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Calculadora: Solar

Calculadora de solar térmica: superficie de captadores, acumulador, fracción solar y ahorro

Dimensiona una instalación solar térmica para ACS con el método f-chart que usan los ingenieros, alimentado con clima por satélite de la NASA para tu ubicación: fracción solar mensual, ahorro frente a electricidad, gas o bomba de calor, y amortización.

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Resultados

4 m² de captadores (Plano, con absorbedor selectivo) cubren el 61 % de la demanda de ACS de 3411 kWh/año: el 91 % en el mejor mes y el 23 % en el más oscuro. Frente a tu calentador actual (Resistencia eléctrica (termo)), ahorra unos 507 €/año y se amortiza en 6,9 años.
Fracción solar anual
61%
2097 kWh de 3411 kWh
Calor solar aportado
2097kWh/año
524 kWh por m² de captador
Demanda de calor para ACS
3411kWh/año
con 631 kWh de pérdidas en reposo del acumulador
Energía de apoyo que sigue haciendo falta
1314kWh/año
Resistencia eléctrica (termo), rendimiento/COP 1
Ahorro anual
507 €
descontados 68 kWh de electricidad de la bomba
Amortización
6 año 11 meses
TIR 14,4 % · VAN 3663 €
CO₂ evitado
0,81t/año
16,2 t en 20 años
Acumulación por m² de captador
50L/m²
50–75 L/m² es la proporción ideal
Meses con ~100 % solar
2
jul, ago: prevé el estancamiento
Agua caliente diaria
200L a 45 °C
1 volúmenes de acumulador al día
Calor mensual para ACS: solar frente a apoyo
Superficie de captadores frente a fracción solar

Resultados mensuales del f-chart

MesSol sobre el captador (kWh/m²/día)°C de redDemanda (kWh)Fracción solarSolar (kWh)
ene2,376,433228%94
feb3,346,629946%137
mar4,38,431862%198
abr5,0810,829075%219
may5,4213,428183%233
jun5,5115,825687%221
jul5,7717,425391%230
ago5,811824891%227
sept5,0216,724980%199
oct3,9713,927861%171
nov2,51128934%97
dic2,048,231923%72

Opciones de dimensionado (acumulador ≥ 50 L/m²)

CaptadorAcumulador (L)Fracción solarkWh/añokWh por m²
1 m²20023%785785
2 m²20040%1365683
3 m²20053%1792597
4 m² ◀20061%2097524
5 m²25068%2312462
6 m²30072%2451408
8 m²40077%2618327
10 m²50080%2731273
12 m²60082%2813234
  • Clima: irradiancia y temperatura mensuales de largo plazo de NASA POWER en 44,43, 26,1 (datos del emplazamiento por defecto incluidos para el prerrenderizado), trasladadas a 45° / 180° (Hay–Davies). La temperatura del agua de red sigue la temperatura del aire amortiguada con un mes de retraso.
  • Método: f-chart mensual para sistemas de líquido con correcciones por tamaño de acumulación y temperatura del ACS; captador F_R(τα) = 0,693, F_R·U_L = 3,92 W/m²K.
  • El f-chart se desarrolló para captadores planos. Para tubos de vacío es una aproximación razonable (normalmente con un margen de ±5 puntos porcentuales).

Cómo funciona esta calculadora de calentador solar de agua

Una instalación solar térmica es más difícil de dimensionar que una fotovoltaica, porque su producción depende de la carga. Un captador entrega menos calor cuando el depósito ya está caliente, y nada en absoluto cuando el depósito llega a su temperatura de consigna. Sin una simulación horaria, la forma clásica de tratar esa interacción es el método f-chart de Klein, Beckman y Duffie. Esta calculadora lo aplica completo a instalaciones de agua caliente sanitaria con fluido líquido.

Cada mes:

  1. calcula la carga térmica: la energía necesaria para calentar el agua caliente diaria desde la temperatura de la red hasta 45 °C, más las pérdidas en reposo del depósito;
  2. obtiene la irradiación sobre el captador a partir de la climatología a largo plazo de NASA POWER para tu ubicación, proyectada sobre tu inclinación y orientación;
  3. forma los dos parámetros del f-chart: X (pérdidas de calor del captador respecto a la carga) e Y (radiación absorbida respecto a la carga), con correcciones por el volumen de depósito por m² de captador y por las temperaturas del agua caliente y fría;
  4. lee la fracción solar f mensual en la correlación del f-chart y la multiplica por la carga.

La temperatura del agua de red sigue a la del aire exterior, amortiguada y con un mes de retraso aproximado, que es como se comportan las tuberías enterradas. El ahorro se calcula frente al rendimiento (o el COP) y el precio de la energía de tu calentador actual, descontando la electricidad de la bomba.

Las fórmulas

L = m_water × c_p × (45 °C − T_mains) + UA_tank × (T_tank − T_room) × Δt X = A × F_R'U_L × (100 °C − T_air) × Δt ÷ L × (V/A ÷ 75)^−0.25 × (11.6 + 1.18 T_w + 3.86 T_m − 2.32 T_a) ÷ (100 − T_a) Y = A × F_R'(τα) × H_T × N ÷ L f = 1.029 Y − 0.065 X − 0.245 Y² + 0.0018 X² + 0.0215 Y³ (0 ≤ f ≤ 1)

F_R(τα) y F_R·U_L se obtienen de los coeficientes de ensayo del captador (η0, a1, a2 según EN ISO 9806), de un modificador medio del ángulo de incidencia y de una penalización por intercambiador en los circuitos indirectos.

Ejemplo práctico: una familia de cuatro cerca de Bucarest

Cuatro personas que gastan cada una 50 L de agua a 45 °C al día necesitan unos 2.780 kWh de calor al año. Un depósito de 200 L mantenido a 55 °C en un cuarto a 15 °C añade alrededor de 630 kWh de pérdidas en reposo, con lo que la carga total llega a 3.411 kWh.

Cuatro metros cuadrados de captadores planos selectivos a 45°, orientados al sur, con circuito indirecto de glicol y un 8 % de pérdidas en tuberías, entregan unos 2.100 kWh al año, una fracción solar del 61 %, es decir, 524 kWh por m². La fracción mensual va del 90 %, más o menos, en julio y agosto al 23 % en diciembre. Frente a una electricidad a 0,25 €/kWh, ahorra unos 507 € al año después de restar 68 kWh de electricidad de la bomba. Con eso, una instalación de 3.500 € se amortiza en unos siete años, y se evitan alrededor de 0,8 t de CO₂ al año.

La tabla de dimensionado muestra lo deprisa que caen los rendimientos marginales: 2 m² dan un 40 %, 6 m² un 72 % y 8 m² solo un 77 %, mientras que la producción por m² baja de 680 a 330 kWh.

Cómo leer los resultados

  • La fracción solar es la parte de la carga térmica del agua caliente que aporta el sol a lo largo del año.
  • Los kWh por m² miden cuánto trabaja cada metro cuadrado. En Europa, 400–600 kWh/m² es lo típico en instalaciones domésticas bien dimensionadas; valores más bajos indican sobredimensionado.
  • Los meses con ~100 % solar avisan de estancamiento del captador: la instalación tiene que estar preparada para el calor que no puede usar (vaso de expansión, glicol apto para altas temperaturas o un disipador de calor).
  • La acumulación por m² debería estar normalmente entre 50 y 75 L/m²; mucho menos provoca sobrecalentamiento, y mucho más mantiene el depósito tibio.

Valores habituales

Clima Captador por persona Fracción solar habitual Producción por m² (captador plano)
Norte de Europa (55° N) 1,2–1,8 m² 40–55 % 300–450 kWh
Europa central (48–52° N) 1,0–1,5 m² 50–65 % 350–500 kWh
Sureste de Europa, norte de EE. UU. 0,9–1,2 m² 55–70 % 450–600 kWh
Mediterráneo, California 0,6–1,0 m² 70–85 % 550–750 kWh
Cinturón solar, Oriente Medio 0,5–0,8 m² 80–95 % 600–850 kWh

Consejos para sacar más partido al agua caliente solar

  • Inclina más que para la fotovoltaica. Con 45–60°, la producción se reparte mejor entre el excedente del verano y el déficit del invierno; consulta la calculadora del ángulo de inclinación.
  • Aísla el depósito y las tuberías. Las pérdidas en reposo suelen suponer el 15–25 % de la carga, y un depósito mejor aislado (UA más bajo) sube directamente la fracción solar.
  • Mantén una temperatura de consigna razonable. 55–60 °C protegen frente a la legionela; temperaturas más altas aumentan las pérdidas y bajan el rendimiento del captador.
  • Usa el agua caliente por la tarde o por la noche, cuando el captador ya ha cargado el depósito, y no a primera hora de la mañana.
  • Compáralo con la fotovoltaica. Ahora que los paneles son baratos, una instalación fotovoltaica que alimenta un termo con bomba de calor puede dar un ahorro parecido con menos fontanería. Echa un vistazo a la calculadora de bomba de calor y a la calculadora de paneles solares.

Limitaciones

El f-chart se ajustó para captadores planos con un depósito bien mezclado. Los tubos de vacío, los depósitos estratificados, los termosifones y las instalaciones de vaciado automático pueden diferir en varios puntos porcentuales. La climatología mensual a largo plazo suaviza la variación de un año a otro (±5–10 %). Se supone un consumo de agua caliente constante a lo largo del año. No se modelizan las sombras, la suciedad del captador ni los detalles de la estrategia de control, y los costes dependen mucho del país y del instalador.

Método e hipótesis

Demanda de calor mensual L = agua caliente (kg) × 4,186 kJ/kg·K × (45 °C − temperatura de red) + pérdidas en reposo del acumulador UA × (T_acum − T_local) × horas. La irradiación mensual sobre el captador procede de la climatología de NASA POWER proyectada sobre el plano inclinado.

f-chart (Klein, Beckman y Duffie, 1976): X = A·F_R'U_L·(100 − T_a)·Δt ÷ L e Y = A·F_R'(τα)·H_T·N ÷ L, con X corregida por el volumen de acumulación ((L/m² ÷ 75)^−0,25) y por la temperatura del agua caliente. f = 1,029Y − 0,065X − 0,245Y² + 0,0018X² + 0,0215Y³, limitada a 0–1. Energía solar = Σ f·L × (1 − pérdidas en tuberías). Ahorro = solar ÷ rendimiento del apoyo × precio − electricidad de la bomba.

Preguntas frecuentes

¿Qué tamaño de calentador solar de agua necesito?
Como punto de partida, cuenta con 1–1,5 m² de captador plano y 50–75 litros de acumulación por persona en el centro y el sur de Europa o el norte de Estados Unidos, y con 0,6–1 m² por persona en climas soleados. Una familia de cuatro personas suele usar 4 m² de captador con un depósito de 200–300 L. Eso cubre normalmente el 55–70 % del calor anual para agua caliente sanitaria en latitudes medias y el 80–90 % en el cinturón solar.
¿Qué fracción solar es buena para un calentador solar de agua?
En climas templados, el objetivo de diseño habitual es un 50–70 % anual. Aspirar al 90 % o más exige un captador mucho mayor que pasa el verano parado y sobrecalentado, así que cada kWh adicional sale bastante más caro. Las instalaciones de mejor coste en Europa central suelen cubrir casi toda la demanda del verano y un 15–30 % en invierno.
¿Son mejores los captadores de tubos de vacío que los planos?
Por metro cuadrado de apertura, los tubos de vacío pierden menos calor y rinden mejor con frío o a temperaturas altas. Los captadores planos tienen un rendimiento óptico mayor y cuestan menos, así que en climas suaves y soleados igualan o superan a los tubos para el agua caliente sanitaria. Compara los dos en tu ubicación con la opción de tipo de captador.
¿Cuánto dinero ahorra un calentador solar de agua?
Sustituye la energía que habría gastado tu calentador actual. Una instalación que entrega 2.000 kWh de calor al año ahorra 2.000 kWh de electricidad si tienes un termo eléctrico (unos 500 € a 0,25 €/kWh), pero solo unos 200 € si sustituye a una caldera de gas eficiente y alrededor de 180 € si sustituye a un termo con bomba de calor de COP 2,8.
¿Qué es el método f-chart?
El f-chart es un método de diseño desarrollado en la Universidad de Wisconsin en los años setenta a partir de miles de simulaciones horarias. Relaciona la fracción solar mensual con dos números adimensionales: la relación entre las pérdidas de calor del captador y la carga térmica (X) y la relación entre la energía solar absorbida y la carga (Y). Los ingenieros lo siguen usando como herramienta de referencia para dimensionar instalaciones solares de agua caliente.
¿Funcionan los calentadores solares de agua en invierno?
Sí, pero con mucha menos producción. En diciembre, en Europa central, un captador bien inclinado recibe entre un tercio y un cuarto de la irradiación de julio, y el agua fría que entra al depósito necesita más calentamiento. Las instalaciones con circuito anticongelante (glicol) o de vaciado automático (drain-back) funcionan sin riesgo bajo cero, y el sistema de apoyo cubre lo que falta.

Fuentes y referencias

  1. Klein, S.A., Beckman, W.A. & Duffie, J.A. (1976). A design procedure for solar heating systems. Solar Energy 18(2)
  2. Duffie, J.A. & Beckman, W.A.: Solar Engineering of Thermal Processes, 4.ª ed., Wiley (f-chart, capítulo 20)
  3. IEA Solar Heating & Cooling Programme: Solar Heat Worldwide (informe anual de mercado y producción)
  4. NASA POWER: climatología solar y meteorológica mensual a largo plazo

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