Integració tèrmica solar: protecció de les vàlvules termostàtiques contra l’emmagatzematge a altes temperatures en sistemes de calefacció d’aigua solar

Els col·lectors tèrmics solars produeixen habitualment temperatures d’aigua que destruirien una vàlvula domèstica convencional. En un dia d’estiu clar, un sistema tèrmic solar ben dissenyat pot elevar la temperatura del dipòsit d’emmagatzematge per sobre dels 85 °C; i, en condicions d’estrancament, el propi col·lector pot arribar als 200 °C.
Per als enginyers MEP i els instal·ladors, això significa que totes les vàlvules situades a valle del dipòsit d’emmagatzematge solar han d’especificar-se per a temperatures i xocs tèrmics que els components de canoneries convencionals mai no van ser dissenyats per suportar.

La realitat de la temperatura en sistemes tèrmics solars

Establim primer les condicions reals d’explotació abans de parlar de les especificacions de les vàlvules:

L’escenari més perillos per als vàlvules: el sistema ha estat en estancament estiuenc a 95 °C i, de sobte, aigua freda de la xarxa entra al circuit quan es penja un grif. La xoc tèrmic — una variació de temperatura de 75 °C en menys d’un segon — pot esquerdar discos ceràmics, deformar components plàstics i fer deformacions permanents a les juntes EPDM estàndard.

Vàlvules en el circuit tèrmic solar

Un sistema de calefacció d'aigua solar requereix vàlvules en tres ubicacions diferents, cadascuna amb exigències tèrmiques distintes:

1. Vàlvules del circuit dels col·lectors

Aquestes són les vàlvules més sotmeses a esforç tèrmic del sistema. El circuit dels col·lectors transporta el fluid de transferència de calor (normalment una mescla de glicol i aigua) entre els col·lectors muntats al sostre i l'intercanviador de calor del dipòsit d'emmagatzematge. Les vàlvules d'aquest circuit — vàlvules d'aïllament, vàlvules de retenció i vàlvules d'escapament d'aire — han de suportar:
• Rang de temperatura: –30 °C a 200 °C (per sobreviure a l'estancament)
• Fluid: Mescla de propilenglicol/aigua, que és més agressiva que l'aigua sobre les juntes
• Pressió: Pressió de descàrrega de la bomba més càrrega estàtica deguda a l'elevació dels col·lectors
Per a l’aïllament del circuit de col·lector, especifiqueu vàlvules d’escletxa esfèrica de diàmetre complet amb seients de PTFE i empaquetament del varell de grafit. Les vàlvules d’escletxa esfèrica estàndard de llautó amb seients de PTFE tenen una classificació fins a uns 180 °C, cosa que cobreix l’operació normal però no l’estancament extrem. Per a les instal·lacions en climats amb alta insolació (Orient Mitjà, Sud d’Europa, Austràlia), considereu vàlvules d’acer inoxidable 316 per al circuit de col·lector.

2. Vàlvules del dipòsit d’emmagatzematge (alliberament tèrmic)

Cada dipòsit d’emmagatzematge solar requereix una vàlvula d’alliberament de temperatura i pressió (T&P) classificada per a les condicions operatives màximes del dipòsit. La norma EN 12897 exigeix:
• Punt d’activació de l’alliberament tèrmic: 95–99 °C (sota el punt d’ebullició a pressió atmosfèrica)
• Capacitat d’alliberament: Adaptada a l’entrada d’energia màxima provinent de l’array solar
• Tub d’alliberament: Metàl·lic, amb pendent continu cap a un punt d’alliberament visible i segur
Una vàlvula T&P que goteja a 85 °C està especificada incorrectament. El punt de descàrrega ha d’estar per sobre de la temperatura operativa màxima normal (típicament 85 °C durant l’estancament estiuenc), però per sota de l’ebullició. Un punt de consigna de 95 °C amb una tolerància de ±3 °C és l’estàndard per a sistemes tèrmics solars.

3. Vàlvules termostàtiques de mescla (TMV) al costat de distribució

Aquí és on l’enginyeria es torna interessant. Una TMV al costat de distribució d’aigua calenta d’un sistema tèrmic solar té dues funcions:
1. Barrejar l’aigua emmagatzemada a alta temperatura (65–95 °C) fins a una temperatura de subministrament segura (38–46 °C)
2. Protegir-se contra temperatures d’entrada sostingudes que podrien degradar el cartutx d’una TMV estàndard

Especificació de TMV per a serveis tèrmics solars

Una TMV2 estàndard es prova per a temperatures d’entrada d’aigua calenta contínues fins a 85 °C. En un dipòsit d’emmagatzematge carregat per energia solar, la TMV pot rebre temperatures d’entrada de 90–95 °C durant hores seguides a l’estiu. Especificar una vàlvula que no estigui qualificada per a aquesta condició provoca:
• Fatiga de l’element tèrmic: La càpsula termostàtica plena de cera perd la seva sensibilitat després d’una exposició prolongada per sobre de la temperatura màxima dissenyada
• Degradació dels segells: Les juntes tòriques i les diafragmes d’EPDM es tornen rígids i es fissuren
• Relaxació del ressort: El ressort de retorn que tanca el port calent perd tensió, provocant una deriva de la temperatura
Llista de comprovació d’especificacions per a un TMV per a ús solar:

Xindong fabrica vàlvules termostàtiques de mescla certificades TMV2 i TMV3 amb cartutxos classificats per a temperatures elevades, dissenyats per a aplicacions tèrmiques solars. El nostre equip d’enginyeria pot facilitar corbes de reducció de temperatura i certificats de materials per a especificacions d’ús solar, donant suport als consultors MEP amb paquets tècnics de presentació per a projectes d’energia renovable.

L’estratègia de prèrefredament

Per als sistemes on les temperatures del dipòsit d’emmagatzematge superen habitualment la classificació contínua de la vàlvula mestra de temperatura (TMV), la solució més robusta és un intercanviador de calor de prèrefredament entre el dipòsit d’emmagatzematge i la TMV. Un petit intercanviador de plaques a la tuberia d’aigua freda fa un prèrefredament de l’aigua calenta abans que arribi a l’entrada de la TMV:
• L’aigua freda de la xarxa, a uns 15 °C, circula per un costat de l’intercanviador de plaques
• L’aigua calenta del dipòsit solar, a 90 °C, circula per l’altre costat
• L’entrada calenta de la TMV rep aigua a una temperatura de prèrefredament d’uns 70 °C
• L’aigua freda que ha fet el prèrefredament queda ara preescalfada a uns 35 °C, reduint la càrrega de mescla de la TMV
Aquesta disposició allarga significativament la vida útil de la TMV, redueix el risc d’escaldades en estretir l’interval de mescla que ha de gestionar la TMV i recupera calor residual a la tuberia d’aigua freda — un petit avantatge energètic.

Posada en servei d’un sistema tèrmic solar

Posar en marxa un sistema tèrmic solar requereix el mateix procediment de proves TMV que un sistema convencional (vegeu l’article complementari sobre la posada en marxa segons la norma BS 7949), amb les addicions següents:
1. Prova a la temperatura màxima d’emmagatzematge: Fer funcionar el sistema de calefacció auxiliar (si n’hi ha un) per portar el dipòsit d’emmagatzematge a la seva temperatura dissenyada màxima, i després dur a terme tota la seqüència de posada en marxa TMV. Una vàlvula TMV que superi la prova a 65 °C pot fallar a 85 °C.
2. Verificació de la descàrrega de la vàlvula de temperatura i pressió (T&P): Alçar manualment la palanca de prova de la vàlvula T&P i verificar-ne la descàrrega lliure. Fer-ho quan el sistema estigui fred — mai intentar alçar una vàlvula T&P en un dipòsit calent i sota pressió.
3. Simulació d’estancament: Durant la posada en marxa estival, aïllar la bomba del circuit dels col·lectors i vigilar les temperatures dels col·lectors i del dipòsit durant 30 minuts. Verificar que els sistemes de protecció contra temperatures excessives del sistema s’activen abans que cap vàlvula superi la temperatura per a la qual està classificada.
4. Documentar les lectures específiques del sistema solar: A més de les dades habituals de posada en marxa del TMV, registreu la temperatura d’estrangulació del col·lector solar, la temperatura màxima del dipòsit d’emmagatzematge, la concentració de glicol i la classificació i el punt de regulació de la vàlvula T&P.

Edifici per a llarg termini

L’energia tèrmica solar és una inversió de 25 anys. Els col·lectors situats al sostre poden durar aquest temps amb un manteniment mínim, però les vàlvules de la sala de maquines es reemplaçaran com a mínim una vegada — llevat que es seleccionin correctament des del primer dia. El cost marginal d’actualitzar un TMV estàndard a un TMV de temperatura elevada certificat per a aplicacions solars és negligible comparat amb el cost del reemplaçament del cartutx, de la mà d’obra per a les visites tècniques i de les molèsties causades als inquilins durant la vida útil del sistema.

Zhejiang Xindong Sanitary Ware Co., Ltd. fabrica vàlvules per a la indústria mundial de la fontaneria des del 1999. Amb més de 65 patents, certificacions WRAS/CE/ACS/NSF i una capacitat de producció mensual superior a 200.000 unitats, subministrem vàlvules termostàtiques de mescla, vàlvules de descàrrega de temperatura i vàlvules d’aïllament dissenyades per satisfer les exigències tèrmiques dels sistemes d’energia renovable. El nostre equip tècnic dona suport als professionals especialitzats en instal·lacions mecàniques, elèctriques i de fontaneria (MEP) amb certificats de materials, documentació sobre classificacions tèrmiques i llistats de vàlvules adaptats a projectes concrets.
La integració tèrmica solar no és un mercat de nicuia: és la direcció cap on es mou la fontaneria comercial. Especificar vàlvules capaces de suportar les exigències tèrmiques és una decisió d’enginyeria discreta però fonamental per garantir la protecció del sistema durant dècades.

Per a especificacions de vàlvules i suport en aplicacions a altes temperatures, contacteu Xindong a [ www.cn-xindong.com ](https://www.cn-xindong.com).