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TEMA 4

“INSTALACIONES SOLARES TÉRMICAS EN EDIFICIOS”


ÍNDICE [4A] 1. Introducción 2. Producción de Agua Caliente Sanitaria 3. Calefacción solar 4. Conexionado de colectores 5. Dimensionado: sistemas de ACS [4B] 6. Condicionantes legales 7. Mercado solar térmico [4C, 4D] 8. Integración arquitectónica


1. INTRODUCCIÓN – Sistemas de Baja y Media Temperatura DIAGRAMA DE BLOQUES Generador solar térmico

Acondicionamiento

Cargas

Generador auxiliar Acumulación Generador solar térmico:

Colectores solares (planos, de vacío, de aire), Estructura de soporte

Generador auxiliar:

Calentador de fuel, gas o eléctrico

Acondicionamiento:

Intercambiador, Bombas, Equipos de regulación y control

Acumulación:

Depósito (agua, lecho de grava, masa térmica)

Cargas:

Puntos de consumo de ACS (grifos, equipos), espacios

3


2. PRODUCCIÓN DE AGUA CALIENTE SANITARIA 2.1 SISTEMAS DE CIRCULACIÓN NATURAL A.C.S.

C D

T2

G F

Mínimo: 30-70 cm.

A B C D F G

Colectores solares Circuito primario Depósito de acumulación Calentador auxiliar Agua fría para ser calentada Parte calentada por los colectores solares

T1

Efecto “termosifón” : ↑T ⇒ ↓δ (densidad), ↓p (presión)

A

Δp = h × g × [ δ(T1)–δ(T2) ] ,, T2>T1 B

Flujo “auto-realimentado” Deseable: estratificación del depósito

VENTAJAS: Simple, Fiable, Bajo coste INCONVENIENTES: Necesidad controlar situaciones extremas (↓↓T; ↑↑G) Escasa flexibilidad (diseño, integración arquitectónica) Difícil estratificación del depósito

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2. Producción de A.C.S. Variantes, sistemas de circulación natural: A.C.S. C

A.C.S. D

C

D G

G F

Minimo: 30-70 cm.

Mínimo: 30-70 cm.

F

A

A

B

B

Circuitos separados A B C D F G

Depósito separado Colectores solares Circuito primario Depósito de acumulación Calentador auxiliar Agua fría para ser calentada Parte calentada por los colectores solares 5


EJEMPLO: Colector solar termosifónico “Chromagen”: Colector solar Con superficie de absorción selectiva altamente eficiente, caja de aluminio o acero galvanizado, vidrio solar templado. Area neta: 1.9 , 2.17 , 2.56 m2.

Termotanque solar Hecho de acero de 3 mm., recubrimiento interior de esmalte, cubierta exterior de poliéster, aislamiento de poliuretano Apoyo eléctrico auxiliar, con o sin intercambiador de calor de "doble camisa“. Capacidad de 150 a 300 litros.

Kit de conexion Incluye accesorios, válvulas y tuberías con protección U.V.

Soporte En hierro galvanizado recubierto de poliéster. La configuración de "perfil bajo" se adapta tanto para techos inclinados como planos.

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2. Producción de A.C.S.

2.2 SISTEMAS DE CIRCULACIÓN FORZADA Aplicación: lugares con variaciones de radiación, instalaciones medianas - grandes

T1

T2

AV T E EV FV M P LV RV

Purgador Sensor de temperatura Vaso de expansión Válvula de sobrepresión Válvulas de llenado/vaciado Manómetro Bomba Válvula de cierre Válvula antirretorno

T1 > T2 ⇒ Bomba P “on” T1 < T2 ⇒ Bomba P “off”

Sistema con intercambiador en circuito primario, interno al depósito 7


2. Producción de A.C.S. K

A.C.S.

C

T1

M G

L2

D

A

T1 > Tmin ⇒ Bomba L1 “on” L1 B

A B C D E

T2

T1 > T2 ⇒ Bomba L2 “on”

F E

Colectores solares Circuito primario Depósito de acumulación solar Calentador auxiliar Circuito secundario

T1 < T2 ⇒ Bomba L2 “off”

F Agua fría para ser calentada G Intercambiador de calor R Controlador L1, L2 Bombas de circulación (del Cto. Primario e Intercambiador) M Parte calentada por calentador auxiliar

Sistema con intercambiador en circuito primario, externo al depósito

8


2. Producci贸n de A.C.S.

Sistema con intercambiador en circuito primario, externo al dep贸sito

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2. Producción de A.C.S.

2.3 DEPÓSITO ACUMULADOR SOLAR

Ub, Ut : Pérdidas

MATERIALES: Tanque de acero: Con revestimiento interior esmaltado(hasta 1000 l. típicamente) Con revestimiento interior galvanizado/resinas epoxy (para grandes volúmenes) Acero inoxidable (80-1000 l., máxima calidad) Aislamiento térmico : conductividad térmica de referencia de 0,04 W/mK, A 20 ºC) Conexiones (juntas, tuberías, sensores)

IMPORTANTE: Buen aislamiento Capacidad de estratificación Evitar fenómenos de corrosión

↔ Materiales, Relación de aspecto (Altura > 1,5·Anchura) 10


2. Producción de A.C.S. Elección del volumen de acumulación (recomendación IDAE): 0 ,8 ≤

V acum_solar (l ) V consumo_di a (l )

≤ 1, 2

Tomas típicas: Conexionado de depósitos: ¾ En serie invertida

¾ En paralelo: sólo si circuitos primario y secundario equilibrados

11


2. Producci贸n de A.C.S. Variantes, dep贸sitos de acumulaci贸n:

con 2 intercambiadores

Inyecci贸n directa de ACS en la parte superior 12


2. Producción de A.C.S.

EJEMPLO: Depósitos “Conus 501” / “Cubus 1000” Capacidad: 490 / 950 litros Peso en vacío: 68 / 106 kg

Dimensiones: Altura: 187 cm (+ 8 para montaje) / 210 cm (+3 para montaje) Anchura: 94 / 106 cm

Aislamiento: Superior: 15 / 15 cm Lateral: 7-13 / 10 cm Inferior: 7 / 8 cm

Temperatura máxima de acumulación: 90 ºC

Area típica de colectores asociada: 5 – 10 / 8 – 16 m2 (viviendas unifamiliares y adosados)

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2. Producción de A.C.S. ACUMULACIÓN CENTRALIZADA VS. INDIVIDUAL (Múltiples usuarios) * Centralizada Ventajas: Más económico; Mayor eficiencia Inconvenientes: Necesidad de contadores ACS individuales; Acumulador más pesado

* Individual

Ventajas: No precisa contadores individuales; Acumuladores más pequeños Inconvenientes: Necesidad de integrar numerosos acumuladores; Mayor coste en depósitos y sistema de circulación 14


2. Producción de A.C.S.

2.4 SISTEMA DE ENERGÍA AUXILIAR * Sistema centralizado Potencia suficiente para cubrir la totalidad del consumo de la instalación Acumulador asociado al sistema auxiliar: de acero con tratamiento interior Conectado en serie con el Acumulador solar (recomendación: línea de intercambio de calor entre ambos)

* Sistema individual Potencia suficiente para cubrir la totalidad del consumo de la vivienda Calentador preparado para aplicaciones solares (prioridad aprovechamiento solar, regulación de potencia)


2. Producción de A.C.S.

TIPOS DE SISTEMAS DE ENERGÍA AUXILIAR * Centralizado con acumulación

Ventajas: Disponibilidad ACS inmediata; Regulación de caudales individuales independiente Inconvenientes: Necesidad espacio centralizado; Necesidad contadores individuales de ACS

* Individual con acumulación Ventajas: No precisa contadores ACS individuales; Disponibilidad ACS inmediata; Regulación de caudales individuales independiente Inconvenientes: Necesidad de integrar numerosos acumuladores; Caudal continuo limitado 16


2. Producción de A.C.S. * Individual en línea, sin acumulación TIPOS DE CALENTADORES: No modulante (instantáneo) Æ no permite aprovechar agua precalentada solar. Se conecta en paralelo con el cto. secundario de la instalación. Semimodulante Æ regulación manual de la entrada de gas (aprovecha agua precalentada solar). Se conecta en serie con el cto. secundario. Modulante Æ regulación automática de entrada de gas (aprovecha agua precalentada solar). Se conecta en serie con el cto. secundario.

Ventajas: Caudal continuo ilimitado; Menor necesidad de espacio; No precisa contadores ACS individuales

Inconvenientes: Regulación de temperatura (no modulantes y semimodulantes); Inercia en el arranque

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2. Producción de A.C.S.

2.5 CIRCUITO HIDRÁULICO Flujos típicos: ƒ Sistemas pequeños: 10 – 15 kg/m2.h ƒ Sistemas grandes: 30 – 60 kg/m2.h

Especificaciones generales: ƒ Tramos cortos y rectilíneos en la medida de lo posible ƒ Circuitos hidráulicamente equilibrados (válvulas) ƒ Tramos horizontales: pendiente mínima del 1% (sentido circulación) ƒ Sección de tuberías tal que la velocidad del fluido es <1,6–2 m/s (flujo laminar, ausencia de ruidos) ƒ Pérdidas de presión: aumentan con 1/v2 (v=velocidad del fluido) y determinan la potencia eléctrica de las bombas de impulsión. Influencia del trazado de la red de tuberías (codos, bifurcaciones,…) 18


2. Producción de A.C.S. Materiales: ƒ Circuito primario: cobre o acero inoxidable+ protección exterior anticorrosiva (temperatura máxima de funcionamiento: 120 ºC) ƒ Circuitos secundarios o de distribución de ACS: cobre, acero inoxidable o materiales plásticos (e.g. polipropileno, polibutileno) (temperatura máxima de funcionamiento: 110 ºC) ƒ Evitar trabajar con distintos materiales en un mismo circuito (o incorporar protecciones frente a pares galvánicos en caso contrario)

Aislamiento, protección y soporte: ƒ Pérdidas globales de red de tuberías < 4% potencia transportada ƒ Conductividad térmica de referencia: 0,04 W/mK a 20 ºC ƒ Espesor de aislamiento variable según el diámetro de la tubería (mayor si recorrido exterior) ƒ Soportes y anclajes adecuados de tuberías para evitar tensiones excesivas (pandeos) 19


2. Producción de A.C.S.

2.6 FLUIDOS CALOPORTADORES DEL SISTEMA Circuito primario: ƒ Agua de red, agua desmineralizada o agua con aditivos (tratamiento o no en función del pH, salinidad y contenido de CO2) ƒ Agua con aditivos (propilenglicol): % de aditivo en función de la temperatura extrema local (mínima histórica – 5ºC)

Circuito secundario/de consumo: ƒ Sin aditivos ni productos químicos ƒ Evitar riesgo de entrada de agua del circuito primario (válvulas antirretorno, presión 2ario > 1ario)

Sevilla

Madrid

20


2. Producción de A.C.S.

2.7 PARÁMETROS CARACTERÍSTICOS. FRACCIÓN SOLAR „

Rendimiento instantáneo del colector (ηc): ηc

T −T ⎤ T −T ⎡ ηC = FR ⋅ ⎢ τ ⋅ α − U L ⋅ ⎛⎜ i a ⎞⎟⎥ = η0 − a ⋅ i a G ⎝ G ⎠⎦ ⎣

1 SS-1P 0,5

0

ηC=f(colector)

SS-Vacío SN-0P

SN-1P 0,05

SN-2P 0,1

Ti –Ta G

„

ó

Tm–Ta

(ºC.m2/W)

G

Rendimiento global del sistema (ηS):

ηS =

Eutil Eincidente

ηS=f(componentes, emplazamiento, consumo)

Zona

Gda (kWh/m2.dia)

ηS (%)

A B C

2,4 – 3,4 3,4 – 4,4 4,4 – 5,4

34 – 36 32 – 34 31 – 33

21


2. Producción de A.C.S. „

Fracción Solar:

FS (%) = 100 ×

Eutil L

, , L = Consumo

Periodo de referencia típico: 1 mes, 1 año Valores típicos anuales en Europa: FS hasta 90% (<100% !) (Sur) FS = 30 – 60% (Centro, Norte)

Instalación doméstica típica (ACS): Centro

Sur

4–6

3–5

2–4

200 – 300

200 – 300

100 – 200

[l acumulador/m2 colector] [∼ 50 l/m2]

[∼ 60 l/m2]

[∼ 50 l/m2]

400 – 550

500 – 650

Localización

Europa: Norte

Area de colector (m2) Capacidad del depósito (l)

Eutil,año (kWh/m2.año)

300 – 450

Termosifón: <80 l/m2

Polideportivos (ACS): Eutil,año (kWh/m2.año)= 500 – 700 22


2. Producción de A.C.S. 2.8 EJEMPLOS „

Sistema con acumulación solar y calentadores de apoyo individuales con acumulación ¾ No requiere de contadores de agua individuales (cada vivienda aporta agua a su sistema de ACS)

„

Sistema con acumulación solar centralizada y calentadores de apoyo individuales ¾ No requiere de contadores de agua individuales (cada vivienda aporta agua a su sistema de ACS)

„

Sistema con acumulación solar y calentador de apoyo centralizado ¾ Requiere la instalación de contadores de energía exclusivos a la entrada de cada vivienda (producción de ACS centralizada requiere repartir gastos de agua y gas) 23


Acumulación solar y calentadores de apoyo individuales con acumulación

[Fuente: Gas Natural, Guía Técnica de Instalaciones Solares Térmicas, 2007]

24


25 [Fuente: Gas Natural, Guía Técnica de Instalaciones Solares Térmicas, 2007]


>

26 [Fuente: Gas Natural, Guía Técnica de Instalaciones Solares Térmicas, 2007]


Acumulación solar centralizada y calentadores de apoyo individuales

[Fuente: Gas Natural, Guía Técnica de Instalaciones Solares Térmicas, 2007]

27


28 [Fuente: Gas Natural, Guía Técnica de Instalaciones Solares Térmicas, 2007]


>

[Fuente: Gas Natural, Guía Técnica de Instalaciones Solares Térmicas, 2007]

29


Acumulación solar y caldera centralizada

[Fuente: Gas Natural, Guía Técnica de Instalaciones Solares Térmicas, 2007]

30


31 [Fuente: Gas Natural, Guía Técnica de Instalaciones Solares Térmicas, 2007]


>

[Fuente: Gas Natural, Guía Técnica de Instalaciones Solares Térmicas, 2007]

32


2. Producción de A.C.S. 2.9 CERTIFICACIÓN Y HOMOLOGACIÓN „

Colectores solares térmicos de calentamiento de líquidos: ¾ UNE-EN 12975-1:2006. Sistemas solares térmicos y componentes. Captadores solares. Parte 1: Requisitos generales ¾ UNE-EN 12975-2:2006. Sistemas solares térmicos y componentes. Captadores solares. Parte 2: Métodos de ensayo

„

Sistemas prefabricados: ¾ UNE-EN 12976-1:2006. Sistemas solares térmicos y sus componentes. Sistemas prefabricados. Parte 1: Requisitos generales ¾ UNE-EN 12976-2:2006. Sistemas solares térmicos y componentes. Sistemas prefabricados. Parte 2: Métodos de ensayo

„

Cumplimiento integral obligatorio de estas normas desde febrero de 2008

33


3. CALEFACCIÓN SOLAR 3.1 GENERALIDADES „

HISTORIA

1930–50: 1938–58: Años 50:

Estudios sobre soleamiento en edificios 4 Casas experimentales (Instituto Tecnológico de Massachusetts, MIT) Edificios experimentales: Laboratorio E. Solar (Universidad Arizona, ‘55), Oficinas (Nuevo Mexico, ‘56), Concurso “Vivienda con calefacción solar” (‘57), Laboratorio E. Solar (New Jersey, ‘59: integración arquitectónica)

Congresos y reuniones:

„

Phoenix ’55, Roma ’61 (”Nuevas fuentes de Energía”)

CALEFACCIÓN CON ENERGÍA SOLAR ACTIVA

Î Principio:

Circulación de fluido calo-portador por conductos

Î Elementos: Colectores, depósito acumulación, unidad de impulsión, red de distribución, unidad de control, calentador auxiliar convencional Î Sistemas:

De agua (como ACS por circulación forzada) De aire (acumulación en lecho de grava; mayores volúmenes y E. auxiliar; modos de funcionamiento excluyentes: acumulación o calefacción)

34


3. Calefacción solar

3.2 (PRE)CALENTAMIENTO DE ESPACIO

D A B

C F 50ºC 40ºC

E

30ºC 20ºC

C

„

A B C D E F G

Colectores solares Regulador y bomba de circulación Intercambiador de calor Depósito de acumulación Calentador auxiliar Agua fría para ser calentada Radiadores

G Ejemplo: Agua del intercambiador a 30ºC

Instalaciones de pequeño-mediano tamaño, de apoyo a calefacción convencional en viviendas o bloques de viviendas

„

Generalmente sistemas de agua ⇒ suelen combinar con ACS

„

Fracción Solar típica: FS = 10–20%

„

Importante: aislamiento de edificios (↑aislamiento, ↑FS)

35


3. Calefacción solar Sistema con depósito integrado ACS + Calefacción: Agua caliente salida de Colectores Suministro ACS

Entrada agua fría

Agua fría entrada a Colectores

Calentador auxiliar

Selección variable del nivel de entrada de agua caliente al depósito, procedente de los colectores

36


3. Calefacción solar Sistema combinado ACS + Calefacción, con caldera en acumulador solar:

Consumo: ACS Intercambiador exterior (suministro ACS) Acumulador

Válvula mezcladora Consumo: Calefacción

Sist. Auxiliar

(radiadores)

Entrada de colectores (estratific. interna)

Bombas Circuito Secundario (radiadores) Consumo: Calefacción

Colectores

(suelo radiante)

Bomba Circuito Primario

Entrada de retorno calefacción (función de la Tª)

Salida a Calefacción

Bomba Circuito Secundario (ACS)

37


3. Calefacci贸n solar [Sistema combinado ACS + Calefacci贸n, con caldera en acumulador solar]

Carga solar del acumulador

Carga auxiliar del acumulador 38


3. Calefacción solar [Sistema combinado ACS + Calefacción, con caldera en acumulador solar]

Suministro de ACS Suministro de calefacción ¾ ¾ ¾ ¾

Perfil de consumo de ACS casi constante a lo largo del año Perfil de consumo de calefacción fuertemente estacional Superficie de colectores < 12 m2 Volúmenes de acumulación < 1500 litros

39


3. Calefacción solar

3.3 CALEFACCIÓN DE DISTRITO „

Instalaciones de gran tamaño (1000 – 8000 m2 de colectores), de apoyo a sistemas de calefacción centralizada en barrios residenciales (precalentamiento de agua)

„

Aplicaciones: centro y norte de Europa (Suecia, Dinamarca, Alemania, Austria)

„

Acumulación: ¾ A corto plazo (“diaria”): Capacidad ∼ 50 l/m2 de colector; FS=10–20% ¾ A largo plazo (“estacional”): Capacidad ∼ 2.000 l/m2 de colector;

FS=50–80%

(Sobreproducción en verano: se almacena para uso en invierno)

40


3. Calefacci贸n solar Almacenamiento diario Suministro a 20-30 viviendas:

41


3. Calefacci贸n solar Almacenamiento diario Suministro a >30 viviendas:

[Fuente: Ursula Eicker, Solar Technologies for Buildings, 2003]

42


3. Calefacci贸n solar Almacenamiento estacional

[Fuente: Ursula Eicker, Solar Technologies for Buildings, 2003]

43


3. Calefacción solar

3.4 SISTEMAS BASADOS EN COLECTORES DE AIRE „ „ „ „

Sistemas de diseño sencillo (sin problemas de congelación o sobrecalentamiento) Colectores de fácil integración arquitectónica como revestimiento Acumulación: en depósitos de grava o la masa térmica del edificio Aplicaciones: ¾ Precalentamiento de aire fresco (60 m3/m2.h) ¾ Calentamiento directo de aire (20-40 m3/m2.h) ¾ Calentamiento indirecto con hipocausto (inyección de aire en muros o techo)

absorbedor

muro

cubierta

muro abs orbe dor

44


4. CONEXIONADO DE COLECTORES 4.1 CAUDAL DE TRABAJO DEL GENERADOR FLUJO ALTO vs. FLUJO BAJO Salto de temperatura en un colector solar, en función del caudal (mezcla agua-glicol, Tentrada=15ºC; G=1000 W/m2; ηC=0,7): Régimen de flujo Alto Medio Bajo „

Flujo / Sc (kg/h.m2) 50 25 12,5

Tsalida- Tentrada (ºC) 13 26 52

Tsalida (ºC) 28 41 67

Sistemas solares con flujo alto: Mayor rendimiento de colectores ηC, pero menor salto térmico

(riesgo rotura estratificación del depósito ⇒ aumento de Tentrada ⇒ contrarresta la mejora) „

Sistemas solares con flujo bajo y depósitos estratificados: Suministran ACS desde bajos niveles de radiación ⇒ mayor cobertura solar, menores diámetros de tuberías y potencia de bombas 45


„

Sistemas grandes: Posibilidad de trabajar a caudal variable (ajuste de Tsalida,colector a Tentrada,acumulador)

„

Caudal global del generador: ¾ Parámetro libre de diseño ¾ Caudal de trabajo de 1 colector: limitado por sus características constructivas Cada fabricante especifica un caudal recomendado (diseño optimizado)

Ajuste del caudal global en un generador solar térmico:

Flujocolector FlujoGenerador = NS ⋅ Scolector SGenerador NS :Nº colectores en serie Flujos (kg/h) ; Superficies (m2) 46


4.2 CONEXIÓN EN SERIE Definido por el salto de temperatura máximo que se desea obtener El sistema funciona como un colector intermedio (ηC intermedio)

Límite máximo: 4 típicamente

(ver recomendación del fabricante)

4.3 CONEXIÓN EN PARALELO El sistema funciona como si se tratase de un único colector (mismo ηC), con volumen de ACS mayor:

Límite máximo: 4 - 7 típicamente

(ver recomendación del fabricante)

47


Conexión en paralelo con tubo de distribución interno:

Importancia de mantener la distribución de flujo homogénea:

Flujo de retorno invertido

Circuito con válvulas de compensación del caudal

48


5. DIMENSIONADO: SISTEMAS DE ACS 5.1 PROCEDIMIENTOS DE DIMENSIONADO „

Detallados: simulación horaria ¾ Modelado de componentes del sistema (radiación, colector, acumulador, consumo) Ejemplos: TRNSYS (Universidad Winsconsin-Madison), TRANSOL (Aiguasol) ¾ Balances energéticos horarios (generación–almacenamiento–consumo) ¾ Resultados: tamaños de componentes; valores mensuales de Energía captada, pérdidas del sistema y energía auxiliar consumida ⇒ Fracción Solar ¾ Requiere el uso de ordenador

„

Generalizados ¾ Cálculos anuales: INTASOL-D (curvas de fracción solar), “Indice Solar” (Censolar) ¾ Cálculos mensuales: “f-chart”(Klein, Duffie & Beckman) ¾ Comparación generación–demanda ¾ Resultados: tamaños de componentes, Fracción Solar (mensual, anual) ¾ Base teórico-empírica (simulaciones). Ofrecen tablas y ecuaciones

49


5. Dimensionado: Sistemas de ACS

5.2 MÉTODO PROPUESTO „

„

Método sencillo de dimensionado de los principales elementos (generador y acumulador solar): “F-Chart” Validez bajo ciertas hipótesis de diseño:

¾ Acumulación solar centralizada ¾ Ubicación colectores: α=0±10º, β=(Latitud+15º)±15º

„

Datos de partida:

¾ Consumo de agua por persona y día ¾ Temperatura de utilización final de agua (30–70 ºC) ¾ Emplazamiento: ubicación de colectores, irradiación media mensual, temperatura ambiente, temperatura del agua de suministro ¾ Características de los colectores

„ „ „ „

Cálculo de la carga térmica Cálculo de la energía solar disponible (promedios diarios mensuales) Cálculo de las fracciones solares y rendimientos globales del sistema Elección del acumulador solar

50


DATOS DE PARTIDA „

Consumos ACS: tabla CTE-HE4

„

Datos geográficos: Tema4_apéndice

¾ Irradiación media mensual, Temperatura ambiente, Temperatura del agua de suministro

51


Cálculo de la carga térmica mensual:

Lm (kcal) = VACS,d ⋅ Cp ⋅ ρ ⋅ (TACS − Ta,red ) ⋅ N d,m VACS,d (l): Consumo diario de Agua Caliente Sanitaria

Cp : Calor específico del agua (=1 kcal/kg.ºC)

ρ : Densidad del agua (=1 kg/l) Nd,m : Nº de días del mes

Lm ( Wh) = Lm (kcal) ×1,163 Wh/kcal

[Código Técnico de la Edificación, HE4]

52


Cálculo de la carga energía solar disponible (del tema 3, Radiación solar): „

Datos de partida: promedios horarios sobre superficie horizontal, 12 x Gdm(0)

„

Elección de orientación e inclinación de colectores (α, β)

„

„

„

Cálculo de las componentes de la irradiación horizontal, a partir del índice de claridad y la fracción de difusa: Gdm(0) = Bdm(0) + Ddm(0) Descomposición de los valores diarios en sus componentes horarias, a partir de los factores rd y rg : ; r g = G hm (0) / G dm (0) r d = D hm (0) / D dm (0) Cálculo de las componentes horarias sobre superficie inclinada (hipótesis: irradiancias solares constantes en cada hora)

G (α,β) = Ghm(α,β)

G ( β ,α ) = B ( β ,α ) + D ( β ,α ) + R ( β ,α )

directa

difusa

reflejada

Gdm ( β ,α ) = Bdm ( β ,α ) + Ddm ( β ,α ) + Rdm ( β ,α ) Bdm ( β ,α ) =

7 ,5

∑B

hm

h = −7 , 5

( β ,α ) ; Ddm ( β ,α ) =

7 ,5

∑D

hm

h = −7 , 5

( β ,α ) ; Rdm ( β ,α ) =

7 ,5

∑R

hm

h = −7 , 5

( β ,α ) ;

53


Cálculo de la fracción solar mensual: fm =

Eutil, mensual Lmensual

= 1,029 ⋅ Y − 0,065 ⋅ X − 0,245 ⋅ Y 2 + 0,0018 ⋅ X 2 + 0,0215 ⋅ Y 3

donde: ' Energía solar incidente útil S C ⋅ ( FR ⋅τα ) ⋅ Gdm (α , β ) ⋅ N d,m Y= = Carga térmica Lm

[0 < Y < 3]

SC (m2): Área del campo de colectores Gdm (α,β) (kWh/m2): Irradiancia diaria incidente (promedio mensual)

Nd,m : Nº de días del mes Lm (kWh): Carga térmica mensual ( FR' ⋅ τα) = η0 ⋅ MAI ⋅ FCcolector-intercambiador ≈ η0 ⋅ MAI ⋅ 0,95

Eficiencia óptica del colector (dato de catálogo)

Modificador del Ángulo de Incidencia del colector (cubierta sencilla: 0,96; cubierta doble: 0,94) (ver información de catálogo)

54


' Pérdidas en colectores S C ⋅ ( FR ⋅U L ) ⋅ (100 − Tamb,dm ) ⋅ N h,m X= = Carga térmica Lm

[0 < X < 18]

( FR' ⋅ U L ) = FR ⋅ U L ⋅ FCcolector-intercambiador ≈ FR ⋅ U L ⋅ 0,95

Coeficiente global de pérdidas del colector (datos de catálogo) Tamb,dm (ºC): Temperatura ambiente media diurna (promedio mensual)

Nh,m : Nº de horas del mes Lm (Wh): Carga térmica mensual

Correcciones al parámetro X: „

Por la elección del volumen del acumulador:

„

⎡V / SC ⎤ FCacum = ⎢ acumulador solar ⎥ 2 75 l/m ⎣ ⎦ Instalación sólo para ACS: FCACS =

( −0, 25)

[37,5 l/m 2 <

Vacum solar < 300 l/m 2 ] SC

11,6 + 1,18 ⋅ TACS + 3,86 ⋅ Ta, red − 2,32 ⋅ Tamb,dm 100 - Tamb,dm

TACS (ºC): Temperatura de suministro del ACS Ta,red (ºC): Temperatura del agua procedente de la red de suministro „

Sustituir X por XC = (X · FCacum · FCACS) en la ecuación de fm

55


Cálculo del rendimiento global del sistema mensual:

ηS,m =

Eutil,mensual Eincidente,mensual

Lm ⋅ f m Lm ⋅ f m = = Gm (α , β ) ⋅ S C N d,m ⋅ Gdm (α , β ) ⋅ S C

Cálculo de la fracción solar y rendimiento global del sistema anual: „

Fracción solar:

12

fa =

Eutil,anual Lanual

∑L

m

=

⋅ fm

m =1 12

∑L

m

m =1

„

Rendimiento global del sistema: 12

ηS,a =

Eutil,anual Eincidente,anual

∑L

m

=

⋅ fm

m =1

Ga (α , β ) ⋅ S C 56


5. Dimensionado: Sistemas de ACS

5.3 EJEMPLO „

„

Bloque de 50 viviendas en Sevilla (φ=37,4º); 3 personas / vivienda Suministro de Agua Caliente Sanitaria a 60ºC Datos de partida: ¾ ¾ ¾ ¾

Hipótesis de consumo (IDAE): 22 litros/persona.día (constante todo el año) Temperatura de utilización final: Tf=60ºC Orientación de colectores: Sur (α=0); Inclinación: β=50º Radiación media diaria sobre superficie horizontal) (CENSOLAR):

Mes

Gdm(0)(MJ/m2)

Mes

Gdm(0)

1 2 3

7,3 10,9 14,4

4 5 6

19,2 22,4 24,3

Mes

Gdm(0)(Wh/m2)

Mes

Gdm(0)

1 2 3

2028 3028 4000

4 5 6

5333 6222 6750

Mes Gdm(0) 7 8 9

24,9 23 17,9

Mes Gdm(0) 7 8 9

6917 6389 4972

Mes

Gdm(0)

10 11 12

12,3 8,8 6,9

Mes

Gdm(0)

10 11 12

3417 2444 1917 57


¾ Temperatura de suministro del agua de la red (CENSOLAR): Mes Ta,red(ºC) 1 2 3

8 9 11

Mes

Ta,red

Mes

Ta,red

Mes

Ta,red

4 5 6

13 14 15

7 8 9

16 15 14

10 11 12

13 11 8

¾ Temperatura ambiente media diurna (CENSOLAR): Mes Tamb,dm(ºC) Mes 1 2 3

11 13 14

4 5 6

Tamb,dm

Mes

Tamb,dm

17 21 25

7 8 9

29 29 24

Mes Tamb,dm 10 11 12

20 16 12

¾ Colectores solares a emplear: Colector: EURO - C20-AR 0,854 Eficiencia óptica: Coef. Global pérdidas (W/m2.ºC): 3,37 Superficie útil (m2): 2,39

T −T T −T ⇒ η = η0 − a ⋅ i a = 0,854 − 3,37 × i a G G

58


5. Dimensionado: Sistemas de ACS

„

Cálculo de la carga térmica: Número de viviendas: Consumo agua diario (l/persona): Número de habitantes por vivienda: Número de habitantes totales: Temperatura ACS (ºC): Consumo diario máximo total (l/dia):

MES

DIAS

50 22 3 150 60 3300

Ta,red

Lm

Lm

(ºC)

(kcal x 1000)

(kWh)

E

31

8

5.320

6.187

F

28

9

4.712

5.481

M

31

11

5.013

5.830

A

30

13

4.653

5.411

M

31

14

4.706

5.473

J

30

15

4.455

5.181

J

31

16

4.501

5.235

A

31

15

4.604

5.354

S

30

14

4.554

5.296

O

31

13

4.808

5.592

N

30

11

4.851

5.642

D

31

8

5.320

6.187

Año

365

57.496

66.868

60


5. Dimensionado: Sistemas de ACS

„

Cálculo de la energía solar disponible:

MES

Dia

Gdm(0) (Wh/m2)

Ene Feb Mar Abr May Jun Jul Ago Sep Oct Nov Dic

17 46 75 105 135 161 198 228 258 289 319 345

2.028 3.028 4.000 5.333 6.222 6.750 6.917 6.389 4.972 3.417 2.444 1.917

Gda(0) (Wh/m2): Ga(0) (kWh/m2):

4.458 1.627

LATITUD (º) = 37,4 BETA (º)= 50 ALFA (º) = 0 Rho = 0,2

Bodm(0) Ddm(0) Bdm(0) Bdm(A,B) Ddm(A,B) Rdm(A,B) Gdm(A,B) (Wh/m2) (Wh/m2) (Wh/m2) (Wh/m2) (Wh/m2) (Wh/m2) (Wh/m2)

4.669 6.053 7.945 9.804 11.075 11.570 11.306 10.276 8.602 6.576 4.959 4.256

1.033 1.316 1.724 2.055 2.272 2.300 2.135 1.900 1.725 1.411 1.083 941

995 1.712 2.276 3.278 3.950 4.450 4.782 4.489 3.247 2.006 1.361 976

2.099 2.867 2.923 3.190 3.082 3.126 3.509 3.966 3.740 3.068 2.727 2.231

1.137 1.403 1.654 1.792 1.838 1.784 1.677 1.617 1.641 1.462 1.248 1.092

72 107 142 189 222 241 247 227 176 120 87 68

Promedio diario anual: Gda(A,B) (Wh/m2): Valor anual: Ga(A,B) (kWh/m2):

3.308 4.378 4.719 5.171 5.143 5.151 5.433 5.810 5.557 4.651 4.062 3.392 4.731 1.727 61


5. Dimensionado: Sistemas de ACS

„

MES E F M A M J J A S O N D Año

Cálculo de la fracción solar mensual y anual: Nd,m 31 28 31 30 31 30 31 31 30 31 30 31

Nh,m (h) 744 672 744 720 744 720 744 744 720 744 720 744

Tamb,dm

100-Tamb,dm

(ºC) 11 13 14 17 21 25 29 29 24 20 16 12

(ºC) 89 87 86 83 79 75 71 71 76 80 84 88

Lm (kWh) 5.259 4.658 4.955 4.600 4.652 4.404 4.450 4.551 4.502 4.753 4.795 5.259 56.838

X ( FR ⋅ U L ) ⋅ (100 − Tamb,dm ) ⋅ N h,m = SC Lm

X/Sc (1/m2) 0,0403 0,0402 0,0413 0,0416 0,0405 0,0393 0,0380 0,0372 0,0389 0,0401 0,0404 0,0399

Gdm (kWh/m2) 3,308 4,378 4,719 5,171 5,143 5,151 5,433 5,810 5,557 4,651 4,062 3,392 1.727

Y/Sc (1/m2) 0,0152 0,0205 0,0230 0,0263 0,0267 0,0273 0,0295 0,0308 0,0288 0,0236 0,0198 0,0156

'

( FR' ⋅τα ) ⋅ Gdm (α , β ) ⋅ N d,m Y = SC Lm 62


ƒ Diseño del Generador solar:

Nº colectores: 20 (SC = 20*2,39=47,8 m2) V acumulador solar / SC = 50 l/m2 [>37,5;<300]

MES

X E F M A M J J A S O N D Año

1,64 1,63 1,68 1,69 1,64 1,59 1,54 1,51 1,58 1,63 1,64 1,62

FC_acum FC_acs 1,1067 1,1067 1,1067 1,1067 1,1067 1,1067 1,1067 1,1067 1,1067 1,1067 1,1067 1,1067

0,9861 0,9998 1,0742 1,1222 1,1104 1,0973 1,0828 1,0285 1,0626 1,0773 1,0445 0,9709

Xc

Y

1,09 1,11 1,19 1,24 1,23 1,21 1,20 1,14 1,18 1,19 1,16 1,07

1,79 1,81 2,00 2,10 2,02 1,94 1,85 1,72 1,86 1,94 1,90 1,74

0,62 0,83 0,92 1,07 1,08 1,11 1,20 1,25 1,17 0,96 0,80 0,63

fm 0,436 0,588 0,632 0,717 0,731 0,751 0,804 0,840 0,789 0,662 0,563 0,451 0,657

Rto_global

(%) 55,1% 55,0% 53,6% 52,3% 52,5% 52,7% 52,3% 52,3% 52,5% 53,7% 54,6% 55,5% 53,3%

Fracción solar anual

X = SC ⋅ ( X / SC ) ⎡ Vacumulador solar / SC ⎤ FCacum = ⎢ ⎥ 2 ⎢⎣ ⎥⎦ 75 l/m

Xc/X

Eutil (kWh) 2.699 3.222 3.686 3.879 4.002 3.890 4.208 4.499 4.180 3.699 3.178 2.789 43.931

= FCacum ⋅ FCACS ( −0,25)

FCACS =

11,6 + 1,18 ⋅ TACS + 3,86 ⋅ Ta, red − 2,32 ⋅ Tamb,dm 100 - Tamb,dm

63


ƒ Elección del acumulador: Nº colectores: 20 ⇒ SC = 20*2,39=47,8 m2 Vacum solar / SC = 50 l/m2 ⇒ Vacum solar = 50 l/m2 * 47,8 m2 = 2390 l ¾ Recomendación IDAE: 0 ,8 ≤

Vacum_solar ( l ) Vconsumo_di a (l )

≤ 1, 2

⇒ 2640 ≤ Vacum solar (l) ≤ 3960 l Supondría conectar más de 2 acumuladores en serie invertida (capacidad máx., 1000 l. típicamente) ⇒

Por ejemplo: Vacum solar = 3000 l , ⇒ Vacum solar / SC = 3000 l / 47,8 m2 ∼ 63 l/m2 [método F-Chart: >37,5 ; <300]


Elecci贸n de un acumulador comercial: 3 dep贸sitos ECObasic 1000 conectados en serie invertida


Corrección de resultados:

Nº colectores: 20 (SC = 47,8 m2) V acum solar / SC = 63 l/m2 [>37,5; <300]

MES E F M A M J J A S O N D Año

X 1,64 1,63 1,68 1,69 1,64 1,59 1,54 1,51 1,58 1,63 1,64 1,62

FC_acum FC_acs 1,0446 0,9861 1,0446 0,9998 1,0446 1,0742 1,0446 1,1222 1,0446 1,1104 1,0446 1,0973 1,0446 1,0828 1,0446 1,0285 1,0446 1,0626 1,0446 1,0773 1,0446 1,0445 1,0446 0,9709

⎡ Vacumulador solar / SC ⎤ FCacum = ⎢ ⎥ ⎢⎣ ⎥⎦ 75 l/m2

( −0, 25)

Xc/X 1,03 1,04 1,12 1,17 1,16 1,15 1,13 1,07 1,11 1,13 1,09 1,01

Xc 1,69 1,70 1,88 1,98 1,91 1,83 1,75 1,62 1,75 1,83 1,79 1,64

Y 0,62 0,83 0,93 1,07 1,08 1,11 1,20 1,25 1,17 0,96 0,80 0,63

fm 0,442 0,594 0,649 0,724 0,738 0,757 0,810 0,846 0,795 0,668 0,570 0,456 0,664

Eutil (kWh) 2735 3254 3783 3915 4038 3923 4240 4529 4213 3735 3213 2824 44403

Rto_global

(%) 55,8% 55,5% 54,1% 52,8% 53,0% 53,1% 52,7% 52,6% 52,9% 54,2% 55,2% 56,2% 53,8%

Fracción solar anual

= FCacum ⋅ FCACS 66


(α=0º ; β=50º)

Resultados para distintas superficies de generador:

(Vacum solar / Sc = 63 l/m2)

Fracción Solar MENSUAL 125% 100%

nº Colect.

Area (m2)

75%

48

20

50%

60

25

25%

72

30

0% 1

2

3

4

5

6

7

8

9

10

11

12

Mes

Fracción Solar ANUAL 100% 80% 60% 40% 20%

40

50

60

70

Area (m2)

80

67

90


(α=0º ; β=50º) Rendimiento Global del Sistema

(Vacum solar / Sc = 63 l/m2)

60% 55%

Area (m2)

nº Colect.

48

20

60

25

72

30

50% 45% 40% 1

2

3

4

5

6

7

8

9

10

11

12

Mes Rendimiento Global Sistema, ANUAL 100%

80%

60%

40%

20%

40

50

60

70

Area (m2)

80

68

90


Resultados para distintos ángulos de inclinación de colectores: (Vacum solar / Sc = 63 l/m2)

(α=0º ; β=50º)

(α=0º ; β=20º)

Fracción Solar MENSUAL

Fracción Solar MENSUAL 125%

125%

100%

100%

Area (m2)

48

75%

60

50%

72

FSa (20 colectores) = 66,4%

25%

75% 50%

FSa (20 colectores) = 67%

25%

0%

0% 1

2

3

4

5

6

7

8

9

10

11

12

1

2

3

4

5

Mes

8

9

10

11

12

11

12

Rendimiento Global del Sistema 60%

ηS,a (20 colectores) = 53,8%

55%

7

Mes

Rendimiento Global del Sistema 60%

6

Area (m2)

ηS,a (20 colectores) = 52,5%

55%

48 50%

50%

60 45%

72

40%

45% 40%

1

2

3

4

5

6

7

Mes

8

9

10

11

12

1

2

3

4

5

6

7

Mes

8

9

10

69


Resultados para distintas temperaturas de suministro de ACS: (TACS=60º)

(α=0º ; β=50º)

(TACS=45º) Fracción Solar MENSUAL 150%

Fracción Solar MENSUAL 125%

125%

100%

Area (m2)

48

75%

A

100% 75%

60

50%

72

FSa (20 colectores) = 66,4%

25%

50%

FSa (20 colectores) = 87,7%

25% 0%

0% 1

2

3

4

5

6

7

8

9

10

11

12

1

2

3

4

5

Mes

8

9

10 11 12

Rendimiento Global del Sistema 60%

ηS,a (20 colectores) = 53,8%

55%

7

Mes

Rendimiento Global del Sistema 60%

6

ηS,a (20 colectores) = 48,7%

55% Area (m2)

48 50%

50% 45%

60 40%

45%

72

40%

35% 30%

1

2

3

4

5

6

7

Mes

8

9

10

11

12

1

2

3

4

5

6

7

Mes

8

9

10

11

70

12


ƒ Dimensionado más realista de la carga térmica: ¾ Factor de centralización (edificios residenciales) N≤3 1

N Fcentralización MES

DIAS

4≤N≤10 0,95

[ASIT, 2009]:

11≤N≤20 21≤N≤50 51≤N≤75 76≤N≤100 0,9 0,85 0,8 0,75

N≥101 0,70

Ta,red

Lm

Lm

FC

Lm * FC

(ºC)

(kcal x 1000)

(kWh)

(-)

(kWh)

E

31

8

5.320

6.187

0,85

5.259

F

28

9

4.712

5.481

0,85

4.658

M

31

11

5.013

5.830

0,85

4.955

A

30

13

4.653

5.411

0,85

4.600

M

31

14

4.706

5.473

0,85

4.652

J

30

15

4.455

5.181

0,85

4.404

J

31

16

4.501

5.235

0,85

4.450

A

31

15

4.604

5.354

0,85

4.551

S

30

14

4.554

5.296

0,85

4.502

O

31

13

4.808

5.592

0,85

4.753

N

30

11

4.851

5.642

0,85

4.795

D

31

8

5.320

6.187

0,85

5.259

Año

365

57.496

66.868

56.838

(reducción del 15%)


Resultados para:

Nº colectores: 20; (α=0º ; β=50º) V acum solar / SC = 63 l/m2 [>37,5; <300] TACS = 60 ºC Factor de centralización = 0,85

MES E F M A M J J A S O N D Año

X 1,93 1,92 1,98 1,99 1,93 1,88 1,82 1,78 1,86 1,92 1,93 1,91

FC_acum FC_acs 1,0446 0,9861 1,0446 0,9998 1,0446 1,0742 1,0446 1,1222 1,0446 1,1104 1,0446 1,0973 1,0446 1,0828 1,0446 1,0285 1,0446 1,0626 1,0446 1,0773 1,0446 1,0445 1,0446 0,9709

Xc/X 1,03 1,04 1,12 1,17 1,16 1,15 1,13 1,07 1,11 1,13 1,09 1,01

Xc 1,98 2,01 2,22 2,33 2,24 2,15 2,05 1,91 2,06 2,16 2,11 1,93

Y 0,73 0,98 1,10 1,26 1,28 1,31 1,41 1,47 1,38 1,13 0,95 0,74

fm 0,504 0,670 0,728 0,807 0,822 0,843 0,898 0,936 0,883 0,749 0,643 0,520 0,743

Eutil (kWh) 2651 3121 3609 3710 3824 3711 3995 4258 3974 3559 3086 2735 42231

Rto_global

(%) 54,1% 53,3% 51,6% 50,0% 50,2% 50,2% 49,6% 49,5% 49,9% 51,6% 53,0% 54,4% 51,2%

Fracción solar anual 72


Fracción Solar MENSUAL 125% 100%

Area (m2)

48

75%

60

50%

72

FSa (20 colectores) = 74,3%

25% 0% 1

2

3

4

5

6

7

8

9

10

11

12

Mes Rendimiento Global del Sistema 60%

ηS,a (20 colectores) = 51,2%

55%

Area (m2)

50%

48

45%

60

40%

72

35% 30% 1

2

3

4

5

6

7

Mes

8

9

10

11

12

Nº colectores: 20 α=0º; β=50º V acum solar / SC = 63 l/m2 TACS = 60 ºCF Factor de centralización=0,85


5. Dimensionado: Sistemas de ACS

5.4 CONSIDERACIONES MEDIOAMBIENTALES „

Ahorro de emisiones de CO2 : estimaciones de la Asociación de la Industria Solar Térmica (www.asit-solar.com), en 2009: ¾ Hipótesis basada en el uso de distintas fuentes para obtener 1 kWh térmico: Electricidad: 40%; Gas Natural: 40%; Gasóleo: 15%; GLP: 5%

¾ 1 kWh térmico ↔ 0,268 kg-CO2 „

Ejemplo, ahorro anual: Eutil,anual = 42.178 kWh ↔ Ahorro de 11.304 kg-CO2 ↔ 11,3 ton-CO2

74

Instalaciones solares para edificios.  

Diapositivsa del temario de la asignatura Energia solar fotovoltaica para arquitectos, impartida en la ETSAM por la profesora Estefania Caam...

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