José María Peña Seva Proyecto Final de Máster Instalación de agua caliente sanitaria y calefacción en viviendas de la localidad de Granadilla de Cáceres.
Universidad San Pablo CEU
ÍNDICE ÍNDICE .........................................................................................................................................1 DOCUMENTO I. MEMORIA ....................................................................................................4 1
Introducción .................................................................................................................................... 4 1.1 La energía solar en España. El marco actual ........................................................................... 4 1.2 Objetivos del proyecto ........................................................................................................... 5 1.3 La tecnología solar .................................................................................................................. 6 2 Descripción de la instalación. ........................................................................................................ 10 2.1 Principios básicos. ................................................................................................................. 11 2.2 Sistema de captación ............................................................................................................ 11 2.2.1 Funcionamiento del colector ........................................................................................... 11 2.2.2 Balance energético ........................................................................................................... 13 2.2.3 Formas de colocación del campo de colectores .............................................................. 14 2.2.4 Montaje de colectores en serie y en paralelo .................................................................. 15 2.2.5 Inclinación y orientación del campo de colectores. ......................................................... 15 2.3 Sistema de almacenamiento ................................................................................................ 16 2.3.1 Acumulador de ACS .......................................................................................................... 16 2.3.2 Estratificación ................................................................................................................... 17 2.3.3 El aislamiento del acumulador ......................................................................................... 18 2.3.4 Sistema de energía de apoyo ........................................................................................... 18 2.3.5 Sistema de regulación y control. ...................................................................................... 19 3 Equipamiento ................................................................................................................................ 19 3.1 Sistema de captación ........................................................................................................... 19 3.1.1 El colector ......................................................................................................................... 19 3.1.2 El absorbedor ................................................................................................................... 20 3.1.3 La carcasa ......................................................................................................................... 21 3.2 Sistemas de almacenamiento y termo-transmisión ............................................................. 22 3.2.1 Acumulador de ACS + Calefacción .................................................................................... 22 3.2.2 Fluido caloportador .......................................................................................................... 23 3.2.3 Conducciones ................................................................................................................... 24 3.2.4 Bombas de circulación ..................................................................................................... 24 3.2.5 Vaso de expansión............................................................................................................ 24 3.3 Sistema de regulación y control ........................................................................................... 25 3.3.1 Regulación diferencial ...................................................................................................... 25 3.3.2 Sistema elemental de control .......................................................................................... 25 3.4 Aislamiento ........................................................................................................................... 26 3.5 Estructura soporte ................................................................................................................ 26 3.6 Otros elementos ................................................................................................................... 27 3.6.1 Purgador y desaireador .................................................................................................... 27 3.6.2 Manómetro ...................................................................................................................... 27 3.6.3 Termómetros y termostatos ............................................................................................ 28 3.6.4 Sondas de temperatura .................................................................................................... 28 3.6.5 Válvulas de paso ............................................................................................................... 29 3.6.6 Válvulas de seguridad....................................................................................................... 29 3.6.7 Válvulas antirretorno ....................................................................................................... 30
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3.6.8
Grifo de vaciado ............................................................................................................... 31
ANEXO A LA MEMORIA....................................................................................................... 32 1
Anexo de cálculos y tablas............................................................................................................. 32 1.1 Descripción energética de la instalación. ............................................................................. 32 1.2 Demandas energéticas de las diferentes aplicaciones ......................................................... 34 1.2.1 Necesidades de ACS ......................................................................................................... 35 1.2.2 Necesidades de Calefacción ............................................................................................. 36 1.2.3 Comparativa de demandas .............................................................................................. 37 1.3 Cálculos de la instalación ...................................................................................................... 38 1.3.1 Captadores ....................................................................................................................... 38 1.3.1.1 Calculo F-Chart de ACS .............................................................................................. 42 1.3.1.2 Calculo F-chart de Calefacción ................................................................................... 43 1.3.2 Volumen de acumuladores .............................................................................................. 44 1.3.3 Disposición de los captadores. ......................................................................................... 45 1.3.4 Pérdidas por orientación y sombreado ............................................................................ 48 1.3.5 Intercambiador ................................................................................................................. 51 1.3.6 Circuito hidráulico ............................................................................................................ 51 1.3.6.1 Primario ..................................................................................................................... 52 1.3.6.2 Secundario ................................................................................................................. 58 1.3.7 Bomba .............................................................................................................................. 60 1.3.7.1 Circuito primario ........................................................................................................ 60 1.3.7.2 Circuito secundario .................................................................................................... 61 1.3.8 Vaso de expansión............................................................................................................ 62 1.3.8.1 Circuito primario ........................................................................................................ 62 1.3.8.2 Circuito secundario .................................................................................................... 63 1.4 Esquema final de la instalación ............................................................................................ 63 2 Anexo del cronograma de implantación. ...................................................................................... 64 2.1 Planificación y del proyecto y generalidades........................................................................ 64 2.2 Diagrama de Gantt ............................................................................................................... 64 2.3 Planificación de los trabajos. ................................................................................................ 65 3 Anexo de las características técnicas de los materiales ................................................................ 69 3.1 Panel Saunier Duval SRH 2.3. ................................................................................................ 69 3.2 Interacumulador combinado ARISTON BL1S 1500/330........................................................ 70 3.3 Vaso de expansión SISCOCAN 5 SMF .................................................................................... 72 3.4 Bomba hidráulica GRUNDFOS UPS 25-120 ........................................................................... 73
DOCUMENTO II. PLANOS ................................................................................................... 74 1
Plano de Ubicación. ....................................................................................................................... 74 1.1 Situación del proyecto .......................................................................................................... 74 1.2 Características de los emplazamientos................................................................................. 75 1.3 Dimensión de emplazamientos ............................................................................................ 75 2 Plano de Implantación de Equipos. ............................................................................................... 77
DOCUMENTO III. PLIEGO DE CONDICIONES................................................................ 81 1
Problemas que puede presentar la instalación ............................................................................. 81 1.1 Corrosión .............................................................................................................................. 81 1.1.1 Lugares donde se produce radiación ............................................................................... 81
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1.1.2 Como evitar la corrosión .................................................................................................. 82 Puesta en marcha de la instalación ............................................................................................... 83 2.1.1 Operaciones de puesta en marcha de la instalación ........................................................ 83 2.1.2 Pruebas de recepción ....................................................................................................... 84 3 Mantenimiento de la instalación .................................................................................................. 85 3.1.1 Mantenimiento y operaciones a realizar por el usuario .................................................. 86 3.1.2 Mantenimiento a realizar por el personal especificado ................................................... 86 3.2 Localización y reparación de averías .................................................................................... 86 2
DOCUMENTO IV. MEDICIONES Y PRESUPUESTO....................................................... 88 1 2 3
Materiales ..................................................................................................................................... 88 Mano de obra ................................................................................................................................ 89 Total .............................................................................................................................................. 89
BIBLIOGRAFÍA: ..................................................................................................................... 90
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DOCUMENTO I. MEMORIA 1 Introducción 1.1
La energía solar en España. El marco actual
Como bien es conocido el Plan de Energías Renovables en España (PER) 2005-2010 trata de mantener el compromiso de cubrir con fuentes renovables al menos el 12% del consumo total de energía en 2010. La energía solar térmica, por su sencillez, es una pieza clave dentro del desarrollo de las energías renovables. Contribuye por lo tanto a un modelo sostenible de abastecimiento energético, que pretende reducir el impacto ambiental que supone el uso de energía y favorecer la independencia energética. Las instalaciones solares térmicas no vierten ningún tipo de contaminante asociado a su operación, su energía se produce cercana al punto de consumo y son fáciles de instalar, por ello la energía solar térmica está perfectamente en línea con la sostenibilidad. En España, el Plan de Fomento de las Energías Renovables 2000-2010 pretende doblar el porcentaje de abastecimiento basado en estas fuentes (del 6% al 12%) y siguiendo lo establecido en el Protocolo de Kioto deben limitarse las emisiones de gases de efecto invernadero. Para llevar esto a cabo existen diversos programas de financiación destinados a promover proyectos de energías renovables y proyectos energéticos eficientes en los ámbitos Europeo, Nacional, Regional y Municipal. En el ámbito de diseño, el punto de partida se encuentra en las exigencias impuestas por el Código Técnico de la Edificación, concretamente en el apartado de Documento Básico de Ahorro de Energía, también referido en el presente documento como CTE DB HE. Este Documento Básico (DB) tiene por objeto establecer reglas y procedimientos que permiten cumplir las exigencias básicas de ahorro de energía. Las secciones de este DB se corresponden con las exigencias básicas HE 1 a HE 5. La correcta aplicación de cada sección supone el cumplimiento de la exigencia básica correspondiente. La correcta aplicación del conjunto del DB supone que se satisface el requisito básico "Ahorro de energía". Siendo éstos los puntos:
Exigencia básica HE 1: Limitación de demanda energética
Exigencia básica HE 2: Rendimiento de las instalaciones térmicas
Exigencia básica HE 3: Eficiencia energética de las instalaciones de iluminación
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Exigencia básica HE 4: Contribución solar mínima de agua caliente sanitaria
Exigencia básica HE 5: Contribución fotovoltaica mínima de energía eléctrica
Para el cálculo de nuestro sistema térmico solar, nos centraremos principalmente en el CTE DB HE4 que mediante el método determinado por este Documento Básico.
1.2
Objetivos del proyecto
Se plantea resolver el siguiente proyecto de instalación solar térmica para el abastecimiento de Agua Caliente Sanitaria y Calefacción para la superación de los créditos correspondientes a la asignatura del Proyecto Final del Master, del curso de postgrado de Energías Renovables, impartido por la Universidad CEU San Pablo de Madrid. El objetivo del presente proyecto, es el diseño de una instalación solar térmica de bajamedia temperatura para el suministro de Agua Caliente Sanitaria (ACS) de cuatro viviendas rehabilitadas, así como la obertura de calefacción en una de ellas que hace las veces de oficina de turismo. Parte de dicho objetivo es realizar un presupuesto minucioso del mismo, de forma que analizaremos con más detalles la viabilidad de este, así como la rentabilidad de la implantación del sistema solar térmico. Se amplía el estudio con un sistema de calefacción mediante suelo radiante para un mayor aprovechamiento de la instalación en invierno en una de las viviendas/oficina de turismo y la posibilidad de disipar la energía sobrante en los meses estivales en una piscina al aire libre cercana a las dependencias de las viviendas del estudio, aumentando así, el periodo de baño en los meses cercanos al verano. Podremos observar en la siguiente imagen (Figura 1) la disposición de cada una de las viviendas, así como también veremos posteriormente las distancias y las dimensiones de cada elemento a evaluar.
Figura 1. Captura satélite del emplazamiento de Granadilla, Cáceres
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A lo largo de este estudio, veremos las dimensiones de cada una de las viviendas y oficinas propuestas en este proyecto. Además dentro de este objetivo, se nos plantea la necesidad de una serie de condiciones como serán la de utilizar captadores del modelo SRH2.3 Saunier Duval, que será el que utilicemos en toda la instalación, así como por ejemplo también dispondremos la instalación de forma conjunta, aunque por motivos de espacio, que se puedan dar, dividamos la cantidad total de los captadores por las diferentes cubiertas. Siempre intentando que no exista una sobre disgregación de paneles de forma que se aumentarían las pérdidas térmicas, así como el coste total a valores inadmisibles. La Normativa básica en la que nos apoyaremos es el Código Técnico de la Edificación (CTE), utilizando de manera específica el documento básico de Ahorro Energético (HE) y el Reglamento de Instalaciones Térmicas en Edificios (RITE).
1.3
La tecnología solar
Una instalación solar térmica cualquiera, está formada diversos elementos básicos e indispensables siendo estos: por un lado, los módulos de captación de la radiación solar, transformándola en energía térmica utilizable por el sistema mediante un fluido de trabajo, dicho fluido cederá su energía calorífica al agua de consumo mediante un módulo de intercambio, y además, debido a la brecha temporal entre la generación y el consumo, nos encontramos con la necesidad de incorporar un modulo de almacenamiento, siendo éste lo más eficiente posible. Dicho sistema, como todo el mundo sabe, no será cien por cien eficaz para suplir la demanda en todos los momentos del año, de forma que el aporte energético se complementa con un generador auxiliar, estableciéndose dos categorías dependiendo de cual sea la fuente de dicha generación auxiliar, pudiendo ser: a) General: el cual debe contar con una fuente de generación de gasóleo, propano, gas natural, u otras. b) Efecto Joule: cuya generación eléctrica se hace mediante resistencias por el llamado efecto Joule. Los sistemas que conforman la instalación solar térmica para agua caliente son los siguientes:
Sistema de captación: está formado por los colectores solares, encargados de transformar la radiación solar incidente sobre los mismos en energía térmica aprovechable y transportada mediante un fluido de trabajo.
Sistema de acumulación: constituido por uno o varios depósitos que almacenan el agua caliente hasta que se precisa su uso.
Circuito hidráulico: constituido por tuberías, bombas, válvulas, etc., que se encarga de transportar la energía térmica a través del fluido caliente hasta la acumulación.
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Sistemas de intercambio: que realizan la transferencia de la energía térmica desde el circuito de captadores ó primario hasta el consumo.
Sistema de regulación y Control: que se encarga por un lado de asegurar el correcto funcionamiento del equipo para proporcionar la máxima energía solar térmica posible y, por otro lado, actúa como protección frente a la acción de múltiples factores como sobre calentamientos del sistema, riesgos de congelaciones, etc.
Equipo de energía convencional auxiliar o de apoyo: que se utiliza para complementar la contribución solar suministrando la energía necesaria para cubrir la demanda prevista, garantizando la continuidad del suministro de agua caliente en los casos de escasa radiación solar o demanda superior a la prevista.
El objetivo básico del sistema solar es suministrar al usuario una instalación que: a) Optimice el ahorro energético global de la instalación en combinación con el resto de equipos térmicos del edificio. b) Garantice la durabilidad y calidad suficientes. c) Garantice un uso seguro de la instalación.
El elemento más característico de una instalación solar son los sistemas de captación solar, y podremos destacar entre estos:
Captador solar plano Su presencia es mucho mayor a la de los demás captadores, llegando hasta un 90%, siendo este el que utilicemos en nuestro sistema, por ser el más apropiado.
Captador tubo de vacío Tienen coste superior y son muy útiles en lugares con poca radiación y permiten obtener temperaturas superiores.
Captadores abiertos plásticos Tienen condiciones operativas peores que los sistemas anteriores, debido a sus altas pérdidas de calor, pero esto es compensado por su bajo coste, que lo hacen ideal para la climatización de piscinas al aire libre, donde no existe exigencias de
Sus partes principales son:
Cubierta: elemento de material transparente a la radiación solar, suele usarse vidrio.
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Absorbedor: lámina metálica o varias aletas adheridas. Normalmente están fabricadas en cobre, debido a su alto coeficiente de transmisión de calor, presentando algún tratamiento superficial (pintura) que mejore sus prestaciones. El más extendido es el absorbedor de parrilla, es decir, el constituido por varias tuberías paralelas que se unen a los conductos de distribución.
Aislamiento: se coloca en los laterales y en el fondo de la carcasa, para disminuir la transmisión de calor hacia el exterior. Suele estar constituido por lana de roca o fibra de vidrio.
Carcasa o Caja: contenedor de los elementos del captador que suele ser de aluminio o acero galvanizado para soportar las condiciones exteriores.
El fluido caloportador que circula en su interior puede ser agua de red o agua más glicol, según las características climatológicas del lugar de instalación y de la calidad del agua empleada. Los colectores se encontrarán anclados al tejado mediante un soporte adecuado y podrán estar conectados en serie, paralelo ó serie-paralelo en función de la configuración. La unión entre los colectores ha de ser flexible para prevenir las dilataciones debidas a los gradientes de temperatura. Se debe proteger el sistema frente a heladas por lo que se fijará la temperatura mínima del sistema. Todas las partes del sistema que estén expuestas al exterior deben ser capaces de soportar la temperatura especificada sin daños permanentes en el sistema. Para evitar sobrecalentamientos se deben dotar las instalaciones de dispositivos de control automático o manuales para evitar que dañen los equipos y se penalice la calidad del suministro energético. En España la forma más habitual de calefacción por agua es la de radiadores alimentados desde calderas individuales o colectivas. Estos radiadores necesitan para funcionar eficazmente una temperatura relativamente alta, entre 70 y 90°C. Esta temperatura es fácil de alcanzar y mantener mediante sistemas convencionales de energía pero no por un sistema de energía solar térmica. La única posibilidad de obtener una buena calefacción utilizando colectores solares es mediante la utilización de suelo radiante, ya que el sistema funciona eficazmente a una temperatura muy inferior, en torno a los 40°C, siendo este un rango óptimo de funcionamiento para los colectores solares. Las principales ventajas que aporta el suelo radiante son el confort y la salubridad entre las que se describen a continuación. De todos los sistemas existentes de calefacción, el suelo radiante es el que mejor se ajusta al perfil óptimo de temperaturas del cuerpo humano. Este perfil es aquel en que la temperatura del aire a la altura de los pies es ligeramente superior a la temperatura del aire a la altura de la cabeza. Esto se traduce en una percepción, por parte del usuario del sistema, de una mayor sensación de confort.
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El emisor térmico es todo el suelo del área a calefactar. Esto da lugar a que la emisión térmica sea uniforme en toda la superficie. Este fenómeno se contrapone al de zonas calientes y zonas frías que se obtiene con otros sistemas de calefacción en los cuales existe un número limitado de emisores de calor. La velocidad de migración de las capas de aire caliente hacia zonas frías es proporcional a la diferencia de temperaturas del aire entre ambas zonas, caliente y fría. Como la temperatura de la superficie emisora (pavimento) de un sistema de calefacción por suelo radiante es baja (inferior a 30°C), esa diferencia de temperaturas del aire es muy reducida lo que origina que el movimiento de aire produce menor movimiento de polvo y un entorno más higiénico y saludable. El ahorro energético medio es aproximadamente del 20% respecto a si se calefacta por radiadores y superior si se hace por convectores de aire. Para una misma sensación térmica percibida por el usuario, la temperatura ambiente de un local es inferior si dicho local se calefacta mediante suelo radiante a si se calefacta por otro sistema. Otro factor que influye en el ahorro energético es la disminución de pérdidas de calor en la sala de calderas y en las conducciones hasta colectores debido a la menor temperatura del agua de impulsión y retorno en comparación con otros sistemas de calefacción. Es un sistema de calefacción que ofrece una total libertad de decoración de interiores ya que los emisores de calor están ocultos. Para aprovechar el excedente energético en las estaciones estivales, donde no tendremos necesidades de calefacción, y las necesidades de agua caliente sanitaria disminuirán, este se usará en aumentar el periodo de baño de la piscina comunitaria. Además, como lo determina el CTE DB HE4, una medida de mantenimiento para evitar sobrecalentamientos de nuestro sistema solar térmico, es el de desviar los excesos de temperatura, derivando de esta forma, en los meses de mayor generación energética, nuestros excesos de energía en una piscina cercana a las dependencias a aclimatar. De esta forma, ya que la aclimatación de piscina al aire libre, no esta reglada por el CTE DB HE4, no existe una contribución solar mínima que haya que satisfacer, es por tanto una solución fácil por el que, por un lado se derivan los posibles excesos energético en los meses estivales, a la aplicación ya comentada, y por otro lado se alarga la temporada de piscina en los meses cercanos al comienzo y fin del verano, siendo incluso posible cubrir hasta 6 meses.
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2 Descripción de la instalación. En esta sección del documento, se va a hablar de todo lo referente a los datos iniciales así como los de cálculo para llevar a cabo el dimensionamiento de nuestra instalación. De forma que trataremos tanto con los datos iniciales, como pueden ser las dimensiones del emplazamiento, o la radiación del lugar, así como también tendemos datos a calcular como la demanda o numero de captadores. Aquí se establecerán los elementos con los que contará el sistema de captación solar, así como su distribución por los diferentes circuitos. En las siguientes líneas (Figura 2), se representa un esquema sintetizado donde se muestran todos los elementos de la instalación para nuestro caso particular.
Figura 2. Esquema de la instalación solar térmica.
En este esquema se representan por ejemplo el sistema de captación solar, como un modulo conjunto sin definir el número, debido a que esta pendiente de cálculo, pero además, podemos ver como también esta presente el sistema de calefacción que como lo definimos anteriormente se va a tratar de un sistema de calefacción por suelo radiante, así como también esta establecido la necesidad de la piscina al aire libre como método de derivación de energía en los meses de mayor generación. Posteriormente, en el presente documento, una vez hecho todos los cálculos pertinentes, se realizará un esquema como el anterior, pero detallando todos y cada uno de los elementos, como números de captadores, disposición de válvulas y sistemas de control, etc.
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2.1
Principios básicos.
Si bien se puede diseñar la instalación con una gran variedad de variantes lo cierto es que actualmente, prácticamente la totalidad de ellos consisten en la combinación de un colector de placa plana junto a un acumulador, bien formando un conjunto o bien independientemente. Es importante tener presente que uno de nuestros objetivos es conseguir el máximo ahorro de energía convencional y, por lo tanto, de dinero. Y esto no es a veces compatible con determinados diseños de sistemas en los que se hace trabajar indebidamente al sistema, causando así un pobre rendimiento a la inversión realizada. Evidentemente lo primero que debemos hacer es proveer al sistema del número suficiente de colectores para poder captar la energía necesaria, asimismo debemos elegir a la inclinación idónea para aprovechar la máxima cantidad de energía solar disponible en cada mes. A la vez que será preciso regular la captación de dicha energía para que realmente se convierta en energía útil. Será pues necesario medir y comparar permanentemente los niveles de temperatura en los colectores y en el almacenamiento, así como disponer de los mecanismos automáticos necesarios para que en el circuito primario se establezca o la circulación del fluido, en función de si se produce o no un incremento de la energía útil acumulada. Es por ello que se hace imprescindible hablar del concepto de regulación diferencial. También deberemos prestar atención a consumir prioritariamente la energía solar, así, el sistema de almacenamiento deberá trabajar de modo que favorezca el uso prioritario de la energía solar frente a la auxiliar y nunca al revés. En todo caso hay que asegurar la correcta conjunción entre energía solar y convencional, es decir precalentar toda el agua que posteriormente sea consumida, y alcanzar la temperatura de uso con la mínima cantidad de energía auxiliar. Así como la conveniencia de evitar mezclar la energía solar con la auxiliar.
2.2
Sistema de captación
El grupo de elementos de captación es el encargado de captar la energía solar incidente y transformarla en energía térmica, y está formado por los colectores, sus elementos de sujeción y demás accesorios.
2.2.1 Funcionamiento del colector En un colector de placa plana, la energía calorífica se produce de la siguiente forma. Un cuerpo expuesto al sol recibe un flujo energético Ep, bajo cuyo efecto se calienta, a su vez se producen pérdidas térmicas, por radiación, convección y conducción del mismo a su alrededor, las cuales hacen que en esta situación se llegue a un momento en que las pérdidas térmicas igualan a la energía producida por el flujo energético incidente, alcanzándose entonces la llamada temperatura de equilibrio toe. O lo que es igual:
Si ahora, de este sistema extraemos de una forma una parte de calor producido para aprovecharlo como energía utilizable, Eu, llegaremos a un equilibrio donde:
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De modo que Ep es ahora menor de lo que era anteriormente, ya que no toda la energía incidente se pierde, sino que una parte es aprovechada, se dice entonces que el cuerpo se ha convertido en un colector de energía solar térmica. Otro factor importante es que cuanto mayor sea la diferencia de temperatura entre la temperatura de utilización y la temperatura ambiente, mayores serán también las pérdidas térmicas y por lo tanto menor la cantidad de energía útil que podremos aprovechar. Esto significa que el rendimiento disminuye a medida que la temperatura de utilización aumenta. Por ello es importante hacer trabajar a los colectores a la temperatura más baja posible, siempre que sea compatible con la temperatura mínima necesaria para su utilización. Analicemos el proceso que se produce al incidir en el colector y la radiación electromagnética, debemos recordar antes que al incidir sobre un cuerpo, ésta puede ser total o parcialmente absorbida, otra parte podría ser reflejada y una última atravesar el cuerpo. La energía que contiene la radiación que es absorbida hace que el cuerpo se caliente y emita a su vez radiación, con una longitud de onda que dependerá de la temperatura de éste. La mayor parte de la radiación solar está comprendida entre 0,3 y 2,4 μm, por lo que al ser el vidrio transparente, es decir, que deja pasar a través de él la radiación electromagnética, entre 0,3 y 3 μm, la luz atravesará el vidrio sin mayor problema. Si bien una pequeña parte se reflejará en su superficie y otra será absorbida en su interior, dependiendo del espesor del mismo. Después de atravesar el vidrio, la radiación llega a la superficie del absorbedor, el cual se calienta y emite a si vez radiación con una longitud de onda mas o menos comprendida entre 4,5 y 7, 2 μm, para la cual el vidrio es opaco. Es decir, la radiación emitida por el absorbedor será reflejado en un pequeño porcentaje por la superficie interior del vidrio, y el resto será absorbido por él, con lo que éste aumentará de temperatura y comenzará a emitir radiación, la cual se repartirá a partes iguales hacia el exterior y el interior del colector, contribuyendo así a un aumento de la temperatura en la superficie del absorbedor, este fenómeno se conoce con el nombre de efecto invernadero. Esto hace que si consideramos al colector expuesto al sol sin ninguna circulación de fluido en su interior, la temperatura del absorbedor se elevará progresivamente y también las pérdidas por conducción, convección y de radiación, éstas crecen con la temperatura. De tal modo que llega, como ya dijimos, a alcanzar entonces la temperatura de equilibrio estático. Si ahora permitimos circular el fluido caloportador por el interior del colector, entrando por un orificio y saliendo por otro, dicho fluido al tomar contacto con la parte interior del absorbedor, va aumentando de temperatura, a expensas de la energía acumulada en el absorbedor. Si se mantiene una circulación del
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fluido bajo condiciones estacionarias, llegará a un momento en que se volverá a alcanzar una nueva temperatura de equilibrio, llamada temperatura de equilibrio dinámica, siendo ésta evidentemente más baja que la temperatura de equilibrio estática. Esta temperatura que alcanza el fluido es siempre menor que la del absorbedor, debido a las características físicas del proceso de conducción del calor. Además la temperatura no es igual en todos los puntos del fluido, por lo que el utilizaremos una temperatura media, la cual definiremos por la semisuma de las temperaturas de la fluido caloportador a la entrada y a la salida:
Tener en cuenta que cuando el colector está funcionando deberá cumplirse que la temperatura de salida es mayor que la entrada, de lo contrario ocurriría que el absorbedor estaría perdiendo calor hacia exterior a expensas del fluido caloportador, hecho que podría ocurrir si se hiciese circular el fluido por la noche o en momentos de nubosidad. La máxima temperatura que un colector instalado puede alcanzar es la temperatura de equilibrio estática, la cual conviene conocer, ya que cuando la instalación solar éste parada esta temperatura será alcanzada, y además porque la temperatura máxima teórica de utilización siempre será inferior a la temperatura de equilibrio estático.
2.2.2 Balance energético Con el fin de llegar brevemente a una expresión matemática sencilla, capaz de expresar el balance energético del colector para unas determinadas temperaturas de trabajo, partiremos de definir un factor capaz de medir la eficiencia del proceso de transferencia de calor que se da entre la superficie de absorción y el fluido refrigerante. Esta medida la realizaremos a través de su incidencia en el proceso global de extracción del calor útil del colector, definiéndolo aquí como la relación entre la ganancia energética útil real y la que tendría si toda la superficie absorbente del colector estuviese a la misma temperatura que la de trabajo representativa del fluido. Si denominamos I a la irradiación sobre la cara expuesta del colector y (ԏα)ө al producto de la transmitancia de la cubierta por la absortancia de la placa de absorción. La energía efectiva absorbida por el colector es:
Las pérdidas térmicas del colector vienen dadas por: ) Siendo:
Tf: la temperatura de trabajo representativa del fluido colector.
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El factor F, es el factor de eficiencia y se define como:
Siendo F un valor entre 0 y 1, siendo 1 en el caso de un colector ideal. Por lo tanto, podemos escribir como expresión del calor útil extraído del colector:
Donde:
AI: cantidad de energía útil que le llega a la superficie expuesta del colector. : eficiencia instantánea de conversión.
Si además posicionamos el colector, de tal forma que la radiación solar incida perpendicularmente a él, y teniendo en cuenta que la ganancia térmica útil nos vendrá dada por:
Siendo:
Cp: calor especifico del fluido. M: masa de éste que circula en un intervalo de tiempo unidad. Con lo que el balance energético del colector será:
Esta expresión cuya interpretación física nos dice que en condiciones cuasiestacionarias, y dentro de un intervalo de temperaturas media del fluido refrigerante, en las que UL se pueda considerar prácticamente constante, el rendimiento instantáneo de un captador plano es función lineal de dicha temperatura, si mantenemos constante el valor de la irradiancia.
2.2.3 Formas de colocación del campo de colectores En instalaciones pequeñas o muy pequeñas, propiamente no puede hablarse de campo de colectores, ya que se limitan a un reducido número de colectores (a veces uno solo), que puede o pueden formar parte de un kit, o estar simplemente apoyados en una pared del edificio o en una terraza o en el tejado.
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Recordemos que la separación entre los paneles viene dada por el problema de las sombras que se proyectan entre si los paneles. En nuestro caso colocaremos los colectores en le tejado correspondiente a la oficina de turismo, con sus correspondientes soportes con su correcto nivelado en el pavimento.
2.2.4 Montaje de colectores en serie y en paralelo Excepto en instalaciones muy pequeñas, se precisará, normalmente, un cierto número de colectores en lugar de uno solo, colectores se pueden instalar de varias maneras en consideración al sentido de circulación del líquido. En el montaje en serie, el líquido entra por la parte inferior de un panel y sale por la parte superior, entrando seguidamente por la parte inferior del siguiente panel, y así sucesivamente. El caudal es el mismo para todos los paneles situados en serie, y el líquido se va calentando progresivamente cada vez que atraviesa un panel. Como el rendimiento energético de un panel depende de la temperatura de salida, se comprende que el primer panel que atraviesa el líquido será el que proporcionará el máximo rendimiento, por estar el líquido más frío. El último panel tendrá un rendimiento pequeño. Por esta razón no deben colocarse muchos paneles en serie, ya que hacen bajar el rendimiento de la instalación. A lo sumo, se pueden colocar tres paneles en serie, y esto en aplicaciones que requieran temperaturas altas como es el caso de calefacción por convectores. Los paneles también se pueden colocar en paralelo. En este caso, el caudal de líquido se reparte entre los distintos paneles. Si todos son iguales, cada uno de ellos será atravesado por un caudal igual al caudal total dividido por el número de paneles. En este caso los paneles trabajan con alto rendimiento, si bien la temperatura de salida de los mismos es moderada. Generalmente, este sistema es el utilizado para el calentamiento del agua caliente sanitaria, calefacción por suelo radiante y calentamiento de piscinas. Según la forma de la conexión, determinados tipos de paneles se prestan más a ser colocados en serie o en paralelo. Los paneles con conexiones situadas en los laterales superior e inferior se prestan más bien para su instalación en serie, aun cuando pueden instalarse también en paralelo, disponiendo en este caso de dos tubos colectores exteriores. En el caso de las baterías en serie, el número de paneles que se pueden poner está limitado por razones de eficacia, como se ha comentado anteriormente; en las baterías en paralelo, el factor limitativo es la velocidad del líquido que circula por las tuberías colectoras, que no es aconsejable que diste demasiado del valor de 1 m/s. No obstante, en paralelo pueden colocarse muchos más paneles que en serie.
2.2.5 Inclinación y orientación del campo de colectores. La eficacia de captación de energía solar depende del ángulo de inclinación del colector solar.
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Sabemos que la máxima eficacia de captación se produce cuando el ángulo de incidencia de la radiación respecto a la normal del colector es el menor posible. Ello solo puede obtenerse moviendo continuamente el colector. Sin embargo, en el caso de paneles solares, estos permanecen fijos o, en casos especiales, adoptan dos o tres posiciones a lo largo del año. Se demuestra que, manteniendo el colector orientado al Sur, en el hemisferio norte, o hacia el Norte, en el hemisferio Sur, el balance energético anual es máximo cuando la inclinación del colector es aproximadamente igual ala latitud. No obstante, no siempre interesa obtener el máximo anual. Pensemos, por ejemplo, en las necesidades de agua caliente para usos domésticos. El consumo de una vivienda en agua caliente no difiere excesivamente del invierno al verano. Si situamos los colectores con una inclinación igual a la latitud, obtendremos la máxima cantidad anual de agua caliente repartida de la siguiente forma: poca en invierno y mucha en verano. Otro ejemplo es el de la calefacción. Estas necesidades las precisamos en invierno y no en verano. La forma de solucionar estos problemas consiste en dotar a los colectores de una inclinación adecuada. En invierno el Sol está más bajo y sus rayos inciden más horizontalmente. Por esta razón una captación de energía solar en invierno precisaría colectores muy inclinados. Por el contrario, una captación preferente en verano exigiría que los colectores solares tuvieran poca inclinación.
2.3
Sistema de almacenamiento
Es evidente la absoluta necesidad de disponer de un sistema de almacenamiento que haga frente a la demanda en momentos de insuficiente radiación solar. La forma más sencilla y habitual de almacenar energía es mediante acumuladores de agua caliente, los cuales suelen ser de acero, acero inoxidable, aluminio o fibra de vidrio reforzado.
2.3.1 Acumulador de ACS Dado que la energía solar no es constante (alternancias del día y de la noche, días nublados, etc.), mientras que el consumo diario sí lo es, se preciso disponer de sistemas que permitan almacenar este calor para cuando sea necesario. Es evidente que en días despejados se producirá una captación importante de energía solar, especialmente en las horas centrales del día, mientras que en un día nublado (muy tapado) el panel solar estará tan sólo algunos grados centígrados por encima de la temperatura ambiente. Por otra parte, los consumos tampoco son regulares a lo largo del día, concentrándose en ciertas horas, mientras que hay períodos en los que el consumo es nulo. De ahí, pues, la necesidad de almacenar el calor. El calor puede almacenarse guardando un líquido caliente (generalmente agua casi siempre tratada con aditivos anticongelantes y anticorrosivos) o bien calentando objetos sólidos (generalmente piedras), los cuales calientan a su vez el aire circundante.
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En cualquier caso, un acumulador de calor es un recipiente dentro del cual la temperatura es más elevada que en el exterior. Para poder conseguir que el calor no atraviese la envoltura del acumulador, éste debe aislarse térmicamente de un modo efectivo del exterior. Los acumuladores de calor, pueden colocarse en cualquier sitio: los pequeños (hasta 1 m³) pueden estar en una habitación, en un armario, en la buhardilla, etc. Los medianos (hasta 10m³) pueden situarse en el garaje, sótano, etc., mientras que los grandes (más de 10 m³) suelen situarse en compartimentos especiales para ello, o bien enterrados o semienterrados en el suelo. Aparte de la capacidad calorífica, el volumen, el peso, etc., dos aspectos son importantes en el diseño del acumulador:
La temperatura de trabajo.
Las pérdidas de calor
Las pérdidas por conducción (que se aprecian por estar la pared exterior del acumulador a una cierta temperatura) se evitan disponiendo del conveniente espesor de aislante térmico apropiado, mientras que las pérdidas por convección y radiación se evitan forrando exteriormente el acumulador de materiales lisos y poco emisivos como la plancha de aluminio. Como se observa, si el acumulador está forrado exteriormente con un material concreto, las pérdidas de calor dependen del espesor y tipo de aislante térmico, de su superficie lateral y de la diferencia de temperatura entre el interior y el exterior. Por estas razones, los acumuladores de calor no deben estar a la intemperie (expuestos al viento, que hace aumentar las pérdidas por convección), ni mucho menos en lugares sombríos y fríos al aire libre. Para disminuir las pérdidas de calor, los acumuladores deben ser lo más compactos posible, siendo preferidas las formas esféricas. Ahora bien, como la forma esférica es difícil de trabajar, los acumuladores suelen hacerse cilíndricos. En estos casos, el cilindro que a igual volumen tiene menos superficie lateral es aquél en que el diámetro es igual a la altura. No obstante, ya veremos que debido al fenómeno de la estratificación esta forma no es conveniente, siendo preferible que la altura sea superior al diámetro
2.3.2 Estratificación Ya dijimos que los cuerpos al elevar su temperatura disminuyen su densidad. Esto ocurre especialmente con el agua y el aire. La consecuencia de este fenómeno es que al estar una masa de agua o aire sometida a la acción de la gravedad, la zona más caliente tiende a situarse en la parte superior y la fría en la parte inferior. Evidentemente, nunca conseguimos de una masa templada y homogénea separarlas de sus componentes templados y fríos, por que ello seria imposible físicamente, pero si lentamente provocamos la entrada de fluido caliente por la parte superior del
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acumulador y de frio por su parte inferior, observamos que ambos fluidos no muestran l mas mínima tendencia a homogeneizarse, sino todo lo contrario, a separarse. Los factores fundamentales que mantienen la separación de los fluidos calientes y fríos son la diferencia de densidad y la altura. Consideremos un acumulador de agua. Al agua caliente, que procede de los paneles solares entra por la parte superior, mientras que sale del depósito por la parte inferior. Supongamos que partimos de un instante en que todo el depósito esta lleno de agua fría. Al empezar a circular el agua por los paneles solares, éste se calienta y va entrando en el depósito por la parte superior. Como el resto del depósito está lleno de agua fría el agua caliente se mantiene en la parte superior por tener menos densidad que el agua fría. A la salida del acumulador podemos instalar una válvula termostática mezcladora, con el fin de limitar la temperatura con la que se extrae el agua caliente hacia los distintos puntos de consumo, además su colocación no influye significativamente en el rendimiento de la instalación.
2.3.3 El aislamiento del acumulador Consiste en un elemento fundamental en la instalación cuya finalidad es disminuir las posibles pérdidas caloríficas tanto en los colectores, el acumulador y las conducciones. Los valores más importantes para la elección apropiada del aislamiento son: el coeficiente de conductividad, la gama de temperaturas, su resistencia, su fácil colocación y el coste. El espesor del aislamiento debe de al menos cumplir las normas indicadas en el RITE, en la ITE 03.13. Los interacumuladores también deben de estar protegidos mediante aislamiento, según la ITE 03.12. éste debe de tener un espesor mínimo de 30 mm para aquellos con superficie menor de 2 m² y de 50 mm para el resto.
2.3.4 Sistema de energía de apoyo Es evidente que no en todas ocasiones el agua del acumulador va atener la temperatura necesaria para nuestra aplicación, es pues necesario dotar a la instalación de un sistema de apoyo que aporte la energía necesaria para cumplir nuestros objetivos. Las diferentes posibilidades son: aplicar directamente en el acumulador de ACS la energía de apoyo, situar la energía de apoyo en un segundo acumulador alimentado por el primero, o situar un sistema de apoyo instantáneo después del acumulador del ACS. Así pues el sistema deberá asegurar el calentamiento hasta la temperatura de diseño de la totalidad del agua utilizada para el consumo previsto, y deberá tener un control de temperatura de salida de modo que ésta no se eleve por encima de la temperatura de utilización prevista, que en nuestro caso no será superior a los 60ºC para el ACS.
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2.3.5 Sistema de regulación y control. La importancia de este subconjunto es clara, puesto que si careciese de él nuestra instalación podría no aportar energía útil en los momentos en que podría hacerlo e incluso actuar de forma contraria, disipando la energía acumulada al exterior. Así pues, debemos de realizar una regulación eficaz del sistema en todo momento, el método más habitual consiste en un regulador diferencial el cual compara la temperatura del colector con la existente en la parte inferior del acumulador, de modo que cuando la temperatura en los colectores sea mayor que la del acumulador en una determinada cantidad prefijada en el regulador, este pondrá en marcha el electrocirculador. Hay que tener en cuenta que la diferencia de temperaturas debe de ser lo suficientemente amplia para garantizar un beneficio en el funcionamiento, esto se debe a que se producen diferentes fenómenos que pueden inducir sino a un mal funcionamiento de la instalación.
3 Equipamiento 3.1
Sistema de captación 3.1.1 El colector
El colector de placa plana está constituido por cuatro elementos principales, que son: la cubierta, el absorbedor, el aislamiento y la carcasa. La cubierta transparente, además de provocar el efecto invernadero y reducir las pérdidas por convección, también asegura la estanqueidad del colector al agua y al aire, en unión con la carcasa y las juntas. Como ya indicamos anteriormente debe de poseer un alto coeficiente de transmisión de la radiación solar alto en la banda de 0,3 a 3μm, y bajo para radiaciones superiores a 3μm. También debe de tener un coeficiente de conductividad térmica bajo, que dificulte el paso de calor desde la superficie interior hacia la exterior. Esto hace a su vez que debamos de tener un coeficiente de dilatación pequeño, ya que la cara interior de la cubierta se mantendrá siempre más caliente que la exterior y, por tanto, se dilatará más, aumentando el riesgo por rotura o deformación de la cubierta. Los principales materiales de utilización en las cubiertas son el vidrio y el plástico transparente. En caso de escoger una cubierta de vidrio, se deben elegir los que tienen un tratamiento de recocido o templado, ya que sus propiedades ópticas no disminuyen y en cambio, sus propiedades mecánicas aumentan considerablemente. Esto es importante ya que la cubierta debe de resistir la presión del viento, el peso del hielo y nieve, los choques de granizo, etc., además debe tener un bajo riesgo de rotura
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espontánea debido al efecto de las contracciones internas resultantes de las distintas temperaturas de la cubierta. Si bien cabe la posibilidad de utilizar una cubierta de doble vidrio, la cual aumenta el efecto invernadero y reduce las pérdidas por convección. En la práctica no suele realizarse debido a que aumenta considerablemente el coste del colector y, por lo tanto, su periodo de amortización. Otros inconvenientes son los problemas derivados de la elevada temperatura que debería soportar la cubierta inferior, así como las dilataciones diferenciales entre las dos cubiertas por soportar estas temperaturas distintas.
3.1.2 El absorbedor El absorbedor es el responsable de recibir la radiación solar, transformarla en calor y transmitirla al fluido caloportador. Puede contar de dos placas metálicas separadas algunos milímetros, entre las cuales circula el fluido caloportador, o bien una placa metálica, sobre la cual están soldados o embutidos los tubos por los que circula el fluido caloportador. También los hay de plástico, aunque éstos están destinados casi exclusivamente a la climatización de piscinas. La parte del absorbedor expuesta al sol suele estar recubierta de un revestimiento para absorber bien los rayos solares. Este recubrimiento suele estar realizado por pinturas o superficies selectivas. La eficacia del revestimiento viene dado por sus valores de emisividad y absortancia. Las superficies selectivas tienen un coeficiente de absorción del orden del de las pinturas (0,8 ó 0,9), pero su coeficiente de emisión es considerablemente menor, del orden de 0,10 frente a los 0,8 ó 0,9 de las pinturas. Además tienen en general un mejor comportamiento y mayor durabilidad, el único inconveniente suele ser su elevado coste Otras características del absorbedor son: -
La pérdida de carga, en sistemas por termosifón.
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La corrosión interna. Para evitarla no hay que juntar en el circuito los materiales cobre y hierro. Además hay que observar que aunque el fluido caloportador inicialmente no sea corrosivo puede degradarse debido a la temperatura de modo que al aumentar ésta si lo convierta en corrosivo
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La inercia térmica. En zonas en que se produce una frecuente alternancia climática una fuerte inercia térmica del absorbedor no permitiría que el fluido alcance la temperatura que se logra en los períodos de radiación continuada.
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La homogeneidad de la circulación del fluido caloportador. Si no hay una correcta circulación del fluido, el calor aportado a estas zonas estará mal distribuido, la temperatura se elevará anormalmente y las pérdidas térmicas serán mayores.
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-
La transmisión del calor de la placa absorbente al fluido caloportador. Ésta depende en gran medida de la conductividad y del espesor del metal del que está fabricada la placa absorbente, de la separación entre los tubos, de sus diámetros, de las propiedades térmicas y régimen del fluido, y de las soldaduras entre placa y tubos.
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Las pérdidas de carga a la entrada y salida del absorbedor.
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Los puentes térmicos entre el absorbedor y los elementos no aislados del colector.
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La resistencia a la presión, bien por conexión directa del absorbedor con la red o debida a la obstrucción del circuito primario en un sistema de circulación forzada.
-
El aislamiento protege al absorbedor por su parte posterior de las pérdidas térmicas. Éste debe de poseer las siguientes características:
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Buen comportamiento con la temperatura, en algunos casos se coloca entre el absorbedor y el aislante una lámina metálica reflectante que impide al aislamiento recibir la radiación directa del absorbedor.
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Bajo desprendimiento de vapores por efecto de un elevado calentamiento.
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Larga durabilidad
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Homogeneidad de sus propiedades frente a la humedad.
3.1.3 La carcasa El objetivo de la carcasa es proteger y soportar los diferentes elementos que constituyen el colector, así como sujetar el colector a la estructura soporte. Las características que debe de cumplir la carcasa son: -
Alta rigidez
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Resistencia de los elementos de fijación
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Resistencia a las variaciones de temperatura
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Resistencia a la corrosión y la inestabilidad química
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Aireación del interior de los colectores
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Retención de agua, hielo y nieve en el exterior del colector
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Fácil desmontaje de la cubierta transparente o de la parte superior de la carcasa para acceder al absorbedor
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Finalmente, tras describir todos las características que debe cumplir el captador solar térmico en los anteriores apartados, mencionaremos la marcha y el modelo comercial que utilizaremos, de forma que, para nuestro caso, vamos a servirnos del colector de la casa Saunier Duval, específicamente el modelo SRH2.3.
3.2
Sistemas de almacenamiento y termo-transmisión
El sistema de almacenamiento debe de tener alta capacidad calorífica, volumen reducido, temperatura de utilización acorde con la necesidad concreta, rápida respuesta a la demanda, buena integración en el edificio, seguridad, bajo coste y larga duración.
3.2.1 Acumulador de ACS + Calefacción De todas las posibilidades existentes para almacenar energía, es mediante agua caliente la que más ventajas presenta, puesto que además de las propiedades descritas anteriormente, se da el hecho de que se trata del elemento de consumo en la instalación de ACS, que es el acumulador. Los materiales utilizados habitualmente en la fabricación de estos acumuladores son acero, acero inoxidable, aluminio y fibra de vidrio reforzado. El depósito de acero es el más utilizado debido a su precio, si bien es necesario de una protección interior frente a la corrosión, bien sea mediante pintura, vitrificado, ánodo anticorrosión de Mg o galvanizado en caliente. El resto de posibilidades son utilizadas en mucha menor medida, si bien cada vez son más los depósitos de acero inoxidable que se instalan por poseer todas las cualidades de los depósitos de acero pero sin sus defectos. Ya que en nuestro caso se trata de una instalación de tamaño medio-bajo, diseñaremos la instalación de forma que el acumulador estará integrado con el intercambiador y que no tengamos que disponer de otro circuito entre el intercambiador y el acumulador con el fin de reducir gastos económicos, además de pérdidas térmicas que supone dicho circuito. Así, podremos determinar que la instalación se distribuirá de forma que, cuente con un acumulador central, en el que se encuentre el volumen total, tanto de ACS como de calefacción, y después cada edificio contará con un sistema auxiliar distribuido. El acumulador central, será un acumulador de inercia combinado, ya que será el que satisfaga la demanda de calefacción, y además llevará integrado otro depósito en su interior, para agua caliente sanitaria, del cual saldrán diferentes circuitos para cada una de las demandas de las viviendas. De esta forma, el volumen de acumulación central, va a contar con las siguientes características: • Se encontrará situado cerca de la oficina de turismo, ya que por un lado ha de abastecer la demanda de calefacción que cuenta con un circuito cerrado que parte desde
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dicho acumulador. Y además se tendrá que encontrar cerca de los captadores solares planos, que estarán dispuestos en las dependencias de dicho edificio para evitar las pérdidas de carga igualmente. • Contará con un circuito primario, que irá desde los colectores solares hasta dicho acumulador central, y luego de este tendrá 3 salidas, un circuito que satisfaga la demanda de calefacción, otra salida que se divida en las 4 demanda de los diferentes edificios de ACS, y una tercer salida última que disipe el exceso de energías en la piscina. • Como dato clave, se ha de comentar la especial importancia de una válvula de 3 vías que controle cada una de las demandas, así como de paso y prioridad a ellas. Se escogerá para nuestro sistema de almacenamiento un interacumulador combinado de la casa ARISTON, y del modelo concreto de BK1S 1500/330.
3.2.2 Fluido caloportador Es el encargado de pasar a través de los colectores y absorber la energía térmica de estos para luego transferirla en el intercambiador al circuito secundario. Habitualmente son cuatro los tipos de fluidos que podemos utilizar:
Agua natural: Se puede usar en circuito abierto, de modo que el agua sanitaria pasa directamente por los colectores, si bien hay que usar, en todo momento, materiales aptos para el transporte de agua potable. En muchos casos está prohibido por la ley.
Agua con adición de anticongelante: Es la solución más generalizada, si bien hay que tener en cuenta ciertas características de la mezcla como son su toxicidad, aumento de viscosidad, aumento de dilatación, disminución de la estabilidad, disminución del calor específico o aumento de su temperatura de ebullición.
Fluidos orgánicos: Hay que mantener las mismas precauciones que en el caso de agua con adición de anticongelante en cuanto a toxicidad, viscosidad o dilatación. Además estos fluidos orgánicos, sean sintéticos o derivados del petróleo, presentan riesgo de incendio al ser combustibles, aunque son estables a altas temperaturas.
Aceites de silicona: Si bien son una buena posibilidad por sus óptimas características técnicas, su elevado coste no los hace una opción atractiva en la mayoría de los casos.
El fluido caloportador que vamos a utilizar es agua con la adición de un anticongelante, el anticongelante suele ser a base de propilenglicol o de etilenglicol, fundamentalmente.
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Hay que tener en cuenta las diferencias de las propiedades físicas que va a haber entre el agua normal y nuestro fluido caloportador, como ya dijimos, de viscosidad, dilatación, estabilidad, calor específico o temperatura de ebullición. En cualquier caso hay que recordar que debido a la toxicidad del anticongelante es preciso asegurar la imposibilidad de mezcla entre el fluido caloportador y el agua de consumo. La forma más usual de conseguir este propósito es haciendo que la presión del circuito primario sea inferior a la del secundario, de modo que un contacto entre ambos fluidos por rotura en el punto de intercambio provoque el paso del agua hacia el circuito primario pero no al revés. Además la válvula de seguridad del circuito primario deberá estar tarada a una presión inferior a la del agua de red, para proteger a los colectores de la elevada presión del agua de red. En nuestro caso utilizaremos una mezcla al 40 % de propenilglycol con agua, de la marca Tyfocor.
3.2.3 Conducciones Los posibles materiales a usar en las conducciones o tuberías son: el cobre, el hierro galvanizado, el hierro negro y los plásticos. El cobre es el material más aconsejable por tener unas altas prestaciones en cuanto a resistencia a la corrosión, maleabilidad, ductilidad e inocuidad, además de ser económicamente muy competitivo. El acero galvanizado, si bien es muy utilizado en fontanería tradicional, no puede usarse como material en el circuito primario pues se deteriora su protección a temperaturas superiores a los 65ºC. El acero negro sólo se recomienda usar en instalaciones que requieran grandes caudales. Además está prohibido su uso en la conducción de agua caliente sanitaria, por producirse oxidaciones en su estructura que perjudican la potabilidad del agua. Por tanto sólo es posible su uso en el circuito primario. Las conducciones de plástico son una alternativa clara a las de cobre, puesto que posee propiedades muy parecidas y precios muy ajustados. En el circuito primario las tuberías serán del cobre de diámetro interior de 13,5mm y diámetro exterior de 15mm, tal u como esta normalizado en la norma UNE-EN 1057.
3.2.4 Bombas de circulación Es el responsable de vencer la resistencia que opone el fluido a su paso por el circuito. En este caso, para nuestra instalación de circuito primario, se ha optado por una bomba del modelo UPS 25-120, de la casa GRUNDFOS.
3.2.5 Vaso de expansión Su finalidad es la de absorber las dilataciones del fluido caloportador, por lo que todas las instalaciones de agua caliente sanitaria deben equiparse con depósitos de expansión. Se clasifican en depósitos de expansión abiertos o cerrados, y en cualquier caso la capacidad del mismo debe ser suficiente para admitir la expansión del líquido
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caloportador. Tampoco debe existir ninguna válvula en los tubos que comunican al circuito con el depósito. Nos hemos decantado en el presente proyecto de un depósito de expansión cerrado por su fácil mantenimiento y montaje en cualquier parte de la instalación (siendo la mas adecuada la parte más alta del circuito). Siendo el vaso de expansión elegido de modelo 5 SMF de la casa SISCOCAN.
3.3
Sistema de regulación y control 3.3.1 Regulación diferencial
Este regulador se encargará de realizar el control diferencial de las temperaturas de los colectores, y de los depósitos. El regulador viene con tres sondas térmicas incluidas, donde dos de ellas se utilizarán para medir la temperatura en los colectores y los acumuladores, dejando una tercera para medir la temperatura en otro punto cualquiera.
El modelo utilizado es el QUAD-SOLAR230 Sonder. El sistema de control está ajustado para que las bombas no estén en marcha cuando la diferencia de temperaturas sea menor que 2°C y no estén paradas cuando la diferencia sea mayor que 7 °C.
En caso de no emplear un control diferencial, podría darse el caso de que la bomba entrase en funcionamiento cuando la temperatura en el acumulador fuera mayor o igual que en el colector. En esta situación se estaría realizando un gasto inútil de energía.
3.3.2 Sistema elemental de control El aire que fluye por una conducción pasa a través de un serpentín calefactor. El sensor mide la temperatura del aire después del serpentín y pasa la información al órgano de mando. Este compara la temperatura del aire con un punto de consigna determinado y manda una señal para abrir o cerrar la válvula del agua caliente (dispositivo gobernado) según convenga para mantener una correspondencia entre la temperatura del aire y aquel punto dado. Este es un sistema de “anillo cerrado”, en el que se acusará el cambio de temperatura debido a un cambio de posición de la válvula (y/o de la carga) y en el que se efectuarán las correcciones adicionales necesarias. La temperatura del aire es la “variable controlada”.
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La mayoría de sistemas de control pertenecen al grupo de los de “anillo cerrado”, si bien en algunos casos se utilizan sistemas de “anillo abierto”. En un sistema de ciclo abierto la acción del dispositivo gobernado no afecta directamente al elemento sensor. Un ejemplo casero de este sistema es la manta eléctrica, en cuyo ciclo de regulación el termostato detecta la temperatura ambiente y no la de la manta Recuérdese que, a pesar de su aparente complejidad, todos los sistemas de control pueden reducirse a estos elementos esenciales. La mayoría de las complicaciones se dan como consecuencia de intentar un mejor control; o sea de querer mantener la variable controlada tan cerca como sea posible del valor deseado. Una de las reglas de oro del diseño de sistemas de control consiste en mantener la sencillez y evitar el apilamiento de relés u órganos de reposición o múltiples sensores. Obsérvese en planos su instalación.
3.4
Aislamiento
Consiste en un elemento fundamental en la instalación cuya finalidad es la disminuir las posibles pérdidas caloríficas tanto en los colectores, en el acumulador y las conducciones. Los valores más importantes para la elección apropiada del aislamiento son: el coeficiente de conductividad, la gama te temperaturas, su resistencia, su fácil colocación y el coste. El espesor del aislamiento debe de al menos cumplir las normas indicadas en el RITE, en la ITE 03.13. En nuestro caso hemos escogido como tipo de aislamiento elSH/Armaflex. Consiste en un aislamiento flexible de espuma elastomérica para sistemas de calefacción e hidrosanitario, con un coeficiente de conducción de 0,037 W/ (m·K). En nuestro caso el depósito ya viene con el aislamiento de fábrica, cumpliendo así la norma exigida
3.5
Estructura soporte
Su función simple a la vez de vital es sujetar los colectores con la inclinación y orientación calculada en el proyecto. Las características de una buena estructura soporte son las de rapidez de montaje, coste bajo y seguridad en el anclaje y sujeción. El tipo de anclaje dependerá de la ubicación de los colectores según estén en cubierta o terraza, y dependiendo de las fuerzas que actúen sobre él como consecuencia de la presión del viento a la que se ve sometido. Especialmente debemos de tener cuidado a los esfuerzos de tracción que se producen sobre los anclajes y originado por los vientos que vienen del Norte, debido a que nuestro campo de colectores se halla orientado hacia el Sur. En nuestro caso, utilizaremos la estructura soporte recomendada por la casa.
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3.6
Otros elementos 3.6.1 Purgador y desaireador
El purgador tiene como función evacuar los gases contenidos en el fluido caloportador, los cuales pueden dar lugar a la formación de bolsas que impiden la correcta circulación del fluido, además de provocar corrosiones. Para su correcto funcionamiento hay que colocar el purgador en el punto más alto de la instalación. Deben instalarse purgadores en todos los puntos elevados de la instalación y siempre en aquellos puntos en los que se produzca una inversión hacia abajo del sentido de circulación del agua. Debe instalarse uno en la parte superior del acumulador para eliminar los gases que pudiera haber en la parte superior de éste. Los purgadores son de dos tipos: manuales y automáticos. En los manuales la purga se efectúa aflojando un tornillo, hasta comprobar que empieza a salir líquido, momento en el cual se atornilla, cerrando la salida del mismo. El desaireador asegura que los gases disueltos en el líquido sean evacuados hacia el exterior por el purgador. La forma más sencilla de lograrlo es haciendo que la fuerza centrífuga lance el agua hacia las paredes, mientras que el aire al ser más ligero se acumula en el centro y asciendo a través del mismo, siendo evacuado por el purgador que está situado en la parte superior. El modelo elegido de desaireador funciona como se acaba de escribir y es el modelo comercial de la casa Roca Purgador ½” de la marca Roca.
3.6.2 Manómetro Son los encargados de darnos el valor de la presión en el circuito, en kg/cm² o en metros de columna de agua. La escala de los mismos suele estar comprendida entre 0 y 6 kg/cm², si bien no debe llegarse a tales presiones debido a que elementos del circuito, como puedan ser los colectores o el depósito de expansión, no suelen soportar presiones mayores de los 4 kg/cm2. Se elegirá el termo-hidrómetro que nos suministra la casa ROCA.
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3.6.3 Termómetros y termostatos El termómetro es un instrumento que mide la temperatura de un objeto. En nuestro caso el objeto cuya temperatura queremos medir es casi siempre un fluido. Para hacerlo, hemos de disponer el punto sensible del termómetro deforma que esté lo más en contacto posible con el fluido, pero sin estar directamente bañado por éste. Los tipos más usuales son de contacto y de inmersión
Los de contacto se colocan sujetándolos sobre las tuberías mediante una abrazadera generalmente metálica.
Los de inmersión, se introducen dentro de la tubería, de los acumuladores o de los intercambiadores, dentro de una vaina. La fiabilidad de la medida aumenta en éstos, al ser mucho más directo su contacto con el fluido cuya temperatura deseamos medir.
La correcta regulación de la temperatura de los fluidos, la puesta en marcha de los elementos de la instalación, e incluso la seguridad de la instalación, hace necesaria la colocación de termostatos. Estos aparatos que, como los anteriores, pueden ser de contacto o de inmersión, analógicos o digitales, son los encargados de transformar una lectura de temperatura previamente determinada en su escala en una señal eléctrica que pone en marcha o detiene un determinado mecanismo, según la función que se le haya encomendado. Elegiremos termómetros de la marca ROCA.
3.6.4 Sondas de temperatura Las sondas pueden ser de inmersión y de contacto. Las primeras se introducen en el colector o en el acumulador, con ayuda de una vaina, y las otras se sujetan en estrecho contacto en la parte exterior de ambos elementos. Las de inmersión son preferibles, ya que son más precisas y seguras. La misión del T.D (termostato diferencial) es comparar las temperaturas en la salida del acumulador, de manera que cuando exista una diferencia de temperatura entre ellos, favorable a los colectores, el electrocirculador se ponga en marcha, iniciándose el proceso de acumulación de energía. La sonda del colector debe colocarse a la salida de una de las ramas en paralelo de las que conste el campo de colectores, o en la salida general si el campo de colectores consta únicamente de una sola rama. Esta sonda debe colocarse de tal forma que esté en contacto íntimo con el líquido de los paneles y/o con la tubería. Debe aislarse convenientemente a fin de que no se produzcan pérdidas de calor a través de ella o de sus proximidades que podrían falsear los resultados. Estas sondas están constituidas por un elemento metálico o semiconductor cuya resistencia varía con la temperatura La solución correcta es situar la sonda más o menos al 60% de la altura del acumulador contando desde abajo. Este valor es orientativo y podría oscilar el punto de colocación de la sonda entre el 40 y el 80% de la altura del depósito medido desde abajo.
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3.6.5 Válvulas de paso Las llaves de paso sirven para impedir el paso de líquido de una parte a otra de la instalación. Las hay de varios tipos. En las tuberías comprendidas entre los paneles y el acumulador pueden instalarse llaves de paso que permitan la posible reparación o sustitución de un panel, sin necesidad de que todo el volumen de líquido contenido en ellos, en las tuberías, en el intercambiador de calor o en el acumulador, se pierda. En instalaciones muy pequeñas generalmente no se ponen llaves de paso entre los paneles y el acumulador. En instalaciones medianas y grandes sí, pudiendo existir varias que separen el acumulador del campo de colectores, y cada rama en paralelo del campo de colectores entre sí. En todos estos casos las llaves de paso deben ser del tipo de compuerta o de bola, ya que éste es el tipo que ofrece la mínima pérdida de carga a su través.
Las llaves de compuerta abre mediante el levantamiento de una compuerta o cuchilla (la cuál puede ser redonda o rectangular) permitiendo así el paso del fluido, con una baja resistencia a la circulación. Las llaves de bola o esfera se basan en un elemento obturador formado por una bola de acero inoxidable, la cual posee un orificio del mismo diámetro que la tubería en la que se coloca, por lo que la pérdida de carga es mínima cuando están abiertas.
3.6.6 Válvulas de seguridad Es muy conveniente dotar la instalación de válvulas de seguridad contra posibles sobrepresiones.
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En general, estas posibles sobrepresiones no ocurrirán, pues serán absorbidas por el vaso de expansión o por la propia red, pero pueden darse por accidente o descuido, como sucedería si se dejasen cerradas las dos llaves de paso de la rama caliente y fría, con lo que los paneles -al incidir los rayos del sol- se calentarían dilatando el líquido, que al no poder salir acabaría rompiendo la instalación o algún panel. Dado el reducido precio de las válvulas de seguridad, deben colocarse éstas en todos aquellos tramos que pudieran quedar bloqueados, tales como ramales a los colectores, acumulador, etc. Las válvulas de seguridad deben verificarse periódicamente. Generalmente disponen de un mando manual que permite abrirlas y comprobar la salida de líquido, así como que el esfuerzo requerido para abrirlas no es excesivo o que una vez abiertas cierran perfectamente. Otro tipo de válvula muy recomendable es la reductora de presión. El agua potable de la red suele llegar a presiones muy elevadas (de hasta 0.6MPa). Tanto si usamos intercambiador de calor como si no, es conveniente que el depósito no esté a presiones tan elevadas, por lo que a la entrada de la red se instala una válvula reductora de presión que mantenga el nivel de la presión a un valor razonable (generalmente unos 0.2MPa).
Válvula reductora de presión
Lógicamente, las válvulas de seguridad deben estar preparadas para soportar un valor de presión algo superior al de servicio (en este caso de unos0.3 MP). Asimismo, es muy conveniente instalar un manómetro, que nos indicará la presión de servicio y podrá advertirnos de cualquier anomalía. También es muy conveniente que tras la llave general de paso del agua potable se instale un filtro, al objeto de que retenga las posibles substancias sólidas, tales como granitos de arena y otras impurezas que a veces arrastra el agua potable. Elegiremos válvulas de la casa ROCA.
3.6.7 Válvulas antirretorno Es un elemento que sólo permite el paso del líquido en un sentido, pero no en el otro. Generalmente consta de un tubo cilíndrico con una clapeta, accionado por un muelle débil y un tope mecánico. Al pasar el líquido en el sentido correcto, la clapeta se levanta fácilmente, pues la presión del muelle es reducida. Si el líquido intenta circular en sentido contrario, la clapeta se clava sobre el tope mecánico impidiendo totalmente el paso del líquido.
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La válvula antirretorno, debe colocarse siempre en toda instalación de energía solar en la que el acumulador (o el intercambiador de calor de colectores) esté situado a igual altura que los paneles o por debajo de ellos. La razón es que si el acumulador está por debajo de los paneles durante la noche, o en días nublados, el agua caliente situada en la parte superior del acumulador tiende a subir a los paneles, donde se enfría, retornando al acumulador por la rama fría (como se ve, recorre el circuito en el sentido inverso al normal de funcionamiento). Por esta razón se ha de instalar la válvula antirretorno entre los paneles y el acumulador, siendo preferible instalarla en la rama fría.
3.6.8 Grifo de vaciado Su uso se pone de manifiesto cuando es necesario vaciar el circuito, ya sea el primario o el secundario, por labores de mantenimiento o reposición de algún elemento del circuito. Para conseguirlo con rapidez y comodidad, se debe de colocar en la parte inferior de los circuitos.
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Anexo a la memoria 1 Anexo de cálculos y tablas 1.1
Descripción energética de la instalación.
El emplazamiento de la villa de Granadilla, en primera instancia, la tenemos que determinar en el mapa ofrecido por el CTE DB HE4, que se representa por la figura 3.
Figura 3.Representación de la localidad en el mapa de zonas climáticas del CTE.
Aquí observamos como nuestra villa (marca roja) se encuentra en la zona climática IV, de forma que podremos determinar la contribución solar mínima que muestro sistema ha de aportar en función de el tipo del tipo de generación auxiliar que tenga. Además observaremos que, este tipo de emplazamientos, nuestra pequeña villa, que no esta cerca de ningún importante núcleo urbano y debido además a las pocas personas que puedan generar un volumen importan de compra, estamos casi seguro, al afirmar que nuestros generadores auxiliares son eléctricos, o también denominados de “Efecto Joule”, ya que es improbable que existiera gas natural o venta de bombonas de butano debido al escaso volumen de habitantes así como la gran distancia hasta un posible punto de venta. Siendo en casos excepcionales más cómodos e incluso más económico la instalación de calentadores de agua eléctrico. De esta forma, suponiendo que nuestro sistema auxiliar es del tipo eléctrico, como se ha defendido antes, y tal y como vemos en la figura 4, se representa en función de la demanda, y la zona climática, cual será la cobertura mínima exigida por el CTE.
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Figura 4. Porcentajes de la cobertura solar para categoría general del CTE.
Se ha señalado la zona climática en la que nos encontramos, así como, posteriormente calcularemos el volumen demandado, aunque para nuestro caso particular, en cualquier volumen que se demande, la cobertura mínima en esta zona climática será del 70%. Aun así, siendo el calentador auxiliar eléctrico o de combustible convencional, ya que contamos con un sistema de ACS + calefacción, se le da prioridad al primero frente al segundo, pudiendo disponer de del 100% de la cobertura de ACS sin problema. Dentro del apartado de “Descripción energética de la instalación” podremos hacer referencia a la radiación solar incidente en una superficie horizontal, que más adelante conociendo su inclinación, podremos determinar la radiación que incide en tal captador. Por ello, vemos en la tabla 1 la radiación solar en una superficie horizontal, para una latitud como la que estamos estudiando, así como la radiación obtenida para diferentes ángulos de inclinaciones de 40º, 50º y 60º: Mes Gdi (0ᵒ) Gdi (40ᵒ) Gdi (50ᵒ) Gdi (60ᵒ) Enero 2020 3470 3640 3710 Febrero 2680 3900 3990 3980 Marzo 4410 5650 5630 5460 Abril 4890 5130 4910 4580 Mayo 6250 5880 5460 4920 Junio 7060 6280 5760 5060 Julio 7100 6480 5950 5280 Agosto 6410 6540 6180 5660 Septiembre 4860 5810 5700 5450 Octubre 3270 4570 4630 4580 Noviembre 2110 3350 3480 3520 Diciembre 1590 2680 2810 2860 Año 4400 4990 4850 4590 Tabla 1.Radiación solar en una superficie horizontal con latitud 40º en Wh/m²/día
Estos datos se han obtenido de la página web del PVGIS, del estimador de generación automática de radiación para el caso de Granadilla, Cáceres.
33
1.2
Demandas energéticas de las diferentes aplicaciones
En el presente proyecto, la demanda energética que se pueda producir en cualquier mes del año, serán por un lado la demanda de ACS, y por otro la necesidad de la calefacción en los meses que se estimen necesarios. La estimación de la demanda calorífica, se obtiene con la siguiente información previa, que las tomaremos y evaluaremos de forma mensual:
Demanda de ACS del edificio, las cuales se determina por el número de personas que vivan o trabajen en las viviendas o la oficina respectivamente. En determinados casos, cuando los edificios están en funcionamiento, se puede estimar mediante el consumo o gasto de combustible que aparece en las facturas de los diferentes generadores eléctricos. También se pueden estimar del total de consumo de agua, suponiendo de un 25 a un 30% de este consumo, pero en nuestro caso no contamos con ninguno de dichos datos. Por otro lado, el CTE establece en la norma UNE 94002:2005 “Instalaciones solares térmicas para producción de agua caliente sanitaria: cálculo de la demanda energética” en la que se establecen consumos unitarios previstos de ACS a 60º C, tal y como se representa en la figura 5:
Figura 5.Demanda diaria de referencia de ACS a 60º C según el CTE DB HE4.
De forma que en nuestro caso, podremos determinar con este método, la demanda de ACS diaria en cada una de las viviendas y la oficina como se muestra en la tabla 2, basándonos en la tabla del CTE que relaciona el número de habitaciones (dato ofrecido) con el número de estimación de personas:
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Códigos Habitaciones Personas OT V1 V2 V3
4 2 2
4 7 3 3
Litros de referencia 3 30 30 30
Total 12 210 90 90 402
Tabla 2. Tabla de consumo (litros de ACS a 60ºC) de los diferentes emplazamientos.
De esta forma vemos como la demanda de ACS a 60ºC de todas las instalaciones es de 402 litros/día.
Otro dato a tener en cuenta de importante valor es el dato de la temperatura final de calentamiento del agua, siendo esta de 60ºC.
Por otro lado, vamos a servirnos de la temperatura de red del agua mes a mes, obteniéndose esta a partir de los datos del pliego de IDAE, en los que si bien no tenemos los datos específicos de la localidad que estamos estudiando, podremos hacer una media de las ciudades cercanas, siendo estas Salamanca, Ávila y Cáceres. Así, se nos ofrece una serie de datos mensuales, denominados por la tabla 3 que se nos muestra de la siguiente forma: Tabla 3. Temperatura de agua de red estimada en la villa de Granadilla.
Mes Tª red enero 5 febrero 6 marzo 8 abril 10 mayo 11 junio 12 julio 13 agosto 12 septiembre 11 octubre 10 noviembre 8 diciembre 5
1.2.1 Necesidades de ACS Junto con los datos obtenidos anteriormente, podremos calcular la demanda energética por consumo de ACS, como se ha determinado anteriormente, la temperatura del agua final a calentar es 60ºC, siendo esta temperatura por motivos higiénicos, para evitar posibles problemas sanitarios. Así pues, la demanda energética mensual de un mes determinado (DEmes i), se obtiene por la siguiente expresión: ⁄ Donde: D día : demanda diaria de la instalación de ACS N días,i : número de días en cada mes
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C p : Calor especifico del agua (1 kcal/kg.ºC) ρ : densidad del agua (1000kg/m³) Para obtener la demanda energética expresada en kWh, se obtiene de la siguiente forma, partiendo de la calculada anteriormente. ⁄
⁄
De forma que, obtenemos los resultados mostrados en la tabla 4, en la que se obtienen los cálculos con una temperatura de 60ºC de ACS, y una demanda de 402 litros al día, es decir 12,46m³ en los diferentes meses: Mes
N días mes
Tª red
31 30 31 30 31 30 31 31 30 31 30 31
5 6 8 10 11 12 13 12 11 10 8 5
Enero Febrero Marzo Abril Mayo Junio Julio Agosto Septiembre Octubre Noviembre Diciembre Año
Demanda DE mes DE mes (m³/mes) (kcal/mes) (kWh/mes) 12,46 685.410 795,08 12,06 651.240 755,44 12,46 648.024 751,71 12,06 603.000 699,48 12,46 610.638 708,34 12,06 578.880 671,50 12,46 585.714 679,43 12,46 598.176 693,88 12,06 590.940 685,49 12,46 623.100 722,80 12,06 627.120 727,46 12,46 685.410 795,08 147,53 7.487.652 8.685,68 Tabla 4. Calculo de la demanda energética en kWh
Luego esta es la demanda de ACS que requieren nuestras viviendas y oficina según lo indicado el CTE DB HE4.
1.2.2 Necesidades de Calefacción Para esta instalación contamos con un solo edificio, como es la oficina de turismo, el cual tiene una carga térmica, como nos lo dan a conocer, de 66W/m², y una superficie de 336m², de forma que podremos calcular la demanda energética de la calefacción, como vemos en la tabla 5, además de estimar las horas de funcionamiento al día, y los meses del año que demandaremos dicha calefacción. La expresión que utilizaremos para el cálculo de la demanda energética en calefacción será:
Donde: Q térmica : es la carga térmica del edificio
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S calefactable : superficie de metros cuadrados que demanda calefacción N días,i : números de días del mes h días calefacción : horas diarias de calefacción
Con la expresión anterior, obtenemos la tabla 5, en la que proponemos y calculamos mes a mes la demanda energética para calefacción en el edificio que si ha determinado. Mes Enero Febrero Marzo Abril Mayo Junio Julio Agosto Septiembre Octubre Noviembre Diciembre Año
N días mes 31 30 31 30 31 30 31 31 30 31 30 31
Horas al día 21 21 18 14 10 0 0 0 10 14 18 21
DEC mes (kWh/mes) 0,066 336 14.436,58 0,066 336 13.970,88 0,066 336 12.374,21 0,066 336 9.313,92 0,066 336 6.874,56 0,066 336 0,00 0,066 336 0,00 0,066 336 0,00 0,066 336 6.652,80 0,066 336 9.624,38 0,066 336 11.975,04 0,066 336 14.436,58 99.658,94 Tabla 5.Cálculo de la demanda energética de la calefacción. Q térmica
Sc
DEC día (kWh/día) 465,70 465,70 399,17 310,46 221,76 0,00 0,00 0,00 221,76 310,46 399,17 465,70
Hay que comentar, por qué se ha supuesto los datos en la tabla, de forma que, al tratarse de un edificio de actividad administrativa, como es una oficina de turismo, y suponiendo que tienen un horario comercial al público de 9:00 am a 9:00 pm, suponemos como máximo tiempo de calefacción diario en los meses de mayor demanda de 20 horas ya que este tipo de calefacción es más efectiva si se mantiene durante mas tiempo. Reduciéndose la franja horaria en los meses de menor necesidad, y siendo nula en los meses de verano.
1.2.3 Comparativa de demandas Como vemos, en la siguiente tabla 6, se desarrollan las dos demandas, tanto de ACS como de calefacción, en la que vemos que de la demanda total, que seria la suma de las dos, la que pertenece al ACS seria un 8,01% del total, y la perteneciente a la calefacción un 91,9%.
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Mes Enero Febrero Marzo Abril Mayo Junio Julio Agosto Septiembre Octubre Noviembre Diciembre Año
DE mes DEC mes D total (kWh/mes) (kWh/mes) 795,08 14.436,58 15.231,65 755,44 13.970,88 14.726,32 751,71 12.374,21 13.125,92 699,48 9.313,92 10.013,40 708,34 6.874,56 7.582,90 671,50 0,00 671,50 679,43 0,00 679,43 693,88 0,00 693,88 685,49 6.652,80 7.338,29 722,80 9.624,38 10.347,18 727,46 11.975,04 12.702,50 795,08 14.436,58 15.231,65 8.685,68 99.658,94 108.344,62 Tabla 6. Relación de demandas entre ACS y calefacción.
Aun así, para el cálculo de los captadores, mediante el método que veremos posteriormente, tomaremos solo la demanda de calefacción, ya que en nuestro sistema existirá elementos que prioricen el suministro a ACS, de forma que dicha demanda estará siempre cubierta al 100% destinando el resto de recursos a la calefacción cuando se demande.
1.3
Cálculos de la instalación
En esta sección, calcularemos los diferentes parámetros que definen los diversos elementos de la instalación que estamos proyectando, de forma que posteriormente, podamos buscar su referente comercial mas adecuado con respecto a estos parámetros.
1.3.1 Captadores Para el cálculo de captadores, como ya se ha citado, se utilizará la demanda de calefacción, mediante el método F-Chart. Pero antes de pasar a calcular y determinar cada uno de los cálculos de este método, determinaremos la radiación incidente y el ángulo que seleccionaremos para nuestro estudio. De esta forma, como se ha definido anteriormente, en el apartado “Descripción energética de la instalación”, para nuestro caso, seleccionaremos un ángulo del captador de 50º, de forma que favorezca más la recepción de radiación solar en invierno, ya que nuestra demanda será mayor. Como los captadores se van a disponer en función de su integración arquitectónica, de forma general, tendremos que calcular cual será el ángulo que deberá tener la estructura teniendo en cuenta la inclinación de cada una de las aguas de los tejados de cada edificio. Todo ello lo calcularemos en el apartado que corresponda. Y antes de pasar al cálculo propio del número de captadores, calcularemos la radiación solar incidente sobre las superficies que dispondremos a una inclinación de 50º con
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respecto a la horizontal, para que favorezca la incidencia solar en invierno, ya que tendremos mayor demanda. Así obtenemos la tabla 7 en la que se especifica la radiación solar en kWh/m². Mes Enero Febrero Marzo Abril Mayo Junio Julio Agosto Septiembre Octubre Noviembre Diciembre Año
Nº días Gdi (50ᵒ) EI mes 31 3,64 112,84 28 3,99 111,72 31 5,63 174,53 30 4,91 147,30 31 5,46 169,26 30 5,76 172,80 31 5,95 184,45 31 6,18 191,58 30 5,70 171,00 31 4,63 143,53 30 3,48 104,40 31 2,81 87,11 365 4,85 1.770,25 Tabla 7. Energía solar mensual incidente en kWh/mes
Ahora pasamos a describir el método F-Chart, y cada uno de sus parámetros, de forma que se calcula la dimensión de la instalación y se comprueba que cumple con los requisitos demandados por el CTE tanto en cobertura y rendimiento. La cobertura solar debe superar la fracción mínima del 60% calculado en el apartado anterior: ∑ ∑
Por otro lado, el rendimiento anual del sistema, se calcula mediante la siguiente expresión: ∑ ∑ Donde: DE mes: demanda energética mensual. f mes: valores mensuales de contribución solar calculados por el método F-chart.
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Donde D1 se obtiene de las siguientes formulas:
Y D2 se obtiene de la siguiente formula:
Donde: Sc: superficie total de los captadores en m², empleándose la superficie de apertura.
o:
eficiencia óptica de los paneles.
MAI: modificador del ángulo de incidencia. FCint: factor corrector del conjunto captador-intercambiador, IDAE recomienda tomar un valor de 0,95. Gdm: irradiación solar diaria del mes, Gdi (50º). Kglobal: coeficiente de pérdidas, se calcula mediante:
Donde:
40
o k1 y k2: Coeficientes de pérdidas. o Tm: Temperatura media del fluido del captador. o Tamb: Temperatura ambiente. FCacum: es un factor de corrección, que se obtiene de la siguiente ecuación: (
⁄ ⁄
)
Donde: o Vacum: es el volumen de acumulación propuesto, que dependerá de la demanda y según el CTE: ⁄ o Sc: superficie total de los captadores en m², empleándose la superficie de apertura. FCACS: factor de corrección por temperatura, se calcula como:
De esta forma, podremos calcular por dicho método las dos demandas, la de ACS, solo para comprobar los resultados, y la de calefacción que al ser muy superior a la anterior, será la que tomemos, como válida para diseñar nuestra instalación. Para ambos caso, existen una serie de parámetros constantes, que dependen de los captadores y la instalación, y que podremos definir antes de comenzar los cálculos, siendo estos representados por la tabla 8: Temperatura ACS K1 K2 Sc o MAI
60 ᵒC 3,32 W/m2K 0,023 W/m2K2 2,352 m² 0,801 0,95 Tabla 8. Parámetros de la instalación.
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1.3.1.1
Calculo F-Chart de ACS
Con carácter informativo y con el objetivo de asegurarnos de que nuestra demanda en este consumo está mas que cubierto, se va a procederá calcular, los captadores necesarios para cubrir la demanda de ACS, mediante el método F-Chart. Para el cálculo de diferentes parámetros que posteriormente nos darán el resultado mes a mes de la cobertura de nuestra instalación solar térmica, necesitaremos definir una serie de datos que los comentaremos seguidamente: o El primer parámetro a definir es la temperatura ambiente del emplazamiento, la cual la podemos obtener mediante la base de dato del PVGIS de la pagina web CENSOLAR, dando la tabla 9: Mes Tª. Ambiente
Ene
Feb
Mar
Abr
May
Jun
Jul
Ago
Sep
Oct
Nov
Dic
7,8
9,5
13
14,7
18,5
24,1 26,2 16,1 22,2 17,5 11,6 8,4
Tabla 9. Temperatura media ambiente diurna de Granadilla.
o Sc o Superficie de captadores, en este caso, nos vamos a guiar por el valor orientativo que nos ofrece la regla de PEREDA, 2006. Según esta regla de predimensionado, se estipulan alrededor de 70 litros por cada metro cuadrado de captador solar, de forma que como tenemos poco mas de 400 litros, la correlación nos llevaría hasta aproximadamente 5,7 m² de captadores, hablando solo del ACS. Y como el área de apertura de un captador es de 2,352 m², podríamos disponer de 3 captadores, para comenzar los cálculos, lo que supone un área total aproximada de 7 m². o MAI, que no es más que el Modificador del Ángulo de Incidencia, el cual el pliego de IDAE recomienda que sea de 0,95. o Volumen de acumulador solar, el cual para este caso, tomaremos uno valor comercial de la demanda de ACS, cuya relación este entre 0,8 y 1 según especifica el CTE, siendo este valor de 330 litros, ya que nuestro interacumulador combinado escogido tiene dicha capacidad.
De esta forma que, con los parámetros antes definidos, se representan en la tabla 10 los diferentes valores obtenidos con las anteriores formulas, entre ellos los valores K global, D1, D2 y f mes: Mes Enero Febrero Marzo Abril Mayo
K global 0,004521 0,004482 0,004401 0,004362 0,004275
FC ACS 0,9068 0,9229 0,9554 1,0187 1,0054
D1 0,7239 0,7543 1,1843 1,0742 1,2189
D2 2,6678 2,5116 2,7311 2,9430 2,7751
fmes (%) EU solar 46,4% 368,98 49,4% 373,29 74,7% 561,25 67,4% 471,14 76,3% 540,21
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Junio Julio Agosto Septiembre Octubre Noviembre Diciembre
0,004146 0,004097 0,004330 0,004189 0,004298 0,004433 0,004507
0,9593 0,9728 1,0890 0,9429 0,9745 0,9770 0,8975
1,3126 1,3848 1,4083 1,2724 1,0129 0,7320 0,5589
2,4413 82,9% 556,82 2,4299 86,5% 587,63 3,1996 83,4% 578,52 2,4349 80,9% 554,80 2,6828 65,2% 471,14 2,8586 45,9% 334,13 2,6153 34,5% 273,99 Total 66,1% 5671,90 Tabla 10. Cálculos según el método F-Chart para ACS
Para este caso, tendríamos que elevar la superficie de captación ya que el porcentaje que ha de cubrir el sistema solar térmico es del 70%, debido a que nos encontramos en una zona climática nivel IV y nuestro generador auxiliar es del tipo “Efecto Joule”. Pero todo ello no ha de preocuparnos, ya que el actual proyecto tendrá que cubrir además de la demanda de ACS la calefacción de los meses de Invierno, de esta forma, nuestra demanda de ACS estará más que cubierta cuando dimensionemos el sistema para la calefacción.
1.3.1.2
Calculo F-chart de Calefacción
Tal y como se hizo en el caso anterior, vamos a definir una serie de parámetros, que algunos son iguales que en el caso anterior pero en otros difieren notablemente. o La temperatura ambiente, es la misma que en el caso anterior, por ello, tomaremos los mismos datos. o La superficie de captadores variará del caso anterior, ya que, en este caso la demanda de calefacción es mayor, y además la cobertura energética también variará, de esta forma podemos suponer unos captadores, pero estos los modificaremos hasta alanzar la cobertura deseada, de forma que si llegamos a un 20-30%, de la calefacción, esto también supondrá que la demanda de ACS estará más de cubierta. o MAI lo tomaremos nuevamente como 0,95. o Y el volumen de acumulador de inercia lo calcularemos mediante el máximo permitido por el CTE DB HE4, con la relación entre acumulador y superficie de captadores. ⁄ De esta forma como todos los valores están en relación al Sc, y este a su vez no esta determinado, podremos elegir el número de captadores, o Sc que deseemos y a partir de ahí, concluir con los cálculos, de forma que se obtiene los siguientes parámetros representados en la tabla 11:
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Mes Enero Febrero Marzo Abril Mayo Junio Julio Agosto Septiembre Octubre Noviembre Diciembre
K global 0,004521 0,004482 0,004401 0,004362 0,004275
FC ACS 0,9068 0,9229 0,9554 1,0187 1,0054
D1 0,1329 0,1360 0,2398 0,2689 0,4186
0,004189 0,004298 0,004433 0,004507
0,9429 0,9745 0,9770 0,8975
0,4370 0,2536 0,1482 0,1026
D2 0,4877 0,4508 0,5507 0,7336 0,9490
fmes (%) 10,1% 10,6% 19,8% 21,3% 32,9%
EU solar 1461,06 1487,88 2446,69 1980,92 2264,08
0,8327 35,2% 2340,62 0,6687 20,3% 1952,33 0,5764 11,0% 1321,45 0,4781 7,2% 1044,49 Total 18,7% 16299,53 Tabla 11. Cobertura energética de la demanda de calefacción.
La tabla anterior se ha obtenido mediante una serie de parámetros, los cuales se basan generalmente en la superficie del captador, la cual cuenta con 10 colectores del modelo SRH2.3 Saunier Duval, de forma que la superficie total de captación es de 23,52 m². Así, se obtiene un volumen de inercia de casi 1200 litros, o lo que es lo mismo 1,2 m³, de forma que el factor corrector de acumulación (FC acum) se modifica, y pasa a tener un valor de 1,12. Por otro lado comentar que, en este calculo se ha despreciado los meses de verano, en los que no se demanda calefacción y por ello, desviaremos estos excedentes energéticos hacia otras aplicaciones, como se vera posteriormente. De esta forma el cálculo para conocer la cobertura se hace solo entre los meses de uso de calefacción, para que no nos distorsionen la cobertura energética real. Podemos comprobar de esta forma que se llega hasta casi un 20% de energía aportada por el sistema térmico solar, del total de la demanda. Por otro lado, tendremos que calcular el rendimiento de la instalación, algo que no se ha realizado en el anterior cálculo F-Chart, ya que este calculo era a nivel orientativo. De esta forma, como se ha detallado anteriormente, podremos conocer el rendimiento anual de nuestro sistema ( sistema, año):
1.3.2 Volumen de acumuladores Los acumuladores, son elementos básicos en todo sistema solar térmico, ya que, como se ha definido anteriormente, salvan la brecha temporal que existe entre la generación energética y el consumo.
44
En el caso que se tenga que más de un edificio demandante, estos acumuladores, se pueden disponer en una instalación solar térmica de diferentes formas, pudiéndose clasificar la instalación solar en función del grado de descentralización de dicho almacenamiento del ACS. De esta forma nos encontraremos una serie de diseños, cuya elección conlleva unas ventajas e inconvenientes, de forma que, para nuestro caso particular, elegiremos la que mas se adapte a nuestras condiciones. En nuestro caso utilizaremos el interacumulador descrito anteriormente de la casa ARISTON, el modelo en concreto, BK1S 1500/330.
1.3.3 Disposición de los captadores. Como bien conocemos, la disposición de los captadores es importante en una instalación solar térmica, ya que se tendrán en cuenta tanto la orientación y sentido para posibles pérdidas. Además si posteriormente queremos concentrar toda la producción en un único acumulador central, tendremos que tratar de concentrar también la generación para no dispersar en excesivo la generación y tener una costosa instalación debido al enrevesado circuito primario. También se diseñará las distancias entre las filas de captadores para que el aprovechamiento sea máximo, recordando que la instalación esta en orientación diferente a la sur, y que el ángulo será de 50º con respeto a la horizontal, de forma que queremos que se tenga ventajas en las temporadas de invierno. Además, podremos determinar que vamos a disponer los 10 captadores en la cubierta de la oficina de turismo que está orientada al sur-oeste. De forma que la distancia entre las filas de captadores en dicha cubierta la calculamos de la siguiente forma: Si la cubierta fuera horizontal, se estima dmin que es la distancia que hay entre dos captadores, con la siguiente formula:
Donde: h: es la altura del captador con el ángulo de 50º.
: es la latitud del emplazamiento.
De forma que la distancia mínima es de 2,63 metros tal y como podemos ver en la figura 6.
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Figura 6
Siendo min el ángulo que forma la sombra del captador dos horas antes y después del medio día solar del solsticio de invierno, mas abajo se plantea el calculo de como sería la distancia en nuestro caso en concreto con una inclinación de la cubierta de 15º.
Figura 7
De forma que la d total, que es d´min + d base, se puede conocer como:
Primero calculamos el ángulo min que se obtiene de la figura de disposición horizontal:
Siendo min un ángulo de 21º.
Ahora se calcula la d´min que se representa en la segunda figura, para ello hacemos un sistema de ecuaciones de la siguiente forma:
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De forma que igualando las dos ecuaciones, tenemos:
Luego la distancia que debe existir sobre la planta será el resultado de la suma entre la d´min mas la d base.
Supondremos 2 metros entre líneas de captadores, para quedarnos del lado de un mayor aprovechamiento energético. Por ello, según se muestra en la figura 8, los captadores quedarán dispuestos a lo largo de la cubierta de la siguiente forma:
Figura 8. Representación en planta de los captadores en la cubierta de la OT
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De esta forma, como vemos en la figura anterior, nuestro sistema de captación se va a distribuir como 5 ramas de 2 captadores en serie, como se muestra en la siguiente figura 9:
Figura 9. Esquema de distribución de los captadores.
Por ello tenemos que decir que los captadores solares se distribuirán de la siguiente forma, en la que cada uno de los grupos representan a las 5 ramas que existen en paralelo, como vemos en la figura 10:
Figura 10.Alzado de la cubierta donde se encuentran los captadores agrupados en serie.
Estos y otros parámetros del captador serán mencionados posteriormente en el anejo correspondiente que describa las características del captador seleccionado.
1.3.4 Pérdidas por orientación y sombreado En este apartado, vamos a conocer las pérdidas que podrán tener nuestros captadores debido a la orientación y sombreado.
48
Por un lado, las pérdidas debido a la orientación e inclinación, las podremos cuantificar mediante la herramienta grafica, representada por la figura 11, que nos ofrece el CTE, para cuantificar las pérdidas por orientación e inclinación.
Figura 11. Herramienta gráfica para el cálculo de pérdidas de inclinación y dirección.
Antes debemos de conocer el ángulo de inclinación de los captadores, que se calcula en la planta representada por la figura 12, en la que como podemos ver, la cubierta que contiene los captadores esta orientada al sur-oeste con una inclinación de 34º:
34°
Figura 12. Ángulo de orientación del edificio y captadores con respecto al sur.
De esta forma, conociendo tanto la inclinación de los captadores como la orientación de estos, e incluyéndolo estos parámetros en la herramienta antes citada, obtenemos la siguiente figura 13:
49
Figura 13. Calculo gráfico de la energía generada respecto al punto óptimo.
Donde la línea curva roja, marca la inclinación de 50º de nuestros captadores, y la línea azul marca la dirección, con respecto al sur, de los captadores solares térmicos, de forma que ambas líneas cortan en lo que se podría denominar como 90% de eficacia, es decir, tendría un 10% de pérdidas que se atribuye a la inclinación y dirección de los captadores. Según el código técnico, las máximas pérdidas, o pérdidas límite, por inclinación y orientación es del 10%, de forma que, según lo calculado, estaríamos en el limite.
Por otro lado, en referente a las pérdidas por sombreado hemos de decir que no habría ningún problema en este sentido, ya que no se encuentra ningún obstáculo que pudiera dar sombra a nuestro sistema de captadores, excepto los mismos captadores, pero como vimos anteriormente, se ha diseñado los captadores de forma que tenga mas de la distancia mínima recomendada, de forma que quedaría representado la cubierta en la que están los captadores solares como se puede ver en la figura 14 de la siguiente forma:
50
0,5
2
Figura 14. Vista transversal de la cubierta de la OT y los captadores, unidades en metro.
De esta forma, se ha diseñado y esbozado la representación de los captadores sobre la cubierta que determinamos, siendo esta la cubierta que está con orientación sur-este de la Oficina de Turismo, ya que al ser esta la que lleve la calefacción, necesitará mayor demanda y por ello la fuente de generación energética estará mas cerca.
1.3.5 Intercambiador En cuanto al tipo de intercambiador que se va a utilizar en esta instalación, al tratarse de una instalación pequeña-media, contaremos con un interacumulador combinado, ya que así se consigue evitar un circuito intermedio entre el intercambiador y el acumulador, el cual debería llevar además un sistema de forzado de circulación, de forma que reduciríamos costes innecesarios. De esta forma el intercambiador estaría integrado en el interacumulador combinado, descrito mediante su ficha técnica en el apartado pertinente.
1.3.6 Circuito hidráulico Como se puede suponer de los apartados anteriores, el circuito se ha diseñado de la siguiente forma: Todo comienza por el calentamiento de agua en los colectores solares, que están dispuestos en 5 ramas de 2 captadores en serie, y desde ahí, siendo un circuito forzado, se conduce el agua a un acumulador central, que se encuentre, al igual que los captadores en las dependencias de la oficina de turismo. El agua que se utilizará en este caso será agua para el secundario, y para el primario, será agua más glicol en una relación de 60% agua 40% anticongelante, los cuales tendrán unas características aproximadas de: Densidad 20ºC Viscosidad 20ºC 1.037
4.5 mm²/s
Caída presión relativa 1,5
Punto de congelación (º C) -21
51
Desde este acumulador central, salen 3 circuitos secundarios o de consumo los cuales se definen adelante:
El primero es el circuito de calefacción, el cual es un circuito cerrado, y saldrá desde el acumulador de inercia separado del acumulador de consumo. Hay que decir que éste es un circuito cerrado, y que el agua una vez circulado por el suelo radiante, se devuelve al acumulador central para volver a aumentar su temperatura.
El segundo circuito de consumo, será el propio de las demandas de ACS, de cada uno de los cuatro edificios, los cuales contendrán en cada una de sus dependencias un calentador auxiliar, como se comento anteriormente.
El ultimo circuito secundario, se trata de un circuito fon una función especial en los meses de verano, en lo que la demanda de la calefacción es nula, y es crucial la disipación de los excedentes energéticos en la piscina que se encuentra cercana a las dependencias de los edificios.
Un elemento importante que está presente en la configuración del circuito hidráulico, y su control de la demanda, es la válvula de 3 vías que dará prioridad a las diferentes demandas en cada momento y deberá estar presente en cada uno de los circuitos.
Se tendrá que tener en cuanta que el circuito este equilibrado, de forma que producirá una distribución uniforme de caudales por cada captador o conjunto de captadores de forma que se tendrá que producir unas pérdidas de carga similares.
Además de estos circuitos, y su configuración, existen unos elementos a disponer a lo largo de toda la que resultan básicos para asegurar el funcionamiento del circuito hidráulico, estos son las válvulas y tuberías, ya definidos en apartados anteriores.
1.3.6.1
Primario
En este apartado se describe punto por punto, los elementos que están presentes en el circuito primario, así como la disposición de estos en el circuito. De forma que, el circuito primario se describe como un circuito cerrado, y podríamos representarlo de la siguiente forma, mediante la figura 15:
52
Figura 15. Representación del circuito primario en la cubierta de la OT
De forma que, los captadores están agrupados de dos en dos, tal y como se especificó anteriormente, además el circuito hidráulico se diferencia en dos tipos de colores, por un lado el color azul que sería el agua que va desde el interacumulador hasta los captadores, y por otro lado las líneas rojas indican el agua que va desde cada una de las ramas de los acumuladores hasta el interacumulador, representado por un cuadro amarillo, el cual se situaría por debajo del tejado protegido de la intemperie. A la salida del interacumulador antes de entrar en los captadores tenemos una serie de elementos (representados por el color negro) que, en orden, se van a describirá continuación: encontramos primero una válvula, a la salida del interacumulador, después tendremos el vaso de expansión, luego el sistema de llenado, siguiéndole una válvula anti retorno, seguido del motor con válvulas a la entrada y a la salida de éste, tras él tenemos el sistema de vaciado de la instalación y por último una nueva válvula antes de la entrada del fluido en los captadores. Además de todos estos elementos, contamos con un sistema de purgas en la parte más alta de la instalación, ya en el circuito de vuelta, representado por el color rojo. Por otro lado, al tratarse de una instalación en un agua inclinada, como podemos suponer, las líneas que se representan horizontalmente, son equipotenciales, o están a la misma altura, de forma que, como establece el CTE, tendremos que dejar al menos una inclinación del 1% en sentido de la circulación como establece el CTE DB HE4 para que el agua transcurra en las operaciones de vaciado.
53
También comentar que el circuito se ha diseñado, con intención de que sea lo más equilibrado posible, dentro del marco en el que nos encontramos, existiendo pequeñas diferencias entre cada una de las ramas en paralelo, intentando acercar lo máximo posible nuestra instalación a un circuito con retorno invertido. Como ya se ha comentado anteriormente, el fluido que transcurre por el circuito será agua con glicol al 20% de concentración, además otros parámetros del circuito se calculan:
El caudal, que ha de circular por la instalación estará en función de los captadores, de forma que el rango de caudales se estima como: ⁄
⁄
Dando como resultado en este caso valores de entre 505,7 y 846,7 litros a la hora. Por otro lado, según la ficha técnica del captador Saunier Duval SRH 2.3., el caudal recomendable es de 40l/s por la superficie total de captadores paralelos, dando como resultado: ⁄
⁄
De forma que nuestro caudal puede ser de 470,4 litros a la hora aproximadamente.
Diámetro de la tubería, el material de dicha tubería, en el circuito primario, puede ser de cobre o de acero inoxidable, siendo estos materiales de bajo coeficiente de dilatación debido a la amplia diferencia de temperaturas. Para el cálculo de la sección de la tubería, o diámetro, vamos a utilizar la siguiente formula: ⁄
⁄
Suponiendo que, la velocidad del circuito, sea 1 m/s ya que debe de ser mayor de 0,5 m/s para evitar sedimentaciones, y como máximo 2,5 l/s en instalaciones al exterior. Podremos determinar que: ⁄
⁄
⁄ ⁄ √
54
Se debe de elegir un diámetro de tubería de cobre normalizado, según la norma UNE-EN 1057 con lo cual se elige el diámetro mas cercano superior a nuestro diámetro de diseño, siendo este diámetro de 13,5mm de diámetro interior, con un grosor de paredes de 0,75mm de grosor de tubería y un diámetro exterior de 15mm. De esta forma, existe una variación en la velocidad del circuito que será de: ⁄
⁄
⁄
Longitud de tubería aproximada, se puede estimar sobre la planta del circuito primario, de forma que la longitud total del circuito primario, se puede estimar sobre los 45 metros.
Perdida de carga total, para obtener las pérdidas totales tendremos que sumar a las pérdidas lineales (las debidas al rozamiento con las paredes de la tubería), las pérdidas en las singularidades, las pérdidas en los colectores y las pérdidas en el intercambiador; se obtienen dichas pérdidas totales en mm.c.d.a mediante la siguiente expresión: (∑
)
De forma que las pérdidas de cargas lineales por metros lineales las obtenemos mediante la siguiente formula: ⁄ ⁄ Esto ocurriría en las tuberías por donde pasa todo el caudal, pero realmente, al dividirse el caudal entre diferentes ramas, las perdidas de carga serán diferentes, ya que cuentan con menores caudales. De forma que, como podemos ver en los diferentes bifurcaciones de la tubería, llevarán diferentes perdidas de carga. Para el cálculo final de todas las pérdidas de carga, se representan cada uno de los tramos y sus medidas (en decímetros) en la figura 16 y calcula mediante la gráfica 12:
55
6,32
53,01
20,07
47,47
20,27
27,34
20,33 22,34
20
57
5,38 4,97
22,45
2,77
16,23
2,66
,5
4,99
47,47
2,91
44,7
Figura 16. Dimensiones del circuito en decímetros. Por otro lado, podremos calcular las perdidas de carga mediante la siguiente tabla:
Tramos o ramas Total 1 2 3 4 Suma
Caudal Diámetro Longitud (l/h) (mm) (dm) 470,4 13,5 150,52 94,08 13,5 195,33 188,16 13,5 43,18 282,24 13,5 20,33 376,32 13,5 41,45
Longitud Pdc Pdc (m) (mmcda/ m lineal) (mmcda) 15,052 76,776 1155,629 19,533 4,592 89,701 4,318 15,446 66,698 2,033 31,404 63,845 4,145 51,956 215,356 45,081 180,174 8122,438 Tabla 12. Perdidas de carga por diferentes bifurcaciones.
Pdc (mcda) 1,156 0,090 0,067 0,064 0,215 1,591
De forma que la pérdida de carga del circuito primario en los tramos lineales, será de 1,6 metros aproximadamente. Por otro lado, las perdidas de cargas en las singularidades, las calcularemos mediante la tabla de la norma UNE-EN 1057, en función del tipo de accesorio y diámetro de la tubería.
56
De esta forma, tendremos, un total de pérdidas representadas en la tabla 13:
2 23 5 5
Pdc (mm.c.d.a.) 0,34 0,5 0,15 1,68
Pdc total (mm.c.d.a.) 0,68 11,5 0,75 8,4
Pdc (m.c.d.a.) 0,0007 0,0115 0,0008 0,0084
15
0,18
2,7
0,0027
24,03
0,0240
Singularidades
nº
Vurva 45 Codo 90 T confluencia T derivación Válvula compuerta Suma
. Tabla 13. Resumen de pérdida de carga de las singularidades.
Ahora las pérdidas de carga de los elementos de la instalación como los captadores y el intercambiador del interacumulador combinado, serán: Las referentes a los captadores nos la remite el fabricante según la ficha técnica del captador, en función del caudal. Como el caudal que pasa por los captadores es el total dividido entre el número de ramas, este será de 94,08 litros la hora, de forma que cada captador tendrá una perdida de carga aproximada de 90 mbar tal y como se muestra en la figura 17, que son aproximadamente 0,92 m.c.d.a. y como existe un total de 2 captadores por cada rama, el valor de la perdida de carga de los captadores asciende a la cifra de 1,84 m.c.d.a.
57
Figura 17. Relación de pedida de carga y caudal de los captadores.
Por otro lado, las pérdidas de carga de nuestro intercambiador en el interior del interacumulador combinado, es de 468 mbar, como se puede observar en la ficha técnica de dicho interacumulador, siendo esta pérdida de carga aproximadamente 4,77 m.c.d.a.
De forma que la suma de todas las perdidas de carga dan un total de:
Pero como sabemos, que estamos utilizando agua más anticongelante, dicha perdida de carga calculada, ascendería un 30% dando lugar a una perdida de carga total en el circuito primario de:
1.3.6.2
Secundario
El circuito secundario, se compone de tres sub-circuitos secundarios o de consumo. Como ya se ha definido anteriormente, los tres se dividen entre: Por un lado, el circuito con mayor demanda que será el de calefacción, el circuito de abastecimiento de ACS, que se dividirán entre los diferentes emplazamientos, siendo estos, la oficina de turismo, y las tres viviendas aledañas, por último existe un circuito que bifurca los excedentes energéticos que se puedan ocasionar en los meses estivales, tal y como se muestra en la figura 18.
58
Figura 18. Circuitos secundarios o de consumo.
De esta forma se pueden detallar las características de los tres circuitos de consumo de la siguiente forma:
Principalmente, a la salida del interacumulador combinado, salen dos tuberías, una desde cada uno de los depósitos, tanto del depósito de inercia como del de agua caliente sanitaria.
Así, tras la tubería central que sale del depósito de inercia, el agua caliente llega a una válvula de tres vías, de forma que está de prioridad, cuando exista la demanda, al circuito de calefacción, estando este compuesto por, válvulas de corte al comienzo y salida, por si fuera necesario medidas de mantenimientos, y por otro lado también llevarían unidades de purgado o des aireado, válvulas de relleno y de vaciado de la instalación, así como también se dispondrá una pequeña bomba que cubra las perdidas de carga de dicha instalación secundaria de calefacción. Debido a que no conocemos datos de la oficina de turismo, ni el área a calefactar, ni el número de plantas del edificio, mencionaremos los elementos de los que constará el sistema, sin llegar a realizar los cálculos pertinentes. Siendo esto base de otro proyecto.
59
De forma que toda la energía que parte del acumulador de inercia que, en los meses estivales no se esté demandando, gracias a la válvula de tres vías, será derivada hacia la piscina como método de disipación energética. Por ello será importante la función que lleva a cabo dicha vía de tres válvulas afectando esta principalmente al acumulador de inercia, y no al de ACS.
Por otro lado, tendremos el circuito hidráulico que abastezca la demanda de las viviendas de ACS, de forma que desde el acumulador de ACS que se encuentra integrado dentro del interacumulador combinado, parten las vías necesarias para abastecer las demandas de los diferentes edificios, siendo estos, las tres viviendas y la oficina de turismo. Además este circuito contara de los diferentes elementos, de forma que desde su salida del acumulador, se dispone con una válvula de corte, más tarde, se divide en los diferentes ramas de demanda para cada edificio, y dentro de cada rama de abastecimiento se encuentra con, otra nueva válvula de corte y un contador de agua y temperatura, posteriormente, existirá una instalación del calentador auxiliar, por si fuera necesario, aumentar la temperatura del agua a la de consumo.
1.3.7 Bomba 1.3.7.1
Circuito primario
La bomba que diseñemos, deberá tener potencia suficiente para superar las pérdidas de carga del circuito y de esta forma garantizar la circulación del fluido en las condiciones de diseño. Cuando mayor sea la perdida de carga, mayor es la bomba necesaria, su coste y su consumo eléctrico. El CTE DB HE4 limita la potencia eléctrica para nuestro caso, un sistema pequeño, en 50W o 2% de la mayor potencia calorífica que pueda suministrar el grupo de captadores. Para estimar las pérdidas de carga totales, se toma un valor de las perdidas de la tubería de la sección anterior, mas las perdidas en el intercambiador y en los captadores, además teniendo en cuenta que, para el circuito primario se utilizó anticongelante, lo cual aumenta la perdida de carga en un 30%.
De forma que, en el circuito primario, se tendrá que suplir las pérdidas de carga de la instalación hidráulica, siendo éstos el valor de 10,98 m.c.d.a. Así conociendo la altura manométrica y el caudal en m³/h, que es de 0,47 m³/h, podemos determinar mediante la siguiente figura 19, que el modelo comercial será UPS 25-120 de la casa comercial GRUNDFOS.
60
Figura 19. Curvas características de las diferentes bombas de la casa GRUNDFOS
1.3.7.2
Circuito secundario
Podríamos determinar que tipo de bomba que instalaremos en el circuito secundario, principalmente en la demanda de calefacción, de forma que esta bomba será la que cubran todas las perdidas de este circuito de calefacción, así para el diseño de esta forma necesitaríamos saber cual es exactamente el circuito. Al no conocer más datos del posible circuito, no nos vamos a centrar mas en dicho dispositivo, mas que solo su mención.
61
1.3.8 Vaso de expansión 1.3.8.1
Circuito primario
Como ya se ha explicado anteriormente, el vaso de expansión en el circuito primario, tiene una función básica en toda la instalación solar. Se encargan de recoger el exceso de volumen del líquido debido a la dilatación por calentamiento evitando sobrepresiones en el circuito que debería de aliviarse mediante las válvulas de seguridad. Su tamaño debe ser tal que permita guardar ese exceso de volumen. En los vasos de expansión cerrados, que será el tipo de nuestra instalación, hay que tener en cuenta las presiones, siendo la formula de cálculo:
Donde:
V circuito: es el volumen del circuito. K: coeficiente de dilatación del fluido. Pf: presión absoluta final del vaso de expansión siendo para este caso 7 bares. Pi: presión inicial de llenado del circuito, siendo en este caso, 1,7 bares, ya que no se encuentra en la parte superior de la instalación. De forma que, tendremos que calcular el volumen del circuito, siendo este:
Volumen de tuberías:
Volumen de captadores: viene determinado por el fabricante del captador en cuestión (SRH2.3 Saunier Duval), el cual estima que es 2,16 litros, de forma que tendremos un total de 21,6 litros en total.
Volumen en el intercambiador, el cual está integrado en el interacumulador combinado que seleccionamos para la instalación. Siendo este un volumen de 20,8 litros. Dando un total de:
Y ahora ya solo nos queda calcular el coeficiente de dilatación del fluido, el cual se puede conocer de la siguiente forma, según explica la norma UNE 100.155:
Siendo:
62
t: temperatura máxima de funcionamiento, la cual la hemos tomado como 120ºC. Además como en nuestro caso el fluido caloportador no es agua, sino una mezcla de esta con un 40% de anticongelante, tendremos que multiplicar dicho valor por un factor de corrección (Fc):
Siendo:
Siendo: G: porcentaje de glicol en agua (40%) T: temperatura máxima de funcionamiento del agua (120ºC) De forma que el valor del factor de corrección es de 1,164, luego k:
De esta forma el volumen del vaso de expansión se puede determinar, con el siguiente cálculo:
De forma que para conocer el modelo comercial, escogeremos el modelo siguiente superior al volumen indicado, para quedarnos del lado de la seguridad. Así, este debe ser el vaso de expansión modelo 5 AMR-B de la casa SISCOCAN de 5 litros de capacidad.
1.3.8.2
Circuito secundario
En este caso, en el circuito de abastecimiento de calefacción, necesitarías un nuevo vaso de expansión, debido a las diferencias de presiones entre los meses de uso y desuso de la calefacción a lo largo del año, pero al no conocer los datos exactos de dicha instalación no podemos calcular exactamente cuales son los valores para este caso.
1.4
Esquema final de la instalación
Para visualizar perfectamente el esquema final de la instalación, se mostrará en el punto denominado planos, en el que se detallaran todos y cada uno de los elementos de la instalación.
63
2 Anexo del cronograma de implantación. 2.1
Planificación y del proyecto y generalidades
Tenemos definido los objetivos de manera clara y precisa, contamos con los recursos y apoyos necesarios para llevarlos acabo, etc., pero esto no son sirve de nada si no contamos con una planificación del proyecto, determinando la duración de cada una de las fases y planificando el orden de acometida. Bien es cierto que el desarrollo de este proyecto es de relativa corta duración pero sólo así podremos prever un control relativo sobre los tiempos de ejecución de la instalación; conocer los plazos de duración de cada una de las fases del trabajo nos permitirá aproximar el tiempo máximo de duración. Una planificación inteligente debe hacer uso de su amplitud de conocimientos sobre las distintas variables de las que dependerá el desarrollo y organización de las tareas (información, tiempo, recursos humanos, etc.). Una herramienta útil y sencilla para elaborar una planificación de actividades es el cronograma o diagrama de Gantt.
2.2
Diagrama de Gantt
Contenido. El diagrama de Gantt consiste en una representación gráfica sobre dos ejes; en el vertical se disponen las tareas del proyecto y en el horizontal se representa el tiempo. Características.
Cada actividad se representa mediante un bloque rectangular cuya longitud indica su duración; la altura carece de significado.
La posición de cada bloque en el diagrama indica los instantes de inicio y finalización de las tareas a que corresponden.
Método constructivo.
Para construir un diagrama de Gantt se han de seguir los siguientes pasos:
Dibujar los ejes horizontal y vertical.
Escribir los nombres de las tareas sobre el eje vertical.
En primer lugar se dibujan los bloques correspondientes a las tareas que no tienen predecesoras. Se sitúan de manera que el lado izquierdo de los bloques coincida con el instante cero del proyecto (su inicio).
Cálculos.
64
El diagrama de Gantt es poco adecuado para la realización de cálculos pero es un diagrama representativo, que permite visualizar fácilmente la distribución temporal del proyecto y por la forma en que se construye, muestra directamente los inicios y finales mínimos de cada tarea. Debido a la magnitud de este proyecto es un sistema suficientemente sencillo, práctico y útil, no precisamos de mucho más como ayuda para realizar la planificación del mismo. Resumen. En resumen, para la planificación de actividades relativamente simples, el gráfico de Gantt representa un instrumento de bajo costo y extrema simplicidad en su utilización. Para proyectos complejos, sus limitaciones son bastantes serias, no obstante, como ya hemos comentado anteriormente, éstos no serán problemas de los que nos debamos preocupar para este proyecto.
2.3
Planificación de los trabajos.
Los trabajos se van a dividir en las siguientes tareas: -
Instalación del subconjunto de captación.
-
Instalación del subconjunto de acumulación.
-
Instalación del subconjunto de termotransferencia.
-
Instalación del subconjunto de regulación y control.
-
Puesta a punto de la instalación.
Justificación del reparto de tareas. • Primera fase. Puesto que los sistemas de captación y acumulación están situados en lugares distantes, es posible el comienzo de las tareas al mismo tiempo. Así, cuando la última de ellas finalice se procederá a la instalación del resto del sistema hidráulico que une captación y acumulación, y que se engloba como subconjunto de termotransferencia. • Segunda fase. Al finalizar la colocación e instalación de la totalidad de sistemas hidráulicos, se comenzará la instalación del último sistema que corresponde al formado por las conexiones eléctricas y elementos de regulación. • Tercera fase.
65
Finalmente hay que establecer una última fase en la que se tratará de realizar los últimos retoques a la instalación así como ponerla en correcto funcionamiento. Justificación general. Desglose de tareas y tiempos aprox. de trabajo. La justificación a la distribución que veremos a continuación, se debe a que los operarios normalmente llevan las herramientas necesarias para un par de tareas, tres, como mucho, si realmente no les llevara mucho tiempo cada una de ellas, y si acabasen antes de tiempo, como no se suelen regir por un horario fijo, ni por horas trabajadas, sino por instalaciones completas realizadas, normalmente dejarán tareas enteras para días enteros, este hecho dependerá de la magnitud de la tarea o conjunto de tareas a realizar a continuación de las que se desarrollan en ese mismo momento. Previendo este "modus operandi" se considera apropiado el siguiente desglose de tareas, además de bastante cercano a lo que sucederá realmente.
Además teniendo en cuenta que las jornadas laborales normales no son mayores de ocho horas y buscando un aprovechamiento mayor del tiempo y una dedicación absoluta a cada una de las tareas a realizar se considera oportuno el siguiente desglose de tiempos representado por la tabla 14:
Tareas Subconjunto de captación Estructura soporte Colectores Accesorios Subconjunto de acumulación Acumulador Accesorios Subconjunto de termotransferencia Tuberías Aislamiento Electrocirculadores Manómetros Depósito de expansión Purgadores Termómetros Válvulas y accesorios Subconjunto de regulación
Fecha y hora de comienzo Día 1 8:00 AM 11:30 AM 2:00 PM Día 1 8:00 AM 11:00 AM
Día 2 8:00 AM Día 3 8:00 AM 12:00 PM 12:00 AM 12:00 AM 2:00 PM 1:00 PM 1:00 PM Día 4
Duración aprox.(horas) 3.5 2.5 1
3 1
7 4 2 1 1 1 1 2
Finalización aprox. de tareas Día 1 11:30 AM 2:00 PM 3:00 PM Día 1 11:00 AM 12:00 PM Día 2 3:00 PM Día 3 12:00 PM 2:00 AM 1:00 AM 1:00 AM 3:00 PM 2:00 PM 3:0 0 PM Día 4
66
Conexiones eléctricas Puesta en funcionamiento Conexiones finales Total
8:00 AM Día 5 8:00 AM
7 3 40
3:00 PM Día 5 11:00 AM Tabla 13
En el siguiente diagrama de Gantt representado por la figura 20 se indica la duración de la instalación de cada uno de los subconjuntos, así como las tareas en las que se divide cada uno de ellos, y la relación inicio-fin entre las mismas, indicando en la tabla que lo precede las actividades que preceden a las inmediatas consecutivas para una mayor definición del orden de actividades:
67
Figura 20. Diagrama de Gantt
Tal y como vemos en el diagrama de Gantt, hemos supuesto el día de inicio de la obre de instalación, el 1 de Octubre de 2012, de forma que dicha instalación de elementos nos llevaran aproximadamente 5 días, eso si, con un grupo de trabajo de unos 3 o 4 obreros, de forma que si este numero de trabajadores aumenta o disminuye, el tiempo estimado variará también de forma inversa.
68
3 Anexo de las características técnicas de los materiales 3.1
Panel Saunier Duval SRH 2.3.
Las principales características del colector así como sus prestaciones son las siguientes: •Identificación: -Fabricante: Saunier Duval. -Nombre comercial (marca/modelo): Saunier Duval/SRH 2.3. -Tipo de captador: Plano. -Año de producción: 2008.
69
3.2
Interacumulador combinado ARISTON BL1S 1500/330
Tras el análisis y de alternativas, en el presente proyecto, nos decantamos por un sistema de acumulación y de intercambio conjunto, de forma que el dispositivo seleccionado sea, un interacumulador combinado de la casa ARISTON y el modelo comercial BK1S 1500/330.
70
71
3.3
Vaso de expansión SISCOCAN 5 SMF
Tal y como determinamos en apartados anteriores, utilizaremos un vaso de expansión de la casa SISCOCAN en concreto el modelo 5 SMF, teniendo los siguientes parámetros:
72
3.4
Bomba hidráulica GRUNDFOS UPS 25-120
Para este caso, nos decantamos por la bomba de la casa GRUNDFOS con el modelo comercial UPS 25-120, siendo sus características a la hora de la elección de dicho elemento los siguientes:
73
DOCUMENTO II. PLANOS 1 Plano de Ubicación. 1.1
Situación del proyecto
La instalación que se estudia en este proyecto esta desarrollada al completo en la villa de Granadilla, promovido por las autoridades competentes, ya que esta labor está dentro del programa de Recuperación de Pueblos Abandonados. Suponiendo este proyecto un gran salto hacia la modernización, de las infraestructuras de abastecimiento de ACS y demás, así como una declaración por parte de la Mancomunidad de Trasierra Tierras de Granadilla a favor del medio ambiente y el desarrollo sostenible. Granadilla es una villa del noroeste de la provincia de Cáceres, España, incluida en el municipio de Zarza de Granadilla. Fue desalojada a mediados del siglo XX al transformarse en zona inundable debido a la construcción del Embalse de Gabriel y Galán. En 1980 esta localidad de gran trayectoria histórica fue declarada Conjunto históricoartístico y, cuatro años después, en 1984, elegida para su inclusión en el Programa de Recuperación de Pueblos Abandonados. La villa tiene una posición geográfica de latitud 40º 16´ Norte y 6º 0,6´ Oeste a una altura de 419 m.s.n.m. Además podemos citar distancias de enlace con otras ciudades cercanas como puede ser, a Cáceres 116 km, a Madrid 292 km, y hasta Salamanca 115 km. Como caso excepcional, hay que comentar el carácter histórico que posee la villa en la que se va a realizar las instalaciones, ya según el CTE DB HE4: “la contribución solar mínima determinada en aplicación de la exigencia básica […], podrá disminuirse justificadamente en los siguientes casos: […] f) Cuando así lo determine el órgano competente que deba dictaminar por materia de protección histórico-artística.” De forma que, en éste último caso, se podrá eliminar la necesidad de la instalación si lo determinase un órgano competente, debido al daño artístico-histórico, que se pueda ocasionar en el edificio. De forma que al ser un edificio de nueva construcción o rehabilitado en su gran parte, suponemos que no existe ningún perjuicio en este ámbito. Además decir, que es la parte contratante, la que está interesada en dicha instalación y no, el CTE, ya que en ningún caso es trata de una nueva construcción.
74
Finalmente, hacer mención de que las competencias a nivel energético están estipuladas a nivel nacional, de forma que, la villa no posee ninguna legislación en el plano energético a nivel comarcal o autónomo que pueda afectar a nuestra instalación.
1.2
Características de los emplazamientos
Como ya hemos comentado, el desarrollo del proyecto se realiza en la villa de Granadilla de Cáceres, situada al norte de la comunidad de Extremadura como podemos ver en la figura 21.
Figura 21. Localización de Granadilla, Cáceres. Para este emplazamiento, tomaremos datos que nos sean de utilidad en el desarrollo y cálculo de nuestra instalación de forma que tratamos con los siguientes apartados.
1.3
Dimensión de emplazamientos
En el proyecto están propuestos una serie de emplazamientos que tendremos que abastecer con ACS y calefacción en cada caso. Estos recintos no son más que viviendas y oficinas con unas dimensiones específicas que detallaremos posteriormente.
Oficina de turismo
Se trata de una vivienda rehabilitada con uso de oficina, con un área de 336 m², la cual tiene capacidad para cuatro trabajadores. Denominada OT.
Vivienda 1
Vivienda con planta de 196m², con cinco habitaciones, distribuidas en 2 plantas. Denominada V1.
Vivienda 2
Residencia con superficie de 150m², con habitaciones, en una sola planta. Denominada V2.
tres
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Vivienda 3
Domicilio con un área de 225m², con tres habitaciones, en una sola planta. Denominada V3
Piscina
Cercana a las anteriores dependencias, con un volumen de 120m³, con unas dimensiones de 6x15 metros. Denominada P.
Estas dependencias están distribuidas consecutivamente, pero no de forma ordenada, de forma que están dispuestas tal y como se representa en la figura 22. En la que vemos sobre una fotografía satélite de la villa, trazos de los emplazamientos antes citados, donde con sus dimensiones y las aguas de los tejados para cada caso.
Figura 22. Foto satélite y delineación de los emplazamientos del proyecto. De color azul, de arriba abajo, nos encontramos con la oficina de turismo, y las viviendas una dos y tres en ese orden, y de color verde tenemos la piscina que puede distar unos 20 metros de la vivienda más cercana (V4). Un aspecto importante que tendremos que tener en cuenta, a lo largo del presente proyecto, es que aunque se trate de diversos locales o emplazamientos, los trataremos como uno solo, calculando la demanda total y diseñando el sistema general, como si se tratase de una sola instalación, aunque posteriormente se puedan distribuir o no los diferentes elementos de la instalación a lo largo de las diferentes dependencias de las viviendas u oficina. Este aspecto se verá desplegado en el apartado de “Disposición de captadores” así como en el “Esquema final de la instalación”.
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2 Plano de Implantación de Equipos.
Escala:
0
0.5
1 metro
2
Autor:
Plano:
José Mª Peña Seva
Circuito primario
3 San Pablo CEU
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Con elementos
Escala: 0
0,5
1
1.5
2
Autor: José Mª Peña Seva San Pablo CEU
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Plano: Circuito primario Detalles
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Válvula 3 vías y sistema de valvula de toma de ACS a vivienda
control
Válvula Térmica en circuito de ACS
Circuitos interacumulador combinado
Escala:
0
1
1.5
Autor:
Plano:
José Mª Peña Seva
Circuito secundario elementos
2 San Pablo CEU
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DOCUMENTO III. PLIEGO DE CONDICIONES 1 Problemas que puede presentar la instalación 1.1
Corrosión
La corrosión es el fenómeno por el cual los metales sufren un proceso de alteración química, que les lleva a que el metal vaya siendo remplazado por otros compuestos químicos. Estos compuestos químicos pueden ser óxidos (en cuyo caso se habla de una oxidación), pero lo más normal es que sean elementos más complejos y mezclas de ellos. Entre los agentes naturales que pueden afectar a los metales tenemos el oxígeno del aire, el agua (bien sea en forma de vapor de agua o de agua líquida), el bióxido de carbono presente en la atmósfera, los contaminantes industriales, tales como óxidos de nitrógeno, óxidos de azufre, etc. Los diferentes metales utilizados en las aplicaciones de energía solar se comportan de distinta forma frente a los agentes agresivos externos, como es bien sabido. Sin embargo, todos ellos tienen en común el hecho de que en presencia del agente reaccionan químicamente, haciendo que el metal pase a ser un compuesto químico.
1.1.1 Lugares donde se produce radiación La más importante es la corrosión que puede llegar a afectar a toda la instalación. La corrosión puede presentarse en diferentes lugares de la instalación, como son:
En los soportes.
En el marco exterior de los paneles.
En la superficie selectiva.
Dentro del circuito hidráulico de la placa colectora.
En tuberías y/o intercambiador de calor.
En el depósito de acumulación.
En la bomba de circulación.
La corrosión en los soportes no suele tener problemas especiales, excepto en el caso de estar la instalación situada cerca del mar o en ambientes industriales con emanaciones altamente corrosivas.
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El marco exterior de las placas se puede corroer dependiendo del metal usado. Si hay corrosión, ésta comienza en las zonas donde se acumula aguade lluvia. Estas zonas suelen corresponder a los puntos de contacto (preferentemente los inferiores) entre el panel y el soporte estructural, así como junto a la cubierta. El resultado de esta corrosión es la perforación del marco exterior y la pérdida de estanqueidad del panel solar. Como consecuencia de esto, puede entrar agua de lluvia dentro del panel y producirse vaho en el interior de la cubierta, lo que disminuirá notablemente el rendimiento del panel. Si no se produjera entrada de agua dentro del panel, la corrosión no tendría excesiva importancia, siendo tan solo un problema estético. Según el tipo de materiales de la placa colectora y del líquido que circula en su interior, este tipo de corrosión puede ser muy rápida, o bien no aparecer nunca. Por esto es muy importante una buena elección del material del circuito hidráulico de la placa colectora y del líquido de circulación. La corrosión en las tuberías suele aparecer preferentemente en el interior de la rama caliente y en el exterior de la rama fría, debido a la condensación de humedad, aunque en general no suele ser importante. La corrosión en el acumulador puede producirse bien en las paredes del mismo, o bien sobre el intercambiador de calor. Pero en nuestro caso, al contar con un interacumulador combinado, no tendremos que preocuparnos sobre dicha corrosión, ya que el sistema está asegurado para ello. La bomba de circulación puede presentar problemas de corrosión en el interior de la carcasa y en el rodete.
1.1.2 Como evitar la corrosión Existen varios sistemas para evitar la corrosión, tales como:
No emplear metales (o emplearlos inoxidables).
Emplear líquidos no conductores de la corriente eléctrica.
Utilización de aditivos.
Ánodos de sacrificio.
Desgraciadamente, la posibilidad de no emplear metales en energía solar está un poco lejana. Es cierto que se fabrican tubos de material plástico (incluso para agua caliente), acumuladores de poliéster reforzado con fibra de vidrio e incluso paneles solares de plástico para piscinas. Si se pueden utilizar estos elementos no metálicos, con las debidas garantías, pueden ser una baza importante en la lucha contra la corrosión.
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Igualmente se pueden utilizar materiales inoxidables (generalmente acero inoxidable) para determinadas piezas, en especial el acumulador, con lo que evitarán muchos problemas. El empleo de líquidos no conductores de la corriente eléctrica no siempre es factible debido al elevado coste de estos aceites térmicos y al hecho de que esta solución no puede usarse en el caso de agua caliente sanitaria. Existe un gran número de aditivos que, añadidos al agua en pequeñas proporciones, tienen una acción inhibidora de la corrosión. Estos aditivos pueden usarse en el circuito de paneles y en las instalaciones de calefacción en ambos circuitos. Como hemos visto que colocando dos metales diferentes, el de potencial más negativo se corroe, quedando el otro inalterado. Este principio podemos usarlo para proteger la instalación. Para ello bastará disponer .de un metal con un potencial inferior a cualquier metal de los que formen la instalación y colocarlo en su interior, cuidando de que haga contacto eléctrico con ella. Metales adecuados para este fin pueden ser el aluminio o el magnesio. Este método de protección de la corrosión se conoce como protección catódica con ánodo de sacrifico. Consiste en colocar un trozo de aluminio o magnesio (ánodo de sacrificio), que generalmente es una barra maciza, en las proximidades de la zona a proteger (pueden colocarse varios ánodos de sacrificio si la zona a proteger es grande).
2 Puesta en marcha de la instalación Al término del montaje de la instalación se inicia el proceso de puesta en marcha de la misma, lo cual implica realizar una serie de operaciones que son responsabilidad del instalador, toda vez que las instalaciones deben entregarse llenas de fluido y en marcha. Seguidamente es normal que la propiedad o las autoridades componentes exijan la realización de un conjunto de pruebas de recepción o comprobación del correcto montaje y funcionamiento de la instalación. En realidad no deben confundirse ambos aspectos. En todo caso las pruebas de recepción son necesarias para seguridad del propio instalador, con independencia de que alguien le exija.
2.1.1 Operaciones de puesta en marcha de la instalación Es conveniente realizar un primer llenado y drenado de la instalación con dos objetivos:
Realizar una limpieza de posibles depósitos de suciedad, virutas, etc., introducidas en el circuito durante el montaje y detectar y corregir fugas. Las operaciones de llenado se realizarán con la lentitud suficiente y de la parte más baja a la más alta, para eliminar las bolsas de aire que de otra forma podrían quedar dentro del circuito dificultando el buen funcionamiento del mismo, y abriendo los purgadores hasta que el fluido inicie la salida, en cuyo momento se cerrarán.
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Una vez terminada la operación de llenado se pondrá en marcha el sistema y se tendrá circulando el fluido un cierto tiempo, para que sean arrastradas las partículas de las tuberías, después de lo cual se vaciará, se procederá a corregir las fugas, si las hubiese, y a continuación se procederá al relleno definitivo de la mezcla de agua y anticongelante si la instalación lo llevase, de la misma manera en que se hizo el primer llenado.
Llenado y purgado del circuito primario en instalación conectada a red con vaso de expansión cerrado. En instalaciones presurizadas por la red de suministro el circuito primario o de colectores será protegido por un reductor de presión, debiendo tarar éste a la presión necesaria para mantener la presión mínima en el punto más alto de este circuito. Deberá estar provisto de un purgador automático de aire colocado en el punto más elevado, el cual permanecerá abierto hasta la evacuación total del aire contenido en el circuito primario. Para tarar la presión del reductor depresión se cerrará la llave situada inmediatamente detrás, abriendo a continuación el paso de red, y fijando después mediante el tornillo de regulación la presión deseada.
2.1.2 Pruebas de recepción Prueba de estanqueidad: Con el fin de comprobar su estanquidad, todas las tuberías y accesorios, deben probarse bajo una presión hidrostática no inferior a 1,5 veces la presión nominal del circuito. El proceso de prueba se ajustará a la norma UNE 100.151 " Pruebas de estanqueidad en redes de tuberías”. La prueba se realizará en cualquier caso antes de aislar las tuberías yantes de que éstas queden ocultas por obras de albañilería. Durante la aprueba de presión estática, para conocer y establecer las presiones a que se ensaya cada componente, es necesario tener en cuenta las diferencias de presión debidas a la altura relativa de cada uno de ellos. Pruebas de accesorios: Conviene comprobar que las válvulas de seguridad funcionan y que sus tuberías de conexión a la atmósfera no están obstruidas. El proceso se realizará durante la prueba de presión del circuito, incrementando la presión delante de la válvula de seguridad hasta alcanzar un valor de (1,1 veces) la presión de tarado, comprobando que la válvula abre. Esta operación también debe comprobarse en las válvulas de corte, llenado, vaciado y purga de la instalación asegurándose que actúan correctamente. Debe comprobarse que las válvulas de corte, llenado, vaciado y purga de la instalación actúan correctamente.
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3 Mantenimiento de la instalación En instalaciones medianas y grandes, aparte de la limpieza del polvo y el pintado de los soportes, se hace necesario verificar periódicamente todos los elementos de la instalación, comprobando su funcionamiento y reparando o reponiendo aquellos elementos defectuosos. Para ello es muy conveniente confeccionar un formulario en blanco que contenga todos los elementos de la instalación y consisten en una relación de las diferentes piezas que componen la instalación y sus posibles averías, así como el intervalo de tiempo que se requiere para volver a realizar otra inspección. Un tipo genérico de formulario podría contener los siguientes datos: Soportes: Verificar el estado general. Paneles solares: Verificar el estado general, presencia de cubiertas rotas, presencia de vaho en su interior, salida de líquido interior, salida de líquido (goteo) en las conexiones. Acumulador: Verificar el estado general, salida de líquido (goteo) por las conexiones, derrame de líquido por perforación de la pared, aislante mojado. Bomba de circulación: Verificar el estado general, salida de líquido (goteo) por el prensaestopas, funcionamiento ruidoso. Purgadores: Verificar su funcionamiento. Válvula de seguridad: Abrirla manualmente, verificar el esfuerzo requerido para abrirla, cierre sin goteo. Tuberías: Sin goteos en ninguna conexión o soldadura, aislante térmico en buen estado. Líquido de circulación: Verificar el nivel, reponiendo en caso necesario. Central electrónica: Verificar su funcionamiento, alterando el valor de disparo de los relés y comprobando que la bomba se para o se pone en marcha. Volver a la posición primitiva. Manómetros, termómetros: Verificar que funcionan y que indican valores dentro de las previsiones. Vaso de expansión: Verificar su estado exterior. Llaves de paso: Accionarlas para evitar que se agarroten. Contadores (Si los hay): Verificar su funcionamiento, pueden ser contadores de agua caliente, de energía eléctrica consumida, de gas, etc.
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3.1.1 Mantenimiento y operaciones a realizar por el usuario El usuario debe, imprescindiblemente, realizar las operaciones de control y mantenimiento periódico: Comprobar periódicamente la presión del circuito iniciada por un manómetro situado en la parte baja del circuito, preferiblemente antes de la bomba. La comprobación debe realizarse en frío. Cuando la presión baja del valor establecido por el fabricante, en sistemas cerrados el usuario debe rellenar el circuito abriendo la llave de conexión a red. En sistemas con vaso de expansión abierto debe inmediatamente averiguarse la causa de fallo del sistema de relleno. Purgar periódicamente el sistema, eliminando la posible presencia del aire en los botellines de desaireación.
3.1.2 Mantenimiento a realizar por el personal especificado El mantenimiento se ha programado para realizarse anualmente, al principio del invierno. Las instalaciones solares funcionan por ciclos anuales, con las mayores temperaturas en verano y el peligro de congelación en invierno. El período de un año parece suficiente para una instalación bien diseñada. Control anual del anticongelante: El mantenimiento implica las operaciones de control de la proporción de anticongelante residual en el sistema y el relleno en caso necesario. Comprobación de la presión y el llenado del circuito: La operación se realizará al término de llenado con anticongelante, o como una operación independiente y de gran importancia en los sistemas sin anticongelante. En circuitos abiertos se comprobará en frío el nivel de agua del vaso de expansión. Comprobación de la presión del aire del vaso de expansión cerrado: Con un manómetro manual se comprobará la presión del aire en vasos de expansión cerrados. La medida se realizará con el circuito frío y las bombas paradas, procurando cerrar las llaves de corte del lado de las bombas y del Comprobación del funcionamiento automático de las bombas de la instalación: Se colocarán todos los interruptores de accionamiento en posición automático.
3.2
Localización y reparación de averías
Inicialmente se establece una diferencia entre averías del sistema, entendiendo por tal a los fallos capaces de impedir el funcionamiento del mismo o reducir de forma importante su rendimiento, y deterioros o degradaciones de la instalación, que si de forma inmediata ni impiden el funcionamiento del sistema ni afectan a su rendimiento, en breve plazo pueden inutilizar la instalación, caso de no ser reparados. La presencia de averías en el sistema es normalmente detectada con rapidez por el usuario a través de los siguientes síntomas:
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El rendimiento de la instalación baja apreciablemente o desaparece, esto es, con días soleados la temperatura del depósito solar sube poco o no sube, y el sistema de energía auxiliar, si lo hay, funciona excesivo tiempo.
Aparecen fugas de agua en el circuito.
El sistema de energía auxiliar no arranca y en días sin sol la instalación no calienta.
Los recibos de energía auxiliar son excesivos.
La instalación genera ruidos anormales; bien porque alguna de las bombas se hace demasiado ruidosa, bien porque se oye hervir el agua de los colectores
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DOCUMENTO IV. MEDICIONES Y PRESUPUESTO La partida de presupuesto se dividirá principalmente en “materiales” y en “mano de obra”, de forma que los describiremos en cada caso.
1 Materiales DETALLES
UNIDADES
PRECIO IMPORTE
Colector de la casa Saunier Duval, el modelo SRH2.3. Absorbedor de aluminio y tubo de cobre (soldadura laser) y circuito en forma de meandro con tubería colectora. Tratamiento altamente selectivo marco de aluminio anodizado en color negro resistente ambientes marinos con aislamiento de lana de roca resistente a la temperatura de estancamiento (aplicación solar), conjunto sellado mediante junta de estanqueidad. Vidrio solar de seguridad de 4 mm.
10
759,00 €
7.590,00€
Interacumulador combinado de la casa ARISTON, y modelo BK1S 1500/330. - Gran superficie de intercambio térmico - Tanque protegido con exclusivo - Tratamiento de titanio a 850 ºc - Toma para recirculación - Ánodo de magnesio - Funda flexible de 100 mm. - Pletina frontal de inspección - Disponibles kits de apoyo eléctrico de 3 a 7,5 kw - Vaina y termómetro incluidos
1
3512,00€
3.512,00€
Bomba hidráulica GRUNDFOS UPS 25-120. Cojinete axial de carbono. - Camisa del rotor y placa soporte de acero inoxidable. - Impulsor resistente a la corrosión, Compuesto, PES/PP. - Cuerpo de bomba de Fundición.
1
398,00€
398,00€
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Vaso de expansión SISCOCAN 5 SMF Con capacidad de 5 litros y una presión máxima de 10 Bares.
1
16,55€
16,55€
Tubo de cobre UNE-EN 1057 de 15mm exterior, y el aislamiento necesario.
50 m C. prim.
3,60€/m
180,00€ 928,80€
285m C sec.
150€
Accesorios Los accesorios correspondientes, como codos, bifurcaciones, diversas válvulas, y demás elementos de control y regulación del circuito solar térmico.
12.775,35€
TOTAL IMPORTE MATERIALES
2 Mano de obra DETALLES
NÚMERO TIEMPO
PRECIO
IMPORTE
Oficial de 1ª fontanero calefactor Para los trabajos de organización, y planificación, así como las instalaciones de los elementos de seguridad y control de los circuitos primario y secundario.
1
13h
18€/h
234,00€
Peón de albañilería Para la disposición de las tuberías en los circuitos y los aislamientos donde fueran necesarios.
3
9h
9€/h
243,00€
Transporte materiales.
y distribución
de
TOTAL IMPORTE MANO DE OBRA
120,00€
597,00€
3 Total Sumando todas las partidas, el importe total asciende a la cantidad de TRECEMIL TRESCIENTOS SETENTA Y DOS EUROS CON TREITA Y CINCO CÉNTIMOS.
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Bibliografía: Código Técnico de la Edificación, Documento Básico http://www.codigotecnico.org/web/recursos/documentos/dbhe/he4/
Libro del Modulo de “Energía solar, térmica y pasiva” de la Universidad de San Pablo CEU de Madrid.
Libro del Modulo de “Proyecto fin de Máster” de la Universidad de San Pablo CEU de Madrid
Página web Google Maps, donde se encuentran fotos de satélites del emplazamiento https://maps.google.es/maps?hl=es
Pliego del IDAE
Pagina web de CENSOLAR, para el conocimiento de tablas de datos del emplazamiento http://www.censolar.es/
Pagina web de Photovoltaic Geographical Information System (PVGIS) http://re.jrc.ec.europa.eu/pvgis/
Paginas webs de las diferentes casas comerciales de los elementos de la instalación. http://www.saunierduval.es/ http://www.aristonthermogroup.com.ar/productos-acumuladores-parasolaresbk1s.html http://es.grundfos.com/
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http://www.siscocan.es/webdesa/productos/151/IBAIONDO.pdf http://www.globalparts.es/
Además de la bibliografía anterior, comentar que para el presente proyecto se ha recurrido a los siguientes programas informáticos. Microsoft Word 2010 Microsoft Visio 2010 AutoCAD 2012 Adobe Photoshop CS5
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