Cada litro de capacidad de almacenamiento es calor utilizable

Cada litro de capacidad de almacenamiento es calor utilizableSistema hidráulico de calefacción con solar y gran depósito de inercia, elevador de retorno de la caldera y sistema de cuatro circuitos con aprovechamiento del retorno

La cantidad de combustible que puede ahorrarse efectivamente utilizando el calor solar depende en gran medida del volumen real utilizable del acumulador solar. También resulta exigente desde el punto de vista hidráulico si los circuitos de calefacción conectados funcionan a diferentes temperaturas del sistema y el generador de calor requiere un refuerzo del caudal de retorno.

Ferdinand Schörghuber

Fig. 1: El agricultor Ferdinand Schörghuber (izquierda) ha reducido casi a la mitad el consumo de combustible utilizando calor solar. El sistema hidráulico fue desarrollado por su vecino Walter Grabner (derecha) con el apoyo de HG Baunach.

Un ejemplo ilustrativo es el de Astillas de madera y calor solar para una empresa agrícola de Baja Austria. Su atractivo es un acumulador solar fabricado de forma poco convencional. En el corazón del sistema hay dos colectores de mezcla de varias vías que cargan y descargan el depósito de almacenamiento intermedio de 22.000 litros según el principio de dos zonas y también permiten utilizar el flujo de retorno para la calefacción de suelo estable a baja temperatura. Las astillas de madera son un combustible ecológico y barato, pero para el agricultor Ferdinand Schörghuber, de Wolfsbach, los costes de combustible son sinónimo de mano de obra y uso de maquinaria. La granja de cría de cerdos de la región de Mostviertel tenía un consumo constantemente elevado de astillas, incluso en verano. Esto se debe a que los lechones necesitan un suelo calefactado en el establo con una temperatura constante durante todo el año. La necesidad de mantener las astillas en la caldera a una temperatura constante aumentó aún más la demanda de combustible. A unos cientos de metros está la casa de su vecino Walter Grabner, que también calienta con leña, pero con apoyo solar. El uso del calor solar para la calefacción le fascinó hace 30 años: "La energía solar tiene sentido para mí cuando puedo calentar durante varios días sin caldera", dice Walter Grabner. Su sistema solar está dimensionado en consecuencia: 22 m² de colectores solares, instalados en un dispositivo de seguimiento especialmente construido, llenan dos depósitos de inercia con un volumen de almacenamiento combinado de unos 4.500 l con energía de sobra en los días soleados.

Sistema de distribución y control

Fig. 2: Todo el sistema de distribución y control para la conmutación hidráulica del sistema de calefacción y solar con gran depósito de inercia consta de dos colectores de mezcla multivía rendeMIX y cabe en aproximadamente 1 m² de espacio de pared.

Con este entusiasmo por el uso eficiente del calor solar, Grabner contagió al agricultor vecino, que quería frenar su consumo de astillas de madera y, con ello, también la cantidad de trabajo.

El dimensionamiento generoso resulta ser correcto

Günther Muck Publicidad rendeMIXSin embargo, la demanda energética de la propiedad agrícola es mucho mayor. Además de una casa residencial con 220 m² de espacio habitable, se necesitan unos 300 m² de calefacción por suelo radiante para el granero, más un sistema adicional de calefacción por suelo radiante para secar las astillas de madera, que el granjero tiene que procesar y transportar por toneladas. Hasta ahora, la caldera de astillas de 75 kW cubría por sí sola la demanda de calor. En total, era unas cuatro veces más grande que la casa de Grabner. Con el apoyo de los vecinos, el plan acabó convirtiéndose en un sistema de calefacción solar de un tipo poco habitual. Para dimensionar el sistema solar y el volumen de almacenamiento intermedio, Walter Grabner extrapoló su propio concepto de sistema por un factor de cuatro a las necesidades de la granja. Los resultados de este cálculo fueron unos 20.000 l de volumen de almacenamiento intermedio y 88 m² de superficie de colectores solares. El hecho de que tuviera razón con este dimensionamiento se confirmó con la reducción a la mitad del consumo de combustible, como se comprobaría más tarde. "Apagamos la caldera a finales de marzo", informa el agricultor Ferdinand Schörghuber en otoño de 2009. Hasta principios de octubre, sólo el sistema solar suministraba el calor para la casa, el granero y el agua caliente.

Un vagón caldera desechado se convierte en un acumulador solar

Sin embargo, Grabner y Schörghuber se enfrentaron de antemano a la cuestión de cómo conseguir el volumen de almacenamiento intermedio necesario de 20.000 litros, y al menor coste posible. Las condiciones estructurales de una dependencia de la pocilga no ofrecían demasiado espacio para una instalación de almacenamiento en cuanto a superficie, pero sí mucho más en cuanto a altura. Como antiguo capataz de los ÖBB (Ferrocarriles Federales Austriacos), Walter Grabner ya tenía en mente una solución, que en aquel momento rodaba sobre raíles hacia el apartadero: su plan consistía en convertir el contenedor de un vagón caldera desechado en un depósito de almacenamiento solar. Algún tiempo después, el gran contenedor, separado del chasis y limpio por dentro, se encontraba en la granja del granjero de Wolfsbach. Con su pasión por las soluciones poco convencionales, unida a sus sólidos conocimientos de construcción y su destreza en los procesos metalúrgicos, Grabner acortó la antigua cisterna del vagón de mercancías en aproximadamente un tercio para convertirla en un depósito de almacenamiento vertical. El intercambiador de calor está hecho de tubo de cobre de 28 mm, que encargó especialmente en rollos para poder enrollar con él intercambiadores en forma de espiral utilizando maquinaria agrícola. En la parte inferior del acumulador se utilizaron dos intercambiadores de calor de tubos en espiral con una superficie de transferencia de calor de 7 m² cada uno, cada uno para una mitad del campo de colectores de 2 x 44 m².

Dos zonas de carga y retorno

Depósito de inercia solar

Fig. 3: El depósito de inercia solar mide 4,5 m de altura y contiene unos 22 m³ de agua de calefacción.

Además de construir el acumulador solar, Walter Grabner se preocupó intensamente de cómo configurar el circuito hidráulico de todo el sistema de calefacción. Surgieron dos retos: el primero era cómo obtener calor utilizable del acumulador en cualquier momento sin tener que calentar primero varios miles de litros de agua de calefacción. Al fin y al cabo, de poco sirve un gran volumen de almacenamiento si todo el contenido sólo tiene una tibia temperatura mixta. El segundo problema eran las diferentes temperaturas del sistema: mientras que los circuitos de calefacción por radiadores del edificio residencial están diseñados para 70/50 °C, el sistema de calefacción del suelo del granero funciona a 40/30 °C. La caldera de astillas suministra el agua de calefacción a una temperatura constante. La caldera de astillas, sin embargo, suministra 80 °C de temperatura de ida, mientras que la temperatura de retorno no debe ser inferior a 60 °C. Lo que se necesitaba era un sistema de distribución y control que pudiera suministrar de forma fiable a los respectivos circuitos las temperaturas requeridas. La búsqueda de Walter Grabner le llevó al colector mezclador multivías rendeMIX a través de un catálogo de productos de tecnología de calefacción. Le convenció el principio de carga y descarga en dos zonas del tampón y la posibilidad de utilizar el flujo de retorno. Además, el principio de carga y descarga, distribuido en dos zonas tampón, permitió realizar al mismo tiempo el aumento de caudal de retorno requerido. El fabricante HG Baunach, con sede en el estado alemán de Renania del Norte-Westfalia (www.baunach.net) intercambió ideas con Grabner y dibujó un diagrama del sistema hidráulico de la instalación de calefacción asistida por energía solar con el gran depósito de inercia y los diferentes requisitos de temperatura. Se proyectaron dos colectores de mezcla multivía rendeMIX, que sirven simultáneamente para crear estratificación en el tanque de almacenamiento y para mezclar las temperaturas:
Sistema hidráulico entre el generador de calor y el depósito de inercia, carga de inercia de dos zonas

  • Alimentación del calor producido por la caldera de astillas de madera en la zona superior de amortiguación (temperatura de flujo 80 °C).
  • Aumento de la temperatura de retorno de la caldera de combustible sólido mezclando el retorno con agua de calefacción procedente del tampón y, en caso necesario, de la ida. Con el rendeMIX del "2×3" la temperatura de retorno preestablecida mediante un regulador de valor fijo se eleva mediante la adición desde el tercio superior o desde el centro del depósito de inercia. Si la temperatura en el tampón no es suficiente, el mezclador pasa a mezclar desde el flujo.

Sistema hidráulico entre el depósito de inercia y el sistema de cuatro circuitos, descarga de inercia de dos zonas

  • Mezcla de la temperatura de impulsión de los circuitos de calefacción por radiadores y de agua caliente sanitaria con agua de calefacción procedente de las zonas de amortiguación superior e intermedia.
  • Mezcla de la temperatura de impulsión para calefacción de baja temperatura (calefacción de suelo estable). La particularidad en este caso es el aprovechamiento del caudal de retorno, que el diseño rendeMIX "3×4" Si la temperatura de retorno de los circuitos de calefacción por radiadores sigue siendo suficiente para alimentar el caudal de la calefacción por paneles, el colector mezclador multivías pasa a utilizar el caudal de retorno. Si no se dispone de este suministro de calor, el colector de mezcla toma el calor necesario de la zona intermedia del tampón y, si es necesario, mezcla agua de calefacción de la parte superior del tampón.
  • Retorno al depósito de inercia: Retorno de los circuitos de calefacción de radiadores a través del colector de mezcla a la zona intermedia de inercia (si no se utiliza para el retorno de la calefacción de paneles); retorno de la calefacción de paneles a la zona inferior de inercia.

Uso eficiente de los búferes

Revestimiento de madera del depósito de inercia aislado

Fig. 4: Walter Grabner integró tres termómetros en el revestimiento de madera del depósito de inercia reconvertido y aislado a la altura de la vista para comprobar las temperaturas en las zonas de inercia superior, media e inferior.


Sistema de seguimiento

Fig. 5: Walter Grabner diseñó y construyó un sistema de seguimiento accionado hidráulicamente para el sistema de calefacción solar que abastecía su casa.


Vagón caldera para acumulador solar

Fig. 6: Salvado del desguace: un vagón cisterna ÖBB desechado se convirtió en un acumulador solar.

La carga y descarga del acumulador tampón sigue el principio "caliente más tiempo arriba - frío más rápido abajo". Durante una visita in situ en un día de octubre con una temperatura exterior de +9 °C, los termómetros del colector de mezcla de varias vías muestran cómo se comportan la demanda de calefacción y el suministro de calor en el acumulador:

  • Temperatura máxima del tampón: 68 °C
  • Temperatura tampón media: 45 °C
  • Temperatura del tampón por debajo de: 45 °C.

Desde abajo, el sistema solar suministra calor que se utiliza para la calefacción del establo a través de la zona intermedia. La posición del actuador muestra que en este momento el rendeMIX extrae aproximadamente 1/3 de calor de la zona intermedia superior y 2/3 de la zona intermedia. La caldera de 75 kW necesita unas 12 horas para calentar el contenido tampón hasta el nivel del intercambiador de calor solar. "Ahora, una caldera de 20 kW bastaría para toda la explotación", calcula Walter Grabner. El agricultor Ferdinand Schörghuber está especialmente satisfecho de que la cantidad de trabajo que tiene que hacer para la producción, el transporte y el almacenamiento de las astillas se haya reducido casi a la mitad.

Principio de funcionamiento independiente del tamaño del depósito

Trabajos de construcción en el vagón caldera

Fig. 7: ... se pudo introducir el intercambiador de calor en el depósito, que se había acortado en un tercio aproximadamente, y soldar el fondo.

Durante la fase de planificación, HG Baunach realizó un cálculo lateral que ilustra las dimensiones del acumulador intermedio: si en 4,5 m de altura de almacenamiento (simplificado como un cilindro) caben 22.000 litros, 15 cm de altura de almacenamiento corresponden a un contenido de 750 litros, el tamaño medio de un acumulador solar convencional de una vivienda unifamiliar. En otras palabras, el tamaño del depósito de inercia es menos importante desde el punto de vista hidráulico que la cantidad de calor que puede aprovecharse de él. El ejemplo de este sistema demuestra que un uso realmente eficiente del contenido del acumulador sólo es posible mediante el principio de carga y descarga en dos zonas. El rendeMIX, que descarga dos depósitos de inercia con una capacidad total de 4.500 litros en la casa de Walter Grabner, funciona según el mismo principio. Según su experiencia, un volumen tampón generosamente dimensionado tiene una ventaja significativa: "Siempre puede ocurrir con el uso solar que la caldera acabe de calentar el tampón y, de repente, el tiempo cambie a sol.

Punto de conmutación entre los búferes

Fig. 8: El rendeMIX de la casa de Walter Grabner es el punto de conmutación entre los acumuladores intermedios y un sistema de doble circuito con radiadores y calefacción por suelo radiante.

Entonces aún queda mucho espacio en la zona inferior de amortiguación para cargar calor solar", dice Walter Grabner. El rendeMIX garantiza que la zona inferior del búfer permanezca siempre fría. Los actuadores de los colectores de mezcla multivía se controlan simplemente mediante una señal de tres puntos procedente de un sistema de control de calefacción convencional. "Los técnicos de calefacción innovadores sólo tienen que familiarizarse con el funcionamiento de la rendeMIX", recomienda Walter Grabner.

Superficie del colector solar

Fig. 9: Una superficie de colectores solares de 88 m² cubre la demanda de calor de abril a octubre.

Wolfgang Heinl

www.baunach.net

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