La idea de partida es la siguiente.

 ¿ Que hacemos con el calor de los colectores solares en invierno si el sol ya no puede calentarlos más o si el agua del depósito para ACS ya está lo suficientemente caliente ?
... Pues como estamos en invierno y la vivienda lo necesita he pensado que se debe introducir este calor desaprovechado dentro de casa para complementar la calefacción. Para eso he aprovechado un split de aire acondicionado ( solo el split por donde hago circular el líquido ( glicol ) del circuito primario de los colectores solares o el calor sobrante del depósito de acumulación ).  Se requiere un control bastante complejo para manejar todo el sistema pero ya está realizado y funcionando.
El split arranca por las noches ( recupera el calor del depósito ACS ) y durante el día ( recupera el calor de los colectores solares ) si la temperatura de la vivienda lo solicita.

Este proyecto se ha diseñado y construido durante el verano de 2011. Funciona perfectamente desde el día 16/09/2011.

NOTAS. ( 6 abril 2012 )

Consumo de gasóleo de calefacció temporada 2011-2012 ----->  600 litros ( es decir, 1000 litros menos que sin ningún sistema de apoyo solar ). Al precio de 1,10 Euros/litro creo que ha valido la pena.
Consumo del calentador auxiliar para el agua caliente sanitaria ------> 1/2 bombona de butano. ( por los periodos en los que el sol estuvo ausente o mal tiempo )
Si alguien desea construirse un sistema similar o necesita aclaraciones para analizar los pros y contras de un sistema de este tipo me puede contactar sin problemas.
( solar@lasfargues.com )


DESCRIPCION.

El sistema proporciona agua caliente sanitaria para la vivienda y además es capaz de entregar el calor sobrante en invierno tanto de día si hay insolación suficiente como durante la noche aprovechando el calor en exceso del depósito de acumulación, todo ello de forma automática, aprovechando un split recuperado y retocado de un equipo de aire acondicionado.

El sistema está formado por los siguientes elementos.

Depósito Daitsu acumulador de 200 litros y dos serpentines.
Grupo solar Wilo con bomba y válvula de sobre-presión para el circuito primario.
Dos electroválvulas MUT SF15 que irán conmutando los circuitos en función del modo ( verano/invierno )( noche/día)
Cuatro colectores solares SUNDA AP2 con un total de 8 m² de captación. ( colectores muy normalitos )
Split Fujitsu de aire acondicionado debidamente modificado ( se aprovecha solo el ventilador, el radiador y parte de la electrónica).
Un controlador PICPLC8 dotado de un procesador PIC 18F4520 a 32 Mhz, con la programación en mikrobasic adecuada para un funcionamiento totalmente automatizado.
Diverso material complementario. ( Depósitos de expansión, llaves de paso, etc... )
 
Solo se requiere una actuación manual para activar el conmutador de funcionamiento verano/invierno ( prioridad depósito o prioridad vivienda ). Esta función no se automatiza y se deja a la voluntad del usuario para intentar adaptar lo mejor posible esta situación a las condiciones meteorológicas ambientales existentes.

Un sensor óptico externo nos indicará si es de día o de noche para actuar en invierno de un modo u otro.

El sobre-dimensionamiento de la superficie captadora garantiza que se logren de forma habitual y regularmente temperaturas de acumulación superiores a 65ºC y se impida por tanto el posible desarrollo de la legionela.

MODOS DE FUNCIONAMIENTO

Hay 7 modos de funcionamiento, totalmente automáticos dependiendo del período del año en que nos encontremos ( se ha simplificado a Invierno / verano ). Se tienen en cuenta los valores de los sensores y los valores prefijados y el programa determina el modo en que funcionará el sistema.

Constantes y variables empleadas en el programa de control para la toma de decisiones.

Deposito.

    Temp_max_dep = 90ºC      Es la máxima temperatura a alcanzar
    Temp_med_dep = 65ºC      Es la temperatura media deseable
    Temp_min_dep = 45ºC       Es la temperatura mínima deseable
    Temp_dep_inf                      Es la temperatura ( parte inferior ) del deposito
    Temp_dep_sup                    Es la temperatura ( parte superior ) del deposito

Vivienda.

    Temp_max_viv = 22ºC       Es la temperatura máxima deseable de la vivienda
    Temp_min_viv = 19ºC        Es la temperatura mínima deseable
    Temp_viv                              Es el valor leído del sensor de vivienda

Colectores solares

    Temp_max_col= 95ºC        Es la temperatura máxima antes de parar el sistema

Si se alcanzan Temp_max_dep o Temp_max_col el sistema se pone en modo 0 ( parado ).

En total existen 5 captadores de temperatura ( Vivienda, Depósito parte superior, Depósito parte inferior, colectores solares y Split ) que son leidos y cuantificados 512 veces cada segundo.

MODO VERANO ( SOLO CALENTAR DEPOSITO ) ( modo 1 )

Este modo funciona de la siguiente manera.
Si la temperatura de las placas solares es superior en 5ºC a la temperatura de la sonda inferior del depósito ( Temp_dep_inf ) se activará el funcionamiento del grupo solar Wilo.
Si la temperatura del sensor superior del depósito supera los 90ºC se activará la alarma de sobre temperatura y se cortará la alimentación del grupo Wilo.

El modo 1 es como funcionan todos los equipos solares de agua caliente sanitaria. Ahora viene la parte rara ( ... un poco diferente  ... ) del sistema .

MODO INVIERNO-DÍA ( PRIORIDAD CALENTAR VIVIENDA )

Este modo de funcionamiento tiene en cuenta varios parámetros que lo hacen funcionar de distinta manera para intentar aprovechar el máximo de energía solar posible.
Básicamente se tienen en consideración la temperatura de los colectores solares, la del depósito y la del interior de la vivienda.

Aquí pueden suceder cuatro casos. Se da preferencia a calentar la vivienda si la temperatura de la misma se encuentra por debajo de la temp_min_viv, salvo en el modo 3.

Caso 1. ( modo de funcionamiento 2 - Invierno Día)( Día medio nublado, insolación insuficiente  para calentar el depósito ) ( inicio de mañana y tardes )

Para aprovechar al máximo la radiación solar, si esta es insuficiente para calentar el depósito se aprovechará para calentar la casa conmutando el calor de las placas al split mientras se cumpla.

                Temp_viv < Temp_min_viv
                Temp_placas < Temp_dep_inf
                Temp_placas > Temp_viv

Caso 2. ( modo
de funcionamiento 3 - Invierno Día)( Insolación importante )

En este caso a pesar de estar la vivienda por debajo del umbral ( Temp_min_viv ) se calentará el depósito hasta alcanzar la temperatura media mientras...

                Temp_viv < Temp_min_viv
                Temp_placas > Temp_dep_inf
                Temp_dep_inf<  Temp_med_dep

Caso 3. ( modo
de funcionamiento 4 - Invierno Día)( Insolación importante )

En este caso se dará preferencia a calentar la vivienda con la activación del split ya que el depósito ha alcanzado la temperatura media y por tanto hay agua caliente suficiente siempre que ...

                Temp_viv < Temp_min_viv
                Temp_dep _inf> Temp_med_dep
                Temp_placas > Temp_viv

Caso 4. ( modo
de funcionamiento 5 - Invierno Día)( Insolación importante )

En este caso la temperatura de la vivienda está por encima de la Temp_max_viv y se puede seguir calentando el depósito como en verano hasta la temperatura máxima siempre que...

                Temp_viv > Temp_min_viv
                Temp_dep _sup< Temp_max_dep
                Temp_placas > Temp_dep_inf

MODO INVIERNO-NOCHE ( RECUPERACION CALOR SOBRANTE DEL ACUMULADOR ) ( modo 6 )

Este modo de funcionamiento recupera parte del calor guardado en el depósito acumulador.

En este modo si la temperatura de la vivienda baja de la Temp_min_viv ( 20ºC  y la temperatura del depósito es superior a la Temp_min_dep ( 45ºC ) se activaran EV1,  EV2 , el split y el grupo Wilo para introducir este calor sobrante a la vivienda mientras las condiciones siguientes se cumplan.

                Temp_viv < Temp_min_viv
                Temp_dep _sup> Temp_min_dep

Para ello se hace circular el líquido del circuito primario por el doble serpentin del depósito y por el split.

Ejemplo de las calorias que se pueden recuperar.

Temperatura del depósito                 70ºC
Temperatura mínima  deseable       45ºC
Gradiente de temperatura aprovechable    70 – 45 = 25ºC
Cantidad de calor aprovechable  Q= 200 000 cm³ ( 200 litros )  * 25 = 5 000 000 de calorías
Equivalencia eléctrica     1 Kw/h = 864 000 calorías
Solo

Calor recuperado  5 000 000 / 864 000 = 5,78 Kw/h

Es decir, una estufa de 5780 Watios durante una hora. Como el split solo puede disipar unos 4000 Watios lo tendríamos generando calor durante casi una hora y media, suponiendo que la vivienda no lograse superar la Temp_max_viv para parar la entrega de calor. Si durante esta fase se logra superar la Temp_max_viv ( 22ºC ) el sistema se parará pero volverá a arrancar en el momento que la temperatura vuelva a bajar de Temp_min_viv ( 20ºC ).

En todos los casos de funcionamiento el programa añade o quita un porcentaje ( histéresis ) a las temperaturas para evitar que la placa de control entre en oscilación cuando las temperaturas se nivelen. En realidad se falsea alguna temperatura añadiendo o quitando 1ºC al valor leido mientras esté la bomba en marcha. De esta manera se garantiza un funcionamiento sin arranques y paradas constantes.

MODO ESPECIAL ( PRIORIDAD ABSOLUTA CALENTAR VIVIENDA ) ( modo
de funcionamiento 7 ) ( implementado el 8/10/2011 )

( Se pone a masa el PortB.2 de la placa de control para indicar la solicitud de este modo)

Este es un caso un tanto especial. Este modo de funcionamiento se ha pensado para cuando no se está en la vivienda durante unos días. No tiene sentido calentar el depósito pero si lo tiene mantener la casa lo más caliente posible dejando la calefacción central al mínimo.

Este modo solo funciona por el día y a petición del usuario con un interruptor externo. Con esta activación se anula el modo 3 que priorizaba recuperar calor para el depósito a pesar de estar la temperatura de la vivienda por debajo del mínimo establecido si la temperatura del colector solar era suficiente y la temperatura del depósito era demasiado baja. Aquí se da prioridad absoluta  a calentar la vivienda si esta se encuentra por debajo del umbral de Temp_min_viv ( 20ºC ). No importa como esté la temperatura del depósito ya que  el calor de las placas solares se introducirá directamente al split.
Si se supera la Temp_max_viv ( 22ºC ) este modo quedará sin efecto y la placa de control actuará con alguno de los modos anteriores ( el que detecte que toca ).
Solo se tienen en cuenta las siguientes condiciones.

                Temp_viv < Temp_min_viv
                Temp_placas > Temp_viv
                Interruptor PortB.2 activado

COMPONENTES DEL SISTEMA


SENSORES DE TEMPERATURA

Son del tipo MCP9700A. Muy baratos ( 0,20 Euros en RS - amidata), extremadamente rápidos y con mayor temperatura ( hasta 125ºC) que los LM35.
Tienen una salida lineal de 10mV por grado centígrado + 500 mV. El margen de funcionamiento de los mismos está entre los -40ºC y los +125ºC, aunque hay una serie que llega a los 150ºC.
Para calcular su relación con el conversor A/D del PIC ( 10 bits ( 1024 niveles )) se emplea la siguiente fórmula.

(( Temp. del sensor en ºC  *  10 mV + 500 mV ( nivel a 0ºC) ) * 1024 ( 10 bits )) / 5 ( escala 0-5V )

Por ejemplo lectura a 20ºC.
(( 20 * 0,010 + 0,500 ) * 1024 )) / 5 = 143, 36 ( o sea 143 )
Es decir la lectura del sensor a 20ºC tras ser leida por el conversor A/D seria de 143 en la escala de 0 a 1024 niveles ( 11 bits )
 

PLACA CONTROLADORA

Vista la experiencia de las mismas en los montajes anteriores se emplea la placa PICPLC8A de Mikroelektrónika con pantalla LCD gráfica de 128x64 píxeles.
Una vez programada es absolutamente fiable. ( tengo varias funcionando y no han fallado nunca ).

SPLIT

El split es un Fujitsu recuperado de un equipo de aire acondicionado estropeado.
Se ha desmontado y limpiado totalmente. Se han adaptado los tubos existentes a manguitos de ½ pulgada.
La placa del equipo Fujitsu contiene un optotriac G3MB-202PL-UTU que es el que da paso a la corriente para el ventilador. El split se ha modificado para que solo se permita el funcionamiento  del ventilador. Este se activa a través de una señal de 12 V.  Esta señal se genera y controla desde la placa PICPLC8A por la salida del relé 2 ( PortD.2)

GRUPO SOLAR WILO


Compuesto por una bomba solar Wilo del tipo Star RS15/6-130 y varios componentes adicionales.

ELECTROVÁVULAS

Son del tipo MUT SF 15

DEPÓSITO

Daitsu de 200 litros y dos serpentines.

SENSOR DIA / NOCHE

Sirve para poder hacer funcionar el split por las noches de invierno si la temperatura de la vivienda baja por debajo del umbral programado y hay calor sobrante en el depósito.
Esta construido con un CI MOS 4093 y una foto resistencia. Se han empleado 2 NAND para realizar un circuito oscilador que activa un led de forma intermitente indicando que la unidad esta totalmente operativa.
La salida es un “1” ( +5V) si es de día y un “0” ( GND) si es de noche.
Esta salida se encuentra conectada a la entrada PortB.0 de la placa de control.



COMENTARIOS VARIOS

La unidad de la bomba Wilo actúa en el lado caliente ( tubo de llegada caliente de las placas ). Esta situación no es la habitual ni recomendable en las instalaciones solares pero debido a los requerimientos de funcionamiento del sistema para emplear los menores componentes no ha sido posible un diseño con el grupo Wilo trabajando en la parte fría ( salida del serpentín ). De todos modos no es grave ya que tanto la bomba wilo como las electroválvulas soportan temperaturas superiores a 100ºC de forma constante, situación que de todas formas el programa de control no permite ya que para el sistema a 90ºC.

Los colectores solares se han instalado superpuestos al tejado, situación que perjudica el rendimiento en invierno. El motivo es simplemente que sea totalmente insensible a los vendavales que en alguna ocasión superan los 100 Kms por hora en esta zona. Los 8 metros cuadrados de captación superan ampliamente la generación de agua caliente necesaria a pesar de esta colocación. ( 85 ºC para finales de Septiembre no está nada mal, ... veremos en verano, aunque el sistema se para solo si hay sobretemperatura )



ESQUEMA DEL CONJUNTO

He retocado los colores y puesto notas para que se vea claramente diferenciado el circuito primario y el de agua caliente sanitaria.
Tanto las placas colectoras como el split y los serpentines del depósito trabajan con el circuito primario ( glicol ) que es totalmente independiente del agua caliente sanitaria.
Las flechas indican el sentido de circulación del glicol.




INFORMACION PANTALLA LCD  ( versión del sistema 11.3 -  06 abril 2012 )
Pantalla LCD retroiluminada de 128x64 pixels ( 73 x 55 mm )





( foto del dia 6 de abril de 2012, 16h00)

Hoy hace un día nublado, el sistema detecta que la vivienda necesita calor ( temp. vivienda = 19ºC ), la temp. del colector solar es de 36ºC pero por debajo de la del depósito.
Detecta modo 2. ( el calor de los colectores solares se introduce en la vivienda porque no pueden calentar el agua pero se puede calentar la vivienda )

AC 200 DAITSU  /   PLACAS TEJADO      Indica de donde se recupera el calor

VIVIENDA xxºC                                             Temperatura del sensor de la vivienda

COLECTOR xxºC                                         Temperatura de los colectores solares

DEPO_SUP xxºC                                         Temperatura de la parte alta del depósito

DEPO_INF xxºC                                            Temperatura de la parte media-baja del depósito

SPLIT xxºC                                                     Temperatura del glicol que le llega al split

LINEA DE ESTADOS I N B EV1 EV2 S M6

Esta linea muestra los componentes activos en cada momento. No es necesaria cuando ya está todo funcionando pero venía perfectamente bien para saber que estaba haciendo el programa.
La he dejado ya que de un vistazo veo en que modo se encuentra trabajando el sistema.

Primera letra I/V                                              Invierno / Verano

Segunda letra D/N                                          Día / Noche

Tercera letra B                                                 Bomba grupo solar activada

EV1 Electroválvula                                         EV1 activada

EV2 Electroválvula                                         EV2 activada

M6      (  M0 a M7    )                                        Indicación del modo activo


( En la foto ) Linea de estados IDB  EV2 S M2   ( Invierno, Dia, Bomba activada, Electroválvula 2 activada, Split activado, Modo 2 )





FOTOS DE LA INSTALACION FUNCIONANDO

Instalación en garaje. ( durante la instalación y prueba del sistema )




Instalación en garaje. ( actual )





Placa de control antes de ponerlo en una caja ( en la foto la pantalla LCD tiene una versión anterior a la actual )

)


Placa de control actual ( en la actualidad está implementada la versión 11.3 )




Split para recuperar calor en planta primera con los cables de control y sensores. Falta poner la canaleta y esconder los tubos.








Grupo Wilo + electroválvulas EV1 y EV2






Colectores en tejado




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