OPTIMIZACIÓN ENERGÉTICA EN LA EDIFICACIÓN. DISEÑO Y ... · Por otro lado, se debe calcular la potencia necesaria para la demanda de ACS, teniendo en cuenta el número de personas

TRABAJO DE GRADO

Grado en Ingeniería de la Energía

OPTIMIZACIÓN ENERGÉTICA EN LA EDIFICACIÓN. DISEÑO Y

CÁLCULO DE UN CASO REAL

Volumen V

Anexo IV: Cálculos calefacción y ACS

Autor: Eduard Pascual Sánchez

Director: Francesc Xavier Roset i Juan

Departamento: SARTI

Co-Director: -

Ponente: -

Convocatoria: Mayo 2017

Eduard Pascual Sánchez

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A4.1.Dimensionado de calefacción y ACS

Antes de realizar el cálculo dimensional del nuevo equipo mixto de calefacción y

ACS con caldera de biomasa, se van a establecer una serie de puntos a tener en

cuenta:

- La vivienda está ocupada durante la mayor parte del año por 3 personas;

- Se establece un consumo diario al día de ACS de 30 litros/persona, tal y como

especifica el Código Técnico de la Edificación (CTE);

- La superficie útil de la vivienda es de 121,7m2;

- Se considera un ratio de calefacción aproximado de 80W/m2, teniendo en cuenta

las mejoras estructurales y de aislamiento incorporadas;

- El equipo de calefacción y ACS se encuentra en la planta garaje, bien aislado y

protegido y debe hacer llegar el agua hasta la planta baja y planta primera;

- La temperatura de entrada de agua en la caldera sería de 10°C;

- La temperatura de salida de agua en la caldera sería de 60°C.

Se empieza por calcular la potencia necesaria para la demanda de calefacción,

mediante la siguiente ecuación:

80·7.121·. SPcalef (Ecuación 1)

Siendo S la superficie a calefactar de la vivienda, y el ratio de calefacción

aproximado, se obtiene como resultado una potencia de 9,74KW.

Por otro lado, se debe calcular la potencia necesaria para la demanda de ACS,

teniendo en cuenta el número de personas y el consumo de ACS, se necesitarán

calentar 90L agua, es decir, 90kg de agua (considerando densidad como 1L/kg).

Para ello se utiliza la siguiente ecuación:

)1060·(1·90·· TcmP P (Ecuación 2)

Siendo m el caudal másico que abastecer, 90L cada hora, siendo cP el coeficiente

del calor especifico del agua, 1kcal/kg·°C, y siendo T la variación de temperatura

entre el agua saliente y el agua entrante.

P = 4500kcal/h = 5.23KW

http://www.codigotecnico.org/cte/export/sites/default/web/galerias/archivos/DB_HE_abril_2009.pdf

Optimización energética en la edificación. Diseño y cálculo de un caso real

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Se puede entonces decir que una caldera de 10KW sería la más conveniente para

nuestro caso, pero teniendo en cuenta que el agua debe llegar hasta la segunda

planta sin perder sus propiedades caloríficas por el camino, se buscara un modelo

que tenga un poco más de potencia, entre 12-14KW.

El consumo de energía tanto de calefacción como de ACS, la obtenemos de los

datos simulados a través del software. Los datos que se han obtenido del software

han sido los siguientes:

- El indicador de consumo de energía primaria (gas natural) del edificio actual

para calefacción es un 125KWh/m2.

- El indicador de consumo de energía primaria (gas natural) del edificio

reformado para calefacción es un 67KWh/m2.

- El indicador de consumo de energía primaria (tanto gas natural como para

biomasa) del edificio para ACS es un 20KWh/m2.

El consumo de calefacción se calcula a partir de la siguiente ecuación:

SiD calefcalef ·.. (Ecuación 3)

Siendo icalef el indicador de consumo anual de energía primaria según la simulación,

125KWh/m2 o bien 67KWh/m2; siendo S la cantidad de metros cuadrados de

calefacción que hay que cubrir, 121.7m2.

DCALEF = 15177KWh edificio actual

DCALEF = 8135KWh edificio reformado

Se estima un consumo de calefacción distribuido mensualmente de la siguiente

forma:

Tabla 1: Distribución de los consumos de calefacción de la vivienda actual


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Tabla 2: Distribución de los consumos de calefacción de la vivienda reformada

Para el consumo de ACS, se calcula a partir de la siguiente expresión:

7,121·20· SiD ACSACS (Ecuación 4)

Siendo iACS el indicador de consumo anual de energía primaria según la simulación,

20KWh/m2; siendo S la cantidad de metros cuadrados de calefacción que hay que

cubrir, 121.7m2.

DACS = 2434KWh

Se estima un consumo de ACS distribuido mensualmente de la siguiente forma:

Tabla 3: Distribución de los consumos de ACS de la vivienda sin placa solar térmica

El consumo total seria:

ACScalefTOTAL DDD (Ecuación 5)

DTOTAL = DCALEF + DACS = 17611KWh edificio actual

DTOTAL = DCALEF + DACS = 10568KWh edifico reformado


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Se estima un consumo total distribuido mensualmente de la siguiente forma:

Tabla 4: Distribución de los consumos total de la vivienda actual

Tabla 5: Distribución de los consumos total de la vivienda reformada


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Se han tenido en que los rendimientos de las calderas de biomasa tienen valores

alrededor del 90-95% y las calderas de condensación 90-105%, el consumo

energético (CE) anual de la caldera seria el siguiente:

TOTALDCE (Ecuación 6)

CE = 18537KWh/año de gas natural

CE = 11743KWh/año de biomasa

Una vez se conoce el consumo energético, se procede a calcular la cantidad de

combustible necesario para conseguir esa cantidad de energía, a partir del PCI

(Poder Calorífico Inferior) del pellet, establecido en 4,900KWh/kg (según IDAE):

9.4

11764

PCI

CEQ (Ecuación 7)

Q = 2396kg de pellets/año

El volumen de combustible necesario en el caso de utilizar el pellet, se calcula a

partir de su densidad, 650kg/m3:

650

2396

QV (Ecuación 8)

V = 3,69m3/año

El depósito a dimensionar para la acumulación de pellets, se considerará un

tamaño de 1-1,5m3 para realizar 3-4 llenados anuales del mismo.


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El precio del pellet calidad A1, se ha encontrado a 256,00€/t (según IDAE en 1r

trimestre 2017), teniendo en cuenta un gasto anual de 2.4 toneladas, supondría

un gasto anual de 613,00€/año.

Este desembolso económico, a diferencia del gas natural, no conlleva sobrecostes

por impuestos ni por alquileres de contadores, y en comparación al gasto actual

en gas natural (1.123,00€/año) supondría un ahorro económico importante.

También se debe destacar una mejora de la reducción de la emisión de gases

contaminantes, CO2, al exterior con la quema de un combustible primario más

limpio, y consecuentemente mejorar la eficiencia energética de la vivienda.

Para calcular la reducción de emisión de gases contaminantes, utilizaremos los

datos obtenidos según la simulación energética:

- El indicador de cantidad de emisiones del edificio actual es un 31,7kg CO2/m2.

- El indicador de cantidad de emisiones del edificio reformado es un 2,24kg

CO2/m2.

Se calcula la las emisiones de CO2 de la vivienda actual a partir de la siguiente

ecuación:

7,121·7,31·2 SiCO actualgasnatural (Ecuación 9)

Siendo iactual el indicador de emisiones de CO2 según la simulación, 31.7kg CO2/m2;

siendo S la cantidad de metros cuadrados de calefacción que hay que cubrir,

121.7m2.

Kg CO2 = 3.86 t/año

En el caso de la vivienda reformada solo en ventanas y cerramientos:

7,121·24,2·2 SiCO reformadagasnatural (Ecuación 10)

Siendo ireformada el indicador de emisiones de CO2 según la simulación, 2.24kg

CO2/m2; siendo S la cantidad de metros cuadrados de calefacción que hay que

cubrir, 121.7m2.

Kg CO2 = 0.272 t/año


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Supondría una disminución del 93% de emisiones de CO2 un ahorro

suficientemente grande para para poder tener una calificación energética mejor.

Por eso se decide instalar la caldera de biomasa.

Para la elección de la caldera de biomasa para la nueva instalación de calefacción

y ACS de la vivienda reformada, se tienen en cuenta los siguientes requisitos:

1. Potencia: 12KW

2. Rendimiento mínimo: 90%

3. Capacidad depósito acumulador de pellets: 1-1,5m3.

La caldera de biomasa para pellets escogida ha sido el modelo Hargassner Classic

12 con una potencia hasta 12KW y un rendimiento hasta el 93%. El depósito de

acumulación de pellets seleccionado ha sido el modelo Hargassner Minisilo con una

capacidad de 1,2m3 de pellets.

Ilustración 1: Características técnicas de la caldera de biomasa escogida.


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En resumen, teniendo en cuenta los valores de consumo reales de la vivienda y

los valores de consumo después de los cerramientos reformados y las ventanas

cambiadas, la vivienda obtendría un ahorro anual distribuido como indica el grafico

a continuación:

Ilustración 2: Comparativa de gasto mensual de combustible primario entre vivienda actual y reformada


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A4.2.Energía aportada por placas solares

térmicas

Otro de los aspectos que se han citado anteriormente para la mejora energética

de la vivienda es la instalación de placas solares térmicas para cubrir parte de la

demanda de ACS de la vivienda. Para realizar el cálculo, se puede partir de la

demanda simulada por el software (20KWh/m2), y realizar una estimación de un

cálculo mensual según los días que tiene cada mes.

Para la demanda de ACS, se calcula a partir de la siguiente expresión:

7,121·20· SiD ACSACS (Ecuación 11)

Siendo iACS el indicador de consumo anual de energía primaria según la simulación,

20KWh/m2; siendo S la cantidad de metros cuadrados de calefacción que hay que

cubrir, 121.7m2.

DACS = 2434KWh

Una vez sabemos el consumo total de ACS de la vivienda, se procede a determinar

el consumo mes a mes que tendría:

Tabla 6: Demanda mensual de ACS en la vivienda de estudio


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Una vez se conocen las demandas energéticas de la vivienda, se establecen las

condiciones de captación de los colectores solares. Se debe conocer la radiación

solar incidente sobre superficie plana teniendo en cuenta la inclinación del panel

solar térmico.

La colocación de las placas solares térmicas será en un lateral de la vivienda

(delante de la fachada principal, la cual tiene orientación sureste y que

corresponde a una zona ajardinada), con la inclinación delos colectores hacia el

sur. Para ello se deben establecer los siguientes parámetros:

1- Ángulo de inclinación, β definido como el ángulo que forma la superficie de los

módulos con el plano horizontal. Su valor es 0 para módulos horizontales y 90º

para verticales;

2- Ángulo de acimut, α definido como el ángulo entre la proyección sobre el plano

horizontal de la normal a la superficie del módulo y el meridiano del lugar.

Valores típicos son 0º para módulos orientados al sur, -90º para módulos

orientados al este y +90º para módulos orientados al oeste.

Ilustración 3: Orientación e inclinación de los módulos establecido por DBHE HE4


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En nuestro caso, estudiaremos qué ángulo de inclinación (β) es el óptimo entre

estas 3 opciones: 30º, 45º y 60º. La orientación del ángulo de acimut (α) en la

que se sitúa la vivienda es de 41º. Para saber qué inclinación es la adecuada para

aprovechar al máximo la radiación solar nos basaremos en el siguiente esquema:

Ilustración 4: Porcentaje de energía respecto al máximo como consecuencia de las pérdidas por orientación e inclinación para una latitud de 41º.

En nuestro caso, para aprovechar al máximo la energía incidente en el panel solar

térmico y tener el menor porcentaje de pérdidas de energía posible, entre 5 y

10%, nos decantaríamos por un ángulo de inclinación de 30º respecto el plano

horizontal.

Por otro lado, se deben analizar las pérdidas de radiación solar que experimenta

una superficie debidas a sombras circundantes. Tales pérdidas se expresan como

porcentaje de la radiación solar global que incidiría sobre la mencionada superficie,

de no existir sombra alguna. El procedimiento consiste en la comparación del perfil

de obstáculos que afecta a la superficie de estudio con el diagrama de trayectorias

del sol. Cada una de las porciones de la ilustración 5 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.


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Así, el hecho de que un obstáculo cubra una de las porciones supone una cierta

pérdida de irradiación, en particular aquélla que resulte interceptada por el

obstáculo. La comparación del perfil de obstáculos con el diagrama de trayectorias

del sol permite calcular las pérdidas por sombreado de la irradiación solar global

que incide sobre la superficie, a lo largo de todo el año. Para ello se han de sumar

las contribuciones de aquellas porciones que resulten total o parcialmente ocultas

por el perfil de obstáculos representado. En el caso de ocultación parcial se utilizará

la fracción más próxima a los valores: 0.25, 0.50, 0.75 o 1.

Ilustración 5: Diagrama de trayectorias del Sol.

Debe escogerse para el cálculo la tabla de referencia más adecuada de entre las

que se incluyen en el anexo del HE4 (ver tabla 7).

Tabla 7: Tabla de referencia B.1 del factor sombra establecido por DBHE HE4


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El factor de pérdidas de energía causadas por factor sombra se determina

mediante la suma de todas las porciones de cada región de la carta solar por su

valor en la tabla B.1 del HE4, obteniendo el siguiente resultado:

Tabla 8: Porcentaje del factor sombra en la instalación de placas solares térmicas de ACS

El reglamento del DBHE HE4 establece unas pérdidas límites según la orientación

e inclinación del sistema generador y las posibles sombras sobre el mismo serán

tales que las pérdidas sean inferiores a los límites establecidos en la tabla 9.

Tabla 9: Pérdidas límite por orientación e inclinación de los colectores

En nuestro caso los valores de pérdidas por orientación e inclinación se encuentran

entre 5-10% y las pérdidas por sombra son del 6.5%. Por lo tanto, ambos valores

se encuentran por debajo de los límites establecidos por el DBHE.

Por otro lado, también debemos conocer la energía solar incidente sobre 1m2 de

superficie horizontal en un día media de cada mes, consultando la fuente

CENSOLAR, se obtienen los datos recogidos en la siguiente tabla.


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Tabla 10: Energía solar incidente sobre 1m2 de superficie horizontal en Cervelló

Se procede a calcular la energía mensual (ver tabla 11) que se captaría según la

energía incidente diaria y también según el factor de corrección relacionado con la

inclinación del colector solar (30º) y la latitud del emplazamiento (41º) recogido

en la siguiente tabla.

Para ello se utiliza la siguiente expresión:

NEQa · (Ecuación 12)

Siendo E la energía incidente por metro cuadrado en superficie horizontal, N el

número de días del mes.

Tabla 11: Energía solar incidente mensual sobre superficie horizontal en Cervelló

Una vez sabemos la energía incidente, debemos introducir los datos de eficiencia

del captador solar térmico seleccionado. El panel solar térmico seleccionado es el

modelo Saunier Duval Helioblock 200, que incorpora un depósito de 200L para

poder cubrir la demanda de ACS, con unas características detalladas a

continuación:


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Ilustración 6: Características técnicas del colector solar térmico

Para saber la energía absorbida por el captador, utilizamos la siguiente expresión:

NRFSE ca ·'·· (Ecuación 13)

Siendo SC la superficie útil de captación, F’ es un factor adimensional, que viene

dado por la ecuación 16, R es la radiación diaria media mensual incidente sobre la

superficie de captación por unidad de área, N el número de días del mes.

'··' rr FkFF (Ecuación 14)

Siendo Fr el factor de eficiencia óptica del captador, K factor de corrección para

superficies inclinadas obtenido en la tabla 10, Fr’ es un factor de corrección del

conjunto captador-intercambiador. Se recomienda tomar el valor de 0,95.

Los datos mensuales de la energía absorbida por el captador están recogidos en la

tabla 13.


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Tabla 12: Factor de corrección K para superficies inclinadas en latitud 41º

Tabla 13: Energía captada por el colector

Por otro lado, también hay que calcular la energía perdida por el captador, que

viene dada por la siguiente expresión:

2·1·)·100·(· kkttUSE ZLcp (Ecuación 15)


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Siendo SC la superficie útil de captación, UL es el coeficiente global de pérdidas del

captador, tZ es la temperatura ambiente del emplazamiento de la vivienda, t es el

tiempo en segundos de un mes, K1 es el factor de corrección por almacenamiento,

que se obtiene a partir de la ecuación 18:

25.025.0

04.2·75

190

·751

CS

ionkgacumulack (Ecuación 16)

K1 = 0.94729

K2 es el factor de corrección, para A.C.S., que relaciona la temperatura mínima de

A.C.S., la del agua de red y la media mensual ambiente, dado por la siguiente

expresión:

a

arac

t

tttk

100

·32.2·86.3·18.16.112 (Ecuación 17)

Siendo tac la temperatura mínima requerida del A.C.S, tr es la temperatura del

agua de red, ta es la temperatura media mensual del ambiente.

Tabla 14: Factor de corrección K2 mensual para ACS


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Tabla 15: Energía mensual perdida en el captador

Para el dimensionado de las instalaciones de energía solar térmica se sugiere el

método de las curvas f (F-Chart), que permite realizar el cálculo de la cobertura

de un sistema solar, es decir, de su contribución a la aportación de calor total

necesario para cubrir las cargas térmicas, y de su rendimiento medio en un largo

período de tiempo. La ecuación utilizada en este método puede apreciarse en la

siguiente fórmula:

1

2

2

2

121 D 0,0215 +D 0,0018 D 0,245 - D 0,065 - ·D 1,029 = f (Ecuación 18)

Siendo D1 la relación Ea/Qa, y D2 es relación entre Ep/Qa, se obtienen unos valores

de f:

Tabla 16: Valor f de la cobertura del sistema solar


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Por otro lado la energía útil captada cada mes, Qu, tiene el valor:

au QfQ · (Ecuación 19)

Tabla 17: Energía útil captada cada mes

- Según establece el DBHE en su sección HE4, la contribución solar mínima anual

correspondiente a nuestro caso de estudio corresponde a un 30% de la demanda

de ACS del edificio. Se entiende de como contribución solar mínima anual a la

fracción entre los valores anuales de la energía solar aportada exigida y la

demanda energética anual, obtenidos a partir de los valores mensuales.

Sabemos el valor exigido a partir de la tabla 2.1 del HE4 (ver tabla 18), según

la demanda de ACS diaria y la zona climática donde se ubica el edificio;

Tabla 18: Contribución solar mínima según la zona climática establecido por DBHE HE4

En nuestro caso, el % de demanda cubierto en algunos meses alcanzaría el 100%

por parte del colector solar térmico. La contribución solar mínima anual de ACS del

edificio se calcula mediante:

2434

1304%

12

1

12

1

a

u

anual

Q

Q

(Ecuación 20)

La contribución solar anual de ACS es del 54%.


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Ilustración 7: Comparativa de gasto mensual de combustible primario entre vivienda actual y

reformada


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A4.3.Análisis económico del combustible primario

Para concluir, una vez incluida en la instalación la placa solar para ACS, se deben

recalcular las cantidades de energía primaria proveniente de la biomasa para así

determinar su viabilidad.

Tabla 19: Comparativa económica en gasto de gas natural y biomasa

En el gráfico siguiente se puede observar:

- Independencia de la caldera de biomasa en los meses más calurosos;

- El factor más influyente en el ahorro es el cambio de las ventanas y la

modificación de los cerramientos de fachada, porque no aporta demasiado

ahorro una única placa solar térmica.


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Ilustración 8: Comparativa económica entre gas natural y biomasa con soporte de placa

solar térmica

El ahorro económico en gasto de combustible primario seria aproximadamente de

unos 585,00€ al año. Supone un gran ahorro económico, aunque hay que tener

en cuenta el gran desembolso total que debe realizarse para implementar esas

mejoras, sin olvidar que obtenemos una cantidad de emisiones de CO2 mucho

menor.

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