Cómo dimensionar las tuberías y la unidad de bomba solar

Seguimos preparando productos.

Pero puede consultar otras categorías.

Dimensionamiento de tuberías y unidad de bomba solar – cómo hacerlo

Cuando hablo con clientes que están resolviendo la instalación de un sistema solar para calentar agua sanitaria, descubro muy rápidamente una cosa: la mayoría de ellos elige cuidadosamente los captadores, compara los acumuladores, reflexiona sobre la regulación – y, sin embargo, toma las tuberías y la unidad de bomba como algo dado, algo que "simplemente compro". Sin embargo, es precisamente aquí donde surgen la mayoría de los problemas con los que los técnicos de servicio se encuentran durante la operación. Tubo subdimensionado, bomba demasiado débil, mala hidráulica – todo esto lleva a que el sistema funcione, pero no con la rendimiento por la que pagaste. Este artículo te explica detalladamente cómo dimensionar las tuberías y la unidad de bomba, qué leyes físicas hay detrás y qué significa concretamente en una casa familiar típica.

Por qué el dimensionamiento de las tuberías es clave para la rendimiento del sistema completo

El sistema solar es esencialmente un circuito hidráulico, a través del cual fluye un líquido caloportador – normalmente una mezcla de agua y glicol – desde el captador al acumulador y de vuelta. La potencia que genera el captador debe ser evacuada suficientemente rápido, de lo contrario el captador se estanca, el líquido se sobrecalienta y el sistema se desconecta mediante una protección térmica o una válvula de seguridad. Por otro lado, si el líquido fluye demasiado rápido (circuito sobrecargado), la bomba trabaja de forma ineficiente, consume electricidad innecesaria y la resistencia hidráulica perturba el equilibrio del sistema completo.

En la práctica, el problema más frecuente no es el subdimensionamiento de los captadores (en los que la gente es cuidadosa), sino el subdimensionamiento de las tuberías. He visto instalaciones en las que el cliente ahorró y puso tuberías más finas de 12 mm de diámetro, donde debería haber sido de 16 mm – y el resultado fue que la bomba luchaba contra la resistencia, la delta T en el captador fue de 40 °C durante todo el mediodía de verano en lugar de los habituales 8–12 °C, y el acumulador se calentó a 60 °C solo poco antes de la puesta de sol. La pérdida energética total durante la temporada se estimó en un 25–30 % del rendimiento potencial.

Magnitudes básicas con las que trabajamos

Antes de pasar a los cálculos propios, establezcamos la terminología y las magnitudes físicas clave con las que trabajaremos:

Flujo (q) – volumen del líquido caloportador que fluye por la tubería por unidad de tiempo, expresado en litros por minuto (l/min) o litros por hora (l/h). En los sistemas solares trabajamos normalmente con valores de 0,5 – 3 l/min por captador.
Velocidad de flujo (v) – velocidad del líquido en la tubería, expresada en m/s. El valor recomendado para las tuberías solares es de 0,3 – 0,8 m/s. Por debajo de 0,3 m/s hay riesgo de sedimentación de impurezas y bolsas de aire, por encima de 1 m/s se produce ruido y desgaste de las tuberías.
Pérdida de presión (Δp) – resistencia de la tubería al flujo del líquido, expresada en Pa o kPa. Se compone de la fricción contra las paredes de la tubería y de las resistencias locales (curvas, accesorios de fontanería, válvulas, captador, intercambiador en el acumulador).
Altura manométrica de la bomba (H) – altura de la columna de líquido que la bomba supera, expresada en metros columna de agua (m.c.a.) o en kPa (1 m.c.a. = 9,81 kPa ≈ 10 kPa).
Viscosidad – depende de la composición y temperatura del líquido. La mezcla de glicol tiene una viscosidad significativamente mayor que el agua pura a bajas temperaturas – esto aumenta las pérdidas de presión y hay que tenerlo en cuenta en el dimensionamiento.

Dimensionamiento del diámetro de la tubería – paso a paso

El proceso correcto de dimensionamiento de la tubería comienza con el establecimiento del flujo y la velocidad de flujo deseada. A partir de estos, calculamos el diámetro interior mínimo de la tubería. A continuación, elegimos el tamaño estándar inmediatamente superior.

Paso 1: Establecimiento del flujo

El flujo del circuito solar depende del número y de la superficie de los captadores. La práctica profesional trabaja con un "flujo específico", es decir, con el volumen de líquido que fluye por metro cuadrado de superficie de captador por hora. Los valores recomendados oscilan entre 30 – 50 l/(m²·h), y para la mayoría de los captadores planos convencionales elegimos 40 l/(m²·h) como buen compromiso entre eficiencia y pérdidas de presión.

Ejemplo: Casa familiar, 2 unidades de captador solar plano IVAR.SOLAR 210 M5, cada uno con una superficie de 2,09 m². Superficie total de captadores: 2 × 2,09 = 4,18 m².

Flujo: q = 40 l/(m²·h) × 4,18 m² = 167 l/h = 2,78 l/min

Por lo tanto, la bomba debe garantizar un flujo de unos 165–170 l/h.

Paso 2: Cálculo del diámetro interior de la tubería

A partir del flujo y de la velocidad de flujo deseada, calculamos el diámetro interior necesario (d) según la fórmula:

d = √(4 × q / (π × v))

donde q es el flujo en m³/s y v es la velocidad en m/s.

En nuestro ejemplo: q = 167 l/h = 0,0000464 m³/s, velocidad objetivo v = 0,5 m/s

d = √(4 × 0,0000464 / (3,14 × 0,5)) = √(0,0001856 / 1,57) = √(0,0001182) = 0,01088 m ≈ 10,9 mm

De aquí se deduce que el diámetro interior debe ser al menos de 10,9 mm, lo que corresponde a una tubería con un diámetro exterior de 15 mm (tubería de cobre típica 15×1 mm con un diámetro interior de 13 mm) o de 16 mm de tubo inoxidable corrugado (diámetro interior de unos 12,5 mm). El uso de una tubería de 12 mm (diámetro interior ≈ 10 mm) estaría al límite y las velocidades de flujo superarían los 0,6 m/s incluso con 2 captadores.

Para sistemas solares domésticos con 2–4 captadores, es habitual un diámetro exterior de 16 mm – lo que corresponde exactamente al producto tubo inoxidable con aislamiento de caucho – doble, 2× pr. 16, 10 m. Este tubo viene preinstalado – contiene ambos circuitos (entrada y retorno) en una única vaina aislada, lo que simplifica enormemente la instalación y minimiza las pérdidas térmicas.

Paso 3: Cálculo de las pérdidas de presión

La pérdida de presión es la suma de las pérdidas lineales (fricción en las tuberías) y las pérdidas locales (accesorios de fontanería, válvulas, captador, intercambiador). Para el dimensionamiento de la bomba circuladora necesitamos la pérdida total de presión del circuito.

Pérdidas lineales se calculan según la ecuación de Darcy-Weisbach. En la práctica, para una orientación rápida, utilizamos las llamadas pérdidas específicas R (Pa/m), que están tabuladas para distintos diámetros y caudales. Para una tubería de cobre o inoxidable corrugada DN 16 con un caudal de 170 l/h, un valor típico de R es de unos 60–100 Pa/m.

Ejemplo de cálculo: Longitud de la tubería del captador al acumulador (ida y vuelta) = 2 × 12 m = 24 m. Pérdida específica 80 Pa/m → pérdida lineal = 24 × 80 = 1 920 Pa = 1,92 kPa.

Pérdidas locales se estiman más fácilmente como múltiplo de las pérdidas lineales. Para sistemas con 2 captadores y una hidráulica simple: pérdidas locales ≈ 50–80 % de las pérdidas lineales. En la práctica, por tanto: 1,92 × 0,65 = 1,25 kPa.

Resistencia del captador: De la ficha técnica del captador IVAR.SOLAR 210 M5 leemos la pérdida de presión en el caudal nominal – típicamente 1–3 kPa por un captador. Para 2 captadores conectados en paralelo es el mismo valor que para un solo captador (la conexión en paralelo no aumenta la resistencia con el mismo caudal en cada captador). Tomemos 2,5 kPa.

Resistencia del intercambiador del acumulador: Del catálogo del acumulador – típicamente 2–5 kPa. Tomemos 3,5 kPa.

Resistencia de la unidad de la bomba (accesorios, válvula de bola, válvula antirretorno, medidor de caudal, válvula de seguridad): estimamos en total 2–4 kPa. Tomemos 3 kPa.

Pérdida total de presión: 1,92 + 1,25 + 2,5 + 3,5 + 3,0 = 12,17 kPa ≈ 12,2 kPa = 1,24 m.c.a.

Este es la altura mínima de elevación que debe superar la bomba. Para estar seguros, elegimos una bomba con una reserva del 20–30 %, es decir, necesitamos una bomba con una altura de elevación mínima de 1,5–1,6 m.c.a. a un caudal de 170 l/h.

Elección de la unidad de la bomba – qué incluye y qué vigilar

La unidad de la bomba solar no es solo una bomba. Es un conjunto que integra todas las funciones necesarias para una operación segura y eficiente del circuito solar:

Bomba circuladora con regulación de velocidad (en la mayoría de los casos de 3 velocidades o motor EC)
Válvula de seguridad (protección contra el aumento de presión – normalmente ajustada a 6 bar)
Termómetro en la tubería de entrada y/o retorno
Medidor de caudal – permite ajustar el caudal nominal y comprobar visualmente la circulación
Válvula antirretorno – evita la circulación por gravedad durante la noche
Válvulas de bola – para desconexión en mantenimiento
Válvula de purga – para evacuar el aire del circuito
Conexión para manómetro y válvula de llenado
En versiones más avanzadas también un regulador con sonda de temperatura

Un ejemplo típico de esta unidad integrada es la unidad de bomba solar IVAR.SOLAR K con regulación IVAR.SOLAR IMTDC. Esta unidad integra un regulador diferencial que controla el arranque de la bomba según la diferencia de temperatura entre el captador y el acumulador – precisamente esta función de la que se hablará con más detalle en el artículo Sensores y regulación del sistema solar – cómo funcionan y cuándo cambiarlos.

Cómo elegir el tamaño correcto de la unidad de la bomba

La elección de la unidad de la bomba depende de dos parámetros que debe encontrar en su característica (curva Q-H):

Caudal Q – debe corresponder al caudal calculado del circuito. En nuestro ejemplo 170 l/h.
Altura de elevación H – debe superar la pérdida total de presión. En nuestro ejemplo, al menos 1,5 m.c.a. en el caudal correspondiente.

El punto de trabajo de la bomba debe estar en la curva Q-H de la bomba para el nivel de velocidad dado. Idealmente, de forma que la bomba esté ajustada a la velocidad media en el caudal nominal y tenga una reserva hacia arriba (por ejemplo, en caso de ensuciamiento de la rejilla, mayor viscosidad en el arranque frío, etcétera).

En la práctica, en viviendas unifamiliares con 2–4 captadores (4–8 m² de superficie), la mayoría de las unidades solares comunes con bombas de la gama Grundfos UP 25-40 o equivalentes, es decir, con un caudal máximo de unos 2–3 m³/h y una altura máxima de 4–6 m.c.a., son suficientes. Estos parámetros son claramente excesivos – el punto de trabajo está cómodamente en la parte media de la curva, lo cual es deseable.

Influencia del glicol en el dimensionamiento – qué cambia la mezcla agua/glicol

El líquido de transferencia de calor en el circuito solar no es agua pura, sino una mezcla de agua y glicol de propileno, normalmente en proporción 1:1 (50 % de glicol = protección hasta unos −28 °C). Esta mezcla tiene otras propiedades físicas que el agua pura:

Densidad: ~1060 kg/m³ (aproximadamente un 6 % más alta que el agua)
Capacidad térmica: ~3600 J/(kg·K) (aproximadamente un 14 % más baja que el agua)
Viscosidad a 20 °C: unos 4–5 veces más alta que el agua, a 0 °C hasta 10 veces más alta

Una menor capacidad térmica significa que, para la misma transferencia de calor, se necesita un caudal más elevado (aproximadamente un 14–20 % más). Una mayor viscosidad aumenta las pérdidas de presión y de forma significativa – especialmente con líquido frío (otoño, invierno, mañanas). Por eso, en los cálculos siempre trabajamos con factores de corrección para la mezcla de glicol, no con los valores del agua pura.

Concretamente: si has calculado un caudal para agua pura de 160 l/h, para una mezcla de glicol aumenta hasta 180–190 l/h. Las pérdidas de presión en las tuberías pueden ser entre 1,5 y 2 veces más altas al inicio frío – por eso la bomba debe tener suficiente margen de potencia para arrancar el sistema incluso tras una noche fría.

Conexión de captadores – en serie vs. en paralelo y su influencia en la hidráulica

La forma en que los captadores están conectados entre sí influye de manera fundamental en la hidráulica del sistema completo:

Conexión en paralelo

Cada captador está conectado por separado entre el suministro común y la devolución. El caudal se distribuye uniformemente entre los captadores (en una conexión simétrica). La pérdida de presión en la parte de los captadores es igual a la pérdida de presión de un solo captador (no a la suma). La ventaja es una baja resistencia, la desventaja es la necesidad de equilibrado hidráulico – cada captador debe recibir la misma cantidad de líquido, lo cual no siempre se cumple en distribuciones asimétricas.

Conexión en serie

El líquido pasa por los captadores uno tras otro. La pérdida de presión es la suma de las resistencias de todos los captadores. El líquido se calienta en cada captador, por lo que entra en el segundo captador más caliente – esto reduce su rendimiento. Para instalaciones habituales, se recomienda la conexión en serie solo para 2 captadores, con 3 o más captadores la resistencia es demasiado alta y las diferencias térmicas insoportables.

En la práctica, en la mayoría de las viviendas unifamiliares (2–4 captadores) elegimos la conexión en paralelo con equilibrado hidráulico – lo cual es el habitual "retorno inverso" (Tichelman). Más información sobre esto encontrarás también en el artículo Instalación del sistema solar paso a paso – desde el captador hasta el acumulador.

Aislamiento térmico de tuberías – por qué importa menos de lo que piensas

El aislamiento térmico de las tuberías solares es un tema que se subestima en la práctica. El líquido portador viaja del captador al acumulador a temperaturas de 60–90 °C, y el trayecto puede tener entre 6 y 15 metros. Sin aislamiento, entregarías parte del calor al entorno antes de que llegara al acumulador – y en invierno, la tubería desde afuera absorbería calor tan rápidamente que la bomba no podría mantener el delta T dentro de límites razonables.

El espesor recomendado de aislamiento para tuberías solares es de al menos 20 mm de aislamiento de caucho o mineral con resistencia térmica de al menos 150 °C (en estancamiento, la temperatura en el circuito puede subir brevemente por encima de los 120 °C). El aislamiento de caucho (por ejemplo, Armaflex HT) es el estándar para estas aplicaciones – es resistente a la temperatura, resistente a la radiación UV (para tuberías exteriores) y mecánicamente flexible.

El producto tubería de acero inoxidable con aislamiento de caucho doble, 2× Ø 16, 10 m resuelve el aislamiento directamente durante la instalación – ambos circuitos están aislados y enrollados en una sola manguera compacta. Incluye también el cable eléctrico para el sensor o la bomba. Esto reduce significativamente el tiempo de instalación y elimina los riesgos de un aislamiento inadecuado de otros proveedores.

Sensores como parte del conjunto hidráulico – dónde colocarlos y por qué

La regulación del sistema solar se basa en la temperatura – concretamente en la diferencia de temperatura en el captador (T1) y en la parte inferior del acumulador (T2). La bomba se pone en marcha cuando T1 es Δt más alta que T2 (habitualmente 6–10 °C), y se apaga cuando la diferencia baja por debajo de 2–4 °C. Por eso, el posicionamiento correcto de los sensores es tan importante como el dimensionamiento correcto de las tuberías.

El sensor en el captador debe colocarse en una ranura en la placa absorbente o en la tubería del captador en la salida. Debe resistir temperaturas de hasta 200 °C (estancamiento). Para este propósito sirve, por ejemplo, sensor de temperatura para ranura – 180 °C, cable 2 m – diseñado específicamente para aplicaciones de captadores con temperaturas extremadamente altas en estancamiento.

El sensor en el acumulador se coloca en una ranura en la parte inferior del acumulador (1/3 de la altura desde el fondo), donde está el agua más fría. Esto garantiza que la bomba funcione incluso cuando la capa inferior del acumulador aún no esté calentada, lo que maximiza la energía total extraída del captador. Para aplicaciones de acumuladores con menores requisitos térmicos sirve sensor para ranura – cable PVC 4 m, 95 °C – su cable de 4 metros es práctico para acumuladores grandes y mayores distancias hasta el regulador.

Más información sobre el posicionamiento correcto y la función de los sensores la encontrarás en el artículo Sensores y regulación del sistema solar – cómo funcionan y cuándo hay que cambiarlos.

Errores típicos al dimensionar – de la práctica de instalación en obra

Con los años de experiencia en la práctica de obra he visto estos errores recurrentes:

Tubería subdimensionada – el error más frecuente. El instalador elige una tubería de 12 mm "porque es más barata y más fácil de colocar" y el resultado es una pérdida de presión elevada, la bomba trabajando a plena potencia, un gradiente térmico alto en el captador. El sistema funciona, pero en días calurosos entra en estancamiento antes de lo necesario.
Conexión en serie demasiado larga de captadores – tres captadores en serie = una resistencia enorme, la bomba se ahoga trabajando, el tercer captador trabaja con una eficiencia tan baja que podría haberse omitido tranquilamente.
Aislamiento insuficiente – una lana mineral fina en lugar de 20 mm de caucho, o sin aislamiento en zonas no calefactadas (sótano, fachada exterior). Las pérdidas térmicas medidas en una tubería larga no aislada en invierno pueden absorber el 10–15 % de la producción diaria de los captadores.
Posición incorrecta del sensor del acumulador – el sensor en el centro o en la parte superior del acumulador. Resultado: la bomba se apaga demasiado pronto (la capa superior está caliente, pero la inferior no) y el acumulador solo se calienta parcialmente hasta 60 °C.
Falta de equilibrado hidráulico – al conectar en paralelo 3–4 captadores sin equilibrar, la mayor parte del líquido fluye por el primer captador, los demás están subdimensionados. Se nota en una temperatura desigual en las salidas de los distintos captadores.
Circuito sobrecirculado – caudal ajustado al máximo, bomba en el tercer nivel de velocidad. Resultado: el delta T es de 3–4 °C, el líquido en el intercambiador del acumulador no tiene tiempo de ceder el calor y la eficiencia disminuye. El delta T óptimo es de 6–12 °C – para ello está precisamente el medidor de caudal en la unidad de la bomba.

Procedimiento práctico de dimensionamiento desde el principio – resumen para el instalador

Para quien quiera tener todo el proceso en un solo lugar:

Determina el número y la superficie de los captadores → cálculo del área total Ac [m²]
Calcula el caudal: q = 40 × Ac [l/h], para una mezcla de glicol aumenta un 15 %
Elige la velocidad de flujo objetivo de 0,4–0,6 m/s
Calcula el diámetro interior mínimo y elige el tamaño estándar más cercano de tubería
Mide la longitud total de la tubería (tubería de entrada + tubería de retorno)
Calcula las pérdidas de presión lineales (R × L), estima las pérdidas locales (50–80 % de las lineales)
A partir de los catálogos del captador y del acumulador, añade sus resistencias a caudal nominal
Añade la resistencia de la unidad de la bomba (~2–4 kPa)
La pérdida total de presión = punto de trabajo, según el cual eliges la bomba (añade una reserva del 20–30 %)
Comprueba que el punto de trabajo esté en la curva Q-H de la bomba en la tercera parte central (no al final ni al principio de la curva)
Verifica la posición y el tipo de sensores según las exigencias térmicas

Preguntas frecuentes (FAQ)

¿Puedo utilizar tubería de cobre normal en lugar de tubería de acero inoxidable corrugada?

Sí, la tubería de cobre (por ejemplo, Cu 15×1 o Cu 18×1) es totalmente compatible con fluidos térmicos de glicol y se utiliza habitualmente en sistemas solares. Tiene una superficie interior lisa, lo que significa menor fricción que una tubería corrugada de acero inoxidable del mismo diámetro. Por otro lado, la tubería corrugada de acero inoxidable es flexible – es más fácil de instalar a través de techos y paredes, y la versión doble preinstalada con aislamiento y cable ahorra mucho tiempo de instalación. La elección depende de la solución de distribución – en trayectorias rectas el cobre es más barato, en trayectorias complicadas (sótanos, pasos) la tubería corrugada de acero ahorra tiempo y dinero.

¿Qué importancia tiene la precisión del cálculo? ¿No es suficiente con estimar?

En sistemas pequeños (2–3 captadores, trayectorias cortas de hasta 10 m) la desviación del punto óptimo suele ser tolerable, ya que las unidades de bomba solar están diseñadas con una reserva de potencia. En trayectorias largas (15 m y más), con un gran número de captadores (4+) o con configuraciones serie-paralelo, el cálculo preciso compensa – sería una pena descubrir tras la instalación que la bomba no alcanza, o al revés, que funciona a plena potencia 8 horas al día y te cuesta decenas de euros adicionales al año en electricidad.

¿En cuántos niveles de velocidad debe funcionar normalmente una bomba?

La mayoría de los sistemas solares de viviendas unifamiliares funcionan óptimamente en el segundo nivel de velocidad. El primer nivel normalmente no supera la resistencia con caudal completo, el tercer nivel sobrecircula el circuito y reduce el delta T. Si la bomba está equipada con motor EC con regulación continua, el regulador ajusta las revoluciones automáticamente según el delta T. Esta es la variante preferida para sistemas modernos – consume menos electricidad y el sistema es más suave.

¿Qué ocurre si la tubería está subdimensionada (diámetro pequeño)?

Mayor velocidad de flujo → resistencia hidráulica significativamente mayor (la resistencia crece con el cuadrado de la velocidad) → la bomba trabaja en un punto de funcionamiento inadecuado, o incluso no alcanza el caudal deseado. Resultado: el captador se sobrecalienta, se produce estancamiento, la válvula de seguridad evacua vapor, el sistema pierde la mezcla de glicol. Con estancamiento repetido se produce degradación del glicol, carbonización y daños en las juntas. El sistema debe volver a llenarse, limpiarse y en los casos graves, cambiar la bomba.

¿Es necesario el equilibrado hidráulico con 2 captadores conectados en paralelo?

Con dos captadores con conexión simétrica (tuberías de entrada de igual longitud) el equilibrado es automático – siempre que los captadores sean del mismo tipo y superficie. Si una tubería es claramente más larga que la otra, o si los captadores no son idénticos, recomendamos ajustar las válvulas de regulación según el medidor de caudal en la unidad de la bomba. Con tres o más captadores el equilibrado hidráulico es siempre necesario – la solución más fiable es la conexión "Tichelman" (retorno inverso).

¿Cuál es la presión de funcionamiento correcta en el circuito solar?

En un sistema frío (20 °C) la presión debería ser de 1,5–2,5 bar según la altura de los captadores sobre la unidad de la bomba (añade +0,1 bar por cada metro de altura más 0,5–1 bar de reserva estática). En un circuito caliente (80 °C) la presión aumenta entre 0,5–1,5 bar debido a la dilatación térmica – por eso es necesario que el vaso de expansión esté correctamente calculado y que la válvula de seguridad esté ajustada normalmente a 6 bar. Una presión negativa (menos de 1 bar) incluso en un circuito caliente indica una falta de líquido o un problema con el vaso de expansión.

Conclusión – el dimensionamiento vale la pena hacerlo bien

El dimensionamiento de la tubería y la unidad de la bomba en un sistema solar no es ninguna ciencia oculta. Son cálculos concretos con entradas y salidas claras – y el resultado se refleja directamente en cuánta agua caliente produce tu sistema y a qué precio. Un sistema correctamente dimensionado funciona en silencio, eficientemente y con mínimas pérdidas térmicas; la bomba está en un punto razonable de la curva de características, el delta T en el captador está en el rango óptimo de 8–12 °C y el acumulador se calienta uniformemente durante toda la parte útil del día.

Si estás trabajando en un proyecto desde el principio, empieza por la elección de los captadores (tema detallado en el artículo ¿Qué potencia de captador solar necesito – cálculo según el número de personas y el consumo), y luego pasa al dimensionamiento de la tubería y la bomba según el procedimiento descrito en este artículo. El sistema resultante te servirá durante 20 años o más – y cada porcentaje adicional de su rendimiento representa dinero real ahorrado cada temporada estival.

¿Tienes una pregunta sobre este tema?

¿No sabes decidirte o estás resolviendo una situación concreta en tu hogar? Escríbenos – con gusto te aconsejamos.