Energía solar Diseño y operación de térmica y pasiva ...campusvirtual.imf-formacion.com/UPC_VirtualCampus/Contents/COURSE... · instalaciones solares térmicas i. introducciÓn

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TEMA 3

Diseño y operación de instalaciones solares

térmicas

I. INTRODUCCIÓN

II. OBJETIVOS DEL TEMA

III. CONDICIONES GENERALES DEL PROYECTO DE INSTALACIÓN SOLAR TÉRMICA

IV. DIMENSIONADO Y DISEÑO DE LAS INSTALACIONES

V. MANTENIMIENTO DE LAS INSTALACIONES

VI. CASO PRÁCTICO I: VIVIENDA UNIFAMILIAR

VII. CASO PRÁCTICO II: EDIFICIO RESIDENCIAL MULTIFAMILIAR

VIII. OTRAS APLICACIONES

IX. RESUMEN DEL TEMA

AUTOEVALUACIÓN

AUTOEVALUACIÓN – Solución

Ediciones Roble, S.L.

Energía solar térmica y pasiva

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TEMA 3. DISEÑO Y OPERACIÓN DE INSTALACIONES SOLARES TÉRMICAS

ENERGÍA SOLAR TÉRMICA Y PASIVA

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ÁREA DE ENERGÍAS RENOVABLES

I. INTRODUCCIÓN

Una vez descritas las principales características de las instalaciones solares térmicas y de sus elementos, en este tema se aborda su diseño.

El punto de partida se encuentra en la exigencia de aporte solar que viene marcada por la normativa actualmente en vigor, el Código Técnico de la Edificación, en su Documento Básico de Ahorro de Energía, sección 4: “Contribución solar mínima de agua caliente sanitaria” (CTE DB HE4). También resulta imprescindible la lectura del Pliego de Condiciones Técnicas del IDAE que aunque no es de obligado cumplimiento, orienta y asesora con gran rigor técnico. Ambos documentos se encuentran fácilmente en la red.

Los datos de entrada del proceso de dimensionado y diseño de la instalación son:

Demanda energética total requerida por el edificio, que se

obtiene a partir de la estimación de demanda de agua y el salto térmico a aplicar.

Energía solar disponible en el lugar de instalación y para la posición del campo de captadores, teniendo en cuenta posibles reducciones por sombreado y por orientaciones diferentes de la óptima.

En función de la demanda de agua y de la ubicación de la

instalación se determina la contribución solar requerida. Para determinar el número (o superficie) de captadores se aplica uno de los métodos de dimensionado reconocidos en el sector. En este documento se trabaja con el llamado método f-chart, de amplia difusión y reconocimiento.

Para poder dimensionar la instalación deben conocerse de antemano las principales características de los captadores para poder cotejar en cada instalación cual es el que mejor encaja, bien por dimensiones, por superficie de captación, por calidad, por precio, etc.

Después de la descripción del método de diseño, el tema aborda dos casos prácticos. A continuación se indican las tareas de mantenimiento a realizar, para concluir con un análisis energético y económico de este tipo de sistemas.

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II. OBJETIVOS DEL TEMA

Los objetivos básicos del tema son:

Conocer el alcance y exigencias de la normativa actual aplicable

a las instalaciones solares térmicas.

Comprender y aplicar las herramientas de dimensionado y diseño de las instalaciones.

Evaluar la influencia de los diferentes factores externos que condicionan el funcionamiento de los sistemas.

III. CONDICIONES GENERALES DEL PROYECTO DE INSTALACIÓN SOLAR TÉRMICA 3.1. La instalación solar térmica en la edificación

En el tema inicial se ha presentado la evolución y la situación actual de la utilización de sistemas solares activos para la generación de calor en la edificación.

Son instalaciones con un grado de implantación importante en determinadas zonas del planeta con elevada insolación, partiendo de sistemas sencillos y poco costosos que, con el tiempo, han ido perfeccionándose.

En la mayor parte de los casos, la instalación solar térmica ha constituido un añadido al edificio, ya que normalmente su instalación ha sido posterior al propio diseño y construcción de la edificación. El hecho de que la gran mayoría de los sistemas instalados hayan sido de pequeño tamaño permitía su disposición “a posteriori” en edificios con condiciones adecuadas, en terrenos colindantes, azoteas, etc.

La necesidad de diversificar el uso de fuentes de energía y reducir en lo posible el consumo de recursos convencionales como gas o gasóleo ha provocado un aumento importante en el número de sistemas instalados y, poco a poco, en su tamaño.

Desde la aprobación del Código Técnico de la Edificación en marzo de 2006 se ha extendido aún más el uso de sistemas térmicos en España y se han desarrollado nuevos y mejores diseños de componentes.

Por su relevancia práctica este tema va a tomar como base de desarrollo de un proyecto la aplicación de dicho Código Técnico,

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remarcando las posibles ampliaciones sobre los mínimos en él exigidos.

En primer lugar debe quedar claro el ámbito de aplicación de la normativa actual, en el Documento Básico HE4 del Código Técnico de la Edificación, sobre contribución solar mínima de agua caliente sanitaria (referido como CTE DB HE4 en lo que sigue).

Como indica el propio documento:

“… es aplicable a los edificios de nueva construcción y rehabilitación de edificios existentes de cualquier uso en los que exista una demanda de agua caliente sanitaria y/o climatización de piscina cubierta.”

Cabe destacar que no se menciona el apoyo a la calefacción, lo que

no impide diseñar instalaciones con ese fin, junto al suministro de ACS, ya que el CTE DB HE4 únicamente establece los mínimos a cumplir.

Como es lógico, existen circunstancias que limitan o incluso excluyen el uso de sistemas solares térmicos en determinados edificios. Así se recoge en el CTE:

“La contribución solar mínima determinada en aplicación de la exigencia básica…, podrá disminuirse justificadamente en los siguientes casos:

a) cuando se cubra ese aporte energético de agua caliente

sanitaria mediante el aprovechamiento de energías renovables, procesos de cogeneración o fuentes de energía residuales procedentes de la instalación de recuperadores de calor ajenos a la propia generación de calor del edificio;

b) cuando el cumplimiento de este nivel de producción suponga sobrepasar los criterios de cálculo que marca la legislación de carácter básico aplicable;

c) cuando el emplazamiento del edificio no cuente con suficiente acceso al sol por barreras externas al mismo;

d) en rehabilitación de edificios, cuando existan limitaciones no subsanables derivadas de la configuración previa del edificio existente o de la normativa urbanística aplicable;

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e) en edificios de nueva planta, cuando existan limitaciones no subsanables derivadas de la normativa urbanística aplicable, que imposibiliten de forma evidente la disposición de la superficie de captación necesaria;”

En los casos anteriores, salvo el a), se debe justificar en el

proyecto la inclusión alternativa de medidas o elementos que produzcan un ahorro energético térmico o reducción de emisiones de dióxido de carbono, equivalentes a las que se obtendrían mediante la correspondiente instalación solar, realizando mejoras en el aislamiento térmico y rendimiento energético de los equipos.

Así mismo, existe un último caso de excepción por motivos del valor histórico-artístico del edificio:

f) “cuando así lo determine el órgano competente que deba

dictaminar en materia de protección histórico-artística.”

Se establece un procedimiento para la verificación del cumplimiento

del CTE DB HE4, que incluye los siguientes puntos:

a) Obtención de la contribución solar mínima.

b) Cumplimiento de las condiciones de diseño y dimensionad

c) Cumplimiento de las condiciones de mantenimiento.

La contribución solar es la fracción entre los valores anuales de la

energía solar aportada y la demanda energética anual, obtenidos ambos a partir de los valores mensuales.

Según establece el CTE, en la memoria del proyecto debe definirse el método de cálculo, especificando, al menos en base mensual, los valores medios diarios de la demanda de energía y de la contribución solar.

Asimismo el método de cálculo incluirá las prestaciones globales anuales definidas por:

a) La demanda de energía térmica.

b) La energía solar térmica aportada.

c) Las fracciones solares mensuales y anuales.

d) El rendimiento medio anual.

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Como datos de partida para la obtención de la contribución solar, se debe conocer la demanda energética mensual del edificio al que da servicio el sistema y la energía solar que incide sobre la superficie de los captadores, también en base mensual.

En los siguientes apartados se analizan estos aspectos, dejando para secciones posteriores la explicación y aplicación del método de dimensionado y cálculo de la contribución solar de la instalación, su diseño completo y sus necesidades de mantenimiento.

3.2. Contribución solar mínima en el Código Técnico de la Edificación

El CTE DB HE4 exige que toda edificación acogida en su ámbito de

aplicación disponga de una instalación solar térmica que sea capaz de suministrar, en diseño, una contribución solar mínima, en función de la zona climática y del nivel de demanda de agua caliente sanitaria del edificio, a una temperatura de referencia de 60ºC.

Establece dos categorías dependiendo de cuál sea la fuente de generación auxiliar:

a) General: suponiendo que la fuente energética de apoyo sea

gasóleo, propano, gas natural, u otras;

b) Efecto Joule: suponiendo que la fuente energética de apoyo sea electricidad mediante efecto Joule, como ocurre con el calentamiento mediante resistencias eléctricas.

Los valores exigidos de aporte solar mínimo anual, expresados en

porcentaje sobre el total, se recogen en las siguientes tablas, para ambas categorías y con temperatura de referencia de 60ºC.

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Demanda total

de ACS del edificio

(m3/día)

Zona climática

I II III IV V

0,05-5 30 30 50 60 70 5-6 30 30 55 65 70 6-7 30 35 61 70 70 7-8 30 45 63 70 70 8-9 30 52 65 70 70

9-10 30 55 70 70 70 10-12,5 30 65 70 70 70 12,5-15 30 70 70 70 70 15-17,5 35 70 70 70 70 17,5-20 45 70 70 70 70

>20 52 70 70 70 70

Tabla 4.1: Contribución solar mínima en % exigido por el CTE DB HE4. Caso general (gas, gasóleo, propano,…). Fuente: Código Técnico de la Edificación.

Demanda total

de ACS del edificio

(m3/día)

Zona climática

I II III IV V

0,05-1 50 60 70 70 70 1-2 50 63 70 70 70 2-3 50 66 70 70 70 3-4 51 69 70 70 70 4-5 58 70 70 70 70 5-6 62 70 70 70 70 >6 70 70 70 70 70

Tabla 4.2: Contribución solar mínima en % exigido por el CTE DB HE4. Caso

calentamiento auxiliar por efecto Joule (eléctrico). Fuente: Código Técnico de la Edificación.

La distribución de zonas climáticas se establece en el propio CTE, a partir de los datos de radiación solar global anual incidente sobre superficie horizontal, H, con los intervalos indicados en la siguiente tabla. Los valores se expresan en kWh/m2, debiendo multiplicar por 3,6 para pasar a MJ/m2.

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Zona climática kWh/m2 I H<3,8 II 3,8 ≤H < 4,2 III 4,2 ≤H < 4,6 IV 4,6 ≤H < 5,0 V H ≥ 5,0

Tabla 4.3: Distribución de zonas climáticas en función de la radiación solar global

anual sobre superficie horizontal. Fuente: Código Técnico de la Edificación.

Se muestra el mapa de España en la figura 4.1, dejando para el anexo correspondiente la asignación de zona climática por localidades.

Figura 4.1: Mapa de zonas climáticas para la aplicación del CTE DB HE4. Fuente: Código Técnico de la Edificación.

La zona climática I corresponde a los lugares de menor radiación incidente anual, en el norte del país, mientras que la zona climática V es la de mayor insolación, al Sur.

Si se analizan las tablas anteriores y las diferencias entre los dos casos, con generación auxiliar convencional o eléctrica, se observa una exigencia mucho mayor de aporte solar en el segundo caso. Por

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ejemplo, en edificios con demanda pequeña-media (entre 50 litros por día y 1.000 litros por día) para zona climática II, se exige un 30% más de contribución solar si se utiliza calentamiento auxiliar eléctrico. En la zona climática III esta diferencia es del 20% y en al IV del 10%. En la zona V ambos casos alcanzan el tope de 70% de contribución exigida.

La electricidad se considera una energía de mayor “calidad”, generalmente se produce a partir del calor, por lo que resulta poco eficiente utilizar electricidad para retornar a usos caloríficos. Es diferente el caso en el que esta electricidad haya sido generada mediante energías renovables, no consumidoras de combustibles convencionales.

En cuanto a las diferencias por zona climática, como es lógico se exige una mayor contribución solar en los lugares donde la insolación es superior, con un 30% en zona I y un 70% en zona V para instalaciones de tamaño pequeño-medio y combustible convencional.

Desde un punto de vista cualitativo, sin entrar todavía en el detalle del cálculo de la instalación, puede decirse que se alcanzan los valores de contribución exigidos para cada zona con sistemas de tamaño similar. De esta forma los costes totales de construcción no se incrementan en exceso en unas zonas respecto a otras.

Debe comprenderse, sin embargo, que en las zonas con menor insolación y menor exigencia de contribución solar, el gasto anual por consumo del recurso auxiliar (convencional o eléctrico) será mayor en las zonas de baja insolación, para la misma demanda total.

En cuanto a la dependencia según la demanda de ACS del edificio, la contribución solar mínima exigida se incrementa con el consumo, siempre con el tope del 70%. Por tanto, cuanta mayor es la necesidad térmica para ACS, mayor debe ser la instalación solar, en proporción, y para una misma zona.

En el CTE también se indica la contribución solar mínima para el caso de la aplicación con climatización de piscinas cubiertas:

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Zona climática I II III IV V

Piscinas cubiertas

30 30 50 60 70

Tabla 4.4: Contribución solar mínima en % exigido por el CTE DB HE4 para climatización de piscinas cubiertas. Fuente: Código Técnico de la Edificación.

Los requisitos mínimos de este CTE permiten ser complementados

con normativas autonómicas y/o municipales más exigentes.

3.3. Estimación de la demanda de energía calorífica

Para poder calcular la contribución solar de una instalación o bien para poder dimensionarla de forma que suministre dicha contribución solar, el primer paso es la estimación de las necesidades térmicas del edificio en sus aplicaciones de suministro de ACS o bien climatización de piscinas.

La demanda calorífica se obtiene con la siguiente información previa, que habrá que evaluar en base mensual:

Demanda de ACS del edificio, en litros o m3 por día.

Temperatura final de calentamiento, normalmente 60ºC como referencia.

Temperatura fría del agua de red.

En primer lugar se determina la demanda de agua prevista, en

función del tipo de aplicación y de sus dimensiones (ocupación). Posteriormente debe determinarse la demanda energética que supone el calentamiento de dicha cantidad de agua desde la temperatura de red hasta la temperatura final.

3.3.1. Estimación de la demanda de ACS

La estimación del consumo de ACS previsto en el edificio es un dato fundamental para calcular la contribución solar real de la instalación. Sin embargo, existe escasa información del terreno, ya que rara vez se registran directamente estos caudales.

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En edificios ya en funcionamiento, con una instalación convencional, es posible estimar el consumo de ACS a partir del gasto de combustible que aparece en las facturas mensuales o bimensuales. Si la instalación suministra tanto para calefacción como para ACS, debe escogerse un mes de verano, en el que no se conecte la calefacción.

Como se indica en el Manual del Proyectista de Energía Solar Térmica, de la Junta de Castilla y León, el consumo mensual de ACS del mes i, Di, expresado en m3/mes se puede estimar cómo:

ireduso

iecombustibli TT

PCIDD

,

, ..

Donde:

Dcombustible,i es el consumo de combustible del mes de estudio i, en m3/mes.

PCI es el poder calorífico inferior del combustible utilizado

es el rendimiento del generador de calor convencional existente.

Tuso y Tred son las temperaturas finales de calentamiento y de agua fría de red, respectivamente.

Otra opción es tomar los registros de agua fría y estimar que el

ACS supone entre un 25 y un 35% del total (Fuente: Junta de Castilla y León), aunque en este caso no se consideran las diferencias que pueda haber entre aplicaciones. Otra opción es evaluar individualmente por tipos de utilización, como ducha, lavado de platos, etc.

La solución más habitual, la única en obra nueva, consiste en utilizar las tablas que diversos organismos ofrecen. El propio CTE propone una tabla de consumos unitarios previstos de ACS por aplicaciones. Se ha elaborado a partir de la tabla de consumo unitario medio de la norma UNE 94002:2005 “Instalaciones solares térmicas para producción de agua caliente sanitaria: cálculo de la demanda energética”.

No deben confundirse estos valores de demanda con los registros y estadísticas de consumo de agua por persona y día, que incluye también el agua fría.

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Lugar de consumo Litros ACS/día a 60ºC

Viviendas unifamiliares 30 por persona

Viviendas multifamiliares 22 por persona

Hospitales y clínicas 55 por cama

Hotel**** 70 por cama

Hotel*** 55 por cama

Hotel/Hostal** 40 por cama

Camping 40 por emplazamiento

Hostal/Pensión* 35 por cama

Residencia (ancianos, estudiantes,…) 55 por cama

Vestuarios/duchas colectivas 15 por servicio

Escuelas 3 por alumno

Cuarteles 20 por persona

Fábricas y talleres 15 por persona

Administrativos 3 por persona

Gimnasios 20-25 por usuario

Lavanderías 3-5 por kg de ropa

Restaurantes 5-10 por comida

Cafeterías 1 por almuerzo

Tabla 4.5: Demanda diaria de referencia de ACS a 60ºC según el CTE DB HE4.

Fuente: Código Técnico de la Edificación.

Para obtener la demanda mensual de ACS debe multiplicarse la demanda diaria por el número de días de cada mes. Si es constante durante todo el año la demanda total será, obviamente, igual a la demanda diaria por 365 días.

Existen muchas aplicaciones en las que el consumo no es constante durante la semana, con valores muy superiores durante los días laborables como ocurre en escuelas o centros administrativos, por ejemplo, y también casos con mayor consumo durante los fines de semana, como en hoteles o segundas residencias.

El CTE DB HE4 indica que en el caso que se justifique un nivel de demanda de ACS que presente diferencias de más del 50% entre los diversos días de la semana, se considerará la correspondiente al día medio de la semana y la capacidad de acumulación será igual a la del día de la semana de mayor demanda.

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Volviendo a la estimación de la demanda de agua anterior, en usos residenciales, si no se conoce el nivel de ocupación de las viviendas objeto del suministro, debe estimarse el número de personas a partir del número de dormitorios de cada vivienda, según la siguiente tabla extraída del el CTE:

Número de dormitorios

1 2 3 4 5 6 7 >7

Número de personas

1,5 3 4 6 7 8 9 Una persona

por dormitorio

Tabla 4.6: Determinación del número de personas por vivienda.

Para la asignación de la contribución solar mínima que debe satisfacer la instalación, debe considerarse siempre la demanda a la temperatura de referencia de 60ºC. Sin embargo, si la temperatura de acumulación de diseño es distinta de los 60ºC, para el dimensionado de la instalación debe corregirse la demanda anterior según las siguientes expresiones:

i

iii TT

TxCDTD

60)º60()(

12

1

)()( TDTD i

Donde:

T: Temperatura del acumulador final

Ti: Temperatura media del agua fría en el mes i

D(T): demanda de agua caliente sanitaria anual a la temperatura T elegida.

Di(T): demanda de agua caliente sanitaria para el mes i a la temperatura T elegida.

Di(60º C): demanda de agua caliente sanitaria para el mes i a la temperatura de 60º C.

Para obtener la demanda mensual debe multiplicarse la demanda

diaria por el número de días de cada mes.

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Una temperatura de acumulación inferior mejora el rendimiento de la instalación, ya que existe un mayor salto térmico en el intercambiador de calor. Sin embargo, aumenta el volumen de acumulación para almacenar la misma carga térmica y puede haber riesgo de legionelosis.

Si la acumulación se realiza a mayor temperatura se requiere un mayor número de captadores, si bien una acumulación de menor tamaño.

Para realizar estas correcciones por temperatura, así como para cálculos posteriores de la demanda en términos energéticos, se pueden usar las tablas de temperaturas medias de agua de red de CENSOLAR, incluidas en el Pliego del IDAE (ver anexo). Sin embargo, es común utilizar una temperatura media anual de 12º C tal y como hace el propio CTE en la estimación de las demandas energéticas a 60º C antes tabuladas.

Con toda esta información se propone un ejercicio práctico sencillo de repaso de la información hasta ahora expuesta.

Ejercicio:

Se pretende instalar un sistema solar térmico para suministro de ACS en un edificio residencial multifamiliar situado en Alcalá de Henares (Madrid), en zona climática IV. El edificio tiene 6 viviendas de 3 dormitorios y 2 viviendas de 2 dormitorios. La temperatura del agua de acumulación para suministro de ACS es de 55º C. Determinar la contribución solar mínima que deberá cubrir la instalación solar y la demanda real de agua a la temperatura elegida, sabiendo que la fuente de generación auxiliar es gas natural.

El número de personas residentes estimado es:

Tipo vivienda Nº viviendas Nº personas por

vivienda Nº personas

3 dormitorios 6 4 24 2 dormitorios 2 3 6

Total 30

Tabla 4.7 Estimación del número de personas residentes. Ejercicio. Fuente: elaboración propia.

En edificios multifamiliares la demanda mínima propuesta por el CTE es de 22 litros por persona y día, a 60º C, con lo que la demanda total diaria a dicha temperatura asciende a:

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30 personas x 22 litros/día = 660 litros/día = 0,66m3/día

Se concluye que con 0,66 m3/día de consumo y zona climática IV,

la contribución solar mínima de ACS es del 60% del total.

Sin embargo, como la temperatura de acumulación elegida es de 55º C, la demanda de agua real a efectos de cálculo de la instalación se debe estimar con las expresiones anteriores.

Primero vamos a calcular la demanda a 55º C de forma simplificada, suponiendo una temperatura de agua de red constante de 10,3º C para todos los meses (media anual en Madrid) y tomando un mes medio de 30,4 días. La demanda media mensual a 60º C, igual para todos los meses es:

Di(60º C) 0,66 m3/día.30, 4 días 20,1 m3/mes

Que se corrige a los 55º C del ejercicio como:

mesmxmesmCDi /3,22

3,1055

3,10601,20)º55( 33

La demanda anual es:

Daño (55º C) =12 meses x 22,3 m3/mes = 267,6 m3

Y la demanda media diaria, que es de 0,66m3/día a 60º C pasa a ser de:

Ddía (55º C)=267,6 m3/365 días = 0,73 m3/día

Al transformar el valor de demanda de los 60º C a los 55º C se produce un incremento del 10%. Puede calcularse para otras temperaturas, como 45º C, para los que el aumento de demanda es del 50% respecto a la inicial a 60º C.

Si aplicamos de forma estricta las expresiones anteriores, en base mensual, tomando la temperatura media del agua de red de cada mes del lugar de ubicación (en este caso Madrid) y el número de días real de cada uno, se obtienen los siguientes valores:

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Mes Tª agua

red Ddia a 60ºC

(m3/día) Nº días mes

Di(60ºC) (m3/mes)

Di(55ºC) (m3/mes)

Ene 6 0,66 31 20,5 22,5 Feb 7 0,66 28 18,5 20,4 Mar 9 0,66 31 20,5 22,7 Abr 11 0,66 30 19,8 22,1 May 12 0,66 31 20,5 22,8 Jun 13 0,66 30 19,8 22,2 Jul 14 0,66 31 20,5 23,0 Ago 13 0,66 31 20,5 22,9 Sep 12 0,66 30 19,8 22,1 Oct 11 0,66 31 20,5 22,8 Nov 9 0,66 30 19,8 22,0 Dic 6 0,66 31 20,5 22,5

Año 240,9m3 267,9m3 Tabla 4.8: Cálculo de la demanda mensual de ACS para temperatura diferente de

60ºC, según CTE DB HE4. Fuente: elaboración propia.

3.3.2. Cálculo de la demanda energética por consumo de ACS

Una vez estimado el consumo de agua caliente, se calcula cuánta energía requiere su calentamiento desde las condiciones del agua de red hasta la temperatura final.

No debe confundirse la temperatura de utilización del agua con la temperatura final de calentamiento en el acumulador. Por los motivos sanitarios mencionados, debe calentarse el agua a temperaturas superiores aunque después se realice la mezcla con agua fría en el consumo.

Para la estimación de la demanda energética se considera el salto térmico completo, desde la temperatura de red hasta la temperatura final del acumulador.

Así pues, la demanda energética mensual para el mes i, DEmes,i, necesaria para calentar un volumen de agua Ddía, expresado en m3/día, se obtiene mediante la siguiente expresión:

)..(...)/( ,,, iredACSpidíasdíaimes TTCNDmeskcalDE

Donde:

Ndías,i es el número de días del mes i

Tred,i es la temperatura media del agua de red en el mes i

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TACS es la temperatura final de calentamiento del ACS (60ºC como referencia)

Cp es el calor específico del agua (1kcal/kg.ºC)

es la densidad del agua (1.000kg/m3)

Esta misma demanda energética pero expresada en kWh, se

obtiene de la anterior como:

DEmes,i (kWh/mes) = 1,16.10-3.DEmes,i(kcal/mes)

Sin más que utilizar las relaciones:

1kcal=4,168 kJ

1kW.h=1 kJ/s.3600s=3600 kJ

Ejercicio:

En un gimnasio situado en la provincia de Madrid, con 120 usuarios al día, se quiere diseñar un sistema solar térmico para el suministro de ACS, con generación auxiliar de gasóleo. Determinar la contribución solar mínima según el CTE DB HE4 y estimar la demanda energética mensual de la instalación.

En un emplazamiento de uso general (no residencial) como es un gimnasio, la temperatura final de acumulación debe ser de 60º C, según el R.D. 865/2003. Se utilizan los datos de demanda a la temperatura de referencia de 60º C sin necesidad de correcciones posteriores.

Según la tabla por aplicaciones la demanda de diseño en un gimnasio es de 20 a 25 litros de ACS por día y por usuario. Tomamos el valor inferior para reducir el riesgo de un sobredimensionado en verano, con riesgo de estancamiento, ya que es una época de menor afluencia.

La demanda diaria de ACS es, por tanto:

Ddía (60 ºC)=20l/día. usuario x 120 usuarios=2,4m3/día

En zona climática IV, para un consumo inferior a los 5m3/día, la

contribución solar mínima que establece el CTE es del 60%.

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Para cada mes debe calcularse la demanda de energía utilizando la expresión antes presentada, ya en kWh/mes y con Ddía en m3/día:

)..(....10.16,1)/( ,,

3, iredACSpidíasdíaimes TTCNDmeskWhDE

Donde Cp=1kcal/kg.ºC y =1.000 kg/m3.

Los datos de entrada y resultados se muestran en la siguiente tabla:

Mes Tª agua

red Ddia a 60ºC

(m3/día) Nº días mes

Di(60ºC) (m3/mes)

DEi(60ºC) (kWh/mes)

Ene 6 2,4 31 74,4 4.660,4 Feb 7 2,4 28 67,2 4.131,5 Mar 9 2,4 31 74,4 4.401,5 Abr 11 2,4 30 72,0 4.092,5 May 12 2,4 31 74,4 4.142,6 Jun 13 2,4 30 72,0 3.925,4 Jul 14 2,4 31 74,4 3.970,0 Ago 13 2,4 31 74,4 4.056,3 Sep 12 2,4 30 72,0 4.009,0 Oct 11 2,4 31 74,4 4.228,9 Nov 9 2,4 30 72,0 4.259,5 Dic 6 2,4 31 74,4 4.660,4

Año 876,0m3 50.538kWh Tabla 4.9: Cálculo de la demanda energética mensual. Fuente: elaboración propia.

Se puede observar cómo para un consumo de agua constante a lo

largo del año, la necesidad energética es inferior en verano. Esto se debe a que el agua de red está más caliente y, por tanto, el salto térmico que debe proporcionar la instalación solar es inferior.

Se puede comprender que si además se supusiera un consumo estival de agua caliente inferior, lo cual tiene bastante sentido en una aplicación como esta, las diferencias aumentarían. A todo ello se suma que la radiación es máxima en esta época del año de menor necesidad térmica.

En estas condiciones, como se estudia más adelante, el sistema debe ser capaz de proporcionar la contribución anual mínima establecida por el CTE pero sin generar excedentes excesivos en otras épocas que no sólo serían desperdiciados, sino que implican un aumento de las temperaturas y un mayor riesgo de estancamiento de los captadores y una degradación mayor de los componentes.

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El propio CTE limita el sobredimensionado en los meses de verano.

3.3.3. Cálculo de la demanda energética para climatización de piscina cubierta

La instalación solar para la climatización de una piscina cubierta

debe suministrar entre un 30 y un 70% de la demanda total de energía, en función de la zona climática, tal y como se indica en la tabla de asignación a partir de los datos del CTE DB HE4.

Figura 4.2: Esquema de instalación solar climatización de piscina cubierta. Fuente: Termicol.

La demanda energética total depende por una parte del volumen

de agua a acondicionar y, por otra, de las temperaturas del agua y del aire del recinto.

El propio CTE señala que, para piscinas cubiertas, los valores ambientales de temperatura y humedad deberán ser fijados en el proyecto, la temperatura seca del aire del local será entre 2º C y 3º C mayor que la del agua, con un mínimo de 26º C y un máximo de 28º C, y la humedad relativa del ambiente se mantendrá entre el 55% y el 70%, siendo recomendable escoger el valor de 60%.

Se deduce, entonces, que la temperatura del agua está entre los 23 y los 26º C, sin que el CTE ofrezca indicaciones más concretas ni proponga métodos de cálculo de la demanda térmica.

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Se recurre al Pliego de Condiciones Técnicas del IDAE, que sí aborda en más detalle la estimación de la demanda energética en piscinas.

En primer lugar, el Pliego del IDAE remite a la tabla de temperaturas de agua incluida en el Reglamento de Instalaciones Térmicas en los Edificios, en la ITE 10 sobre Instalaciones específicas, ITE 10.2 de Acondicionamiento de piscinas. Dicha tabla se reproduce a continuación:

Uso principal Temperatura del agua (ºC)

Público Recreo Chapoteo Enseñanza

Entrenamiento Competición

25 24 25 26 24

Privado 25/26

Tabla 4.10: Temperatura del agua de las piscinas, RITE ITE 10.2.

Fuente: Reglamento de Instalaciones Térmicas en los Edificios.

La temperatura del agua se medirá en el centro de la piscina y a unos 20 cm por debajo de la lámina de agua. La tolerancia en el espacio, horizontal y verticalmente, de la temperatura del agua no podrá ser mayor que ± 1ºC.

Cabe mencionar que algunas Instrucciones Técnicas Complementarias, en concreto la IT 10.2 sobre acondicionamiento de piscinas, no ha sido todavía actualizada en el nuevo RITE publicado en Agosto de 2007 en el momento de redactar este texto, por lo que aquí se hace referencia al documento previo. Se advierte, entonces, de su provisionalidad.

Para el cálculo de la demanda energética deben evaluarse las pérdidas térmicas de la piscina hacia su entorno. La aportación del sistema térmico (solar más apoyo auxiliar) debe compensar las pérdidas térmicas de la pileta, de forma que se establezca una situación de equilibrio estacionario. Según el Pliego del IDAE, estás pérdidas se distribuyen de la siguiente forma:

Pérdidas por evaporación un 70-80% de las totales.

Pérdidas por radiación un 15-20% de las totales.

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Pérdidas por conducción a través de los cerramientos despreciables.

Para el cálculo de las pérdidas energéticas en piscinas cubiertas, se

puede utilizar la siguiente expresión empírica, que engloba todas ellas, en términos de potencia calorífica. Es un método simplificado propuesto en el Pliego del IDAE:

000.1..2,0.3130)( 2 piscina

aguaagua

STTkWP

Donde:

Tagua es la temperatura del agua de la piscina

Spiscina es la superficie de la piscina

Para obtener las pérdidas en unidades de energía se multiplica la potencia P por 24 horas y se obtiene la demanda diaria total requerida para mantener la piscina en las condiciones de diseño:

000.1..2,0.3130.2424)/( 2 piscina

aguaaguadía

STTxPdíakWhD

La demanda mensual DEmes se determina multiplicando la demanda diaria por el número de días del mes correspondiente.

Ejercicio:

Calcular la demanda energética diaria que requiere la climatización de una piscina cubierta de 25x10x2,5m, a una temperatura de 24º C, utilizando el método simplificado del Pliego del IDAE.

Se aplica la fórmula empírica anterior:

díakWhxPdíakWhDdía /2,1039000.1

250.24.2,024.3130.2424)/( 2

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El cálculo mensual se obtiene multiplicando el valor diario por el número de días de cada mes, para los meses de utilización de la instalación.

Junto a este método simplificado, se puede encontrar en la bibliografía un método general que independiza la estimación de las pérdidas a través de cada uno de los mecanismos de transmisión de calor que se producen: evaporación, convección y radiación.

La evaporación requiere una aportación energética elevada, el llamado calor latente (540cal/gr), que extrae de la propia agua de la piscina, con lo que esta se enfría. La evaporación del agua, a temperaturas tan alejadas de la de ebullición, está determinada por el nivel de humedad del entorno, la velocidad del aire en la superficie del agua y la temperatura del agua y del aire.

En la práctica para el diseño de instalaciones solares térmicas de climatización de piscinas cubiertas es suficiente con aplicar el método simplificado, por lo que no se va a abordar con más detalle el método general mencionado. Para ampliar información sobre el método general se recomienda consultar el libro “Proyecto y Cálculo de Instalaciones Solares Térmicas” (Pereda, 2006).

Si bien en el CTE DB HE4 no se incluye la climatización de piscinas al aire libre, es un tipo de aplicación con un cierto mercado en España, donde se logra ampliar los meses de uso, fundamentalmente compensando las pérdidas de calor nocturnas con la aportación del sistema solar. Cabe recordar que es un tipo de aplicación donde no está permitido el uso de fuentes no renovables.

El Pliego del IDAE ofrece una expresión empírica para la estimación de las pérdidas energéticas a superar, P:

1000/).)(2028()º/( 2

aguaaireaguaviento STTvCmWP

Donde la velocidad del viento se expresa en m/s.

Al no haber sistema de apoyo, cuando el suministro de calor solar no es suficiente, por una radiación inferior a lo previsto o por temperatura ambiente baja, la temperatura del agua disminuye.

Para este tipo de sistemas se busca un coste lo menor posible, por lo que se utilizan normalmente captadores solares abiertos o plásticos.

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3.4. Condiciones climáticas

3.4.1. Radiación solar incidente

En la asignación de los valores de contribución solar mínima que realiza el CTE DB HE4 se considera la zona climática donde se va a instalar el sistema solar térmico, como se analizó en apartados anteriores. Aparecía ya una primera dependencia del diseño de la instalación con el nivel de radiación global existente en el lugar de ubicación.

Sin embargo, la influencia de la radiación solar no se queda en eso, sino que es necesario disponer de datos de radiación incidente del lugar para poder calcular el número de captadores solares necesarios, en realidad, para estimar la energía generada por estos y poder conocer la energía transferida al agua de consumo.

Para el dimensionado de los sistemas solares térmicos y su análisis energético se utilizan los 12 valores medios mensuales de irradiación diaria global incidente, expresados en MJ/m2 o más habitualmente en kWh/m2.

Si no se dispone de otros datos más precisos del lugar de instalación, el Pliego del IDAE recomienda utilizar los datos suministrados por CENSOLAR, que se reproducen en el anexo. Estos datos se refieren a superficie horizontal, por lo que es necesario transformarlos a la inclinación y orientación real de los captadores solares. Existen aplicaciones informáticas que permiten realizar esta transformación, por ejemplo, la disponible en el Curso Solar de la Universidad de Jaén.

También en el portal sobre radiación solar de la Comisión Europea, PV GIS, se pueden obtener los valores de radiación diaria para cualquier inclinación y para un gran número de Municipios.

Para completar la información, aunque sólo para captadores con orientación Sur, en el anexo al final del tema se ofrecen las tablas con el factor de corrección k que permiten relacionar los valores de radiación solar sobre superficie inclinada con los de superficie horizontal, mediante:

Gdi () = k.Gdi(0º)

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Donde Gdi () es la media de la radiación solar diaria incidente en el mes i sobre una superficie de inclinación y Gdi(0º) la media de la radiación solar diaria incidente en el mes i sobre superficie horizontal.

La energía solar mensual incidente, EImes,i, se obtiene sin más que multiplicar la irradiación diaria de cada mes por el número de días:

EImes,i = Gdi ().Ndías,mes

3.4.2. Temperatura ambiente

Los captadores solares están expuestos a pérdidas de calor que se reducen con el aumento de la temperatura ambiente. Se produce un incremento de la eficiencia y un mejor aprovechamiento de la radiación solar incidente.

Para el cálculo de la instalación solar capaz de suministrar la fracción de energía que exige el CTE DB HE4 debe disponerse de bases de datos de temperatura ambiente del lugar de ubicación o un lugar próximo.

Son datos de temperatura media mensual registrados durante las horas del día, ya que es en este tiempo en el que los captadores se encuentran funcionando y cuando se pueden producir las pérdidas.

Si no se disponen de datos concretos de la localidad de ubicación puede recurrirse a las tablas que proporciona CENSOLAR y que recomienda el Pliego del IDAE. Se adjuntan en el anexo.

3.5. Energía solar térmica aportada

La energía calorífica que una instalación solar aporta al agua de consumo sólo es posible calcularla, a partir de la radiación incidente, una vez que se conoce el número de captadores solares previstos.

Sin embargo, cuando el objetivo es suministrar la cantidad exigida por el CTE DB HE4, se determina la energía solar a aportar como el producto de la contribución solar mínima por la demanda energética total. El resto proviene del calentador auxiliar.

El análisis mensual de la aportación del sistema se debe realizar para una superficie de captación ya determinada.

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IV. DIMENSIONADO Y DISEÑO DE LAS INSTALACIONES 4.1. Criterios generales

El dimensionado de la instalación solar térmica y, en concreto, del número de captadores necesarios para cumplir con las exigencias del CTE DB HE4 sobre contribución solar mínima no es una tarea sencilla.

El propio CTE no indica el método a emplear, sino que únicamente señala que en la memoria del proyecto se establecerá el método de cálculo, especificando, al menos en base mensual, los valores medios diarios de la demanda de energía y de la contribución solar.

Asimismo, continúa el CTE, el método de cálculo incluirá las prestaciones globales anuales definidas por:

a) La demanda de energía térmica;

b) La energía solar térmica aportada;

c) Las fracciones solares mensuales y anuales;

d) El rendimiento medio anual.

Los requisitos básicos que establece el CTE relacionados

directamente con el dimensionado son:

Cumplimiento de la contribución solar mínima en función de la zona climática, de la demanda de ACS y del tipo de generación auxiliar.

Ningún mes del año la energía producida por la instalación solar debe superar el 110% del consumo estimado y no más de 3 meses el 100%.

En una instalación de energía solar, el rendimiento del captador, independientemente de la aplicación y la tecnología usada, debe ser siempre igual o superior al 40%.

Se han desarrollado métodos de cálculo con un número de

parámetros reducido que facilita enormemente la tarea del diseñador. Uno de los métodos de mayor implantación, y también recomendado por el Pliego del IDAE, es el llamado método f-Chart.

En este libro se propone el uso de este método y con su aplicación se presentarán varios casos prácticos de instalaciones.

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El proceso de dimensionado de la instalación parte de los datos de la energía demandada antes expuesta, de las condiciones climáticas y de los parámetros básicos de los captadores y demás elementos fundamentales del sistema. Con esta información se aplica el método con un número de captadores concreto y se estima la contribución solar y el rendimiento. Se reajusta el número de captadores hasta que se alcanzan los valores requeridos de contribución solar.

Como valor orientativo de predimensionado se indica 70 l/m2.día de ACS (Pereda, 2006). Según esta regla, para un consumo diario de 660 litros por día de ACS se puede comenzar el proceso de cálculo del sistema de captación con 9,4 m2 de captadores solares, o con el número correspondiente de unidades, según la superficie de estos. Este valor debe recalcularse teniendo en cuenta la contribución solar exigida y las condiciones particulares de la instalación por lo que únicamente es orientativo, no vinculante en ningún caso.

4.2. Determinación del número de captadores y del volumen de acumulación: método f-chart

El método f-Chart fue elaborado en 1973 por los profesores Klein, Beckman y Duffie y desarrollado en años posteriores (Duffie y Beckman, 1980), en los que se ha convertido en el de más amplia aplicación en todo el mundo.

Es un método destinado a estimar las principales variables de funcionamiento de la instalación en períodos de tiempo largos, no siendo válido para el análisis instantáneo ni diario. Un estudio operativo instantáneo sólo se podrá hacer aplicando condiciones particulares de operación a una instalación ya diseñada.

El método f-chart permite realizar el cálculo de la contribución solar de un sistema y de su rendimiento medio, a partir de valores medios mensuales de las diferentes variables estudiadas (demanda de agua, temperatura de agua de red, radiación solar y temperatura ambiente media durante el día).

Se definen dos parámetros adimensionales D1 y D2, relacionados con la energía absorbida por los captadores y con la energía perdida, respectivamente. Estos parámetros sirven para el cálculo de la fracción solar mensual fmes mediante la siguiente expresión empírica:

3

122

2121 0215,00018,0245,0065,0029,1 DDDDDf mes

144




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El parámetro D1 expresa la relación entre la energía absorbida por el captador y la demanda energética mensual del sistema, DEmes, ya tratada en apartados anteriores. El parámetro D2 expresa la relación entre las pérdidas de energía del captador, para una determinada temperatura y esa misma demanda energética mensual del sistema. Ambos parámetros deben calcularse para cada mes del año.

Así:

mes

mesdiasdmoC

mes

absorbida

DE

NGFCMAIS

DE

ED ,int

1

.....

La energía absorbida por mes por el sistema de captación se obtiene a partir de la irradiación solar diaria de ese mes para la orientación e inclinación de los captadores, Gdm, por el número de días, Ndías,mes, que incide sobre una superficie de captadores SC. Este producto representa la energía mensual incidente, que debe corregirse con el Modificador del Ángulo de Incidencia, MAI, con el parámetro de rendimiento óptico del captador, o, ambos ya descritos en el tema 3 y, finalmente, con un factor de corrección del conjunto captador-intercambiador, FCint, para el que el Pliego del IDAE recomienda tomar un valor de 0,95.

La superficie de captadores, SC, suele asociarse con el área de apertura de cada captador, multiplicada por el número de equipos a instalar.

El parámetro adimensional asociado a las pérdidas del captador se puede obtener mediante la siguiente expresión:

mes

mesdiasACSacumambglobalC

mes

perdida

DE

NFCFCTFCKS

DE

ED ,.int

2

.24.).100.(..

El parámetro Kglobal es el coeficiente global de pérdidas, obtenido de las curvas características de rendimiento en aproximación lineal del captador seleccionado, como se explicó en temas anteriores.

Además, se aplican dos factores de corrección, uno para el acumulador, FCacum, y otro por temperatura del agua, FCACS. Para estos dos parámetros el Pliego del IDAE propone unas ecuaciones empíricas, que se muestran a continuación.

145



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25,0

2/75

ml

SVFC Csolaracum

acum

Con una relación entre el volumen de acumulador y superficie de

captadores que el CTE DB HE4 sitúa entre:

22 /180/50 ml

S

Vml

C

solaracum

Por ejemplo, en viviendas unifamiliares, tomando un colector de

2,5 m2 de superficie de captación, el volumen mínimo de depósito será de 125 litros y el volumen máximo de 450 litros. Para edificios residenciales multifamiliares, con unos 2m2 de captación por cada vivienda, el volumen mínimo en el caso de disponer de acumulación descentralizada es de 100 litros por vivienda.

Ya se mencionó en el tema anterior que el CTE da preferencia a la acumulación centralizada frente a la descentralizada, sin embargo, la tendencia actual en el mundo de la construcción es la individualización de los sistemas (excepto los captadores) debido al recelo que existen entre propietarios en cuanto a los consumos de cada uno de los vecinos.

En ocasiones el edificio no dispone del espacio adecuado apara la ubicación de un depósito de grandes dimensiones y un peso muy elevado.

En el Pliego del IDAE se indica, a su vez, que la relación entre el volumen de acumulación y la demanda diaria estará entre 0,8 y 1. En la práctica como dato de referencia se suele seleccionar un acumulador de volumen similar al consumo de ACS diario, debiendo siempre adaptarlo a las medidas comerciales existentes en el mercado y a su coste.

Un criterio adicional de ajuste en el dimensionado del acumulador se puede establecer en función del desfase entre el momento de generación del calor y el del consumo. Si este desfase es breve, es decir, si el consumo se realiza fundamentalmente durante el día, cabe seleccionar un depósito en la zona inferior del rango admisible. Por el contrario, si el desfase es mayor, en horas o más de un día conviene incrementar el volumen.

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El valor del volumen de acumulación influye sobre el cálculo de la fracción solar, aunque en menor proporción que la superficie o número de captadores.

El factor de corrección por temperatura se calcula como:

amb

ambredACSACS T

TTTFC

100

32,286,318,16,11 min,

Este último parámetro corrector, FCACS, relaciona la temperatura

mínima de ACS, establecida en 60º C, la temperatura del agua de red y la temperatura ambiente.

Una vez calculada la fracción solar mensual, se obtiene la energía solar útil aportada como:

EUsolar,mes = fmes.DEmes

Si se realiza el mismo cálculo para cada mes del año, finalmente se

obtiene la fracción solar anual, que es la que evalúa el CTE DB HE4 como contribución solar mínima:

12

1

12

1,

mesmes

mesmessolar

DE

EUf

Además de esta fracción solar anual que se obtiene al aplicar el método de dimensionado del sistema, debe tenerse en cuenta también la evolución mensual de la aportación solar calculada.

Al respecto, el CTE DB HE4 indica que con independencia del uso al que se destine la instalación, en el caso de que en algún mes del año la contribución solar real sobrepase el 110 % de la demanda energética o en más de tres meses seguidos el 100 %, deben adoptarse cualquiera de las siguientes medidas:

a) Dotar a la instalación de la posibilidad de disipar dichos

excedentes (a través de equipos específicos o mediante la circulación nocturna del circuito primario)

b) Tapado parcial del campo de captadores. En este caso el captador está aislado del calentamiento producido por la

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radiación solar y a su vez evacua los posibles excedentes térmicos residuales a través del fluido del circuito primario (que seguirá atravesando el captador)

c) Vaciado parcial del campo de captadores. Esta solución permite evitar el sobrecalentamiento, pero dada la pérdida de parte del fluido del circuito primario, debe ser repuesto por un fluido de características similares debiendo incluirse este trabajo entre las labores del contrato de mantenimiento.

d) Desvío de los excedentes energéticos a otras aplicaciones existentes.

Las dos opciones intermedias sólo se recomiendan cuando existe

un servicio de mantenimiento permanente en el lugar. Si no es así, es recomendable aplicar el desvío de los excedentes a otros usos y, si no se dispone de los medios para ello, recurrir a la recirculación o disipación del calor.

En realidad, la necesidad de aplicar una o varias de estas medidas por exceso de generación no se pueden evaluar en esta evolución mensual de la fracción solar, ya que, una vez en operación, las condiciones iniciales de diseño varían enormemente.

Así, tanto el consumo esperado como la radiación incidente pueden variar, por lo que siempre deben disponerse las medidas de protección y control de la instalación, como se explica en el tema correspondiente. Los resultados mensuales del diseño sí ofrecen, sin embargo, una primera idea de las condiciones de funcionamiento del sistema.

En el caso de ocupaciones parciales de instalaciones de uso residencial turístico, se deben detallar los motivos, modificaciones de diseño, cálculos y resultados tomando como criterio de dimensionado que la instalación deberá aproximarse al máximo al nivel de contribución solar mínima.

El dimensionado de la instalación estará limitado por el cumplimiento de la condición de que en ningún mes del año la energía producida por la instalación podrá superar el 110 % de la demanda energética y en no más de tres meses el 100 % y a estos efectos no se tomarán en consideración aquellos periodos de tiempo en los cuales la demanda energética se sitúe un 50 % por debajo de la media correspondiente al resto del año, tomándose medidas de protección.

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Por último, junto a la fracción solar, debe calcularse el rendimiento medio anual de la instalación, tal y como prescribe el CTE. Se obtiene como el cociente entre la energía solar útil aportada al agua y la radiación solar incidente sobre los captadores, multiplicada por la superficie de captación.

Se puede calcular en valores mensuales o en media anual:

mesdíasdmC

messolarmessistema NGS

EU

..

,,

12

1

12

1,

,

..mes

mesdíasdmC

mesmessolar

añosistema

NGS

EU

El CTE DB HE4 señala que en una instalación de energía solar, el

rendimiento del captador, independientemente de la aplicación y la tecnología usada, debe ser siempre igual o superior al 40%.

Adicionalmente se deberá cumplir que el rendimiento medio dentro del periodo al año en el que se utilice la instalación, deberá ser mayor que el 20 %.

Como repaso del proceso de cálculo del sistema de captación y acumulación se indican las etapas principales:

Identificar la zona climática de ubicación y el tipo de fuente

auxiliar.

Determinar la demanda de Agua Caliente Sanitaria.

Localizar la contribución solar mínima exigida por el CTE DB HE4.

Determinar la demanda energética mensual a partir de la demanda diaria de ACS, la temperatura de red y la temperatura final de acumulación del agua.

Obtener la irradiación solar diaria incidente sobre el plano de los captadores (orientación e inclinación) y la energía mensual recibida (irradiación diaria por número de días del mes).

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Seleccionar un modelo de captador solar, con sus características básicas: área de apertura, rendimiento óptico y coeficiente global de pérdidas.

Proponer un volumen comercial para el depósito y comprobar que cumple con los requisitos exigidos en el CTE de mínima y máxima acumulación.

Aplicar el método de cálculo, obtener las fracciones solares mensuales y la contribución anual y verificar el cumplimiento del valor mínimo requerido en el CTE.

Aumentar o reducir el número de captadores y su inclinación y variar el volumen de acumulación hasta ajustar la contribución solar a lo exigido.

Verificar la evolución mensual de la fracción solar y comprobar que ningún mes incumple los preceptos del CTE.

Las aplicaciones informáticas de diseño de instalaciones se basan

en una hoja de cálculo f-chart sobre la que programan las expresiones anteriores.

4.3. Pérdidas de posición y por sombreado

4.3.1. Aspectos generales

En un proyecto de instalación, el estudio de dimensionado efectuado hasta el momento debe integrarse en las características específicas del edificio donde se va a ubicar, lo cual puede modificar algunos aspectos del diseño o incluso imposibilitar su aplicación.

El edificio se encuentra situado en un entorno urbanístico, ya formado o en construcción, que puede provocar el sombreado parcial del lugar previsto de instalación de los captadores. El propio edificio también puede modificar la recepción solar por sombras (chimeneas o cualquier otro elemento saliente) o por la disposición de las cubiertas adecuadas para la colocación de los captadores.

En este sentido, deben evaluarse las posibles pérdidas por una posición (orientación e inclinación) del campo de captadores diferente de la óptima y los efectos del sombreado de elementos de su entorno.

En realidad, el efecto de una posición no óptima (orientación Sur e inclinación alrededor de los 30-35º en la península) ya se ha tenido en cuenta en el dimensionado, puesto que los datos de radiación

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MEERR_2_3

incidente, Gdm, empleados en el cálculo de la energía solar absorbida, deben ser los obtenidos para la orientación e inclinación real de los captadores, como se recuerda en secciones anteriores del presente tema.

Sin embargo, para que una ubicación de los captadores sea autorizada deben cumplirse unos requisitos adicionales sobre límites admisibles de pérdidas.

El CTE DB HE4 establece que la orientación e inclinación del sistema de captación y las posibles sombras sobre el mismo serán tales que las pérdidas sean inferiores a los límites de la tabla siguiente:

Caso Orientación e

inclinación Sombras Total

General 10% 10% 15% Superposición 20% 15% 30% Integración

arquitectónica 40% 20% 50%

Tabla 4.11: Pérdidas límite por orientación e inclinación, por sombreado y totales,

según CTE DB HE4. Fuente: Código Técnico de la Edificación

Se diferencian tres casos: general, superposición de módulos e

integración arquitectónica. Se considera que existe integración arquitectónica cuando los módulos cumplen una doble función energética y arquitectónica y además sustituyen elementos constructivos convencionales o son elementos constituyentes de la composición arquitectónica.

Se considera que existe superposición arquitectónica cuando la colocación de los captadores se realiza paralela a la envolvente del edificio, no aceptándose en este concepto la disposición horizontal con el fin de favorecer la autolimpieza de los módulos.

En ejemplo más habitual del caso general es la colocación de los captadores sobre una azotea horizontal, donde las posibilidades de posicionamiento de los equipos son mayores que sobre cubierta inclinada.

Una regla fundamental a seguir para conseguir la integración o superposición de las instalaciones solares es la de mantener, dentro de lo posible, la alineación con los ejes principales de la edificación.

En todos los casos se han de cumplir las tres condiciones: pérdidas por orientación e inclinación, pérdidas por sombreado y pérdidas

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MEERR_2_3


totales inferiores a los límites estipulados respecto a los valores obtenidos con orientación e inclinación óptimas y sin sombra alguna.

Se observa en la tabla anterior cómo los valores de sombras totales son inferiores, para cada caso, a la suma de las sombras de posición y de sombreado. Es decir, no se admite un máximo de sombras en ambos conceptos, ya que entonces la total superaría los límites admisibles.

Se considera como la orientación optima el sur y la inclinación óptima, dependiendo del periodo de utilización, uno de los valores siguientes:

a) Demanda constante anual: la latitud geográfica.

b) Demanda preferente en invierno: la latitud geográfica + 10 º.

c) Demanda preferente en verano: la latitud geográfica – 10 º.

Cuando, por razones arquitectónicas excepcionales no se pueda dar

toda la contribución solar mínima anual correspondiente, cumpliendo los requisitos de pérdidas límite indicados, se justificará esta imposibilidad, analizando las distintas alternativas de configuración del edificio y de ubicación de la instalación, debiéndose optar por aquella solución que dé lugar la contribución solar lo más cerca posible de lo exigido.

4.3.2. Estimación de las pérdidas por orientación e inclinación

El CTE DB HE4 establece el método de evaluación de las pérdidas

por orientación e inclinación y sombras de la superficie de captación.

Figura 4.3: Referencia de ángulos de inclinación () y orientación o acimut () de

los captadores. Fuente: Código Técnico de la Edificación

152




MEERR_2_3

La inclinación de los captadores toma como referencia la horizontal, mientras que para la orientación, se toma como origen de ángulos la dirección Sur (ángulo 0º de acimut), con valores negativos hacia el Este y positivos hacia el Oeste. La línea que marca la orientación es la perpendicular al plano del captador.

En el proyecto inicial, en realidad antes de realizar el dimensionado de la instalación solar, deben determinarse las posibles ubicaciones del campo de captadores entre las cubiertas disponibles en el edificio. En obra nueva la instalación solar debe contemplarse en paralelo al resto de instalaciones del edificio, participando de esta forma en el propio proyecto arquitectónico.

El CTE DB HE4 ofrece una herramienta gráfica para la estimación de las pérdidas por orientación e inclinación, en valor anual. Este gráfico, que se reproduce a continuación, es válido para una la latitud (φ) de 41º, debiendo corregirse los resultados para otras latitudes.

Los ejes radiales representan las diferentes orientaciones, con eje Norte-Sur en la vertical. Las circunferencias concéntricas marcan las inclinaciones de los captadores, siendo el punto central del gráfico la posición horizontal y la circunferencia exterior la vertical (inclinación de 90º). La intersección de una radial con una circunferencia es una posición concreta del campo de captadores.

Las diferentes secciones indican el porcentaje de energía anual recibida respecto al óptimo, situado (punto negro) en orientación Sur e inclinación 34-35º. Las pérdidas anuales se obtienen restando dicho porcentaje de 100.

Para conocer si una posible ubicación es válida de acuerdo con el CTE y su criterio de pérdidas límite, se determina primero la orientación de los captadores (acimut), que se recomienda que estén en línea con la orientación de las cubiertas existentes.

Para dicha orientación, se calculan los límites de inclinación aceptables de acuerdo a las pérdidas máximas respecto a la inclinación óptima establecidas en la tabla correspondiente, en función del tipo de integración.

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MEERR_2_3


Ejercicio:

En el proyecto de una vivienda (latitud 41º) se planea una posible ubicación para los captadores solares. La cubierta tiene orientación Sureste, con 45º de acimut respecto al Sur. Determinar la inclinación máxima y mínima de los captadores para cumplir los requisitos del CTE sobre pérdidas límite, suponiendo los tres casos: general, superposición en cubierta e integración arquitectónica.

La orientación viene definida por el eje radial indicado en la figura:

Figura 4.4: Herramienta gráfica con porcentajes de energía anual respecto a la orientación e inclinación diferentes de la óptima, para latitud de 41º.

Fuente: Código Técnico de la Edificación

154




MEERR_2_3

Figura 4.5: Aplicación de la herramienta gráfica con porcentajes de energía anual respecto a la orientación e inclinación diferentes de la óptima, para latitud de 41º.


Las pérdidas límite por orientación e inclinación son del 10% para

el caso general, del 20% para superposición y del 40% para integración arquitectónica. La energía generada mínima debe ser, por tanto del 90%, 80% y 60% respecto al óptimo. Se localizan estos valores en la tabla de sectores y se obtienen las intersecciones con el eje de orientación.

Se extraen los valores límite de inclinación siguiendo las circunferencias concéntricas, con los resultados que se muestran en la tabla siguiente:

Caso Inclinación

Máxima Inclinación

Mínima General 40º 10º

Superposición 60º 0º (5º) Integración

arquitectónica 85º 0º(5º)

Tabla 4.12: Inclinaciones máximas en el ejercicio propuesto.

max superposición

max integración

max general

min general

155



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Se puede observar cómo para los casos de superposición e integración el límite mínimo sería la propia horizontal. Sin embargo, debe siempre realizarse el montaje con una cierta inclinación, de al menos 5º, para favorecer la circulación del fluido y la limpieza externa de los captadores con el agua de lluvia.

Si existe flexibilidad a la hora de posicionar los captadores debe buscarse siempre la orientación e inclinación óptima, dentro de unos parámetros arquitectónicos aceptables, para lograr la mayor generación solar posible.

Para latitudes diferentes de los 41º se corrigen los valores de inclinación obtenidos mediante las siguientes expresiones:

a) inclinación máxima = inclinación (φ = 41º) – (41º - latitud)

b) inclinación mínima = 5º

En casos cerca del límite y como instrumento de verificación, se

utilizará las siguientes fórmulas:

Pérdidas (%)=100.(1,2·10−4·( − opt)2 + 3,5·10−5.2), para

15° < β< 90°

Pérdidas (%) = 100.(1,2·10−4·( − opt)2, para β ≤15°

4.3.3. Estimación de las pérdidas por sombreado

El CTE DB HE4 establece el método a emplear para calcular las

pérdidas de radiación incidente sobre los captadores debido a las sombras producidas por elementos del entorno.

Estas pérdidas se expresan como porcentaje de la radiación solar global anual que incidiría sobre los captadores de no existir sombra alguna. En caso de superar los valores límites establecidos por el CTE y no poder eliminar el elemento causante de la sombra se debe buscar otra ubicación más favorable, en las condiciones expuestas anteriormente.

El procedimiento de cálculo propuesto en el CTE consiste en la comparación del perfil de obstáculos que afecta a la superficie de estudio con el diagrama de trayectorias del sol de la figura:

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MEERR_2_3

Figura 4.6: Diagrama de trayectorias del Sol.

Fuente: Código Técnico de la Edificación.

Este diagrama es válido para localidades de la Península Ibérica y Baleares (para las Islas Canarias el diagrama debe desplazarse 12º en sentido vertical ascendente). Se encuentra dividido en porciones, delimitadas por las horas solares (negativas antes del mediodía solar y positivas después de éste) e identificadas por una letra y un número (A1, A2,... D14).

Cada una de las porciones representa el recorrido del sol en un cierto periodo de tiempo (una hora a lo largo de varios días) y tiene, por tanto, una determinada contribución a la irradiación solar global anual que incide sobre la superficie de estudio. Así, el hecho de que un obstáculo cubra una de las porciones supone una cierta pérdida de irradiación.

Los pasos a seguir son los siguientes: Localizar los principales obstáculos que afectan a los

captadores, en términos de sus coordenadas de posición: acimut (ángulo de desviación con respecto a la dirección sur) y elevación (ángulo de inclinación con respecto al plano horizontal), vistos desde los captadores.

Representar el perfil de obstáculos en el diagrama de trayectorias del sol a lo largo de todo el año.

Identificar las porciones ocultas por el obstáculo, total o parcialmente (factor de llenado 1, 0,75, 0,5 ó 0,25).

157



MEERR_2_3


Sumar los efectos de cada porción oculta según las tablas correspondientes, para la orientación e inclinación del captador más próxima.

No debe confundirse el ángulo de acimut del obstáculo con el del

propio captador. El acimut del obstáculo es el ángulo respecto al Sur de la línea que une el obstáculo con el captador, independientemente de la orientación de este. El acimut u orientación del captador indica hacia dónde está inclinado.

Se muestra a continuación una de las tablas de referencia para la estimación de pérdidas anuales por sombreado incluidas en el CTE DB HE4, en concreto la correspondiente a orientación Sur e inclinación de paneles 35º.

Tabla 4.12: Tabla de referencia para la estimación de pérdidas anuales por

sombreado. Fuente: Código Técnico de la edificación.

4.4. Distancia entre filas de captadores

Una vez que se ha determinado la cantidad de captadores necesaria para cumplir con la contribución solar mínima establecida, debe diseñarse su ubicación física sobre la cubierta elegida cumpliendo los requisitos del apartado anterior.

En este caso, no se trata ya del sombreado de los elementos del entorno, sino de los posibles efectos de unas filas de captadores sobre otras.

Cuando los paneles se disponen en filas sobre una cubierta plana, deben guardar una distancia mínima entre ellas para evitar el sombreado de unas sobre otras. La estimación de esta distancia se esquematiza en la figura 4.7.

158




MEERR_2_3

Conociendo la longitud del panel l (en su lado vertical) y la inclinación , por simples reglas de trigonometría se puede determinar la distancia d entre paneles que garantiza que al mediodía del día del año con el Sol más bajo (solsticio de invierno), la sombra de una fila no alcanza a la siguiente.

Figura 4.7: Esquema de cálculo de la distancia mínima entre captadores fijos

orientados al Sur, en función de su longitud de inclinación.

La expresión de cálculo es:

La distancia mínima entre el final de un captador (u otro obstáculo) y el siguiente, dmin en el eje Norte-Sur, se puede simplificar a:

Figura 4.8: Distancia mínima entre final de un captador (u otro obstáculo) e inicio

del siguiente, en orientación Sur.

dmin

Sur

h

d

l

min

Sur

h

costan min

llsen

d

minmin tan

hd

159



MEERR_2_3


Antes de calcular la separación entre filas debe decidirse cuál es el criterio a aplicar, esto es, cuál es la elevación mínima del Sol a la que no debe haber sombras entre una fila y otra de paneles.

Sin embargo, en el Pliego del IDAE se aplica un criterio diferente. En este caso se exige ausencia de sombreado entre filas no sólo al mediodía solar del solsticio de invierno, sino también 2 horas antes y 2 horas después.

Estas 4 horas sin sombreado implican que la elevación mínima del sol a aplicar a la expresión general de separación va a ser inferior; el Sol está más bajo, por lo que el sombreado es más alargado y la distancia entre filas debe ser mayor.

Recuperando también del tema 2 la ecuación que permite calcular la elevación del sol a cualquier hora del día de cualquier día del año, en un lugar de latitud dada:

Se obtiene que la elevación del sol 2 horas antes (o después) del

mediodía solar (=±30º, ya que cada hora equivale a 15º) en el solsticio de invierno varía, aproximadamente, entre los 17º del Norte de la península y los 24º del Sur, Ceuta y Melilla, pasando por los 21º del centro. En las Islas Canarias la elevación del sol en ese momento se sitúa sobre los 30º.

Así, en el Pliego de Condiciones Técnicas de Instalaciones de Baja Temperatura del IDAE se propone la siguiente aproximación, basada en lo aquí expuesto, con los 6º de diferencia en elevación:

Aplicando esta ecuación a diferentes latitudes se obtienen otros valores del parámetro k:

Latitud 29º 37º 39º 41º 43º 45º

Coeficiente k 1,600 2,246 2,475 2,747 3,078 3,487

Tabla 4.13: Coeficientes de separación, con criterio de ausencia de sombras durante 4 horas alrededor del mediodía solar del solsticio de invierno.

Fuente: elaboración propia con datos de IDAE

cos.cos.cos. sensensen s

hkh

d .)º61tan(min

160




MEERR_2_3

Comparando los resultados de la aplicación de ambos criterios puede comprobarse cómo la distancia exigida en este segundo caso es entre un 25 y un 40% superior al primero, en función de la latitud.

En realidad es posible aplicar el método de cálculo de sombras especificado en el CTE DB HE4 también a la separación entre filas. Sin embargo, la simplificación a las expresiones expuestas en este apartado facilita enormemente su aplicación práctica.

4.5. Condiciones de diseño del intercambiador

El CTE DB HE4 establece que la potencia térmica de un intercambiador independiente debe ser de al menos 500 veces la superficie de captadores:

Pintercambio (W)≥500.Scaptación(m2)

En otros documentos se recomienda un factor de 600 para esta estimación (Pliego IDAE).

Si el intercambiador está incorporado al acumulador se indica en el mismo CTE que la relación entre la superficie útil de intercambio interno y la superficie total de captación no será inferior a 0,15. En ocasiones se recomienda aumentar este valor a 0,20, si bien siempre se depende de la oferta de equipos existentes en el mercado.

4.6. Condiciones de diseño del circuito hidráulico

El diseño del circuito primario parte del dato de caudal que debe circular por los captadores. Es una información que deben proporcionar los fabricantes. En su defecto, el CTE indica un rango de valores entre los 43-72 l/h.m2, debiendo contabilizarse sólo la superficie de captadores en paralelo, ya que por los elementos en serie circula el mismo caudal. El RITE un valor máximo algo inferior, entre los 43 y los 57 l/h.m2. Como se ha comentado, algunos fabricantes estipulan el caudal en 10–30 l/h.m2 en lo que se conoce como low-flow.

Existe una relación entre el caudal de fluido Q y la velocidad de circulación v, en función del diámetro interior D de la tubería:

161



MEERR_2_3


)(

)/(.354,0)/(

22 mmD

hlQsmv

En el interior de locales habitados la velocidad de circulación está limitada a 1,5m/s por cuestiones acústicas y no menos de 0,5m/s para evitar sedimentaciones. En el exterior puede aumentarse hasta los 2,5m/s, si bien siempre a expensas de los requisitos de caudal suministrados por los fabricantes.

Asimismo, con el caudal de diseño y su distribución por tramos, se calculan las pérdidas de carga en cada tramo del circuito, utilizando los ábacos o las herramientas informáticas al efecto. Estas pérdidas de carga, por unidad de longitud, dependen del diámetro interno de la tubería y de la viscosidad del fluido de trabajo.

La longitud de tuberías debe ser la menor posible y su trazado lo más recto que permita la edificación y ubicación de los equipos. Asimismo, los tramos horizontales deben tener siempre una pendiente mínima del 1% en el sentido de la circulación, como establece el CTE DB HE4.

Además de las pérdidas en los tramo lineales deben sumarse las singularidades, como pérdidas en codos, reducciones de sección, válvulas y todo elemento que interfiera en la circulación del fluido. Asimismo, deben contabilizarse las pérdidas en el intercambiador y en los propios captadores.

Las pérdidas de carga totales en las tuberías, Pdctuberías, expresadas en milímetros de columna de agua (mmca), se pueden obtener como:

gulartramos

eequivalentunitariatuberías PdcLPdcPdc sin).(

Donde Pdcunitaria son las pérdidas por unidad de longitud (mmca/m)

en cada tramo de tubería, Lequivalente es la longitud por tramo, corregida para la circulación del fluido de trabajo (m) y Pdcsingular las pérdidas de carga en las singularidades (mmca).

La corrección debida a la mayor viscosidad del fluido de trabajo respecto al agua puede estimarse en un 30%. Así:

Lequivalente=1,3. Lreal

162




MEERR_2_3

Uno de los métodos más habituales para contabilizar las pérdidas de carga en las singularidades consiste en establecer su equivalencia en metros de longitud lineal de tubería lisa y añadir esa longitud a la del tramo lineal correspondiente.

Las equivalencias es obtienen de forma experimental y en muchos casos son suministradas por los propios fabricantes. Si no se dispone de información precisa del fabricante se puede emplear la siguiente tabla:

Accesorio Diámetro interior nominal de tubería (mm)

12 18 22 28 35 42 54 66,7 76,1

Curva de 45º 0,20 0,34 0,43 0,47 0,56 0,70 0,83 1,00 1,18

Codo de 90º 0,38 0,50 0,63 0,76 1,01 1,32 1,71 1,94 2,01

Curva de 90º 0,18 0,33 0,45 0,60 0,84 0,96 1,27 1,48 1,54

Reducción 0,2 0,3 0,5 0,65 0,85 1,00 1,30 2,00 2,30

T confluencia 0,10 0,15 0,20 0,30 0,40 0,50 0,60 0,70 0,80

T derivación 1,50 1,68 1,80 1,92 2,40 3,00 3,60 4,20 4,80

Válvula antirretorno

0,20 0,30 0,55 0,75 1,15 1,50 1,90 2,65 3,40

Válvula de compuerta

0,14 0,18 0,21 0,26 0,36 0,44 0,55 0,69 0,81

Válvula de asiento 1,10 1,34 1,74 2,28 2,89 3,46 4,53 5,51 6,69

Tabla 4.14: Equivalencia en longitud lineal de singularidades.

Fuente: P. Pereda, 2006

163



MEERR_2_3


Las pérdidas de carga en cada singularidad se determinan, por tanto, como:

Pdcsingular = Pdcunitaria.Lequivalente

Pudiendo sumarse al tramo correspondiente. S el fluido es agua + anticongelante la longitud equivalente anterior debe multiplicarse también por 1,3.

Para determinar las pérdidas de carga unitarias se puede emplear una expresión empírica que relaciona caudal y diámetro con dicha pérdida. Es una ecuación obtenida a partir de la fórmula de Flamant, aplicable a tuberías de cobre liso (Pereda, 2006):

75,4

75,1

.378D

QPdcunitaria

Con el caudal expresado en l/h y el diámetro interior de tubería en mm, resultando la pérdida de carga unitaria en mm de columna de agua por metro lineal de tubería (mmca/m).

Se pueden utilizar también los ábacos para el cálculo de las pérdidas de carga unitarias, en función del caudal y del diámetro de tubería, para cada tipo de material (acero inoxidable y cobre). Si no se dispone de datos relativos a la instalación (longitud o diámetro de tuberías), se podrán considerar unas pérdidas de carga máximas de 40 mmca/m (según RITE).

Se muestra en la siguiente figura:

164




MEERR_2_3

Figura 4.9: Gráfico de pérdidas de carga unitaria en conducciones hidráulicas.

Fuente: Asociación de Fabricantes de Tubos y Accesorios

En el circuito secundario el tratamiento es similar, teniendo en cuenta que en este caso el fluido es agua, por lo que no es necesario aplicar el factor de corrección del 30% por viscosidad elevada que se utilizaba para el fluido caloportador en el primario.

165


MEERR_2_3



4.7. Condiciones de diseño de la bomba

La bomba debe 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. Cuanto mayor sea la pérdida de carga, mayor es la bomba necesaria, su coste y su consumo eléctrico.

El CTE DB HE4 limita la potencia eléctrica máxima de la bomba a instalar, con los valores especificados son los siguientes:

Sistema Potencia eléctrica de la bomba

Sistema pequeño 50W o 2% de la mayor potencia calorífica que pueda suministrar el grupo de captadores

Sistemas grandes 1% de la mayor potencia calorífica que pueda suministrar el grupo de captadores

Tabla 4.15: Potencia eléctrica máxima de la bomba, según CTE DB HE4.


Para la estimación de las pérdidas de carga totales se toma el valor

de las pérdidas en tuberías del apartado anterior, en su tramo más desfavorable. Asimismo, deben sumarse las pérdidas en el intercambiador y las pérdidas en el paso por los captadores, ambos datos suministrados por los fabricantes.

HT= Pdctuberías + Pdccaptadores + Pdcintercambiador

Una vez conocido el caudal de circulación Q, en m3/h y la altura manométrica total, HT, expresada en metros, como suma de las pérdidas anteriores, se selecciona una bomba cuya característica de funcionamiento cubra las condiciones de diseño.

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MEERR_2_3


Figura 4.10: Ejemplo de curva característica de bomba de circulación para 0,948 m3/h de caudal y 5,45 m de altura manométrica, resultado de cálculo: bomba UPS

Solar 15-80 130. Fuente: software Wincaps de Grundfos

El CTE DB HE4 indica que para instalaciones con más de 50 m2 de

captación deben disponerse dos bombas en paralelo, tanto en el primario como en el secundario. Una de ellas actúa de reserva, de forma alterna, para prolongar su vida y garantizar un buen funcionamiento.

4.8. Dimensionado del vaso de expansión

El vaso de expansión del circuito primario tiene una función básica en toda instalación solar. Se encarga de recoger el exceso de volumen de líquido debido a la dilatación por calentamiento. Si no existiera, se produciría una sobrepresión en el circuito que debería aliviarse en las válvulas de seguridad, con la consiguiente pérdida de fluido.

Así pues, su tamaño debe ser tal que permita guardar ese exceso de volumen. Depende, por tanto, del volumen total del circuito primario, de la temperatura máxima del fluido y del coeficiente de dilatación del fluido a dicha temperatura.

En los vasos de expansión cerrados, hay que tener en cuenta las presiones. Así, el volumen del vaso se determina como:

if

fcircuitovaso PP

PVkV

..

167


MEERR_2_3



Donde Pf es la presión absoluta final del vaso de expansión, en bar o en kg/cm2 y Pi la presión absoluta inicial, en las mismas unidades. La presión absoluta es la suma de la presión manométrica más la presión atmosférica, de aproximadamente 1 bar.

La presión final del vaso es la presión máxima que puede alcanzar el circuito primario, que es la de tarado de la válvula de seguridad, normalmente 10bar en sistemas grandes y 6 bar en los pequeños.

La presión inicial de llenado del circuito puede establecerse, en frío, como mínimo en 1,5bar esto es, una presión de columna de agua de 0,5bar, para evitar la entrada de aire durante el llenado. Si el vaso no se encuentra en la zona alta de la instalación, a este valor hay que sumar la presión estática, que es la presión de la columna de agua situada entre el vaso y el punto más elevado del sistema (10m equivale a 1 bar aproximadamente).

En realidad se están asumiendo unos errores debidos a las diferencias entre las diversas unidades relativas a la presión. Se sabe que 1 bar = 0,987 atm = 1,0197 kg/cm2, además de 1 bar =105Pa, en unidades Internacionales, menos utilizadas en este tipo de aplicaciones. V. MANTENIMIENTO DE LAS INSTALACIONES

El plan de mantenimiento engloba todas las operaciones necesarias

durante la vida de la instalación para asegurar el funcionamiento, aumentar la fiabilidad y prolongar la duración de la misma. El CTE DB HE4 incluye el cumplimiento del plan de mantenimiento como una de las exigencias, al mismo nivel que el de la contribución solar mínima y las condicione de diseño y dimensionado.

Establece dos etapas de mantenimiento, que se pueden complementar con otras actuaciones derivadas de normativas adicionales:

a) Plan de vigilancia.

b) Plan de mantenimiento preventivo.

5.1. Plan de vigilancia

El plan de vigilancia se refiere básicamente a las operaciones que

permiten asegurar que los valores operacionales de la instalación sean correctos. Es un plan de observación simple de los parámetros

168



MEERR_2_3


funcionales principales, para verificar el correcto funcionamiento de la instalación.

En la siguiente tabla, extraída del CTE, se definen las tareas a realizar y su frecuencia:

Elemento de la instalación

Operación Frecuencia

(meses) Descripción

CAPTADORES

Limpieza de cristales A determinar Con agua y productos adecuados

Cristales 3 IV condensaciones en horas centrales

del día

Juntas 3 IV agrietamientos y deformaciones

Absorbedor 3 IV corrosión, deformación, fugas, etc.

Conexiones 3 IV fugas

Estructura 3 IV degradación,

indicios de corrosión

CIRCUITO PRIMARIO

Tubería, aislamiento y sistema de llenado

6 IV ausencia de

humedad y fugas

Purgador manual 3 Vaciar aire del

botellín

CIRCUITO SECUNDARIO

Termómetro Diaria IV temperatura

Tubería y aislamiento 6 IV ausencia de

humedad y fugas

Acumulador solar 3

Purgado de la acumulación de lodos en parte

inferior de depósito

Tabla 4.16: Plan de vigilancia de las instalaciones, según CTE DB HE4. Nota: IV:

Inspección Visual. Fuente: Código Técnico de la Edificación.

5.2. Plan de mantenimiento

El plan de mantenimiento incluye las operaciones de inspección visual, verificación de actuaciones y otros, que aplicados a la instalación deben permitir mantener dentro de límites aceptables las condiciones de funcionamiento, prestaciones, protección y durabilidad de la instalación.

169


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EL CTE establece, como mínimo, una revisión anual de la instalación para instalaciones con superficie de captación inferior a 20 m2 y una revisión cada seis meses para instalaciones con superficie de captación superior a 20 m2.

El plan de mantenimiento debe realizarse por personal técnico competente que conozca la tecnología solar térmica y las instalaciones mecánicas en general. La instalación tendrá un libro de mantenimiento en el que se reflejen todas las operaciones realizadas así como el mantenimiento correctivo.

Asimismo, el mantenimiento ha de incluir todas las operaciones de mantenimiento y sustitución de elementos fungibles ó desgastados por el uso, necesarias para asegurar que el sistema funcione correctamente durante su vida útil.

En las tablas siguientes se desarrollan de forma detallada las operaciones de mantenimiento que deben realizarse en las instalaciones de energía solar térmica para producción de agua caliente, la periodicidad mínima establecida (en meses) y observaciones en relación con las prevenciones a observar, según establece el CTE DB HE4.

En primer lugar se muestran las tareas de inspección para el mantenimiento a aplicar al sistema de captación:

Equipo/componente Frecuencia


Captadores 6 IV diferencias sobre original

IV diferencias entre captadores Cristales 6 IV condensadores y suciedad Juntas 6 IV agrietamientos, deformaciones

Absorbedor 6 IV corrosión, deformaciones

Carcasa 6 IV deformación, oscilaciones, ventanas

de respiración Conexiones 6 IV aparición de fugas

Estructura 6 IV degradación, indicios de corrosión y

apriete de tornillos Captadores* 12 Tapado parcial del capo de captadores

Captadores* 12 Destapado parcial del campo de

captadores

Captadores* 12 Vaciado parcial del campo de

captadores

Captadores* 12 Llenado parcial del campo de

captadores Tabla 4.17: Plan de mantenimiento del sistema de captación, según CTE DB HE4.

Nota: IV: Inspección Visual. Fuente: Código Técnico de la Edificación.

170



MEERR_2_3


Las tareas identificadas con un asterisco se refieren únicamente a los casos en los que para evitar el sobrecalentamiento por exceso de producción solar, se aplican medidas de tapado parcial o de vaciado parcial del campo de captadores, ya explicadas en secciones anteriores.

En cuanto al sistema de acumulación, el CTE establece un conjunto de tares de mantenimiento, que se resumen en la siguiente tabla:



Depósito 12 Presencia de lodos en el fondo

Ánodos de sacrificio 12 Comprobación de desgaste Ánodos de corriente

impresa 12

Comprobación de buen funcionamiento

Aislamiento 12 Comprobación de ausencia de

humedad

Tabla 4.18: Plan de mantenimiento del sistema de acumulación, según CTE DB HE4. Fuente: Código Técnico de la Edificación.

Los ánodos de sacrificio están fabricados en un material de

electronegatividad menor que el material que quieren proteger (depósito). De esta forma, son estos ánodos los que se oxidan, reduciendo la corrosión del elemento principal. Si están ya muy oxidados agotan su función.

En la protección catódica mediante ánodos de corriente impresa se utiliza una fuente continua para imprimir la corriente necesaria para la protección frente a la corrosión del depósito.

En cuanto al sistema de intercambio, el CTE establece las siguientes tareas de mantenimiento:



Intercambiador de placas 12

Control de funcionamiento, eficiencia y prestaciones

12 Limpieza

Intercambiador de serpentín

12 Control de funcionamiento, eficiencia y

prestaciones 12 Limpieza

Tabla 4.19: Plan de mantenimiento del sistema de intercambio, según CTE DB

HE4. Fuente: Código Técnico de la Edificación.

171


MEERR_2_3



El circuito hidráulico requiere una especial atención, debido a los elevados gradientes de temperatura que soportan sus componentes y los esfuerzos mecánicos que ello conlleva. Durante el día, con la incidencia solar, el fluido de trabajo que circula por las tuberías puede alcanzar temperaturas muy elevadas, mientras que por la noche, en invierno, las temperaturas exteriores pueden ser muy bajas.

Junto a la inspección de los elementos pasivos, como aislamientos o juntas, debe atenderse a los elementos de control y regulación del sistema como bombas y válvulas, especialmente a las de uso menos frecuente, que podrían agarrotarse.

El CTE DB HE4 establece las siguientes tareas de mantenimiento en el circuito hidráulico primario:



Fluido refrigerante 12 Comprobar su densidad y pH

Estanqueidad 24 Efectuar prueba de presión

Aislamiento al exterior 6 IV degradación protección uniones y

ausencia de humedad Aislamiento al interior 12 IV uniones y ausencia de humedad Purgador automático 12 Control de funcionamiento y limpieza

Purgador manual 6 Vaciar aire del botellín Bomba 12 Estanqueidad

Vaso de expansión cerrado

6 Comprobación de la presión

Vaso de expansión abierto

6 Control de funcionamiento y actuación

Sistema de llenado 6 Control de funcionamiento y actuación

Válvula de corte 12 Control de funcionamiento y actuación

(abrir y cerrar) para evitar agarrotamiento

Válvula de seguridad 12 Control de funcionamiento y actuación

Tabla 4.20: Plan de mantenimiento del circuito hidráulico, según CTE DB HE4.

Nota: IV: Inspección Visual. Fuente: Código Técnico de la Edificación.

172



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El sistema eléctrico y de control también requiere una serie de revisiones periódicas para garantizar su buen funcionamiento.



Cuadro eléctrico 12 Comprobar que está siempre bien

cerrado para que no entre polvo y su estado

Control diferencial 12 Control de funcionamiento y

actuación

Termostato 12 Control de funcionamiento y

actuación Verificación del sistema de

medida 12

Control de funcionamiento y actuación

Tabla 4.21: Plan de mantenimiento del sistema eléctrico y de control, según CTE

DB HE4. Nota: IV: Inspección Visual. Fuente: Código Técnico de la Edificación.

En cuanto al sistema de generación auxiliar, se requiere una comprobación anual de su operación y de las sondas de temperatura, además de lo exigido por la normativa aplicable en función del tipo de tecnología. VI. CASO PRÁCTICO I: VIVIENDA UNIFAMILIAR

Se quiere desarrollar un proyecto de instalación solar térmica para suministro de Agua Caliente Sanitaria en una vivienda unifamiliar de 3 dormitorios, de nueva construcción. La vivienda está situada en Alcalá de Henares, provincia de Madrid.

La instalación está compuesta por el sistema de captación solar, con captador solar plano, situado en el tejado del edificio y un sistema de intercambio y acumulación conjunto (interacumulador) y centralizado, único en la vivienda. El sistema de aporte de energía convencional auxiliar es de gas natural.

El proyecto se realiza cumpliendo el R.D. 314/2006 Código Técnico de la Edificación, documento básico DB HE, Ahorro de energía, Sección HE 4, Contribución solar mínima de agua caliente sanitaria.

A continuación se desarrollan los puntos básicos del proyecto.

173


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1. Datos de entrada del proyecto

Localidad: Alcalá de Henares (Madrid).

Latitud: 40,5º N.

Zona climática: IV.

Tipo de edificio: Vivienda unifamiliar.

Nº de dormitorios: 3.

Tipo de integración de captadores: integración arquitectónica.

Sistema de energía auxiliar: gas natural.

Orientación de campo de captadores: Sur

Inclinación de campo de captadores: 35º.

Condiciones del entorno: sin sombras posibles.

BOMBA

BATERIA DE 1 COLECTOR

16/18

16/18

16/18

16/18

16/18

M T

M T

DEPOSITO ACUMULADOR

SCHÜCO 200 l

Tm ax. 90ºC

ST T

Ø1"

16 /18

45º

CALDERA GASOIL

16/18

16/18

45º

TODO-N ADA M EZCLADORA

F

GRUPO

Grup o Bom b eo

Figura 4.11: Esquema de instalación solar para suministro de ACS en vivienda unifamiliar. Fuente: Expert Sistemas Solares.

174



MEERR_2_3


2. Estimación de la demanda energética de A.C.S.

Según lo estipulado en el CTE DB HE4 y a falta de información específica sobre el número de residentes de la vivienda, se supone una ocupación de 4 personas:


1 2 3 4 5 6 7 >7

Número de personas

1,5 3 4 6 7 8 9 Una persona

por dormitorio

Tabla 4.22: Grado de ocupación por defecto. Fuente: Código Técnico de la Edificación.

El consumo de ACS estimado se toma según el valor mínimo recomendado por el CTE para vivienda unifamiliar: 30 litros por día.

Así pues, el consumo diario total de la vivienda es:

Nº viviendas 1

Nº personas por vivienda 4 Consumo por persona 30 l/día

Consumo total de ACS (Ddía)

120 l/día 0,12m3/dí

a

La temperatura final de acumulación se supone TACS=60º C.

Para el cálculo de la demanda energética mensual falta conocer los valores de temperatura media del agua de red. Para ello, se hace uso de las tablas suministradas en el Pliego del IDAE, por provincias (ver anexo).

Como se ha expuesto en la sección correspondiente, la demanda energética mensual se puede obtener cómo:

)..(....10.16,1)/( ,,3

, iredACSpidíasdíaimes TTCNDmeskWhDE


175


MEERR_2_3




MES TRED DÍAS D DÍA

(M3/DÍA) D MES

(M3/MES) DE MES

(KWH/MES)

ENE 6 31 0,12 3,72 233,0

FEB 7 28 0,12 3,36 206,6

MAR 9 31 0,12 3,72 220,1

ABR 11 30 0,12 3,60 204,6

MAY 12 31 0,12 3,72 207,1

JUN 13 30 0,12 3,60 196,3

JUL 14 31 0,12 3,72 198,5

AGO 13 31 0,12 3,72 202,8

SEPT 12 30 0,12 3,60 200,4

OCT 11 31 0,12 3,72 211,4

NOV 9 30 0,12 3,60 213,0

DIC 6 31 0,12 3,72 233,0

AÑO 43,80 2526,9

ContribuciónMÍN= 60% 1516,14

Las diferencias en demanda de agua mensual se deben al diferente número de días, mientras que en el caso de la demanda energética se añade la diferente temperatura del agua de red para cada mes.

3. Contribución solar mínima de ACS

La contribución solar mínima depende del tipo de aporte auxiliar, de la demanda diaria de agua y de la zona climática. En las condiciones del proyecto en desarrollo (0,12m3/día, zona climática IV y aporte auxiliar convencional) se obtiene una contribución solar anual o fracción solar f= 60%:

176



MEERR_2_3


Demanda total de ACS del edificio

(m3/día)

Zona climática

I II III IV V

0,05-5 30 30 50 60 70 5-6 30 30 55 65 70 6-7 30 35 61 70 70 7-8 30 45 63 70 70 8-9 30 52 65 70 70 9-10 30 55 70 70 70

10-12,5 30 65 70 70 70 12,5-15 30 70 70 70 70 15-17,5 35 70 70 70 70 17,5-20 45 70 70 70 70

>20 52 70 70 70 70

Tabla 4.23: Contribución solar mínima en % exigido por el CTE DB HE4. Caso general (gas, gasóleo, propano,…). Fuente: Código Técnico de la Edificación.

Así pues, la demanda mínima a cubrir con el sistema solar debe ser:

EUsolar,año=f.DEaño = 0,6.2526,9kWh/año = 1516,14kWh/año

Para la determinación del número de captadores necesarios y del volumen de acumulación debe hacerse, sin embargo, el análisis mensual utilizando el método de cálculo adecuado.

4. Radiación solar incidente sobre el plano de captadores

Antes de abordar el dimensionado de la instalación deben conocerse los datos de radiación solar incidente para la orientación e inclinación real de los captadores.

Asimismo, en este punto debería verificarse el cumplimiento de los límites establecidos por el CTE DB HE4 de pérdidas por orientación e inclinación y por sombras, analizadas en detalle en el apartado 4.3. En las condiciones de ubicación del proyecto actual, las pérdidas por estos dos conceptos son nulas.

La radiación solar diaria sobre superficie inclinada se obtiene como:

Gdi () = k.Gdi(0º)

Según las tablas de radiación, los valores mensuales de radiación solar diaria sobre superficie horizontal Gdi(0º) y su corrección k

177


MEERR_2_3



para inclinación de 35º son los mostrados en la tabla siguiente, junto con los valores ya modificados Gdi(35º):

MES DÍAS GDI(0º)

(MJUL/M2) GDI(0º)

(KWH/M2) K (35º) L=40º GDI(35º) EIMES

ENE 31 6,70 1,86 1,37 2,55 79,04

FEB 28 10,60 2,94 1,28 3,77 105,53

MAR 31 13,60 3,78 1,17 4,42 137,02

ABR 30 18,80 5,22 1,06 5,54 166,07

MAY 31 20,90 5,81 0,98 5,69 176,37

JUN 30 23,50 6,53 0,95 6,20 186,04

JUL 31 26,00 7,22 0,98 7,08 219,41

AGO 31 23,10 6,42 1,07 6,87 212,84

SEPT 30 16,90 4,69 1,21 5,68 170,41

OCT 31 11,40 3,17 1,37 4,34 134,49

NOV 30 7,50 2,08 1,47 3,06 91,88

DIC 31 5,90 1,64 1,45 2,38 73,67

AÑO 12,50 3,47 4,80 1752,76

Tabla 4.24: Tabla de valores diarios de radiación solar y energía solar mensual incidente. Fuente: elaboración propia con datos del IDAE y CENSOLAR.

5. Cálculo de número de captadores y volumen de acumulación: método f-chart

Para la aplicación del método de cálculo f-chart, junto a los valores calculados de demanda energética mensual y energía solar disponible, es necesario conocer una serie de datos adicionales:

Modelo de captador Fagor Solaria 2.4 Superficie apertura 2,40 m2

Eficiencia óptica 0,67 Coeficiente global de

pérdidas 3,14 W/m2.ºC

MAI 0,95 FCint 0,95

Para completar los datos de entrada del método, sólo queda conocer los valores medios mensuales de temperatura ambiente durante el día, según lo recomendado por el IDAE sobre datos de CENSOLAR.

178



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En la tabla siguiente se resumen los principales resultados de la aplicación del método f-chart para 1 captador. De aplicación directa del método se obtienen los valores mensuales de contribución solar, fmes.

Con la fracción solar mensual se obtiene la energía solar útil aportada al fluido:


Ncap Sc

Unit Sc

Total η0 Kglobal Vacum

Demanda Vacum (litros) FCacum TACS

1 2,4 2,4 0,67 0,00314 120 150 1,05 60

MES TRED TAMB DÍAS GDI(35º) DE MES

(KWH/MES) Facs D1 D2 fmes EU

solar

ENE 6 6 31 2,55 233,0 0,97 0,5 2,2 31,6% 73,6

FEB 7 8 28 3,77 206,6 0,99 0,7 2,2 50,2% 103,7

MAR 9 11 31 4,42 220,1 1,03 0,9 2,3 60,4% 133,0

ABR 11 13 30 5,54 204,6 1,09 1,2 2,5 75,6% 154,7

MAY 12 18 31 5,69 207,1 1,06 1,2 2,3 79,6% 164,8

JUN 13 23 30 6,20 196,3 1,03 1,4 2,2 87,5% 171,7

JUL 14 28 31 7,08 198,5 0,99 1,6 2,0 98,6% 195,7

AGO 13 26 31 6,87 202,8 0,98 1,5 2,0 95,3% 193,2

SEPT 12 21 30 5,68 200,4 1,01 1,2 2,2 80,5% 161,4

OCT 11 15 31 4,34 211,4 1,06 0,9 2,4 61,4% 129,8

NOV 9 11 30 3,06 213,0 1,03 0,6 2,3 41,2% 87,8

DIC 6 7 31 2,38 233,0 0,96 0,5 2,1 29,2% 68,0

AÑO 2526,8976 1637,5

Cobertura = 0,65 Rendimiento= 0,4

CTE

mesmes

mesmessolar

fDE

EUf

%6565,09,2526

5,163712

1

12

1,

179


MEERR_2_3



El rendimiento medio anual de la instalación es:

4,017,17544,2

5,1637

...12

1

12

1,

12

1

12

1,

,

xEIS

EU

NGS

EU

mesmesC

mesmessolar

mesmesdíasdmC

mesmessolar

añosistema

Es decir, el rendimiento medio anual es del 40%, en el límite de lo establecido por el CTE.

Resulta interesante analizar la evolución mensual del sistema en diseño, con la relación entre energía demandada y energía solar aportada al agua de consumo. De la relación entre ambos surge la contribución solar mensual, útil para detectar posibles situaciones de sobrecalentamiento.

Los valores de la tabla anterior se representan en las siguientes figuras:

Figura 4.12: Relación entre demanda energética y aportación solar mensual. Fuente: elaboración propia.

180



MEERR_2_3


Se observa en primer lugar cómo, a pesar de que el consumo de ACS se ha considerado constante durante todo el año, no lo es la demanda energética, debido a las diferencias en la temperatura del agua de red. Al estar más fría en invierno el salto térmico a suministrar es mayor que en verano.

Hay diferencias menores debidas al diferente número de días de cada mes.

Se observa también que en los meses de verano la aportación solar prácticamente cubre la demanda, mientras que en inverno se requiere de la aportación fuerte del gas natural.

Este hecho se refleja en la fracción solar mensual, con valores invernales sobre el 30%, que ni mucho menos son despreciables en términos de ahorro de combustible. Mientras, en verano, no se sobrepasa el 100%, con lo que al menos en diseño la instalación parece equilibrada.

Figura 4.13: Fracción solar mensual. Fuente: elaboración propia.

181


MEERR_2_3



6. Volumen de acumulación y potencia de intercambio

Teniendo en cuenta el rango admitido por el CTE DB HE4:

50 < Vacum/SC < 180 l/m2

Y valorando las opciones comerciales existentes en el mercado en cuanto a volúmenes de acumulación, proponemos un depósito interacumulador de 150 litros y comprobamos que es válido.

Vacum/Sc = 150/2,4 = 62,5 Válido

Siempre debe buscarse un acumulador entre los equipos del mercado, teniendo en cuenta costes, plazos de entrega, etc. Con el valor definitivo puede corregirse el dimensionado, si bien su influencia es reducida.

Para un sistema pequeño como éste, se selecciona un intercambiador incorporado al acumulador (serpentín).

El requisito exigido por el CTE DB HE4 para los interacumuladores es:

Sinter ≥ 0,15 · SC = 0,15 · 2,4m2 = 0,36m2

Para el diseño del resto de componentes, del circuito primario y secundario deben conocerse las características constructivas completas del edificio. Con esta información se aplica lo descrito en apartados anteriores. En caso de no disponer de dichos datos, deberemos realizar los cálculos estimando las particularidades de una instalación tipo para calcular, por ejemplo, el vaso de expansión y la bomba para lo cual necesitamos conocer el volumen de fluido caloportador y caudal del circuito primario, y la altura manométrica.

182



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VII. CASO PRÁCTICO II: EDIFICIO RESIDENCIAL MULTIFAMILIAR

Se quiere desarrollar un proyecto de instalación solar térmica para suministro de Agua Caliente Sanitaria en un edificio residencial multifamiliar a rehabilitar. El edificio está situado en Alcalá de Henares, provincia de Madrid.

La instalación está compuesta por el sistema de captación solar, con panel solar plano, situado en una cubierta del edificio con orientación Sur e inclinación 60º; un sistema de intercambio y una acumulación centralizada. El sistema de aporte de energía convencional auxiliar es de gas natural, en línea descentralizado, en cada vivienda.

El proyecto se realiza cumpliendo el R.D. 314/2006 Código Técnico de la Edificación, documento básico DB HE, Ahorro de Energía, Sección HE 4, Contribución solar mínima de agua caliente sanitaria.

A continuación se desarrollan los puntos básicos del proyecto.

1. Datos de entrada del proyecto

Localidad: Alcalá de Henares (Madrid).

Latitud: 40,5º N.

Zona climática: IV.

Tipo de edificio: Residencia multifamiliar, 10 viviendas de 4 dormitorios, 40 viviendas de 3 dormitorios y 20 de 2 dormitorios.

Tipo de integración de captadores: superposición.

Sistema de energía auxiliar: gas natural.

Orientación de campo de captadores: Sur.

Inclinación de campo de captadores: 55º.

Condiciones del entorno: sin sombras posibles.

2. Estimación de la demanda energética de A.C.S.

Según lo estipulado en el CTE DB HE4 y a falta de información específica sobre el número de residentes de la vivienda, se supone una ocupación de 4 personas:

183


MEERR_2_3




1 2 3 4 5 6 7 >7

Número de personas

1,5 3 4 6 7 8 9 Una persona

por dormitorio

Tabla 4.25: Grado de ocupación por defecto. Fuente: Código Técnico de la Edificación.

El consumo de ACS estimado se toma según el valor mínimo recomendado por el CTE para vivienda unifamiliar: 30 litros por día.

Así pues, el consumo diario total de la vivienda es:

Nº viviendas 4 dorm. 10

Nº personas por vivienda 6

Nº viviendas 3 dorm. 40

Nº personas por vivienda 4

Nº viviendas 2 dorm. 20 Nº personas por vivienda 3

Nº total residentes 280 Consumo por persona 22 l/día

Consumo total de ACS (Ddía)

6.160 l/día

6,16m3/día

La temperatura final de acumulación se supone TACS=60ºC.

Para el cálculo de la demanda energética mensual falta conocer los valores de temperatura media del agua de red. Para ello, se hace uso de las tablas suministradas en el Pliego del IDAE, por provincias (ver anexo).

Como se ha expuesto en la sección correspondiente, la demanda energética mensual se puede obtener cómo:

)..(....10.16,1)/( ,,

3, iredACSpidíasdíaimes TTCNDmeskWhDE



184



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MES TRED DÍAS D DÍA (M3/DÍA) D MES

(M3/MES) DE MES

(KWH/MES)

ENE 6 31 6,16 191,0 11.961,7 FEB 7 28 6,16 172,5 10.604,1 MAR 9 31 6,16 191,0 11.297,2 ABR 11 30 6,16 184,8 10.504,0 MAY 12 31 6,16 191,0 10.632,7 JUN 13 30 6,16 184,8 10.075,3 JUL 14 31 6,16 191,0 10.189,6 AGO 13 31 6,16 191,0 10.411,1 SEPT 12 30 6,16 184,8 10.289,7 OCT 11 31 6,16 191,0 10.854,2 NOV 9 30 6,16 184,8 10.932,8 DIC 6 31 6,16 191,0 11.961,7 AÑO 2248,4 129.714,1

ContribuciónMÍN= 70% 90.799,9

Las diferencias en demanda de agua mensual se deben al diferente número de días, mientras que en el caso de la demanda energética se añade la diferente temperatura del agua de red para cada mes.

3. Contribución solar mínima de ACS

La contribución solar mínima depende del tipo de aporte auxiliar, de la demanda diaria de agua y de la zona climática. En las condiciones del proyecto (6,16m3/día, zona climática IV y aporte auxiliar convencional), se obtiene una contribución solar anual o fracción solar f= 70%:

Demanda total de ACS del edificio

(m3/día)

Zona climática

I II III IV V

0,05-5 30 30 50 60 70 5-6 30 30 55 65 70 6-7 30 35 61 70 70 7-8 30 45 63 70 70 8-9 30 52 65 70 70 9-10 30 55 70 70 70

10-12,5 30 65 70 70 70 12,5-15 30 70 70 70 70 15-17,5 35 70 70 70 70

185


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17,5-20 45 70 70 70 70 >20 52 70 70 70 70

Tabla 4.26: Contribución solar mínima en % exigido por el CTE DB HE4. Caso general (gas, gasóleo, propano…). Fuente: Código Técnico de la Edificación.

Así pues, la demanda mínima a cubrir con el sistema solar debe ser:

EUsolar,año=f.DEaño = 0,7x129.714kWh /año = 90.799 kWh/año

Para la determinación del número de captadores y del volumen de acumulación debe hacerse, sin embargo, el análisis mensual utilizando el método de cálculo adecuado.

4. Radiación solar incidente sobre el plano de captadores

Antes de abordar el dimensionado de la instalación deben conocerse los datos de radiación solar incidente para la orientación e inclinación real de los captadores.

Asimismo, en este punto debe verificarse el cumplimiento de los límites establecidos por el CTE DB HE4 de pérdidas por orientación e inclinación y por sombras, analizadas en detalle en el apartado 4.3. En las condiciones de ubicación del proyecto actual, las pérdidas por sombreado son nulas, mientras que por la inclinación de 55º se estiman en un 8%, dentro de los márgenes admisibles.

La radiación solar diaria sobre superficie inclinada se obtiene como:

Gdi () = k.Gdi(0º)

Según los valores mensuales de radiación solar diaria sobre superficie horizontal Gdi(0º) y su corrección k para inclinación de 55º son los mostrados en la tabla siguiente, junto con los valores ya modificados Gdi(55º):

186



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MES DÍAS GDI(0º) (MJUL/M2)

GDI(0º) (KWH/M2)

K (55º) L=40º

GDI(55º) EIMES

ENE 31 7,08 1,97 1,4 2,75 85,32 FEB 28 9,64 2,68 1,27 3,40 95,23 MAR 31 15,79 4,39 1,1 4,82 149,56 ABR 30 18,25 5,07 0,94 4,76 142,95 MAY 31 23,17 6,44 0,82 5,28 163,63 JUN 30 25,84 7,18 0,78 5,60 167,97 JUL 31 26,22 7,28 0,82 5,97 185,13 AGO 31 22,94 6,37 0,95 6,05 187,66 SEPT 30 17,80 4,94 1,15 5,69 170,57 OCT 31 11,97 3,32 1,38 4,59 142,20 NOV 30 7,65 2,13 1,54 3,27 98,18 DIC 31 5,78 1,61 1,52 2,44 75,63 AÑO 12,50 3,47 1664,02

Tabla 4.27: Tabla de valores diarios de radiación solar y energía solar mensual

incidente, por unidad de superficie. Fuente: elaboración propia con datos del PVGIS

5. Cálculo de número de captadores y volumen de acumulación: método f-chart

Para la aplicación del método de cálculo f-chart, junto a los valores calculados de demanda energética mensual y energía solar disponible, es necesario conocer una serie de datos adicionales:

Ncap Sc

Unit Sc

Total η0 Kglobal

kW/m2ºC Vacum (litros)

Vacum (litros) FCacum

MAI FCint TACS

60 2,205 132,3 0,773 0,00324 6160 7000 1,09 0,922 0,95 60

Tabla 4.28: Datos de entrada del método de cálculo. Fuente: elaboración propia

Para completar los datos de entrada del método, sólo queda conocer los valores medios mensuales de temperatura ambiente durante el día, según lo recomendado por el IDAE sobre datos de CENSOLAR.

Después de probar con diferente número de captadores, en la tabla siguiente se resumen los principales resultados de la aplicación del método f-chart para 60 unidades. Por aplicación directa del método se obtienen los valores mensuales de contribución solar, fmes.

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Con la fracción solar mensual se obtiene la energía solar útil aportada al fluido:


MES TRED TAMB DÍAS GDI(55º) DE MES

(KWH/MES) Facs D1 D2 fmes EU

solar

ENE 6 6 31 2,75 11.961,7 0,97 0,6 2,5 41,0% 4.904,3

FEB 7 8 28 3,40 10.604,1 0,99 0,8 2,6 52,6% 5.576,7

MAR 9 11 31 4,82 11.297,2 1,03 1,2 2,7 75,0% 8.475,8

ABR 11 13 30 4,76 10.504,0 1,09 1,2 2,9 75,7% 7.948,8

MAY 12 18 31 5,28 10.632,7 1,06 1,4 2,7 84,7% 9.002,2

JUN 13 23 30 5,60 10.075,3 1,03 1,5 2,5 91,0% 9.166,1

JUL 14 28 31 5,97 10.189,6 0,99 1,6 2,3 97,7% 9.959,1

AGO 13 26 31 6,05 10.411,1 0,98 1,6 2,3 97,4% 10.135,7

SEPT 12 21 30 5,69 10.289,7 1,01 1,5 2,5 90,8% 9.338,9

OCT 11 15 31 4,59 10.854,2 1,06 1,2 2,7 74,0% 8.033,8

NOV 9 11 30 3,27 10.932,8 1,03 0,8 2,7 51,9% 5.674,7

DIC 6 7 31 2,44 11.961,7 0,96 0,6 2,5 35,9% 4.289,5

AÑO 129.714,08 92.505,6

Cobertura = 0,71

Rendimiento= 0,42

Tabla 4.29: Resultados de aplicación del método f-chart (60 captadores). Fuente: elaboración propia.

Como verificación principal del análisis, se obtiene una fracción solar o contribución solar anual f superior a la exigida en el CTE:

%70%7171,017,714.129

60,505.9212

1

12

1,

CTE

mesmes

mesmessolar

fDE

EUf

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El rendimiento medio anual de la instalación es:

42,002,664.121,260

6,505.92

...12

1

12

1,

12

1

12

1,

,

xxEIS

EU

NGS

EU

mesmesC

mesmessolar

mesmesdíasdmC

mesmessolar

añosistema

Es decir, el rendimiento medio anual es del 0,42%, ligeramente por encima de los límites establecidos por el CTE.

Resulta interesante analizar la evolución mensual del sistema en diseño, con la relación entre energía demandada y energía solar aportada al agua de consumo. De la relación entre ambos surge la contribución solar mensual, útil para detectar posibles situaciones de sobrecalentamiento.

Los valores de la tabla anterior se representan en las siguientes figuras:

Figura 4.14: Relación entre demanda energética y aportación solar mensual. Fuente: elaboración propia.

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En este caso, en comparación con el anterior de vivienda unifamiliar, la mayor exigencia del CTE sobre contribución solar, conduce a un sistema más grande, en proporción, con una mayor aportación energética y fracción solar en todo el año.

Se observa también en el gráfico de la fracción solar mensual, mayor aportación en invierno con valores cercanos al 40% en el mes más desfavorable. A esto contribuye, además del tamaño del sistema, una inclinación (55º) que favorece la generación solar térmica en invierno, ya que el Sol en dicha estación presenta un recorrido más bajo en el cielo.

Figura 4.15: Fracción solar mensual. Fuente: Elaboración propia.

6. Volumen de acumulación y potencia de intercambio

Como variable del método de dimensionado se ha seleccionado una relación entre volumen de acumulación y superficie de captadores de 50l/m2, que se encuentra en el mínimo del rango admitido por el CTE DB HE4:

50 < Vacum/SC < 180 l/m2

Como la superficie total de captación es de 132,3m2, el volumen total de acumulación mínimo es:

Vacum=50l/m2.132,3m2= 6.610 l

190



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Este volumen de acumulación puede distribuirse en uno o varios acumuladores centralizados conectados en serie, lo que implica disponer de un espacio de uso común de grandes dimensiones. La opción opuesta es disponer de acumuladores descentralizados, uno por vivienda, si bien el control del conjunto se complica y la eficiencia se resiente. Una tercera opción, intermedia, es instalar un acumulador colectivo parcial y acumuladores individuales en cada vivienda en función de su tamaño y consumo previsto. Sobre estos acumuladores, ya de ACS, actúan los sistemas auxiliares cuando sea necesario.

En este sentido, y tomando valores existentes en el mercado, se puede realizar la siguiente distribución:

Acumulador colectivo: 2.000.

Acumuladores individuales viviendas 4 dormitorios: 100.



El volumen total de acumulación resulta ser 7.000l, poco por encima del volumen diario del edificio y dentro de los límites del CTE.

Figura 4.16: Esquema acumulación solar mixta. Fuente: Termicol.

191


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En todo caso, en instalaciones de gran tamaño, al igual que ocurre con los sistemas normales de suministro de ACS convencionales, al esquema anterior se le debe añadir una tubería de retorno que garantice una temperatura de agua adecuada en la vivienda más alejada del punto de generación.

De esta forma, si la temperatura en esa vivienda no es suficiente, se recircula el agua, aumentando su temperatura.

En instalaciones grandes, se dispone un intercambiador externo al acumulador.

El requisito exigido por el CTE DB HE4 para los intercambiadores externos es:

Pinter (W)≥ 500.SC = 500.132,3m2 = 66,15kW

Volviendo al sistema de captación el fabricante del captador solar recomienda un caudal de 110l/h, que equivale a 50l/h.m2, dentro del rango admisible de 43-72l/h.m2.

Para este caudal, se indica una pérdida de carga al paso por el captador de 9,5mmca.

Una posible configuración del campo de captadores es en 20 baterías en paralelo de 3 elementos en serie. Para esta configuración, el caudal total del primario resulta:

Q (l/h) =50(l/h.m2).Nparalelo.Scaptador (m2)

Q (l/h) =50(l/h.m2).20.2,21 (m2)=2210l/h=2,21m3/h

El fabricante recomienda una tubería de 35mm de diámetro interior.

Para el diseño del resto de componentes, vaso de expansión, bomba, tuberías, etc., tanto del circuito primario y secundario deben conocerse las características constructivas completas del edificio. Con dicha información se aplica lo descrito en apartados anteriores.

Un aspecto importante es la propia ubicación de los equipos sobre la cubierta del edificio. En este caso, los 60 captadores ocupan una superficie total de 60x2, 4m2=144m2, que se ve ampliada por la necesaria separación entre filas de captadores, como se analizó en

192



MEERR_2_3


el apartado correspondiente. Para realizar la configuración completa debe conocerse las dimensiones de la cubierta real.

VIII. OTRAS APLICACIONES

8.1 Instalación solar para suministro de ACS y apoyo a calefacción

Se ha dejado de forma deliberada para el final del tema la

descripción de las características básicas de diseño y operación de las instalaciones de apoyo a la calefacción. Constituyen un tipo de aplicaciones no recogidas en el CTE DB HE4 y, por tanto, de inclusión no obligatoria en la edificación.

Sin embargo, se realizan bastantes proyectos de instalaciones solares para calefacción por suelo radiante, aunque siempre combinada con suministro de ACS.

En realidad, el suministro del calor solar hacia los circuitos de calefacción se encuentra siempre supeditado a que exista un excedente en el suministro de ACS. Esto es, cuando la temperatura en el acumulador solar alcanza el valor de diseño, es entonces cuando se puede derivar hacia la calefacción de la vivienda.

La función del calor solar es fundamentalmente de precalentamiento del agua de calefacción antes de su paso por la caldera desde la que circula por el suelo radiante.

En estas condiciones, se pueden obtener reducción de consumo de combustible para calefacción entre 10 y 30% según las condiciones de la instalación y el lugar de ubicación.

En la figura 4.17 se muestra un esquema general de una instalación de suministro de ACS y apoyo a calefacción.

193


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Figura 4.17: Esquema de instalación solar para suministro de ACS y calefacción por suelo radiante. Fuente Termicol

Al no estar recogida esta aplicación en el CTE DB HE4 no existe una contribución solar mínima que haya que satisfacer. Así pues, es el propio proyectista el que debe decidir qué fracción solar media se quiere cubrir con la instalación solar.

Después de realizar el estudio de las necesidades térmicas de la vivienda, aspecto que queda fuera del alcance de este libro, se determina cuánta de esa demanda se pretende suministrar con el sistema solar. La cantidad obtenida debe sumarse a la demanda energética para suministro de ACS.

8.2. Instalación solar para climatización de piscina al aire libre

En secciones anteriores se ha indicado cómo obtener las pérdidas energéticas en una piscina al aire libre, de acuerdo a lo establecido en el Pliego del IDAE. Asimismo, algunos fabricantes ofrecen un método simplificado para obtener directamente la superficie de captación a disponer, utilizando captadores abiertos plásticos, sin cubierta (figura 4.18).

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Figura 4.18: Dimensionado de sistemas de captación para climatización de piscina

al aire libre. Fuente: Saclima.

IX. RESUMEN DEL TEMA

Este tema ha expuesto el método de diseño básico de las instalaciones solares térmicas. Para ello, se ha partido de las exigencias de la normativa actualmente en vigor, el Código Técnico de la Edificación, en su Documento Básico sobre Ahorro de Energía, sección 4: Contribución solar mínima para Agua Caliente Sanitaria (CTE DB HE4).

Además, se ha completado con las recomendaciones del Pliego de Condiciones Técnicas del IDAE y otras referencias puntuales.

Se han explicado las diferentes etapas del diseño, desde la estimación de la demanda energética requerida y la energía solar

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disponible hasta el cálculo del número de captadores y el volumen de acumulación. También se han expuesto los criterios de diseño y forma de cálculo del resto de elementos de la instalación: intercambiador, circuitos hidráulicos, bomba, etc. En el proceso de diseño tienen que emplearse las características reales de los equipos del mercado.

Finalmente, se han desarrollado dos casos prácticos de diseño básico de instalaciones: uno para una vivienda unifamiliar y el otro para edificio residencial multifamiliar.

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Energía solar Diseño y operación de térmica y pasiva ...campusvirtual.imf-formacion.com/UPC_VirtualCampus/Contents/COURSE... · instalaciones solares térmicas i. introducciÓn