ensayo con agua:

Día Ecap (MJ)

05/07/2014 11,19849

06/07/2014 11,19703

07/07/2014 14,54567

08/07/2014 14,51312

09/07/2014 0

Tabla 21. Energía diaria absorbida por el captador en el Test B del ensayo con agua




En la tabla 22 están recogidos los valores de la energía absorbida por el captador en cada

uno de los días de la secuencia S-Store:

Día Ecap (MJ)

29/06/2014 0

30/06/2014 24,5532

01/07/2014 15,64275

02/07/2014 10,32387

03/07/2014 0

04/07/2014 0

Tabla 22. Energía diaria absorbida por el captador en la secuencia S-Store del ensayo con

agua

Como el captador se encuentra tapado durante los dos últimos días de ensayo, la energía

solar captada es nula.



7.1.4 Rendimiento del captador

7.1.4.1 Test A

En la tabla siguiente se muestran los valores del rendimiento del captador para los días del

Test A en los que se ha ensayado el agua:

Día η cap (%)

27/06/2014 62,704

28/06/2014 63,462

29/06/2014 59,701

30/06/2014 0

Tabla 23. Rendimiento diario del captador en el Test A del ensayo con agua

El rendimiento del captador se calcula según

⁄ , así que se puede afirmar

que cuanto mayor sea el rendimiento del captador mayor será la energía que absorbe el

captador respecto de la radiación solar.

Como el test A finaliza el día 30 de junio a las 2:30:40 horas, la energía absorbida por el

captador hasta dicha hora es nula y, por tanto, el rendimiento del captador es cero.



7.1.4.2 Test B

A continuación se muestra una tabla que recoge los valores del rendimiento del captador

para cada día del Test B del ensayo con agua:

Día η cap (%)

05/07/2014 66,113

06/07/2014 56,053

07/07/2014 47,95

08/07/2014 47,36

09/07/2014 0

Tabla 24. Rendimiento diario del captador en el Test B del ensayo con agua

Como el test B finaliza el día 9 de julio a las 2:24:01 horas, la energía absorbida por el

captador hasta dicha hora es nula y, por tanto, el rendimiento del captador es cero.


En la tabla 25 se muestra los rendimientos diarios del captador para la secuencia S-Store

del ensayo con agua:

Día η cap (%)

29/06/2014 0

30/06/2014 63,727

01/07/2014 54,669

02/07/2014 51,389

03/07/2014 0

04/07/2014 0

Tabla 25. Rendimiento diario del captador en la secuencia S-Store del ensayo con agua



La secuencia S-Store comienza el día 29 de junio a las 23:00:00, por tanto, la energía

absorbida por el captador será cero y, con ella, el rendimiento del captador.

Además, como se ha dicho anteriormente, en los últimos dos días de la secuencia de

ensayo el captador está enfriándose, así que el rendimiento del captador será nulo.

7.1.5 Energía útil

7.1.5.1 Test A

En la siguiente tabla se muestran los valores de energía útil de la instalación diarios para el

Test A del ensayo con agua:

Día QL (MJ)

27/06/2014 18,6

28/06/2014 27,35

29/06/2014 27,16

Tabla 26. Energía diaria útil en el Test A del ensayo con agua

Se observa que los valores de energía útil son menores que los valores de energía

absorbida por el captador, tal y como cabía esperar.



7.1.5.2 Test B

En la tabla 27 se muestran los valores de la energía útil del sistema medida en MJ para el

Test B del ensayo con agua:

Día QL (MJ)

05/07/2014 4,76

06/07/2014 7,29

07/07/2014 8,18

08/07/2014 9,16

Tabla 27. Energía diaria útil en el Test B del ensayo con agua

Si se comparan las tablas 26 y 27 se observa que la energía útil en el Test A es bastante

mayor que en el Test B. Lo cual es lógico, ya que los rendimientos en el Test A son

mayores que en el Test B.


En la tabla 28 se muestran los valores diarios de la energía útil de la instalación para la

secuencia S-Store del ensayo con agua:

Día QL (MJ)

30/06/2014 4,76

01/07/2014 7,72

02/07/2014 7,5

03/07/2014 0

04/07/2014 13,38

Tabla 28. Energía diaria útil en la secuencia S-Store del ensayo con agua



7.1.6 Fracción Solar

A continuación se observa cómo varía la fracción solar según la ciudad y el volumen de

carga diaria:

Tabla 29. Fracción solar en función de Vcarga diaria y ciudad

Como puede verse, la fracción solar para la ciudad de Atenas es bastante mayor que para

las demás, las cuales están bastante más próximas entre sí. Por orden descendente, la que

tendría mayor fracción solar es Atenas, seguida de Davos, Wuzburg y Stockholm, que sería

la que tendría valores de fracción solar menores.

También se observa que a medida que aumenta el volumen de carga diaria la fracción solar

disminuye. Tiene sentido ya que a medida que hay mayor cantidad de agua, menos va a ser

el porcentaje de ésta que se puede calentar a través de la energía solar.

0,000

10,000

20,000

30,000

40,000

50,000

60,000

70,000

0 100 200 300 400 500 600 700

Frac

ció

n S

ola

r (%

)

Vcarga diaria (L/día)

Fracción solar en función de Vcarga diaria y ciudad

Stockholm

Wuzburg

Davos

Atenas



En la tabla 30 se observan los mismos valores, pero centrados ya en un volumen de carga

de 300 L/día, que es el volumen de carga del sistema:

Tabla 30. Fracción solar según ciudad para 300 L/día

Se observa que para los 300 L/día, que es el volumen de carga de la instalación, en una

ciudad como Atenas, la fracción solar es de un 43,187 %, es decir, en Atenas el 43,187 %

de los días se podrán obtener 300 L/día a más de 45 ºC. A continuación, en Davos se

obtiene una fracción solar de 26,594 %, en Wuzburg una fracción solar de 23,263 % y en

Stockholm de 20,926 %.

0,000

5,000

10,000

15,000

20,000

25,000

30,000

35,000

40,000

45,000

50,000

Stockholm Wuzburg Davos Atenas

Fracción solar (%) para 300 L/día



7.2 Resultados segundo ensayo: con propilenglicol

7.2.1 Radiación global diaria

7.2.1.1 Test A

En la tabla 31 se muestran los valores de la radiación global diaria medidos en MJ/m2 para

el Test A del ensayo con propilenglicol:

Día H (MJ/m2)

22/07/2014 25,41

23/07/2014 25,22

24/07/2014 25,19

Tabla 31. Radiación global diaria en el Test A del ensayo con propilenglicol

De la misma manera que pasaba en los ensayos con agua, la radiación global incidente de

cada uno de los días se asemejan entre sí.

7.2.1.2 Test B

En la tabla 32 se muestran los valores de la radiación global diaria para el Test B en el

ensayo con propilenglicol:

Día H (MJ/m2)

30/07/2014 23,76

31/07/2014 18,86

01/08/2014 18,63

02/08/2014 25,36

Tabla 32. Radiación global diaria en el Test B del ensayo con propilenglicol




En la tabla 33 se muestran los valores de la radiación global diaria para la secuencia S-

Store del ensayo con propilenglicol:

Día H (MJ/m2)

25/07/2014 25,24

26/07/2014 25,04

27/07/2014 24,86

28/07/2014 0,45

29/07/2014 0,08

Tabla 33. Radiación global diaria en la secuencia S-Store del ensayo con propilenglicol

Como los ensayos que se han realizado para la comparación de ambos fluidos son

exactamente iguales, en los dos últimos días de la secuencia S-Store el captador está

tapado. De este modo, la radiación incidente es prácticamente nula.

7.2.2 Rendimiento total

7.2.2.1 Test A

En la siguiente tabla se muestran los valores del rendimiento total de la instalación para

cada uno de los días del Test B del ensayo con propilenglicol:

Día η total (%)

22/07/2014 33

23/07/2014 50

24/07/2014 46

Tabla 34. Rendimiento total diario en el Test A del ensayo con propilenglicol



7.2.2.2 Test B

En la tabla siguiente se muestran los valores del rendimiento total de la instalación para

cada uno de los días del Test B en los que se ensaya con propilenglicol:

Día η total (%)

30/07/2014 8

31/07/2014 16

01/08/2014 16

02/08/2014 14

Tabla 35. Rendimiento total diario en el Test B del ensayo con propilenglicol

Se observa, como cabía esperar, que el rendimiento total de los días del Test B sean

menores que los del Test A.


En la tabla 36 se muestran los valores del rendimiento total de la instalación en cada uno

de los días de la secuencia S-Store del ensayo con propilenglicol:

Día η total (%)

25/07/2014 8

26/07/2014 14

27/07/2014 16

28/07/2014 0

29/07/2014 9699

Tabla 36. Rendimiento total diario en la secuencia S-Store del ensayo con propilenglicol

Como ha ocurrido en los ensayos con agua, el rendimiento total del día 28 de Julio es cero

debido a que la energía útil en dicho día es cero, mientras que para el día 29 de Julio la



radiación tiene valores muy bajos, por lo que el rendimiento se dispara. Este último dato no

será representativo.

7.2.3 Energía absorbida por el captador

7.2.3.1 Test A

En la tabla 37 se muestran los valores de la energía absorbida por el captador en cada uno

de los días del Test A del ensayo con propilenglicol:

Día Ecap (MJ)

22/07/2014 34,391866

23/07/2014 31,4617

24/07/2014 29,6378

25/07/2014 0

Tabla 37. Energía diaria absorbida por el captador en el Test A del ensayo con

propilenglicol

Al igual que en con el agua, la energía absorbida por el captador es mayor cuanto mayor

sea la diferencia de temperaturas entre la entrada y salida del captador. Además, si se

compara con los resultados obtenidos en los ensayos con agua, se comprueba que la

energía absorbida por el captador en los ensayos con propilenglicol son algo mayores.



7.2.3.2 Test B

En la tabla 38 se muestran los valores de la energía diaria absorbida por el captador en el

Test B:

Día Ecap (MJ)

06/08/2014 30,1629

07/08/2014 20,9382

08/08/2014 18,9285

09/08/2014 18,5549

10/08/2014 0

Tabla 38. Energía diaria absorbida por el captador en el Test B del ensayo con

propilenglicol


En la siguiente tabla se muestran los valores de la energía absorbida por el captador,

medida en MJ, de la secuencia S-Store del ensayo con propilenglicol:

Día Ecap (MJ)

24/07/2014 0

25/07/2014 28,1901

26/07/2014 18,6259

27/07/2014 15,5305

28/07/2014 0

29/07/2014 0

Tabla 39. Energía diaria absorbida por el captador en la secuencia S-Store del ensayo con

propilenglicol



En los días en los que el captador está tapado, la energía absorbida es cero, tal y como

cabía esperar.

7.2.4 Rendimiento del captador

7.2.4.1 Test A

En la tabla 40 se muestran los valores del rendimiento del captador, en porcentaje, en cada

uno de los días del Test A del ensayo con propilenglicol:

Día η cap (%)

22/07/2014 66,481

23/07/2014 61,141

24/07/2014 58,76

25/07/2014 0

Tabla 40. Rendimiento diario del captador en el Test A del ensayo con propilenglicol

7.2.4.2 Test B

En la siguiente tabla se muestran los valores del rendimiento del captador en cada uno de

los días del Test B del ensayo con propilenglicol:

Día η cap (%)

06/08/2014 62,013

07/08/2014 50,524

08/08/2014 47,93

09/08/2014 47,365

10/08/2014 0

Tabla 41. Rendimiento diario del captador en el Test B del ensayo con propilenglicol




En la tabla 42 se muestran los valores del rendimiento diario del captador para la secuencia

S-Store del ensayo con propilenglicol:

Día η cap (%)

24/07/2014 0

25/07/2014 61,89

26/07/2014 47,144

27/07/2014 44,098

28/07/2014 0

29/07/2014 0

Tabla 42. Rendimiento diario del captador en la secuencia S-Store del ensayo con

propilenglicol

7.2.5 Energía útil

7.2.5.1 Test A

En la tabla 43 se muestran los valores de la energía útil de la instalación en cada uno de los

días del Test A del ensayo con propilenglicol:

Día QL (MJ)

22/07/2014 19,75

23/07/2014 29,44

24/07/2014 27,29

Tabla 43. Energía diaria útil en el Test A del ensayo con propilenglicol



7.2.5.2 Test B

En la tabla 44 se muestran los valores de la energía útil diaria de la instalación, medida en

MJ, para el Test B del ensayo con propilenglicol:

Día QL (MJ)

30/07/2014 4,53

31/07/2014 7,07

01/08/2014 7,18

02/08/2014 8,35

Tabla 44. Energía diaria útil en el Test B del ensayo con propilenglicol


En la tabla 45 se muestran los valores de la energía útil de la instalación en cada uno de los

días de la secuencia S-Store del ensayo con propilenglicol:

Día QL (MJ)

25/07/2014 4,72

26/07/2014 8,39

27/07/2014 9,44

28/07/2014 0

29/07/2014 18,6

Tabla 45. Energía diaria útil en la suencia S-Store del ensayo con propilenglicol



7.2.6 Fracción Solar

En la siguiente tabla se muestran los valores de la fracción solar en función del volumen de

carga diaria y de la ciudad:

Tabla 46. Fracción solar en función del volumen de carga diario y ciudad

Se observa que, al igual que pasaba en los ensayos con agua, si ordenamos en orden

descendente las ciudades según la fracción solar que registran, tendremos Atenas en primer

lugar, seguida de Davos, Wuzburg y Stockholm; siguiendo además la misma tendencia que

en el ensayo con agua, como cabía esperar. Los mayores valores de fracción solar se

recogen en la ciudad de Atenas disminuyendo este valor a medida que el volumen de carga

diaria disminuye.

A continuación se muestra la comparativa de la fracción solar de cada ciudad ya

centrándose en un volumen de 300 L/día:

0,000

10,000

20,000

30,000

40,000

50,000

60,000

70,000

0 100 200 300 400 500 600 700

Frac

ció

n S

ola

r (%

)

Vcarga diaria (L/día)

Fracción solar en función de Vcarga diaria y la ciudad

Stockholm

Wuzburg

Davos

Atenas



Tabla 47. Fracción solar según ciudad para 300 L/min

Se observa que el porcentaje de fracción solar cubierto para 300 L/min en una ciudad como

Atenas es de 43,905 %, seguida de Davos, con un 27,114 %, de Wuzburg con un 23,562 %

y, por último, de Stockholm con un 21,206 %.

0,000

5,000

10,000

15,000

20,000

25,000

30,000

35,000

40,000

45,000

50,000


Fracción solar (%) para 300 L/día



8 Comparaciones

8.1 Radiación global diaria

8.1.1 Test A

En la tabla 48 se muestran los valores de la radiación global diaria, medida en MJ/m2, del

Test A para ambos fluidos:

Tabla 48. Comparación de la radiación global diaria en el Test A para ambos fluidos

Se observa que en los dos primeros días de ensayo del propilenglicol la radiación solar es

mayor que en los dos primeros días en los que se ensayó el agua. Sin embargo, es no

ocurre para el tercer día, en el que la radiación del día en el que se ensayó el agua es

levemente mayor que en el propilenglicol.

24,2

24,4

24,6

24,8

25

25,2

25,4

25,6

1er día 2º día 3er día

Test A

H Agua (MJ/m2)

H Propilen. (MJ/m2)



8.1.2 Test B

En la tabla 49 se muestran los valores de radiación solar global en cada uno de los días de

ensayo del Test B para el ensayo con agua y con propilenglicol:

Tabla 49. Comparación de la radiación global diaria en el Test B para ambos fluidos

Se observa que en los tres primeros días la radiación para los días de ensayo del agua son

mayores, mientras que el cuarto día la radiación en el sistema con propilenglicol es

levemente mayor.

0

5

10

15

20

25

30

1er día 2º día 3er día 4º día

Test B

H Agua (MJ/m2)

H Propilen. (MJ/m2)




En la tabla 50 se muestran los valores de la radiación solar global en cada uno de los días

de ensayo de la secuencia S-Store para ambos fluidos:

Tabla 50. Comparación de la radiación global diaria en la secuencia S-Store para ambos

fluidos

Se observa que en los primeros tres días la radiación para los días en los que se ensaya el

sistema con propilenglicol es mayor. Como en el cuarto y quinto día el captador permance

tapado, la radiación solar es prácticamente nula para ambos casos.

0

5

10

15

20

25

30

1er día 2º día 3er día 4º día 5º día

S-Store

H Agua (MJ/m2)

H Propilen. (MJ/m2)



8.2 Rendimiento total

8.2.1 Test A

En la siguiente tabla se muestran los valores del rendimiento total de la instalación en cada

uno de los días del Test A de los ensayos con agua y propilenglicol:

Tabla 51. Comparación del rendimiento total diario en el Test A para ambos fluidos

Se observa que el rendimiento total en los dos primeros días de ensayo del propilenglicol

es levemente mayor que en los ensayos con agua. Sin embargo, para el tercer día de ensayo

ambos rendimientos tienen el mismo valor de rendimiento con un 46 %.

0

10

20

30

40

50

60


Test A

η total Agua (%)

η total Propilen. (%)



8.2.2 Test B

En la tabla 52 se muestran los valores del rendimiento total global en cada uno de los días

del Test B para los ensayos con ambos fluidos:

Tabla 52. Comparación del rendimiento total diario en el Test B para ambos fluidos

El primer día se ha obtenido un rendimiento igual al 8 % en ambos ensayos, para los dos

días siguientes el rendimiento es mayor con propilenglicol y, por el contrario, para el

útlimo día de ensayo del Test B, la instalación con agua tiene mayor rendimiento.

0

2

4

6

8

10

12

14

16

18


Test B

η total Agua (%)





En la tabla 53 se muestran los valores del rendimiento total global diario en la secuencia S-

Store en ambos fluidos:

Tabla 53. Comparación del rendimiento total diario en la secuencia S-Store para ambos

fluidos

Se observa que para los tres primeros días el rendimiento en ambos equipos es el mismo, 8,

14 y 16 % respectivamente. Para el cuarto día los rendimientos en ambos equipos son

nulos, ya que la energía absorbida es nula. Sin embargo, para el último día, los

rendimientos son de 3898 % para el ensayo con agua y de 9699 % para el ensayo con

propilenglicol. Esto es debido, como se comentó anteriormente, a que el captador está

tapado y, por tanto, la radiación que le llega es prácticamente nula y esto hace que los

valores de rendimiento sean tan elevados. Como no son representativos, se han eliminado

de la gráfica.

0

2

4

6

8

10

12

14

16

18


S-Store

η total Agua (%)




8.3 Energía absorbida por el captador

8.3.1 Test A

En la siguiente tabla se muestran los valores de la energía absorbida por el captador,

medida en MJ, en cada uno de los días del Test A de los ensayos con agua y con

propilenglicol:

Tabla 54. Comparación de la energía diaria absorbida por el captador en el Test A para

ambos fluidos

La energía absorbida por el propilenglicol es mayor que la absorbida por el agua en los tres

casos. Como la radiación solar global suele registrar valores mayores en el ensayo con

propilenglicol, cabía esperar que la energía absorbida fuese también mayor.

0

5

10

15

20

25

30

35

40


Test A

Ecap Agua (MJ)

Ecap Propilen. (MJ)



8.3.2 Test B

En la siguiente tabla se muestran los valores diarios de la energía absorbida por el captador

en el Test B para ambos fluidos:

Tabla 55. Comparación de la energía diaria absorbida por el captador en el Test B para

ambos fluidos

Se observa que la energía absorbida por el captador en el ensayo con propilenglicol son

bastante mayores en los cuatro días de ensayo. Como ocurre en el Test A, esto tiene

sentido ya que la radiación en los días en los que se ensayó el propilenglicol alcanza

valores mayores que en los días en los que se ensayó el agua.

0

5

10

15

20

25

30

35


Test B

Ecap Agua (MJ)

Ecap Propilen. (MJ)




En la tabla 56 se encuentran recogidos los valores de la energía diaria absorbida por el

captador en la secuencia S-Store para ambos fluidos:

Tabla 56. Comparación de la energía diaria absorbida por el captador en la secuencia

S-Store para ambos fluidos

Al igual que ocurre en los Test A y B la energía absorbida por el captador en el ensayo con

propilenglicol es mayor en todos los días.

0

5

10

15

20

25

30


S-Store

Ecap Agua (MJ)

Ecap Propilen. (MJ)



8.4 Rendimiento del captador

8.4.1 Test A

En la tabla 57 se muestran los valores del rendimiento del captador, en porcentaje, en cada

uno de los días del Test A para los ensayos con agua y propilenglicol:

Tabla 57. Comparación del rendimiento diario del captador en el Test A para ambos

fluidos

Para el primer día se observa que el rendimiento del captador es mayor para el ensayo con

propilenglicol. Sin embargo, para los otros dos días el rendimiento del ensayo con agua es

algo mayor que con propilenglicol.

54

56

58

60

62

64

66

68


Test A

η cap Agua (%)

η cap Propilen. (%)



8.4.2 Test B

En la tabla 58 se muestran recogidos los valores del rendimiento diario del captador para el

Test B en ambos fluidos:

Tabla 58. Comparación del rendimiento diario del captador en el Test B para ambos

fluidos

Para el Test B se observa que en los dos días primeros el agua posee un mayor rendimiento

del captador, de 66% frente a 62% del propilenglicol y de 56% frente a 50% en el segundo

día. Sin embargo, para el tercer y cuarto día prácticamente se podría decir que el

rendimiento del captador es igual 47,95% el tercer día y 47,4% el cuarto.

0

10

20

30

40

50

60

70


Test B

η cap Agua (%)





En la siguiente tabla se muestran los valores del rendimiento del captador en cada uno de

los días de la secuencia S-Store para ambos fluidos:

Tabla 59. Comparación del rendimiento diario del captador en la secuencia S-Store para

ambos fluidos

En los tres primeros días de ensayo se observa que el rendimiento del captador en el

ensayo con agua es mayor que en el ensayo con propilenglicol. En el cuarto y quinto día,

tal y como se ha dicho anteriormente, el rendimiento es despreciable, ya que son días en

los que el captador está tapado y se está enfriando.

0

10

20

30

40

50

60

70


S-Store

η cap Agua (%)




8.5 Energía útil

8.5.1 Test A

En la tabla 60 se muestran los valores de la energía útil de la instalación, medida en MJ, en

cada uno de los días del Test A de ambos fluidos:

Tabla 60. Comparación de la energía diaria útil en el Test A para ambos fluidos

La energía útil de los dos primeros días es mayor en los ensayos con propilenglicol, sin

embargo, para el último día la energía útil es prácticamente la misma en ambos ensayos.

0

5

10

15

20

25

30

35


Test A

QL Agua (MJ)

QL Propilen. (MJ)



8.5.2 Test B

En la siguiente tabla se muestran los valores de la energía útil diaria en el Test B en ambos

fluidos:

Tabla 61. Comparación de la energía diaria útil en el Test B para ambos fluidos

Se observa que en el Test B la energía útil es mayor para el ensayo con agua. Es decir, lo

contrario a lo que pasaba en el Test A. Esto ocurre debido a que al ser días distintos en los

que se ensayan los sistemas con ambos fluidos, no se pueden comparar bien los

comportamientos de los sistemas a la vez.

0

2

4

6

8

10


Test B

QL Agua (MJ)

QL Propilen. (MJ)




En la tabla 62 se muestran los valores de la energía útil en cada uno de los días de la

secuencia S-Store para el ensayo con agua y con propilenglicol:

Tabla 62. Comparación de la energía diaria útil en la secuencia S-Store para ambos

fluidos

0

2

4

6

8

10

12

14

16

18

20


S-Store

QL Agua (MJ)

QL Propilen. (MJ)



8.6 Fracción solar

En la siguiente tabla se muestran recogidos los valores de la fracción solar en cada una de

las cuatro ciudades para un volumen de carga de 300 L/día para el ensayo con agua y el

ensayo con propilenglicol:

Tabla 63. Comparación de la fracción solar para ambos fluidos

Se observa que las fracciones solares en cada ciudad para ambos fluidos son muy

parecidas, siendo las del propilenglicol algo mayores.

0,000

5,000

10,000

15,000

20,000

25,000

30,000

35,000

40,000

45,000

50,000


Fracción solar para 300 L/día

Agua

Propilenglicol



Las diferencias de las fracciones solares entre ambos fluidos se recogen en la Tabla 64:

Ciudad Fs Agua (%) Fs Propilenglicol (%) Diferencia (%)

Stockholm 20,926 21,206 1,32

Wuzburg 23,263 23,562 1,27

Davos 26,594 27,114 1,92

Atenas 43,187 43,905 1,64

Tabla 64. Diferencia de la fracción solar entre ambos fluidos para cada una de las

ciudades

Es decir, observamos que la fracción solar es algo mayor para el ensayo con propilenglicol

que con agua para las cuatro ciudades, entre un 1 y un 2 % mayor.



9 Estudio comparativo de ambos ensayos para unas condiciones

ambientales similares

Ya que los ensayos no se han realizado el mismo día, para hacer una comparación lo más

exacta posible será necesario calcular el rendimiento del captador en aquellos intervalos en

los que las condiciones térmicas sean las más parecidas posibles. Es decir, se calculará el

rendimiento del captador para ambos fluidos en aquellos intervalos en los que para una

irradiancia lo más parecida posible, se encuentren en el mismo punto de la curva de

rendimiento del captador.

La curva de rendimiento del colector solar se calcular según la siguiente ecuación:

Donde

factor óptico = 0,758

: factor de pérdidas 1 = 5,54 W/m2K

: factor de pérdidas 2 = 0,022 W/m2K2

temperatura media del fluido a la entrada y salida del captador (ºC)

temperatura ambiente (ºC)

irradiancia (W/m2)



En la siguiente gráfica se encuentra representada dicha curva del rendimiento del colector

solar:

Figura 22. Curva de rendimiento del colector solar utilizado

Se buscarán intervalos en los que se cumpla:

- Misma irradiancia (I).

- Misma relación

⁄

Mirando la curva de rendimiento del captador se puede asumir que:

Para valores iguales de irradiancia, el rendimiento aumenta a medida que la

relación

⁄ disminuye.

El rendimiento varía en grandes cantidades con pequeños cambios de

⁄ .

A partir de estas conclusiones se estudiarán los siguientes casos expuestos en la tabla :

0

0,1

0,2

0,3

0,4

0,5

0,6

0,7

0,8

0 0,01 0,02 0,03 0,04 0,05 0,06 0,07 0,08 0,09 0,1

Ren

dim

ien

to

(Te-Ta)/I

Curva de rendimiento del colector solar



Agua PropilenglIcol

Caso I (W/m2) (Te-Ta)/I (K m2/W) η cap (%) I (W/m2) (Te-Ta)/I (K m2/W) η cap (%)

1 928,6027 0,003645 66,2278 928,9266 0,003744 62,7752

2 706,798 0,024008 46,1229 706,7815 0,024167 40,1648

3 963,3023 0,018507 52,5909 965,4316 0,018491 51,1942

4 685,9928 0,001653 57,396 684,3693 0,001627 62,919

Tabla 65. Casos comparativos para las mismas condiciones ambientales en ambos fluidos

9.1 Caso 1

A continuación se muestran dos tablas: en la tabla 66 se muestran los valores de irradiancia

y los valores de la relación

⁄ que, como se ha dicho tienen que ser muy

parecidos para ambos fluidos, y el rendimiento del captador en cada uno de los ensayos; y

en la tabla 67 se muestran los errores que se han tomado en las medidas y la diferencia que

se obtiene en el rendimiento del captador en ambos fluidos:

Fluido I (W/m2) (Te-Ta)/I (K m2/W) η cap (%)

Agua 928,6027 0,003645 66,2278

Propilenglicol 928,9266 0,003744 62,7752

Tabla 66. Medidas tomadas en el caso 1

Error I (%) Error (Te-Ta)/I (%) Diferencia η cap (%)

-0,04 -2,72 5,21

Tabla 67. Valores comparativos de ambos fluidos para el caso 1



En la tabla 66 se observa que para un valor de irradiancia en ambos fluidos con un error de

un 0,04 % (el error se ha medido con respecto al agua. Por lo tanto, como el agua posee

una irradiancia menor en este caso, el error cometido es negativo) y una relación

⁄ con un error entre ellas de un 2,72 % (siendo la relación mayor para el

propilenglicol), el rendimiento del captador en el ensayo con agua es de 66,23 % mientras

que con propilenglicol es de 62,78 %; es decir, el agua se comporta mejor frente al

propilenglicol un 5,21 %.

Hay que tener en cuenta, que tal y como se muestra en la figura 22 (curva de rendimiento

del captador) el rendimiento disminuye conforme la relación

⁄ ; como esta

relación es mayor en el propilenglicol, se puede decir que este hecho penaliza un poco el

rendimiento del propilenglicol. Por lo tanto, ese 5,21 % más en el rendimiento del captador

con agua respecto al propilenglicol en la realidad es algo menor.

9.2 Caso 2

Al igual que en el caso 1, se muestran dos tablas: en la tabla 68 aparecen los valores de

irradiancia y de la relación

⁄ y el rendimiento del captador para ambos fluidos, y

en la tabla 69 se muestran los errores que se han tomado al realizar las medidas y la

diferencia que se obtiene en el rendimiento del captador entre ambos fluidos:


Agua 706,798 0,024008 46,1229

Propilenglicol 706,7815 0,024167 40,1648





0,002 -0,66 12,92


En el caso 2 se observa que para un mismo valor de irradiancia (con un error prácticamente

nulo entre ambos), y una relación

⁄ con una diferencia de un 0,66 % (siendo la

del propilenglicol algo mayor) el rendimiento del captador es mayor para el sistema que

tiene agua como fluido caloportador, siendo un 12,92 % más que el rendimiento con

propilenglicol.

Como ocurre en el caso 1, la diferencia de rendimientos entre ambas instalaciones es

mayor de lo que debería ser, ya que la relación

⁄ para el propilenglicol es mayor

que en el agua, así que en la curva de rendimiento del captador el propilenglicol estaría

desplazado a la derecha y por tanto tendría menor rendimiento.

9.3 Caso 3

A continuación se muestran dos tablas: en la tabla 70 aparecen los valores de irradiancia,

de la relación

⁄ y del rendimiento del captador para ambos fluidos y en la tabla

71 se muestran los errores que se han tomado al realizar las medidas y la diferencia

obtenida en el rendimiento del captador entre ambos fluidos:


Agua 963,3023 0,018507 52,5909

Propilenglicol 965,4316 0,018491 51,1942





-0,22% 0,09% 2,66%


Viendo ambas tablas se observa que teniendo unos valores de irradiancia con un error del

0,22% (siendo la irradiación mayor para el ensayo con propilenglicol) y unos valores de la

relación

⁄ con un error del 0,09 % (siendo esta relación mayor para el ensayo

con agua), se observa que el rendimiento del captador en el agua es un 2,66 % mayor que

con propilenglicol,

Esta vez la diferencia entre ambos rendimientos es más pequeña debido a que la diferencia

de temperaturas entre la irradiancia esta vez son más parecidas entre sí. Además, se

observa que en este caso el agua tiene una relación de

⁄ un 0,09 % mayor. Con

esto se llega a la conclusión de que incluso siendo algo mayor la relación para el agua, el

rendimiento del captador con este fluido es levemente mayor que con el propilenglicol. Por

lo tanto, se podría decir que el rendimiento del captador utilizando el agua como fluido

caloportador es mejor que con el anticongelante.

9.4 Caso 4

Por último, al igual que en los casos anteriores, se muestran dos tablas: en la tabla 72

aparecen los valores de irradiancia, de la relación

⁄ y del rendimiento del

captador para ambos fluidos y en la tabla 73 se muestran los errores que se han tomado al

realizar las medidas y la diferencia obtenida en el rendimiento del captador entre ambos

fluidos:




Agua 685,9928 0,001653 57,396

Propilenglicol 684,3693 0,001627 62,919



0,24% 1,57% -9,62


En el caso 4 podemos observar que para unos valores de irradiancia con un error de un

0,24 % entre ambos (siendo la irradiancia mayor para el agua) y para unos valores de

⁄ con un error del 1,57 % (siendo la relación mayor en el ensayo con agua) el

funcionamiento del captador es un 9,62 % mejor utilizando la mezcla de agua y

anticongelante en vez de agua solo. Esto es debido a que el rendimiento del captador solar

varía notablemente con pequeños cambios en

⁄ y, por tanto, como esta relación

en el agua es mayor que en el propilenglicol, aunque el rendimiento del captador

funcionando con agua es algo mejor que utilizando propilenglicol, no es lo suficientemente

mejor para esta diferencia en la relación

⁄



9.5 Comparación de la fracción solar y del rendimiento del

captador.

Para concluir con las comparaciones para ambos ensayos, se analizarán los siguientes

parámetros:

1. Fracción solar de la instalación: como el lugar donde se han realizado los

ensayos, Sevilla, tiene unas condiciones ambientales muy parecidas a Atenas, serán

éstos los valores de las fracciones solares que se tomen como datos para la

instalación solar. Por lo tanto, según la tabla 64, el valor de la fracción solar de la

instalación para el agua es de 43,187 % y para el propilenglicol de 43,905 %. Es

decir, la fracción solar del propilenglicol es un 1,64 % mayor que la del agua.

2. Rendimiento del captador: se tomarán como datos concluyentes los del caso 3

(apartado 9.3), ya que son los que más similares son entre sí y, por tanto, dan unos

valores de rendimiento más fiables que en los otros tres casos. Por lo tanto, el

rendimiento del captador en el ensayo con agua es de un 52,5909 % y el

rendimiento del captador en el ensayo con propilenglicol es de un 51,1942 %; es

decir, el rendimiento del captador en el ensayo con agua es un 2.66 % mayor que

con propilenglicol.

Estos valores en la fracción solar de la instalación pueden ser debidos a la propia

incertidumbre de los resultados de la norma y/o a que los días en los que se ensayó el

propilenglicol son mejores que los días en lo que se ensayó el agua y, por tanto, aunque la

fracción solar (y por tanto el rendimiento) de la instalación con agua es algo mejor que la

instalación con propilenglicol (tal y como se obtiene en el análisis del rendimiento del

captador para las mismas condiciones ambientales), la diferencia entre estos valores es más

pequeña que la diferencia entre los días de ensayo de ambos sistemas.

Por lo tanto se puede afirmar que, si bien la fracción solar de la instalación con agua es

mejor que para el propilenglicol, esta diferencia es tan pequeña que, incluso en algunas

condiciones, se pueden obtener mejores valores de la fracción solar para el propilenglicol

que para el agua.



10 Conclusiones

De acuerdo a los ensayos realizados, la influencia del propilengicol en las prestaciones

energéticas de la instalación es mínima en relación al uso de solo agua. Esta influencia se

ha determinado en una disminución del orden del 2-3%.

Esta disminución en las prestaciones no se ha observado en el propio procedimiento de la

norma, e incluso en el ensayo según la norma se obtiene que la fracción solar es mejor con

el uso del proplilenglicol que con el agua para los cuatro climas, en un incremento del

orden del 1-2%.

Además, se han podido cuantificar, de manera experimental, las diferencias que existen en

una instalación solar térmica ensayada con agua y ensayada con propilenglicol.

Comparando ambos ensayos en intervalos en los que se encuentren en el mismo punto de

la curva de rendimiento del captador (mismos valores de irradiancia y de relación

⁄ ), el rendimiento del captador para el ensayo con agua es de aproximadamente

un 2,66 % más que para el ensayo con propilenglicol.

Finalmente, ya que las diferencias en las prestaciones energéticas no son muy

significativas, la elección de las mezclas anticongelantes como método anti-heladas

penaliza, ante todo, otros aspectos de la instalación, como son los problemas de corrosión,

que afecta al mantenimiento del equipo, la durabilidad, que afecta al mantenimiento de las

propiedades del propilenglicol y su función en la instalación, y el coste.



11 Líneas de trabajo futuro

Las líneas de trabajo futuro en relación con este proyecto son:

1. Estudio y cuantificación de otros problemas asociados a la introducción de mezclas

anticongelantes como método anti-heladas, como son la corrosión, la durabilidad y

el coste.

2. Realización de los ensayos de manera simultánea, para que no existan posibles

errores en la comparación de éstos y todas las diferencias que se obtengan de

medidas y de transmisión de calor sean debidas exclusivamente al fluido de trabajo.

3. Estudio con otros fluidos anticongelantes y en otras proporciones de mezcla con

agua.



12 Bibliografía

[1] “CTE. Documento básico de ahorrode energía”. Disponible en Web.

<http://www.codigotecnico.org/cte/export/sites/default/web/galerias/archivos/DB_

HE_abril_2009.pdf>.

[2] Ordaz-Flores A, García-Valladares O, Gómez VH. “Findings to improve the

performance of a two-phase flat plate solar system, using acetone and methanol as

working fluids”. Sol Energy. 2012;86(4):1089-1098.

[3] Beckman, W. A., et al. "Control Problems in Solar Domestic Hot Water Systems."

Solar Energy 53. (3) 1994: pp. 233-6.

[4] Soo Too, Y. C., Morrison G. L., Behnia M. "Performance of Solar Water Heaters

with Narrow Mantle Heat Exchangers." Solar Energy 83 (3) 2009: pp 350-62.

[5] Lillo Bravo, Isidoro “Análisis de la influencia de las heladas y cal en instalaciones

solares térmicas”. Documento interno del Centro de Nuevas Tecnologías

Energéticas. Sevilla. 1996.

[6] Fernández Salgado, José M., and Vicente Gallardo Rodríguez. Energía Solar

Térmica En La Edificación. Madrid: A. Madrid Vicente, 2004.

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