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CÁLCULO Y DISEÑO DE INSTALACIONES SOLARES TÉRMICAS II.

CURSO DE ENERGÍA SOLAR

Autor: IRENE MONTERO PUERTAS Ingeniera Industrial Área de Máquinas y Motores Térmicos Escuela de Ingenierías Industriales Universidad de Extremadura

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UNIDAD DIDÁCTICA 4-II.

Cálculo y diseño de instalaciones solares térmicas. Índice: 1. 2.

INTRODUCCIÓN. ........................... ........................................ ........................... ............................ ........................ .......... 2 OBJETIVOS.......................... OBJETIVOS....................................... ........................... ............................ ............................ .................... ...... 3

3.

CRÉDITOS. ............................ ......................................... ........................... ............................ ............................ .................. .... 4

4.

METODOLOGÍA. ......................... ....................................... ............................ ............................ ........................... ............. 5

5.

TEMARIO. .......................... ........................................ ............................ ........................... ............................ ...................... ....... 6 5.1INTRODUCCIÓN...................... 5.1INTRODUCCIÓN......... ........................... ............................ ............................ ........................... ............. 6 5.2HERRAMIENTASDISPONIBLES................... 5.2HERRAMIENTASDISPONIBLES...... ........................... ........................... ........................... ..............6 6 5.2.1 Métodos de cálculo simplificado. ..................................... .................................................. ............... 6

5.2.2 Programas de simulación.................... simulación.................................. ............................ ........................... ........................ ........... 6 5.3 EJEMPLO DE APLICACIÓN....................... APLICACIÓN..................................... ........................... ........................... ................... ..... 6 5.3.1 Datos iniciales. .......................... ......................................... ............................. ........................... ........................... ................ 6 5.3.2 Dimensionado de la instalación. ........................... ......................................... ........................... ................... ...... 6 5.3.2.1 Demanda energética ........................... ........................................ .......................... ........................ ........... 6 5.3.2.2 Aportación del sistema solar. ................................... ................................................ .................. ..... 6 5.3.2.3 Superficie colectora......................... colectora....................................... ............................ ........................... ............... 6 5.3.2.4 Subconjunto de almacenamiento. ........................ ...................................... ....................... ......... 6 5.3.2.5 Subconjunto de termotransferencia. ter motransferencia. ................................ ............................................ ............ 6 5.3.3 Aislamiento....................... Aislamiento..................................... ............................. ............................ ........................... ......................... ........... 6 5.3.4 Anexos. ............................. .......................................... ............................ ............................. ........................... ....................... .......... 6

.

6. 7.

CRITERIOS DE EVALUACIÓN. ........................... ........................................ ........................... ...............,........ .,........ 7 MATERIALES. ........................... ......................................... ........................... ............................ ............................. .................. .... 8

2


8. 9.

BIBLIOGRAFÍA. ......................... ....................................... ............................ ........................... ........................... .............. 9 ANEXO 1. TEMARIO DEL CAPÍTULO 4-2. ......................... ....................................... .................... ...... 11

10.

ANEXO 2. CUESTIONARIO DE EVALUACIÓN...................... EVALUACIÓN................................... ................... ...... 12

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1. INTRODUCCIÓN. La presente unidad didáctica pretende mostrar los aspectos y conceptos básicos necesarios para que el alumno pueda diseñar y dimensionar una instalación solar de agua caliente. El objetivo básico del diseño de los sistemas de ACS solar será el de suministrar al usuario una instalación solar que: a) optimice el ahorro energético global de la instalación en combinación con el resto de equipos térmicos del edificio; b) garantice una durabilidad y calidad suficientes; c) garantice un uso seguro de la instalación. Para ello, por un lado se debe conocer de forma exhaustiva la normativa existente

en el campo de

aplicación (nuevo

CTE HE4, RITE, Pliegos de

Condiciones, Ordenanzas Municipales, etc). Y además, es necesario conocer los parámetros que intervienen en el proceso de cálculo que permitan optimizar la instalación solar. Así, en esta unidad se plantean todas las cuestiones mencionadas para el diseño y dimensionado de instalaciones de forma exhaustiva.

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2. OBJETIVOS. El objetivo principal de la unidad didáctica es formar a los alumnos en el diseño y dimensionado de las instalaciones de energía solar. Como complemento a la unidad anterior, en ésta se pretende profundizar en el dimensionamiento de las instalaciones solares para agua caliente mediante la explicación y utilización de diferentes herramientas informáticas. Los objetivos parciales que se persiguen mediante este capítulo son: Explicar las diferentes herramientas disponibles para el dimensionado de sistemas solares, tanto los métodos simplificados como los programas de cálculo. Dimensionar una instalación diferentes

herramientas

completa en un edificio tipo

informáticas

disponibles

mediante

(superficie

las

captadora,

volumen acumulador, diámetro tuberías, bombas, depósito de expansión, aislamiento, etc). Por último, se muestran diferentes catálogos de fabricantes muy útiles para el instalador.

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3. CRÉDITOS. Realización: Irene Montero Puertas Ingeniera Industrial Profesora del Área de Máquinas y Motores Térmicos de la Escuela de Ingenierías Industriales. Universidad de Extremadura.

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4. METODOLOGÍA. El proceso docente se desarrollará íntegramente en régimen de enseñanza presencial, por lo que se requiere el desplazamiento físico del alumno. Con la finalidad de conseguir el correcto seguimiento y aprovechamiento por parte del alumno de

esta

unidad

didáctica, se le

proporcionará al mismo una

documentación detallada y actualizada con los contenidos del capítulo, que servirá como apoyo bibliográfico. El contenido del temario se expondrá mediante la proyección de diapositivas que irán desarrollando de una forma muy visual y gráfica la documentación entregada al alumno.

Para hacer más ameno el contenido de la unidad didáctica: Se comentarán temas de actualidad mediante noticias del sector acaecidas en la prensa en los últimos días para establecer pequeños debates de opinión. La temporalización de esta unidad didáctica abarcará 5 horas de clase con descanso intermedio.

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5. TEMARIO.

5.1 INTRODUCCIÓN. 5.2 HERRAMIENTAS DISPONIBLES. 5.2.1 Métodos de cálculo simplificado. 5.2.2 Programas de simulación.

5.3 EJEMPLO DE APLICACIÓN. 5.3.1 Datos iniciales. 5.3.2 Dimensionado de la instalación. 5.3.2.1 Demanda energética 5.3.2.2 Aportación del sistema solar. 5.3.2.3 Superficie colectora. 5.3.2.4 Subconjunto de almacenamiento. 5.3.2.5 Subconjunto de termotransferencia. 5.3.3 Aislamiento. 5.3.4 Anexos.

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6. CRITERIOS DE EVALUACIÓN. Esta unidad es fundamentalmente práctica. Se explicarán los programas de ordenador disponibles para dimensionado y se utilizarán éstos en diferentes ejemplos. La duración completa del módulo será de 5 horas. La evaluación

se realizará

mediante

un documento escrito que intentará

cuantificar el grado de cumplimiento de los objetivos del capítulo, tanto a nivel de temario y contenidos, como a nivel docente. En el anexo 2 se adjunta cuestionario a repartir entre los alumnos, que se rellenará y entregará en los minutos finales de la clase.

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7. MATERIALES. Documentación escrita referente a la materia a desarrollar. Ordenador portátil para la presentación de diapositivas en Power Point. Proyector y Pizarra. Programa TRANSOL de Cálculo de Instalaciones Solares Térmicas (AIGUASOL) Programas Comerciales Otros Herramientas en Excell propios y de

diferentes empresas para

dimensionado de Instalaciones.

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8. BIBLIOGRAFÍA. 1) “Proyecto de sistemas térmico-solares por el método de las Curvas-f” W.A. Beckman, S.A. Klein and J.A. Duffie, Index (Maveco), Madrid, 1984. 2) “Solar Engineering of Thermal Processes”, 2nd Edition. J.A. Duffie and W.A. Beckman, John Wiley and Sons, Inc., 1991. 3) “Procesos Térmicos en Energía Solar”. J.A. Duffie and W.A. Beckman, Editorial Grupo Cero, Madrid, 1979. 4) “La radiación solar. Conversión térmica y aplicaciones”. R. Bernard, G. Menguy and M. Schwart, Technique and Documentation. Ed. Lavoisier, 1982. 5) “Energía solar. Cálculo y diseño de instalaciones”. E. Alaiz, Sección de publicaciones de la E.T.S. de Ingenieros Industriales, Madrid, 1981. 6) “Manual de Instalaciones Solares Térmicas”, Agencia Andaluza de la Energía. Ed. 2004. 7) “Curso de instalador-proyectista de Energía Solar”, CENSOLAR. Ed. 2004. 8) “Integración de los sistemas solares térmicos en la edificación”. ISOFOTÓN – FERROLI; 2003. 9) “Integración de los sistemas solares térmicos en la edificación. Manual de Consulta Rápida”. ISOFOTÓN – FERROLI; 2003. 10) “Instalaciones de Energía Solar Térmica. Pliego de Condiciones Técnicas de Instalaciones de Baja Temperatura” IDAE, 2002. 11) Reglamento de Instalaciones Térmicas en los Edificios (RITE) y sus Instrucciones Técnicas Complementarias. 12) Catálogo Técnico de Energía Solar Térmica – Salvador Escoda S.A.

13) Páginas web de Organismos y empresas del sector: IDAE www.idae.es CENER http://www.cener.com/ APPA www.appa.es

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AGENEX http://www.dip-badajoz.es/dsostenible/eae/index.php CAEEM http://www.madrid.org/comun/org_caeem/0,4452,154369305_0_154720489_, 00.html APEA http://www.diputacionavila.es/web/?url=apea EVE http://www.eve.es Agencia Local de la Energía de Sevilla http://www.agencia-energia-sevilla.com/ SODEAN http://www.sodean.es/ (PROSOL http://www.sodean.es/prosol/prosol.html) AVEN http://www.aven.es/ ASIT SOLAR http://www.asit-solar.com/ CENSOLAR (Centro de Estudios de la Energía Solar) http://www.censolar.es/ SOLICLIMA http://www.soliclima.com/ 14) Fabricantes: Chromagen, http://www.chromagen.biz/ Isofoton, f http://www.isofoton.es Viessmann, http://www.viessmann.es Termicol, http://www.termicol.com/ Ferroli, http://www.ferroli.es/default.asp Salvador Escoda, http://www.salvadorescoda.com/ 15) Ordenanzas Solares: Madrid, Valencia, Sevilla, Barcelona, etc.

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9. ANEXO 1. TEMARIO DEL CAPÍTULO 4-2. Introducción. Como complemento a la Unidad 4-I y siguiendo los diferentes puntos explicados en la misma, se desarrolla esta Unidad 4-2 en la que se realizarán diferentes ejemplos prácticos de diseño y dimensionado de instalaciones mediante la utilización de diversas aplicaciones y programas de ordenador (TRANSOL o similares y hojas de cálculo existentes). En la actualidad con anterioridad a la instalación de un sistema solar térmico normalmente se emplea algún método de cálculo y/o programa de simulación que al menos estime los

aportes energéticos de

la instalación. Este tipo de

herramientas se emplean con frecuencia en la fase de dimensionado debido a que

permiten

determinar

de

forma relativamente rápida y cómoda el

comportamiento energético de una instalación (fracción solar, etc.) Existen muchos programas comerciales que permiten calcular instalaciones solares y que pueden clasificarse en base al nivel de exigencia requerido. Los programas más simples no requieren grandes conocimientos sobre el funcionamiento de las instalaciones solares por parte del usuario y, por lo general, aportan resultados adecuados para el nivel de detalle requerido y para los demandados. Cuando se

datos de

necesitan resultados más aproximados

entrada

y completos se

emplean programas de simulación detallados que normalmente requieren mayor cantidad de datos de entrada y un nivel notable de conocimientos técnicos por parte del usuario. La mayoría de estos programas están preparados para instalaciones solares destinadas a la producción de agua caliente sanitaria si bien también muchos de ellos pueden utilizarse en aplicaciones de calentamiento de piscinas, calefacción, refrigeración, etc. De acuerdo al tipo de cálculo

que

realizan

se

diferencia

básicamente entre Métodos de cálculo simplificados y Programas de simulación. La «calidad» de los resultados obtenidos en un programa de simulación depende fundamentalmente de la

fiabilidad

del

método empleado

y

de

los

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datosdeentrada suministrados. Se recomienda realizar siempre una evaluación crítica de los resultados aportados

en la simulación

paradescartar

errores y

detectar posibles mejoras en el dimensionado. Los programas de simulación tradicionalmente han sido utilizados en centros de investigación, universidades, departamento de investigación y desarrollo, etc. Sin embargo, ingenierías y técnicos del sector empiezan a utilizar cada vez con más asiduidad este tipo de programas debido a la mayor información que aportan y al ahorro en tiempo y coste que suponen durante la fase de planificación. El cálculo de la producción energética, viabilidad económica

y

ahorro

de

emisiones

contaminantes (CO2, etc.) muestran algunas de las características de la instalación solar y son utilizados como argumentos adicionales de venta. Algunos programas disponen de herramientas gráficas que permiten representar el trazado básico de la instalación, mostrar los valores de entrada y los resultados obtenidos en forma de informe, etc.

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4.6

HERRAMIENTAS DISPONIBLES. A continuación se indican las principales características de los métodos de

cálculo o de los programas de simulación de instalaciones solares térmicas utilizados con más frecuencia. En muchos de estos programas existen versiones

de

demostración

(demos)que pueden descargarse a través de

Internet.

4.6.1 MÉTODOS DE CÁLCULO SIMPLIFICADO. Son programas bastante simples que consideran condiciones estacionarias invariables y que se utilizan casi exclusivamente para producción de agua caliente sanitaria, aunque recientemente han aparecido métodos de cálculo simplificado para calefacción, suelo radiante y calentamiento de piscinas. Son de utilidad para determinar el comportamiento global de una instalación pero no para analizar el funcionamiento detallado de un determinado componente. A partir del tipo de captador solar de la superficie de captación instalada, de la inclinación y orientación de los captadores, del volumen de acumulación solar y del consumo de agua caliente calculan la producción energética de la instalación, expresando los resultados normalmente como valores diarios medios mensuales. No son de aplicación para estimar el comportamiento de una instalación bajo determinadas condiciones específicas y durante periodos de tiempo más pequeños general,

solamente

pueden

considerar

algunas

(horario, de

etc.)

En

las configuraciones de

instalaciones solares térmicas utilizadas en la actualidad. De entre este tipo de programas destaca el método de cálculo f-Chart. Debido a su facilidad de manejo se recomienda su empleo en empresas instaladoras que suministren sistemas solares para producción de agua caliente sanitaria en pequeñas instalaciones. En este sentido se muestran a continuación (Figura 1 a Figura 6) algunas herramientas disponibles y desarrollados por

que

se

utilizarán en esta Unidad. Éstas

han sido

fabricantes como CHROMAGEN, FERROLI, etc, empresas de

ingeniería y por el grupo ENERMYT del Área de Máquinas y Motores Térmicos de la Universidad de Extremadura.

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Figura 1. Aplicación de CHROMAGEN.

Figura 2. Aplicación Galix.

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Figura 3. Aplicación Ferroli para ACS, Piscinas y Calefacción por suelo radiante.

Figura 4. Aplicación F-Chart.

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Figura 5. Aplicación del grupo ENERMYT para cálculo de superficie colectora.

Figura 6. Aplicación del grupo ENERMYT del Área de Máquinas y Motores Térmicos UEx.

4.6.2 PROGRAMAS DE SIMULACIÓN. Existen dos tipos de programas: no modulares (T-SOL, TRANSOL, POLYSUN, etc.) y modulares (TRNSYS, etc.). En ambos casos se simula el comportamiento de una instalación a partir

de

los

modelos

matemáticos

establecidos

para

cada

componente. Estos programas permiten realizar evaluaciones en diferentes periodos de tiempo (anual, mensual, semanal, diario, horario, etc.) mediante la resolución de las ecuaciones características de los distintos componentes de una instalación solar.

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Los programas no modulares disponen

de

una librería que

configuraciones predeterminadas de instalaciones solares

contiene

térmicas para que el

usuario pueda seleccionar la configuración que mejor se adapte a cada caso e introducir los parámetros requeridos. Salvo excepciones, no se puede variar la configuración

de

la

instalación

ni

ampliar

la

librería disponible con nuevas

configuraciones. En general, estos programas son de fácil manejo para usuarios que previamente han usado Windows y

que estén familiarizados con el cálculo

de

instalaciones solares, y se caracterizan por una adecuada presentación de resultados. Los programas modulares permiten la posibilidad de realizar análisis dinámicos y, debido a su elevada flexibilidad, simular prácticamente cualquier tipo de configuración y condiciones de operación. Normalmente no son de fácil utilización, necesitando el usuario periodos de adaptación medios o largos para trabajar correctamente con este tipo de programas. En esta Unidad se van a presentar un programa de cálculo ampliamente utilizado por empresas instaladoras, ingenierías, etc. Este software se denomina TRANSOL (Figura 7).

Figura 7. Ventana de elección de sistema en el TRANSOL.PRO.

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A continuación se explica, de forma resumida, el manejo del programa. Para más información será necesario consultar el manual. A partir de la ventana de inicio mostrada anteriormente se puede elegir entre diferentes sistemas, en cada elección se ve el esquema de principio de cada uno de ellos. En este momento se abrirá la ventana de proyecto, desde la que se tendrá acceso a todos los parámetros modificables, para poder simular en detalle los diferentes sistemas definidos. La entrada o modificación de datos se realiza mediante la ventana mostrada en la Figura 8.

Figura 8. Modificar datos. La entrada de datos del proyecto está dividida en dos niveles de profundidad, según el conocimiento del usuario del sistema o de los datos disponibles de éste: El primer nivel consta de una única pantalla (General) donde se piden datos generales que permiten realizar un cálculo con parámetroscorrelacionados (Figura9). El segundo nivel consta del resto de pantallas, donde el usuario avanzado puede modificar otros parámetros del sistema. En el segundo nivel de cálculo el usuario puede modificar el resto de datos del sistema, para tener en cuenta todas las singularidades y parámetros reales de éste. Para activar el segundo nivel de cálculo hace falta desactivar la opción “usar valores por defecto” de la pestaña general. Los datos de este segundo

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nivel se estructuran, básicamente en siete grupos: o Datos referentes al campo de captadores o Datos referentes a los sistemas centralizados o Datos referentes a los sistemas descentralizados o Datos referentes a los sistemas de control o Datos económicos del proyecto o Datos referentes a los parámetros de la simulación y geográficos o Datos del proyecto (para información del usuario)

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Figura 9. Entrada de datos generales.

Los sistemas disponibles se muestran de la Figura 10 a la Figura 15.

Figura 10.Esquema principio sistema directo para hoteles.

22


Figura 11. Esquema principio sistema indirecto para hoteles.

23


Figura 12. Esquema principio sistema para edificios multivivienda.

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Figura 13. Esquema principio sistema para polideportivos.

Figura 14.Esquema principio sistema para vivienda unifamiliar.

25


Figura 15. Esquema principio sistema para edificios multivivienda.

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Introducidos los parámetros necesarios, se realiza la simulación del sistema para lo que hace falta: Ajustar los parámetros de la simulación Ejecutar la simulación

Figura 16. Pantalla de ajuste de los parámetros de simulación.

El programa TRANSOL_PRO presenta los resultados en forma de ficheros externos, de dos tipos. Por una parte los archivos PLT, que recogen todos los datos horarios de las variables presentadas en pantalla durante la simulación; por otra parte los OUT, donde se presentan resúmenes mensuales y anuales de los valores energéticos más importantes. A continuación se muestra un informe de simulación.

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TRANSOL.PRO

INFORME DE S IMULACIÓN

V1.1

Código proyecto Persona contacto Equipamiento Dirección Municipio Comarca Teléfono / Fax E-mail

© TRANSOL for Windows is property of: Sistemes Avançats d'Energia Solar Tèrmica, S.C.C.L. © TRNSYS V15 for Windows: source code is property of: The University of WinsconsinMadison, Solar Energy Laboratory.

SYS02 0 0 0 0 0 0 0

0

1 Tipo de sistema ## 2 Sistema Multivivienda de Acumulación Descentralizada

2 Demanda del

usuario

Número subestaciones Número usuarios Consumo diario nominal Perfil diario consumo Perfil mensual consumo 1,07

A

B

l %

C

D

4,0 4,0 4,0 4,0 6,0 5,0 4,0 3,0 2520,0 DProfile1.TXT 1,11 / 1,08 / 1,04 / 1,09 / 1,04 / 1,02 / 0,9 / 0,79 / 0,92 / 0,94 / 1,04 /

3 Ubicación (datos meterorológicos) Datos meteorológicos Latitud / Longitud Temperatura agua red 12,6

º º

BARCELONA_TY.dat 41,4 -2,1 9,2 / 11,1 / 12,9 / 14,6 / 18,3 / 20,8 / 23,2 / 24,7 / 22,7 / 18,8 / 14,5 /

4 Campo de colectores Superfície abs. total Inclinación (resp. horiz.) Azimut Número col. serie Caudal de campo Caudal primario

5 Características del colector m2 º º º kg/h.m kg/h

2

35,20 45,0 0,0 8,0 18,8 660,0

a0 a1 a2 IAM Caudal test

W/m 2 K W/m 2 K 2 kg/h.m 2

0,800 3,500 0,010 0,09 150,0

6 Acumulación solar

descentralizada

Volumen Altura acumulador Grosor aislamiento

A m3 m m

B 0,200 0,737 0,050

auxiliar

C 0,200 0,737 0,050

D 0,150 0,669 0,050

0,100 0,585 0,050

7 Producción

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Potencia Rendimiento

kW %

A-Externo B-Externo C-Externo E-Externo 8,55 7,13 5,70 4,28 0,90 0,90 0,90 0,90 1 de 4

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TRANSOL.PRO V1.1

INFORME DE S IMULACIÓN Código proyecto

SYS02

8 Regulación y control ## ##

REGULACIÓN PRIMARIO Val. Radiación ON-OFF W/m Temp. Max. Colector ºC REGULACIÓN SUBESTACIÓN acumulador. Histéresis sec. ON-OFF ºC Temp. Max. Acumulador ºC

2

Control crepuscular, corte por temperatura máxima del colector. 300 - 250 170 Control de conexión por dif. de temp. y corte por temp. max. del 2-4 50

REGULACIÓN SERVICIO Temperatura Servicio ºC 45 (Temp. de consigna del sistema auxiliar descentralizado)

9 Parámetros económicos Coste económico

€

22.610

10 Parámetros de la simulación Inicio / fin / paso de la simulación Tolerancia Integración / Convergencia

h h

1 0,001

8.760 0,001

0,50

11 Resultados energéticos Resultados energéticos globales del sistema solar térmico. Consumo sistema Aportación solar cons. Fracción solar

[kWh] [kWh] [%]

30.428,9 17.184,7 56,5

Resultados energéticos mensuales y globales del sistema solar térmico. D Consumo Aportación Consumo Radiación Prod. Solar Aportación Fracción solar e sistema aux. Cons. auxiliar solar incid. campo solar cons. m a n d a u s u a ri o s [kWh] [kWh] [kWh] [kWh] [kWh] [kWh] [kWh] [%] EneEnero Feb Febrero Mar Marzo Abr Abril

3.586,1 3.005,6 3.025,0 2.911,1

3.586,1 3.005,6 3.025,0 2.911,1

2.303,9 1.587,2 1.301,7 1.154,4

3.291,3 2.267,5 1.859,5 1.649,2

3.591,7 4.202,8 5.266,7 5.525,0

1.761,6 2.036,9 2.599,5 2.796,1

1.282,2 1.418,3 1.723,3 1.756,7

35,8 47,2 57,0 60,3

30


MayMayo Jun Junio Jul Julio AgoAgosto SepSeptiembre Oct Octubre NovNoviembre Dic Diciembre TOTAL

2.493,3 2.181,7 1.788,6 1.444,7 1.821,7 2.218,3 2.772,2 3.180,6 30.428,9

2.493,3 2.181,7 1.788,6 1.444,7 1.821,7 2.218,3 2.772,2 3.180,6 30.428,9

741,1 575,8 285,6 218,4 521,7 911,7 1.537,2 2.105,6 13.244,2

1.058,7 822,6 407,9 311,9 745,2 1.302,4 2.196,0 3.007,9 18.920,3

6.033,3 5.947,2 6.561,1 6.291,7 5.391,7 4.880,6 3.777,8 3.369,4 60.838,9

2.978,7 2.910,6 3.059,7 2.767,8 2.543,7 2.325,5 1.825,9 1.566,8 29.172,8

1.752,2 1.605,8 1.503,1 1.226,4 1.300,0 1.306,7 1.235,0 1.075,0 17.184,7

70,3 73,6 84,0 84,9 71,4 58,9 44,5 33,8 56,5 2 de 4

31


TRANSOL.PRO


V1.1

SYS02

Código proyecto

Resultados mensuales del consumo energético del sistema, aportación solar a consumo y fracción solar.

4.000 3.500 3.000 2.500 2.000 1.500 1.000 500 0 Ene

Feb

Mar

Abr

May

Jun

Jul

Ago

Sep

Oct

Nov

Dic

mes Aportación solar cons.

Consumo sistema

Fracción solar

Fracción Solar promedio

Radiación solar, producción solar de campo y aportación solar a consumo. Radiación solar inciden. Prod. Solar campo Aportación solar cons.

kWh/m kWh/m kWh/m

2 2 2

1.728,4 828,8 488,2

7.000 6.000 5.000 4.000 3.000 2.000 1.000 0 Ene

Feb

Mar

Abr

May

Jun

Jul

Ago

Sep

Oct

Nov

Dic

mes Radiación solar incid.

Prod. Solar campo

Aportación solar cons.

Consumo sistema

Rendimiento campo colectores . Rendimiento del sistema solar térmico Rendimiento campo colectores Rendimiento del sistema solar térmico

% %

47,95 58,91 3 de 4

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TRANSOL.PRO


V1.1

SYS02

Código proyecto

Representación gráfica de la aportación solar a consumo y las diferentes pérdidas térmicas del sistema.

3.500 3.000 2.500 2.000 1.500 1.000 500 0 Ene

Feb

Mar

Abr

May

Jun

Jul

Ago

me s Aportación Solar a Consumo Pérdidas Acumulador Solar Pérdidas Acumulador Auxiliar Pérdidas Distribución

Sep

Oct

Nov

Dic

Pérdidas Circuito Primario Pérdidas Subestaciones

Aportación Solar a Consumo

3 1 %

Pérdidas Acumulador Solar Pérdidas Circuito Primario

2 % 0 %

Pérdidas Acumulador Auxiliar 8 %

Pérdidas Distribución 0 %

Pérdidas Subestaciones 5 9 %

12 Resultados medioambientales Ahorro anual de emisiones para las distintas substancias NOX [g] 52385

NMVOC [g] 3928

CO [g] 9844

SO2 [g] 245038

PST [g]

CO2 [kg]

155806

11169

CH4 [g]

N2O [g] 69

10065

13 Análisis económico Ahorro anual de la energia substituida

kWh

24.551,6

Coste de la energia substituida

33


Ahorro neto económico anual Incremento anual del precio energía

€ %

Periodo de retorno de la inversión (sin - con subv.)

años 6,0

1.546,4 3,5 12,0

4 de 4

34


Por último, indicar que existen diferentes empresas que han desarrollado sus propios programas de cálculo. Este es el caso de Viessmann que dispone de la herramienta T-SOL 4.0. El programa T-SOL (Figura 17) ofrece el apoyo necesario para el dimensionamiento de sistemas solares térmicos mediante, así como para la optimización de los componentes del sistema y cálculo del rendimiento y de la eficiencia, como también el Cálculo económico. Tiene la capacidad de importar y exportar datos lo que permite realizar simulaciones con datos medidos o procedentes de diversas fuentes (perfiles de consumo medidos, datos específicos de radiación, datos procedentes del programa METEONORM, etc.).

Figura 17. Pantalla del programa T-Sol.

El informe detallado de resultados obtenidos con este programa para una vivienda unifamiliar situada en Cáceres para cobertura de ACS y calefacción por radiadores se muestra a continuación.

35


Perfil de carga: Casa unifamiliar (max. de mañana) Colector tubular : Vitosol 100 2,5 Fabricante:

Viessmann Werke GmbH + Co

Dimensión /Tipo Superficie bruta: Área de referencia: físico)

2,72 m² 2,5 m² (no tiene significado

capacidad térmica capacidad térmica específica :

6400 Ws/m²/K

Pérdidas ópticas Factor de conversión: Factor de corrección del ángulo para radiación difusa: Factor de correción del ángulo para 50 % de desviación de la perpendicular::

82,6 % 90 % 95 %

Pérdidas caloríficas

36


simple Coeficiente de transmissión de calor :

3,68 W/m²K

37


Cuadrado Coeficiente de transmissión de calor :

0,0107 W/m²K²

todos los datos relativo al Área de referencia. Depósito de disponibilidad bivalente de ACS:

Vitocell-B 100 (300 Liter)

Fabricante:

Viessmann

Volumen:

300 l

altura / diámetro:

3,30

Aislamiento Espesor del Aislamiento: Coef. de conductividad térmica:

Conexiones Salida - depósito superior: W/K Entrada - depósito inferior: W/K Retorno de la circulación:

51 mm 0,03 W/(m*K) Altura

Pérdidas

100 % 0 % -sin-

0,1 0,1

Intercambiador de calor conectado con el circuito del colector Retorno: 6 % 0,1 W/K Impulsión: 52 % 0,1 W/K Intercambiador de calor para calefacción auxiliar Retorno: 60 % Impulsión: 84 %

0,1 W/K 0,1 W/K

Intercambiador de calor Valor kS Intercambiador de calor conexión del circuito del colector: 1,65 W/K por litro de volumen del depósito Valor kS Intercambiador de calor para calefacción auxiliar: 0,99 W/K por litro de volumen del depósito

Control Temperatura deseada del depósito:

45 °C

tiempo de carga limitado:

-ningunaAltura

Temperatura on\off

Calefacción auxiliar

38


Encender: Apagar:

70 % 70 %

-3 K 3 K

39


conexión del circuito del colector encender /apagar: Apagar:

10 % 90 %

90 °C

Caldera: Vitola 100 15 kW Fabricante: Potencia nominal:

Viessmann 15 kW

Tipo de combustible: Diferencia de temperatura Mezcla de retorno Combustible:

caldera de un nivel 20 K -ningunaGasoil (L)

Grado de eficiencia con temperatura de retorno

94 % 60 °C

Grado de eficiencia con temperatura de retorno

94 %

Períodos de operación sin funcionamiento:

30 °C

--ninguna--

Resultados de la simulación anual Ahorro de Gasoil (L)

420 l

Emisión de CO2 evitada

1146 kg

fracción solar cobertura ACS

92,2 %

Rendimiento del sistema

30,8 %

Energía sistema solar en el ACS

2821 kWh

Energía de la calefacción auxiliar

239 kWh

Radiación global horizontal

1669 kWh

Suministro de energía para preparación de agua potable

2381 kWh

Demanda energética para preparación del agua potable 2381 Consumo de agua caliente sanitaria

58,4 m³

Consumo del agua caliente

37,7 m³

Energía suministrada por el colector

2821 kWh

kWh

Grado de aprovechamiento del circuito del colector 30,8 % Radiación global en el plano inclinado

1835 kWh

40


Radiación global en el plano inclinado, superficie con sombra

1835 kWh

41


Radiación sobre la área bruta (sin sombre) 9,98 MWh Radiación sobre la área bruta 9,98 MWh Radiación sobre la superficie de referencia (sin sombra) 9,17 MWh Radiación sobre la superficie de referencia 9,17 MWh Pérdidas tuberia externa 81,3 kWh Pérdidas tuberia interna 781 kWh Pérdidas del depósito 672 kWh modificación del contenido energético 7,71 kWh Energía suministrada por la caldera

239

kWh energía primaria equivalente

271

kWh Consumo de Gasoil (L)

26,5 l

Resultados como tabla >-------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------<

Ener Feb Total Unidad

Marz Abr May Jun

Jul

Ago

Sep Oct

Nov

Dic

>-------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------<

Gasoil (L) ahorr. 21,6

21,2 22,0 420

30,1 34,7

43,1

43,6

42,4

45,2

43,8

43,1

29,0

l

>-------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------<

Emisión de CO2 evitada 57,9 60,0 82,2 94,7 118 1146 kg

119

116 123

120

118

79,2 59,0

>-------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------<

Cobertura ACS

76,6 83,5 92,2 %

94,4 96,7

98,0

100 100 100

98,8

96,3

89,1

75,7

>-------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------<

grado de rendimiento 31,4 36,8

42,1 42,3 30,8

38,3 33,6

30,1

28,8

28,0

25,4

24,2

25,4

%

>-------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------<

E ACS solar

204 211 255 249 2821 kWh

242

62,1 41,7

4,96

244 238

254 246

245

227

207

>-------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------<

E calef. aux. 66,5

239

15,0 8,52

0,00

0,00

0,00

3,05

9,53

27,7

kWh

>-------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------<

G horizontal

58,8 78,0 126 1669 kWh/m²

163

190

210 219

219 164

109

74,2

56,5

>-------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------<

E ACS

235 215 216 205 2381 kWh

183

235

183

174 156

173 171

198

220

234

>-------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------<

E ACS indicada

215 216 205 2381 kWh

174 156

173 171

198

220

234

>-------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------<

Cons. ACS indicado 5,51 5,02 5,58 58,4 m³

5,08 4,90

Cons. ACS 4,66

3,64 2,93

4,51

4,41

4,05

4,52

4,41

5,01

5,39

>-------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------<

4,51 4,03 37,7

2,73

2,31

1,94

2,06

2,09

2,96

3,82

m³

>-------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------<

E circuito colector

204 211

255 249

242

244 238

254 246

245

227

207

42


2821 kWh

>-------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------<

Sfrutt. circ. coll. 42,3

42,1 38,3 30,8

33,6 30,1

28,8

28,0

25,4

24,2

25,4

31,4

36,8

%

>-------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------<

G inclinada, spec. 96,7 110

152 165

168

175 188

210 194

156

123

98,1

43


1835 kWh/m²

>-------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------<

G inclinada, spec., somb. 96,7110 1835 kWh/m²

152

165

168 175

188 210

194

156

123 98,1

>-------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------<

G bruta 0,53

0,53 0,60 9,98

0,83 0,90

0,91

0,95

1,02

1,14

1,05

0,85

0,67

MWh

>-------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------<

G bruta, somb. 0,53

0,53 0,60 9,98

0,83 0,90

0,91

0,95

1,02

1,14

1,05

0,85

0,67

MWh

>-------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------<

G referencia 0,49

0,48 0,55 9,17

0,76 0,83

0,84

0,87

0,94

1,05

0,97

0,78

0,62

MWh

>-------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------<

G referencia, somb. 0,48 0,62 0,49 9,17

0,55

0,76

0,83

0,84

0,87 0,94

1,05

0,97

0,78

MWh

>-------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------<

E pérd. tub. externo 3,69 4,49 6,64 7,55 3,73 81,3 kWh

7,63

E pérd. tub. interna 22,631,5 51,8 65,4 781 kWh

73,1

E pérdidas 31,5

60,0

7,83

8,64

9,84

9,17

6,95

5,11

>-------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------<

85,6

105

117

99,9

66,1

40,1

22,7

>-------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------<

30,0 32,7 672

46,1 56,4

68,0

79,8

82,9

77,2

60,7

46,2

kWh

>-------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------<

E contenido

0,35 4,54 8,03 -3,6 3,74 7,71 kWh

2,42 1,91

-2,5 0,85

-5,0 -11

8,33

>-------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------<

E caldera 66,5

62,1 41,7 239

15,0 8,52

4,96

0,00

0,00

0,00

3,05

9,53

27,7

kWh

>-------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------<

E primaria 70,7

66,1 44,4 271

16,8 9,35

9,02

0,00

0,00

0,00

5,54

17,3

31,3

kWh

>-------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------<

Gasoil (L) cons. 6,93

6,48 4,35 26,5

1,64 0,92

0,88

0,00

0,00

0,00

0,54

1,70

3,06

l

>-------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------<

Leyenda Gasoil (L) ahorr. Ahorro de Gasoil (L) Emisión de CO2 evitada Emisión de CO2 evitada Cobertura ACS fracción solar cobertura ACS grado de rendimiento Rendimiento del sistema E ACS solar Energía sistema solar en el ACS E calef. aux. Energía de la calefacción auxiliar G horizontal Radiación global horizontal E ACS Suministro de energía para preparación de agua potable E ACS indicada Demanda energética para preparación del agua potable E recirculación Pérdidas por recirculación Cons. ACS indicado Consumo de agua caliente sanitaria Cons. ACS Consumo del agua caliente E circuito colector Energía suministrada por el colector Sfrutt. circ. coll. Grado de aprovechamiento del circuito del colector G inclinada, spec. Radiación global en el plano inclinado

44


G inclinada, spec., somb. Radiación global en el plano inclinado, superficie con sombra G bruta Radiación sobre la área bruta (sin sombre) G bruta, somb. Radiación sobre la área bruta G referencia Radiación sobre la superficie de referencia (sin sombra) G referencia, somb. Radiación sobre la superficie de referencia E pérd. tub. externo Pérdidas tuberia externa E pérd. tub. interna Pérdidas tuberia interna E pérdidas Pérdidas del depósito E contenido modificación del contenido energético E elec. E resistencia eléctrica E caldera Energía suministrada por la caldera E primaria energía primaria equivalente Gasoil (L) cons. Consumo de Gasoil (L)

Existen otros muchos programas disponibles para cálculo

de instalaciones

solares. Sin embargo, en este texto se han presentado los más utilizados y que además, se encuentran disponibles libremente o bien a precios razonables.

45


4.7

EJEMPLO DE APLICACIÓN. Se presenta a continuación un ejemplo detallado de dimensionado de una

instalación solar térmica.

4.7.1

DATOS INICIALES.

OBJETO El contenido del proyecto es diseñar una instalación solar térmica para el calentamiento del agua sanitaria en un polideportivo de la ciudad de Oviedo. Debemos hallar y calcular los siguientes parámetros: Datos meteorológicos (temperaturas exteriores y radiación solar) Consumo y necesidades de agua caliente sanitaria. Instalación actual (fuente energética utilizada, calderas de calefacción, así como sistemas de acumulación e intercambio térmicos). Instalación solar propuesta (colectores solares, circuito primario solar, intercambiadores, circuito secundario, y sistemas de acumulación) Ubicación de los elementos de la instalación solar. Balance energético (demanda energética total, mensual y anual, así como el cálculo de los aportes de origen solar que se puedan lograr). Balance económico (coste de la instalación solar, subvenciones estimadas como inversiones finales, ahorro anual, y plazos de amortización). UBICACIÓN El lugar donde se ubicará la instalación es el polideportivo de Vallobín, en la calle Vázquez de Mella s/n, del barrio de Vallobín, en la ciudad de Oviedo. El edificio está compuesto por dos plantas y una pista polideportiva anexa. En la planta superior están situados los accesos a las gradas de la pista, y en la inferior se ubican las siguientes instalaciones: cuatro vestuarios, con seis duchas cada uno, y uno con dos duchas, cuatro monitores de una ducha, un gimnasio y los sistemas actuales de calentamiento de agua sanitaria y calefacción. Los accesos al lugar son por carretera y no suponen obstáculo alguno, al estar integrado el polideportivo en el área urbana de la ciudad de Oviedo.

46


En los alrededores del edificio no hay ningún obstáculo que pueda producir sombras sobre el campo de colectores, a excepción de un árbol junto a la terraza, por lo que se recomienda su transplante. El clima en la zona hace que tengamos una energía anual sobre superficie horizontal de 1100 kW·h/m2, y 1710 horas de sol1, lo cual hace a priori que sea éste un lugar con mayores dificultades de rentabilidad en comparación del resto de regiones del territorio español.

4.7.2 DIMENSIONADO DE LA INSTALACIÓN. DEMANDA ENERGÉTICA Lo primero que debemos realizar es el cálculo de la demanda energética a la que deberá hacer frente la instalación, para ello hemos partido de los datos obtenidos de las actas de asistencia diaria al recinto. El análisis a lo largo de un año de funcionamiento del polideportivo dan como resultado una asistencia mensual y diaria al mismo de (Tabla 1): Tabla 1. Funcionamiento polideportivo.

47


Figura 18. Demanda de ACS. Observando los datos anteriores y la Figura 18 se puede apreciar como en los meses de verano es cuando tenemos una mínima afluencia debido a la falta de actividades en el polideportivo, que si se realizan durante el resto del año. Siendo además la época del año en el que tenemos mayor radiación solar, es por tanto imprescindible analizar cuidadosamente la situación para determinar que cantidad de energía vamos a aportar con nuestra instalación solar. Para calcular la demanda energética también hemos de determinar una serie de parámetros como son la temperatura de diseño, el volumen de agua por persona que se va a tomar como referencia y la temperatura del agua de red. De modo que la demanda se calculará mensualmente mediante la expresión:

Donde: m es la masa de agua consumida; Ce es el calor específico del agua; ∆T es la diferencia entre la temperatura de diseño y la temperatura del agua de red (Tdiseño – Tred). La temperatura de diseño para A.C.S se toma 45 ºC. La temperatura de red viene tabulada mensualmente para cada provincia. El agua consumida se calcula a partir del número de personas que utiliza mensualmente las instalaciones por el consumo de cada una de ellas. Se ha tomado como volumen de agua por usuario la cantidad de 40 l (ordenanza Barcelona). Si bien en algunos textos se indica una cantidad de consumo en torno a los 20 l por usuario, los cálculos realizados in situ, durante el transcurso de dos meses, revelan una mayor aproximación a la realidad el valor de 40 l por persona.

48


La orientación de los colectores ya indicamos que debe ser Sur, el siguiente parámetro a determinar es la inclinación de los mismos, para ello se pueden tomar diversos criterios, como el de dar una inclinación igual a la latitud, o de 10º mayor, etc, en este proyecto vamos arealizar el cálculo de la energía neta al mes en MJ/m2 que proporcionaría una

instalación según distintas inclinaciones, para luego

decantarnos con la que mayor beneficio presente. Para no alargar excesivamente el cálculo lo hemos realizado para una instalación para consumo directo de ACS a 45ºC, es decir sin precalentamiento del agua. Las inclinaciones que vamos a estudiar son: Inclinación de 45º; Inclinación de 50º; Inclinación de 55º e Inclinación de 40º. Los datos de partida son los siguientes: MODELO COLECTOR: TERMICOL T 130 S Sup. Útil: 2,60 m2 Rendimiento óptico: 0,76=b Coeficiente pérdidas: 4,2=m (pdte) La demanda energética en todos los casos es la misma y es la que calcularemos a continuación. Es preciso indicar que se ha aplicado un factor de aporte del 50 % para los meses de invierno y del 75% para los meses de verano. Esto es práctica habitual puesto que no es recomendable diseñar la instalación solar para un aporte del 100 % salvo en casos muy excepcionales. Empezamos expresando por columnas cada una de las variables que necesitaremos en el desarrollo del cálculo (Tabla 2 columnas 1 a 5) Tabla 2. Variables necesarias en el cálculo.

49


50


Para el desarrollo de este cálculo, de acuerdo a la Tabla 2 y siguiendo las indicaciones del apartado anterior, obtenemos finalmente como resultado una demanda anual de 36.070 MJ, (Tabla 3, columna 7) de los que deberemos aportar de forma solar 22.264 MJ siguiendo el criterio del 50% y 75% (Tabla 3, columna 9) Tabla 3. Variables necesarias en el cálculo.

APORTACIÓN ENERGÉTICA SISTEMA SOLAR TÉRMICO Para el cálculo ahora de la aportación de nuestro sistema solar térmico, lo primero es tomar de la tabla correspondiente sobre la energía recibida del sol en una superficie horizontal o irradiación horizontal media, H, en MJ/m2, para cada mes en la provincia de Asturias. (Tabla 4, columna 11, según datos INM o CENSOLAR). Al estar situada el polideportivo en las afueras de la ciudad donde los niveles de polución son muy bajos, y al no advertirse obstáculo alguno que proyecte sombras sobre los colectores, no haremos corrección alguna del valor de H ya expresado.

En caso de situarse en zonas de montaña o con atmósfera muy limpia se

51


puede aplicar un coeficiente de corrección de 1,05 o de lo contrario disminuir el valor de H en zonas muy polucionadas con un coeficiente de 0,95. Además tampoco se

observan otros factores

como microclimas,

nieblas o

reflexión de superficies cercanas que puedan aumentar o disminuir la irradiación horizontal media calculada (Tabla 4, columna 12). Para calcular el valor de la energía neta incidente, E, es necesario antes hallar el factor de corrección por inclinación, k. Con el valor de la latitud y la inclinación de los colectores buscamos en las tablas el valor de la corrección. Para la latitud del lugar, 43,4º por interpolación de los valores de 43º y 44 º (Tabla 4, columna 13). Así una vez hallados los valores de k para cada mes, obtendremos E simplemente multiplicando k por H. Este es el valor de la energía total teórica que cabe esperar por metro cuadrado de colector. Debido a que no toda la radiación solar es aprovechada hay que afectar a dicho valor de una coeficiente corrector, vinculado a unas pérdidas que se han evaluado empíricamente aproximadamente en 6%, por lo tanto el valor de la energía neta incidente por metro cuadrado valdrá 0,94 * k * H. (Tabla 4, columna 14). La energía útil que aportará nuestro colector será

η·E.

A partir de ella se calcula

el rendimiento de nuestros colectores, hay que recordar que el valor de rendimiento se puede aproximar por una recta, que nos suministra el fabricante, y que es función de la temperatura de la placa absorbedora (tmo), de la temperatura ambiente (tao), y de la intensidad incidente (I). η= b – m · (tmo - tao) / I. Pero también debemos hacer unas correcciones a este valor, ya que primero se ha supuesto que los rayos inciden perpendicularmente al colector, cosa que no ocurre en la realidad (0,97), y además hay efectos adversos debidos a la suciedad y envejecimiento de la cubierta (0,97). El conjunto de estas correcciones se engloba en un coeficiente de valor (0,97*0,97=0,94), de modo que el rendimiento que hay que considerar es: η=

0,94*b – m*(tmo - tao) / I.

52


Una vez corregido η, y hallado η·E (Tabla 5, columnas 19 y 20) debemos notar que el acumulador tiene unas pérdidas de calor. Se recomienda estimar unas pérdidas globales del 10% al estar situado éste en un recinto cerrado y calefactado. (Tabla 5, columna 21). Finalmente, podemos hallar el valor de la energía neta disponible al mes por metro cuadrado sin más que multiplicar la energía neta diaria por el número de días correspondientes a cada mes. (Tabla 5, columna 22)

53


SUPERFICIE COLECTORA Y DÉFICIT ENERGÉTICO En este punto, podemos calcular la superficie colectora necesaria dividiendo el consumo de energía total al año entre la energía neta disponible anualmente por m2. La energía solar total será el producto de la superficie de captación por la energía neta disponible al mes por m2. (Tabla 6, columna 23). El porcentaje de sustitución se calcula dividiendo la energía solar total entre las necesidades energéticas mensuales. (Tabla 6, columna 24). El céficit energético será la diferencia entre la aportación solar y el consumo energético mensual. (Tabla 6, columna 25).

POR TANTO, EL CÁLCULO DE LA SUPERFICIE COLECTORA Y LA ENERGÍA SOLAR APORTADA SE RESUME EN LOS SIGUIENTE PUNTOS: 1. ESTUDIO DE LAS NECESIDADES A CUBRIR (HOJA DE CARGA). Calcular mes a mes el consumo energético de acuerdo con los datos de partida. 2. CÁLCULO DE LA ENERGÍA APROVECHABLE (E). Para ello, se busca el valor de H (Tablas INM). Factores de corrección a considerar: k de la inclinación (Unidad 4-1) montaña o atmósfera limpia (1,05) zonas polucionadas (0,95) E = 0,94 * k * H 3. INTENSIDAD MEDIA ÚTIL (I) = ENERGÍA ÚTIL E (J) / TIEMPO ÚTIL (s) Tiempo útil = horas útiles 4. RENDIMIENTO DEL COLECTOR η =

b – m (tmo - tao) / I

η =

0,94*b – m (45 - tao) / I (ta Tablas INM)

5. APORTACIÓN SOLAR POR m2 DE COLECTOR (E η) 6. ENERGÍA NETA DISPONIBLE Caso general (si el acumulador está mal aislado o a la intemperie): 0,85

η E

Caso desfavorable (consumo se efectúa en 2 ó 3 días consecutivos, p.e. en fines de semana): 0,8 η E Caso favorable (consumo últimas horas del día o el acumulador está en un recinto aislado): 0,9 η E 7. SUPERFICIE DE COLECTORES NECESARIA: consumo de energía total anual entre energía neta anual disponible por m2

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8. ENERGÍA SOLAR TOTAL: superficie de captación por la energía neta disponible al mes por m2. 9. PORCENTAJE DE SUSTITUCIÓN: cociente entre la energía solar total y las necesidades energéticas 10. DÉFICIT ENERGÉTICO: diferencia entre la aportación de energía solar y el consumo energético. Resultados para inclinación de 45 º: Tabla 4. Variables de cálculo.

55


Tabla 5. Variables de cálculo.

Tabla 6. Variables de cálculo.

56


De los resultados obtenidos para las diferentes inclinaciones, se comprueba que la inclinación que mayor energía aporta por metro cuadrado es la de 40º, sin embargo se escoge una inclinación para el campo de colectores de 45º fundamentalmente porque, aún ofreciendo un rendimiento ligeramente menor la diferencia, es lo suficientemente pequeña como para tomar en consideración otros motivos como son: 1. Una mejor distribución de energías a lo largo del año ya que es más homogénea que en el caso de 40º, esto se debe a que al aumentar la inclinación favorecemos la captación en los meses de invierno, justamente cuando es más necesario en el polideportivo. 2. Razones de tipo constructivo, se debe a la facilidad y rapidez para construir una estructura soporte con una inclinación de exactamente 45º (prefabricadas). La separación entre filas de colectores (según Figura 19) debe ser de al menos 4,73.m

Figura 19. Separación colectores PCT.

SUBCONJUNTO DE ALMACENAMIENTO El volumen de acumulación se puede calcular siguiendo varios criterios: 1. En función de la superficie captadora. Se suele tomar como valor óptimo en torno a 70 lpor m2 de superficie captadora.

Tomando este criterio obtendríamos

un volumen de acumulación de 70 l/m2 x· 20,3 m2 = 1421 l 2. En función de la temperatura de utilización requerida. Se puede seguir el siguiente gráfico para determinarlo:

57


Figura 20. Determinación volumen acumulador. Con este criterio (tpa. consumo 45ºC) también se llega a un valor de 70 l/m2 x 20,3 =1421 l. 3. En función del desfase entre captación, almacenamiento y consumo. Así, para una coincidencia entre periodos de captación y consumo se toman valores entre 35 y 50 l/m2. Para desfases, no superiores a 24 horas, se toman valores entre 60 y 90 l/m2. Finalmente, para períodos superiores a 24 horas e inferiores a 72 se toma un volumen comprendido entre 75 y 150 l /m2. En nuestro caso el valor óptimo estaría entre los 70 l/m2, ya que el desfase entre la captación, almacenamiento y consumo no es superior a las 24 horas. Con estas premisas el volumen de almacenamiento será 1421 l. Por tanto, se considerará un depósito intercambiador de capacidad 1500 l.

SUBCONJUNTO DE TERMOTRANSFERENCIA a)Intercambiador Para la superficie intercambiadora se suele buscar que ésta esté comprendida entre 1/4 y 1/3 de la superficie útil de los colectores.

58


En nuestro caso al tener finalmente una superficie captadora útil de 20,3 m2, el intercambiador deberá tener una superficie que esté comprendida entre 5,1 y 6,8 m2. Así, el modelo elegido es un INTERACUMULADOR CON SERPENTÍN EXTRAÍBLE DE LA SERIE BSX con un intercambiador, de la marca comercial SALVADOR ESCODA, S.A. (pág. Catálogo 76, de EST-Salvador Escoda Figura 21). Este modelo tiene una superficie de intercambio de 7 m2 y un volumen de acumulación de 1500 litros.

59


Figura 21. Intercambiador Salvador Escoda.

60


b) Fluido caloportador El fluido caloportador deberá ser capaz de soportar sin congelarse una temperatura 5 ºC menor que la mínima histórica que haya sido registrada en la zona. Así, para la provincia de Asturias la mínima histórica

es de –11 ºC, por lo que

deberemos calcular la cantidad de anticongelante para –16 ºC. A partir de las curvas de congelación podemos hallar la proporción en volumen de propilenglicol (también llamado glicol propilénico) o etilenglicol necesarias (Figura 22).

Figura 22. Porcentaje necesario de anticongelante.

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Si usamos propilenglicol el porcentaje necesario de éste es del 35%, mientras que si usamos etilenglicol el porcentaje de anticongelante se reduce a un 30%. c) Conducciones. Se desarrollará el cálculo en el aula de clase. El diámetro comercial más próximo que se obtiene es el de diámetro exterior de 12 mm, que con un espesor de 1 mm corresponde un diámetro interior de 10 mm. d) Bombas de circulación. Para la elección de la bomba de circulación hay que calcular previamente las pérdidas de carga en el circuito, a saber de, las tuberías, accesorios, campo de colectores e intercambiador. Se desarrollará el cálculo en el aula de clase. El resultado es: La pérdida total de presión que debe de soportar el circulador es: 1760 + 2337 + 40,6 + 200 = 4338 mm c.a El electrocirculador que elijamos deberá ser capaz de suministrar esta caída de presión con un margen suficiente, en torno del 20%, para prevenir futuras pérdidas de rendimiento del mismo. Es decir, deberá proveer una presión de al menos 5,2 m.c.a, para un caudal de 1,2 m3/h.

e) Vaso de expansión. El volumen del depósito de expansión, V, se calcula a partir de la expresión: VT x

V=

(0,2 + 0,01x h) Se desarrollará el cálculo en el aula de clase. Se obtiene como resultado: V = 79,8 x (0,2 + 0,01 x 4,4) = 19,47 litros.

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4.7.3

AISLAMIENTO.

Para conducciones interiores y fijándonos en la Tabla 7, correspondiente al RITE y presentada en la UNIDAD 4-1, el valor del espesor será de 20 mm.

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Tabla 7. Espesores aislamiento.

Para conducciones externas el espesor del aislamiento se incrementa en 10 mm para fluidos. Por tanto, deberemos colocar un espesor de 30 mm para las mismas. Si bien estos cálculos están realizados para materiales con una conductividad térmica a 20ºC de 0,040 W/(m·K), si queremos calcular el espesor de los mismos para otros valores deberemos aplicar la siguiente fórmula:

Donde: e es el espesor del aislamiento buscado, eref es el espesor de referencia Di es el diámetro interior de la sección circular λ y

λref

son las conductividades

térmicas respectivas. (λref = 0,04) Y también podemos acudir a los datos suministrados por el fabricante, que para nuestro caso son 19 mm de espesor para las conducciones interiores y de 27 mm para las exteriores.

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4.7.4

ANEXOS.

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Ejemplos de precios (http://www.preoc.es/) Precio U28AO102 Ud Vaso expan.VASOFLEX 12l U28AO103 Ud Depósito expan.VASOFLEX 18l. U28AO104 Ud Vaso expansión VASOFLEX 25l U28AO105 Ud Depósito expan.VASOFLEX 35l. U28AO106 Ud Vaso expansión VASOFLEX 50l U28AO107 Ud Depósito expan.VASOFLEX 80l. U28AO108 Ud Vaso expansión VASOFLEX 140l. U28AO109 Ud Depósito expan.VASOFLEX 200l. U28AO110 Ud Vaso expansión VASOFLEX 300l. U28AO111 Ud Depósito expan.VASOFLEX 425l. U28AO113 Ud Depósito expan.VASOFLEX 600l. U44JA810 Ud Interacumulador Lapesa, MV-1000-SSB U44JA820 Ud Interacumulador Lapesa, MV-1500-SSB

27,17 31,95 40,97 59,40 78,97 122,37 218,17 282,12 405,68 749,46 1.011,50 3.494,24 4.703,04

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U44JA830 Ud Interacumulador Lapesa, MV-2000-SSB U44JA840 Ud Interacumulador Lapesa, MV-2500-SSB

5.050,82 6.126,41

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SH/ARMAFLEX aislamiento profesional para el ahorro energético en instalaciones de calefacción

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CALCULO Y DISEÑO DE INSTALACIONES SOLARES TERMICAS.pdf

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