MÁSTER EN ENERGÍAS RENOVABLESIMF – CEU INSTALACIÓN SOLAR TÉRMICA PARA ACS. Materia 3. Ejercicio 2 Ana Enríquez Peral ABRIL 2010 Energías Renovables. Materia 3. Ejercicio 2. 2010 INSTITUTO TÉCNOLOGICO. USP – CEU (ABRIL 2010) Página 2 de 33 PLANTEAMIENTO Premisas de trabajo: en un chalet de 220 m 2 en Boadilla del Monte vive la familia Pastor Pérez compuesta por 4 personas: padre, madre y dos hijos. Comprometidos con el medio ambiente, han decidido contratar los servicios de una empresa fabricante de colectores solares para que les solucione el tema del calentamiento del agua sanitaria mediante energía térmica. Descripción de la vivienda: la vivienda tiene 2 plantas y buhardilla de 2,2 metros de altura cada una. El cuarto de calderas se encuentra en el cuarto de calderas y los colectores térmicos habrían de ubicarse en el tejado, integrados arquitectónicamente en el mismo. El tejado tiene 2 aguas y los colectores se instalarían en el agua que se encuentra desviada +5º con respecto al sur. La inclinación del tejado es 25º. Como ingenieros de esta empresa fabricante, tenemos que dimensionar la instalación, esto es: - Realizar el esquema de la instalación. - Número de colectores (calculando pérdidas por orientación, inclinación,…). - Volumen de acumulación y superficie de intercambio (bien del serpentín, bien del intercambiador de placas, según el esquema elegido por del alumno). - Volumen del vaso de expansión del circuito primario. - Bomba de impulsión del circuito primario (únicamente caudal y altura manométrica). - Rendimiento de la instalación, ahorros obtenidos. La empresa te dice que tiene un stock importante almacenado de un modelo determinado de colector y que por ello has de usarlo. Características del colector: - Dimensiones: 1340 x 1800 mm - Superficie del absorbedor: 2,2 m 2 - De la curva de rendimiento del colector se extrae que el rendimiento óptico del colector es: q 0 = 0,790 y los coeficientes de pérdidas son a 1 = 3,756 W/m 2 W y a 2 = 0,0073 W/m 2 W. - Volumen de fluido caloportado: 2,2 litros. Energías Renovables. Materia 3. Ejercicio 2. 2010 INSTITUTO TÉCNOLOGICO. USP – CEU (ABRIL 2010) Página 3 de 33 - Capacidad térmica: 7,4 kJ/m 2 K. - Coeficiente de corrección del ángulo de incidencia: (K dir 50º = 0,95) CONSIDERACIONES El alumno podrá utilizar la información del libro de texto, referenciándolo en cada caso. Si el alumno utiliza cualquier otra información que busque o conozca, ésta debe de ser incluida en el trabajo. Los trabajos serán enviados en formato Word al siguiente correo electrónico: energí
[email protected] El alumno debe reflejar en cada parte del ejercicio la justificación de la operación realizada, y razonar cada suposición, establecimiento de criterio o planteamiento de resolución. Energías Renovables. Materia 3. Ejercicio 2. 2010 INSTITUTO TÉCNOLOGICO. USP – CEU (ABRIL 2010) Página 4 de 33 ÍNDICE 1.- DATOS DE ENTRADA 2.- ESQUEMA DE LA INSTALACIÓN SOLAR PARA SUMINISTRO DE ACS EN LA VIVIENDA. 3.- CONTRIBUCIÓN SOLAR MÍNIMA SEGÚN EL CTE. 4.- ESTIMACIÓN DE LA DEMANDA DE ENERGÍA CALORÍFICA. 5.- ESTIMACIÓN DE LA DEMANDA ENERGÉTICA POR CONSUMO DE ACS. 6.- CONTRIBUCIÓN SOLAR MÍNIMA DE ACS. 7.- RADIACIÓN SOLAR INCIDENTE SOBRE EL PLANO DE CAPTADORES. 8.- ESTIMACIÓN DE PÉRDIDAS POR ORIENTACIÓN E INCLINACIÓN. 9.- DETERMINACIÓN DEL NÚMERO DE CAPTADORES Y VOLUMEN DE ACUMULACIÓN. 10.- RENDIMIENTO DE LA INSTALACIÓN. 11.- POTENCIA DE INTERCAMBIO. 12.- DISEÑO DEL SISTEMA HIDRAÚLICO. 13.- DIMENSIONAMIENTO DE LA BOMBA DE CIRCULACIÓN. 14.- DIMENSIONAMIENTO DEL VASO DE EXPANSIÓN. 15.- RENDIMIENTO TOTAL DE LA INSTALACIÓN Y AHORRO OBTENIDO. 16.- BIBLIOGRAFÍA Energías Renovables. Materia 3. Ejercicio 2. 2010 INSTITUTO TÉCNOLOGICO. USP – CEU (ABRIL 2010) Página 5 de 33 SOLUCIÓN El ejercicio se desarrolla cumpliendo el R.D. 314/2006 Código Técnico de la Edificación, documento DB HE, Ahorro de energía, Sección HE 4, Contribución solar mínima de agua caliente sanitaria. 1.- DATOS DE ENTRADA: Localidad: Boadilla del Monte (Madrid). Latitud: 40,23º ≈ 40º Longitud: 3,52º Altura media: 677 m Temperatura media: 13,6 ºC Precipitación media: 500,5 m 3 Zona climática: IV. Tipo de edificio: edificio unifamiliar. Tipo de integración de captadores: superposición, por tratarse de un edificio ya construido. Orientación del campo de captadores: +5º al sur, (o (acimut) = 5º). Inclinación del campo de captadores: 25º, (| = 25º). Condiciones del entorno: sin sombras posibles (suposición). Los sistemas que forman parte de la instalación térmica solar son: - Sistema de captación. - Circuito hidráulico. - Sistema de intercambio. - Sistema de acumulación y distribución - Sistema de regulación y control. - Equipo de energía auxiliar convencional. Energías Renovables. Materia 3. Ejercicio 2. 2010 INSTITUTO TÉCNOLOGICO. USP – CEU (ABRIL 2010) Página 6 de 33 2.- ESQUEMA DE LA INSTALACIÓN SOLAR PARA SUMINISTRO DE ACS EN LA VIVIENDA. PURGA GENERADOR AUXILIAR CAPTADOR SOLAR ACUMULADOR ACS INTERCAMBIADOR BOMBA AGUA DE RED GRUPO DE SEGURIDAD VASO EXPANSIÓN VACIADO LLENADO PRIMARIO / FRIO SECUNDARIO / CALIENTE GRÁFICO 1: ESQUEMA DE LA VIVIENDA UNIFAMILIAR. FUENTE: ELABORACIÓN PROPIA Energías Renovables. Materia 3. Ejercicio 2. 2010 INSTITUTO TÉCNOLOGICO. USP – CEU (ABRIL 2010) Página 7 de 33 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 la instalación y para la posición del campo de captadores. En la resolución del ejercicio se tienen en cuenta los siguientes aspectos: a. Demanda de energía térmica. b. Energía solar térmica aportada. c. Fracciones solares mensuales y anuales. d. Rendimiento medio anual. Energías Renovables. Materia 3. Ejercicio 2. 2010 INSTITUTO TÉCNOLOGICO. USP – CEU (ABRIL 2010) Página 8 de 33 3.- CONTRIBUCIÓN SOLAR MÍNIMA SEGÚN EL CTE. El CTE DB HE4 exige que toda instalación acogida en su ámbito de aplicación disponga de una instalación solar térmica capaz de suministrar, en diseño, una contribución solar mínima a una temperatura de referencia de 60ºC. Se establecen 2 categorías dependiendo de cuál sea la fuente de generación auxiliar, en este caso GENERAL, la fuente energética de apoyo es gasóleo, propano, gas natural, u otras. TABLA 1: CONTRIBUCION SOLAR MINIMA EN % EXIGIDO POR EL CTE DB HE4. CASO GENERAL. FUENTE: CTE Estamos en una zona climática de grado IV (4,6 ≤ H <5,0 kWh / m 2 ). La exigencia de aporte solar es importante debido a corresponder con una zona de elevada radiación solar anual. Energías Renovables. Materia 3. Ejercicio 2. 2010 INSTITUTO TÉCNOLOGICO. USP – CEU (ABRIL 2010) Página 9 de 33 4.- ESTIMACIÓN DE LA DEMANDA DE ENERGÍA CALORIFICA. El primer paso es conocer las necesidades térmicas de la vivienda en sus aplicaciones de ACS, en este caso, en particular. La demanda calorífica se obtiene a partir de los siguientes datos: - Demanda de ACS del edificio. - Temperatura final de calentamiento, normalmente 60ºC como referencia. - Temperatura fría del agua de red. Cálculo la demanda de agua prevista, en función del tipo de aplicación y ocupación. El CTE propone una tabla de consumos unitarios previstos de ACS para aplicaciones. Para el caso en el que nos encontramos: - Vivienda unifamiliar …………. 30 l ACS/día a 60 ºC El número de personas que ocupan la vivienda dada es de 4 miembros de la familia. Por tanto, la demanda de ACS es el producto del número de ocupantes por el consumo unitario para vivienda unifamiliar propuesto por el CTE: Nº viviendas 1 Nº personas por vivienda 4 Consumo por persona, según CTE 30 l/día Consumo total de ACS (D día ) 4*30 l/día = 120 l/día 120l/día/1000 l/m 3 = 0,12 m 3 CONSUMO DE LA VIVIENDA No se considera el consumo de agua fría de la vivienda, únicamente el de ACS. La temperatura final de acumulación se supone T ACS =60 ºC. Uniendo el punto 3 con este, se deduce que para zona climatica IV con una demanda de ACS menor de 5 m 3 , la contribución solar mínima exigida por el CTE DB HE4 es del 60%. Energías Renovables. Materia 3. Ejercicio 2. 2010 INSTITUTO TÉCNOLOGICO. USP – CEU (ABRIL 2010) Página 10 de 33 5.- ESTIMACIÓN DE LA DEMANDA ENERGÉTICA POR CONSUMO DE ACS. Una vez dispongo de las necesidades de ACS, cálculo cuanta energía es necesaria para su calentamiento desde las condiciones del agua de red hasta su temperatura final. DE mes,i (kWh/mes) = 1,16.10 -3 . D dia . N días,i . C p . µ. (T ACS - T red,i ) donde C p = 1 kcal/Kg.ºC y µ = 1.000 kg/m 3 . Partimos de los datos de temperatura de agua de red de Madrid (datos tomados del IDAE a partir de datos de CENSOLAR), que es la zona más cercana de la que tenemos valores, y obtenemos: Mes Tª agua red (ºC) D día a 60ºC (m 3 /día) Nº días mes D mes (60ºC) (m 3 /mes) DE mes (60ºC) (kWh/mes) Enero 6 0,12 31 3,72 233,02 Febreo 7 0,12 28 3,36 206,57 Marzo 9 0,12 31 3,72 220,07 Abril 11 0,12 30 3,60 204,62 Mayo 12 0,12 31 3,72 207,13 Junio 13 0,12 30 3,60 196,27 Julio 14 0,12 31 3,72 198,50 Agosto 13 0,12 31 3,72 202,81 Septiembre 12 0,12 30 3,60 200,45 Octubre 11 0,12 31 3,72 211,44 Noviembre 9 0,12 30 3,60 212,98 Diciembre 6 0,12 31 3,72 233,02 Año 10,25 0,12 365 43,80 m 3 /año 2526,90 kWh/año TABLA 2: CÁLCULO DE LA DEMANDA ENERGÉTICA MENSUAL. FUENTE: ELABORACION PROPIA La necesidad energética es inferior en verano, debido a que el agua de red está más caliente y el salto térmico que debe realizarse es inferior. El CTE limita el sobredimensionado en los meses de verano. Energías Renovables. Materia 3. Ejercicio 2. 2010 INSTITUTO TÉCNOLOGICO. USP – CEU (ABRIL 2010) Página 11 de 33 6.- CONTRIBUCIÓN SOLAR MÍNIMA DE ACS. Depende del tipo de aporte auxiliar, de la demanda de agua y de la zona climática en la que nos encontremos. En las condiciones del ejercicio planteado se obtiene una contribución solar anual o fracción solar f = 60%. Por tanto, la demanda mínima a cubrir con el sistema solar debe ser: EU solar,año = f * DE año EU solar,año = 0,6 * 2526,90 kWh/año = 1516,14 kWh/año Energías Renovables. Materia 3. Ejercicio 2. 2010 INSTITUTO TÉCNOLOGICO. USP – CEU (ABRIL 2010) Página 12 de 33 7.- RADIACIÓN SOLAR INCIDENTE SOBRE EL PLANO DE CAPTADORES. Buscamos los datos reales de radiación solar incidente para la orientación e inclinación real de los captadores. A su vez se deben verificar los límites establecidos por el CTE DB HE4 de pérdidas por orientación e inclinación y por sombras. En este caso, las sombras se suponen descartadas (no se disponen de datos), por lo que no ocasionan perdidas. La radiación solar diaria sobre una superficie inclinada se obtiene a partir de: G di (|) = k * G di (0º) La inclinación de los captadores, en este caso, es la misma que la cubierta 25º. El factor de corrección k para superficies inclinadas, se obtiene a partir del anexo del libro de “Energía solar térmica, pg. 247, Fuente: CENSOLAR, para una inclinación de 25º y una latitud de 40º. TABLA 3: FACTOR DE CORRECION K PARA SUPERFICIES INCLINADAS A 25º Y LATITUD 40º. FUENTE: CENSOLAR Energías Renovables. Materia 3. Ejercicio 2. 2010 INSTITUTO TÉCNOLOGICO. USP – CEU (ABRIL 2010) Página 13 de 33 Según las tablas de radiación, los valores mensuales de radiación solar diaria sobre superficie horizontal G di (0º) y su corrección k para la inclinación de 25º son los indicados en la tabla 4. La energía solar mensual incidente, EI mes,i , se obtiene sin más que multiplicar la irradiación diaria de cada mes por el número de días: EI mes,i = G di (|) * N días,mes Mes G di (0º) (kWh/m 2 día) K (25º) G di (25º) (kWh/m 2 día) EI mes (kWh/m 2 mes) Enero 1,86 1,30 2,42 75,02 Febrero 2,94 1,23 3,62 101,36 Marzo 3,78 1,16 4,38 135,78 Abril 5,22 1,08 5,64 169,20 Mayo 5,81 1,02 5,93 183,83 Junio 6,53 1,00 6,53 195,90 Julio 7,22 1,02 7,36 228,16 Agosto 6,42 1,09 7,00 217,00 Septiembre 4,69 1,19 5,58 167,40 Octubre 3,17 1,30 4,12 127,72 Noviembre 2,08 1,38 2,87 86,10 Diciembre 1,64 1,36 2,23 69,13 Año 4,28 4,81 1756,60 TABLA 4: VALORES DIARIOS DE RADIACIÓN SOLAR Y ENERGÍA SOLAR MENSUAL INCIDENTE. FUENTE: ELABORACIÓN PROPIA CON DATOS DEL IDAE Y CENSOLAR. Energías Renovables. Materia 3. Ejercicio 2. 2010 INSTITUTO TÉCNOLOGICO. USP – CEU (ABRIL 2010) Página 14 de 33 8.- ESTIMACION DE PERDIDAS POR ORIENTACION E INCLINACION. Deben verificarse los límites establecidos por el CTE DB HE4 de pérdidas por orientación e inclinación diferente de la óptima (orientación Sur e inclinación 30 – 35º). 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 captador. El CTE DB HE4 ofrece una herramienta gráfica para la estimación de las pérdidas en valor anual. La intersección de una radial con una circunferencia es una posición concreta del campo de captores. Las diferentes secciones indican el porcentaje de energía anual recibida respecto al óptimo. Las pérdidas anuales se obtienen restando dicho porcentaje de 100. A continuación se muestra la herramienta gráfica del CTE y el cálculo de los valores límite de inclinación, siguiendo las circunferencias concéntricas, teniendo en cuenta las pérdidas límite por orientación e inclinación de un 10% para el caso general, del 20% para superposición y del 40% para integración arquitectónica GRAFICO 2: HERRAMIENTA GRAFICA PARA LA ESTIMACION DE PÉRDIDAS. FUENTE: CTE Energías Renovables. Materia 3. Ejercicio 2. 2010 INSTITUTO TÉCNOLOGICO. USP – CEU (ABRIL 2010) Página 15 de 33 Para una inclinación de 25º y una orientación de +5 se tiene: Caso Pérdidas máximas por orientación e inclinación Inclinación máxima Inclinación mínima General 10% 55º 10º Superposición 20% 70º 0º - 5º Integración arquitectónica 40% 88º 0º - 5º RESUMEN DE PÉRDIDAS PERMITIDAS POR EL CTE. Los captores se encuentran situados a +5º al Sur (esto es, orientación 5º suroeste), con una inclinación de 25º (pendiente del tejado), que llevados al gráfico (intersección en la zona blanca) ofrecido por el CTE, nos da unas pérdidas de aproximadamente: 100 – 97 = 3% (aceptado por el CTE). Considero una configuración de superposición de los módulos. Energías Renovables. Materia 3. Ejercicio 2. 2010 INSTITUTO TÉCNOLOGICO. USP – CEU (ABRIL 2010) Página 16 de 33 9.- DETERMINACIÓN DEL NÚMERO DE CAPTADORES Y VOLUMEN DE ACUMULACION. Se parte de los siguientes datos acreditados del captador: Dimensiones 1340*1800 mm Superficie del absorbedor 2,2 m 2 Rendimiento óptico 0,790 Coeficiente de pérdidas a 1 3,756 Coeficiente de pérdidas a 2 0,0073 Capacidad térmica 7,4 kJ/m 2 K K dir (50º) 0,95 Volumen fluido caloportado 2,2 l DATOS DEL CAPTADOR Para calcular el número de captadores necesarios, además de conocer los datos del colector, necesitamos conocer los valores medios mensuales de temperatura ambiente durante el día, según lo recomendado por el IDAE sobre datos de CENSOLAR. A continuación se muestran los principales resultados del método f-chart para el supuesto de 1 captador. Se definen 2 parámetros adimensionales D 1 y D 2 , relacionados con la energía absorbida por los captadores y con la energía perdida. Estos parámetros sirven para el cálculo de la fracción solar mensual mediante la expresión empírica siguiente: f mes = 1,029 * D 1 – 0,065 * D2 – 0,245 * D12 + 0,0018 * D 2 2 +0,0215 * D 1 3 D 1 expresa la relación entre la energía absorbida por el captador y la demanda energética mensual del sistema. donde: S C es la superficie de los captadores mes mes dias dm C mes absorbida DE N G FC MAI S DE E D , int 0 1 . . . . .q = = Energías Renovables. Materia 3. Ejercicio 2. 2010 INSTITUTO TÉCNOLOGICO. USP – CEU (ABRIL 2010) Página 17 de 33 MAI es el modificador del ángulo de incidencia q 0 es el rendimiento óptico del captador FC int es el factor de corrección del conjunto captador-intercambiador. IDAE recomienda tomar un valor de 0,95. Mes S C q 0 MAI FC int G dm DE mes D 1 Enero 2,2 0,79 0,95 0,95 75,02 233,02 0,50 Febrero 2,2 0,79 0,95 0,95 101,36 206,57 0,77 Marzo 2,2 0,79 0,95 0,95 135,78 220,07 0,97 Abril 2,2 0,79 0,95 0,95 169,20 204,62 1,30 Mayo 2,2 0,79 0,95 0,95 183,83 207,13 1,39 Junio 2,2 0,79 0,95 0,95 195,90 196,27 1,57 Julio 2,2 0,79 0,95 0,95 228,16 198,50 1,80 Agosto 2,2 0,79 0,95 0,95 217,00 202,81 1,68 Septiembre 2,2 0,79 0,95 0,95 167,40 200,45 1,31 Octubre 2,2 0,79 0,95 0,95 127,72 211,44 0,95 Noviembre 2,2 0,79 0,95 0,95 86,10 212,98 0,63 Diciembre 2,2 0,79 0,95 0,95 69,13 233,02 0,47 TABLA 5: CALCULO DELPARAMETRO D1. ELABORACION PROPIA El parámetro adimensional asociado a las pérdidas del captador se puede obtener a partir de: Con una relación entre el volumen de acumulador y superficie de captadores que el CTE DB HE4 sitúa entre: mes mes días ACS acum amb global C mes perdida DE N FC FC T FC k S DE E D , int 2 . 24 . . ). 100 .( . . ÷ = = 2 2 180 50 m l S V m l C solar acum < < ÷ Energías Renovables. Materia 3. Ejercicio 2. 2010 INSTITUTO TÉCNOLOGICO. USP – CEU (ABRIL 2010) Página 18 de 33 y además se tiene: k global = a 1 + a 2 (T m – T amb ) = a 1 + 30 * a 2 , recomendado por el pliego del IDAE. De este modo, k global = 3,975. El factor de corrección del acumulador es: Con lo que V acum-solar / S C = 54,54 l/m 2 , dentro de los límites aceptados por el CTE, siendo V acum-solar = 120 l. Para el FC ACS partimos de los valores ya conocidos para su cálculo: Mes T agua red (ºC) T amb (ºC) FC ACS Enero 6 5 0,98 Febrero 7 6 1,01 Marzo 9 9 1,05 Abril 11 12 1,10 Mayo 12 16 1,09 Junio 13 20 1,07 Julio 14 23 1,07 Agosto 13 24 1,01 Septiembre 12 19 1,04 25 , 0 2 / 75 / ÷ ÷ ( ¸ ( ¸ = m l S V FC C solar acum acum amb amb red ACS ACS T T T T FC ÷ ÷ + + = 100 32 , 2 86 , 3 18 , 1 6 , 11 min 08 , 1 75 2 , 2 / 120 25 , 0 = ( ¸ ( ¸ = ÷ acum FC Energías Renovables. Materia 3. Ejercicio 2. 2010 INSTITUTO TÉCNOLOGICO. USP – CEU (ABRIL 2010) Página 19 de 33 Octubre 11 14 1,07 Noviembre 9 9 1,05 Diciembre 6 6 0,97 TABLA 6: CALCULO DEL FACTOR DE CORRECCION FCACS. ELABORACION PROPIA Recordando la expresión de cálculo para D 2 pasamos a mostrar los resultados encontrados: Mes S C k global FC int FC acum FC ACS T amb,i N días,i DE mes D 2 Enero 2,2 3,975 0,95 1,08 0,98 5 31 233,02 2,62 Febrero 2,2 3,975 0,95 1,08 1,01 6 28 206,57 2,64 Marzo 2,2 3,975 0,95 1,08 1,05 9 31 220,07 2,76 Abril 2,2 3,975 0,95 1,08 1,10 12 30 204,62 2,96 Mayo 2,2 3,975 0,95 1,08 1,09 16 31 207,13 2,76 Junio 2,2 3,975 0,95 10,8 1,07 20 30 196,27 2,56 Julio 2,2 3,975 0,95 1,08 1,07 23 31 198,50 2,35 Agosto 2,2 3,975 0,95 1,08 1,01 24 31 202,81 2,33 Septiembre 2,2 3,975 0,95 1,08 1,04 19 30 200,45 2,54 Octubre 2,2 3,975 0,95 1,08 1,07 14 31 211,44 2,81 Noviembre 2,2 3,975 0,95 1,08 1,05 9 30 212,98 2,76 Diciembre 2,2 3,975 0,95 1,08 0,97 6 31 233,02 2,55 TABLA 7: CALCULO DEL PARAMETRO D2. FUENTE: ELABOTRACION PROPIA Una vez deducidos los parámetros D 1 y D 2 podemos calcular la fracción solar mensual a partir de la fórmula indicada con anterioridad: f mes = 1,029 D 1 – 0,065 D 2 – 0,245D 1 2 + 0,0018 D 2 2 +0,0215 D 1 3 Se presentan los resultados en la siguiente tabla: Mes D 1 D 2 f mes Enero 0,50 2,62 0,30 Febrero 0,77 2,64 0,50 Energías Renovables. Materia 3. Ejercicio 2. 2010 INSTITUTO TÉCNOLOGICO. USP – CEU (ABRIL 2010) Página 20 de 33 Marzo 0,97 2,76 0,62 Abril 1,30 2,96 0,79 Mayo 1,39 2,76 0,85 Junio 1,57 2,56 0,94 Julio 1,80 2,35 1,04 Agosto 1,68 2,33 1,00 Septiembre 1,31 2,54 0,82 Octubre 0,95 2,81 0,60 Noviembre 0,63 2,76 0,39 Diciembre 0,47 2,55 0,27 TABLA 8: CALCULO DE LA FRACCION SOLAR MENSUAL. FUENTE: ELABORACION PROPIA Una vez calculada la fracción solar mensual, se obtiene la energía solar útil aportada a partir de la expresión: EU solar,mes = f mes* DE mes Mes DE mes f mes EU solar,mes (kWh/mes) Enero 233,02 0,30 69,90 Febrero 206,57 0,50 103,28 Marzo 220,07 0,62 136,44 Abril 204,62 0,79 161,65 Mayo 207,13 0,85 176,06 Junio 196,27 0,94 184,49 Julio 198,50 1,04 206,44 Agosto 202,81 1,00 202,81 Septiembre 200,45 0,82 164,00 Octubre 211,44 0,60 126,86 Noviembre 212,98 0,39 83,06 Diciembre 233,02 0,27 62,91 Año 2526,90 1677,90 TABLA 9: CALCULO DE LA ENERGIA SOLAR UTIL. FUENTE: ELABORACION PROPIA Energías Renovables. Materia 3. Ejercicio 2. 2010 INSTITUTO TÉCNOLOGICO. USP – CEU (ABRIL 2010) Página 21 de 33 Vemos si se cumplen las exigencias del CTE y f año ≥ 60% : Se cumple la exigencia del CTE. A continuación se muestra la relación gráfica entre la demanda energética y la aportación solar mensual. GRAFICO 3: RELACION ENTRE DEMANDA ENERGETICA Y APORTACION SOLAR MENSUAL. FUENTE: ELABORACION PROPIA A pesar de considerar constante el consumo de ACS durante todo el año, la demanda energética no lo es, debido a la diferencia de temperatura del agua de la red a lo largo del año. Como en invierno está más fría el salto térmico a suministrar es mayor, y también influyen el número de días de cada mes considerado. Se observa que en verano la demanda queda cubierta por la aportación solar, mientras que en invierno es necesaria la aportación de una fuente auxiliar, según el grafico 2. Verificamos que la fracción solar de la instalación no supere en ningún caso el 110%, ni en más de 3 meses el 100%. CTE mes mes solar f DE EU f > = = = % 40 , 66 90 , 2526 90 , 1677 100 100 , Energías Renovables. Materia 3. Ejercicio 2. 2010 INSTITUTO TÉCNOLOGICO. USP – CEU (ABRIL 2010) Página 22 de 33 GRAFICO 4: FRACCIÓN SOLAR MENSUAL. FUENTE: ELABORACIÓN PROPIA Se verifica la exigencia del CTE, como se aprecia en el gráfico 4. Energías Renovables. Materia 3. Ejercicio 2. 2010 INSTITUTO TÉCNOLOGICO. USP – CEU (ABRIL 2010) Página 23 de 33 10.- RENDIMIENTO DE LA INSTALACIÓN. 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%. El rendimiento 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: Mes EU solar,mes S C G dm q sistema ,mes (%) Enero 69,90 2,2 75,02 42,35 Febrero 103,28 2,2 101,36 46,31 Marzo 136,44 2,2 135,78 45,67 Abril 161,65 2,2 169,20 43,42 Mayo 176,06 2,2 183,83 43,53 Junio 184,49 2,2 195,90 42,80 Julio 206,44 2,2 228,16 41,12 Agosto 202,81 2,2 217,00 42,48 Septiembre 164,00 2,2 167,40 44,53 Octubre 126,86 2,2 127,72 45,14 Noviembre 83,06 2,2 86,10 43,84 Diciembre 62,91 2,2 69,13 41,36 Mes 1677,90 1756,60 TABLA 10: RENDIMIENTO MENSUAL DE LA INSTALACION. FUENTE: ELABORACION PROPIA O en media anual: mes dias dm C mes solar mes sistema N G S EU , , , . . = q Energías Renovables. Materia 3. Ejercicio 2. 2010 INSTITUTO TÉCNOLOGICO. USP – CEU (ABRIL 2010) Página 24 de 33 De donde, Queda demostrado que el rendimiento anual de la instalación es superior al 40%, como exige el CTE. Se concluye que será necesario un único captador. . ¿ = 12 : 1 : , , , . . mes mes mes días dm C mes solar año sistema n G S EU q % 41 , 43 60 , 1756 . 2 , 2 90 , 1677 100 , = = año sistema q Energías Renovables. Materia 3. Ejercicio 2. 2010 INSTITUTO TÉCNOLOGICO. USP – CEU (ABRIL 2010) Página 25 de 33 11.- POTENCIA DE INTERCAMBIO. El número de captadores a utilizar para la resolución de este ejercicio es: Según el CTE, debe cumplirse la siguiente ecuación: La superficie de captación considerada es de 2,2 m 2 , por lo tanto: 50 * 2,2 = 110 l Con una demanda de ACS estimada de 120 l, seleccionamos un volumen de acumulación de 120 l, que cumple con lo exigido y se encuentra disponible en los catálogos de fabricantes de acumuladores del mercado. La superficie del intercambiador lo consideramos integrado en el depósito de acumulación a modo de serpentín, por lo que según indicaciones del CTE debe verificar que la relación entre la superficie útil de intercambio interno y la superficie total de captación no sea inferior a 0,15. S inter ≥ 0,15 * S c =0,15 * 2,2 = 0,33 m 2 > 0,15 Se cumple la condición exigida por el CTE. captador V Captadores N acum 1 120 120 120 º = = = 2 2 180 50 m l S V m l C solar acum < < ÷ Energías Renovables. Materia 3. Ejercicio 2. 2010 INSTITUTO TÉCNOLOGICO. USP – CEU (ABRIL 2010) Página 26 de 33 12.- DISEÑO DEL SISTEMA HIDRAÚLICO. El diseño del circuito primario parte del dato de caudal que debe circular por los captadores. El CTE indica un rango de valores entre 43 y 72 l/h.m 2 . En esta instalación consideraremos un valor medio de 54,54 l/h.m 2 de colector, si el fluido fuera agua, pero es recomendable utilizar una mezcla de agua-etilenglicol al 30% debido a las condiciones climatológicas, tenemos la siguiente relación: - Calor específico del agua (70%): 0,6 cal/g - Calor específico del etilenglicol (30%): 1 cal/g - Calor específico total: 0,6·0,7 + 1·0,3 = 0,72 cal/g Considerando que: Todas las tuberías del circuito serán de cobre. Paso a calcular el diámetro de las conducciones D, el caudal Q, la velocidad de circulación v, con ayuda de la siguiente ecuación: 1. Para el cálculo del diámetro D: Partimos de la base que la velocidad en nuestro caso debe encontrarse entre 0,5 y 1,5 m/s para evitar sedimentaciones y ruidos excesivos, ya que se trata de una instalación en un local habitado, por ejemplo 0,6 m/s: h m h l C S Q h l Q especifico C colector total / 16665 , 0 ) / ( 65 , 166 72 , 0 2 , 2 . 54 , 54 ) / ( 3 = = = = ) ( ) / ( 354 , 0 ) / ( 2 mm D h l Q s m v = mm s m h l s m v h l Q mm D 91 , 9 32 , 98 ) / ( 6 , 0 ) / ( 65 , 166 . 354 , 0 ) / ( ) / ( . 354 , 0 ) ( = = = = Energías Renovables. Materia 3. Ejercicio 2. 2010 INSTITUTO TÉCNOLOGICO. USP – CEU (ABRIL 2010) Página 27 de 33 Optamos por el valor que podemos encontrar para el diámetro de una tubería, en este caso, 10 mm, a partir de los datos de la siguiente figura: GRAFICO 5: GRAFICO DE PERDIDAS DE CARGA UNITARIAS EN CONDUCCIONES HIDRAULICAS. FUENTE: ASOCIACION 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 por viscosidad que se utilizo en el primario para el fluido caloportador. Con la velocidad v (m/s) y el diámetro interior de la tuberia D (mm) podemos calcular las pérdidas de carga en las tuberías. En primer lugar calculamos las pérdidas unitarias (fórmula de Flamant): Planteamos que la longitud de las tuberías sea la menor posible, dado que no se nos ofrece ningún dato al respecto. Se trata de una vivienda de 2 plantas y bajo cubierta, con m mmca D Q Pdc unitaria / 95 , 51 10 65 , 166 378 378 75 , 4 75 , 1 75 , 4 75 , 1 = = = Energías Renovables. Materia 3. Ejercicio 2. 2010 INSTITUTO TÉCNOLOGICO. USP – CEU (ABRIL 2010) Página 28 de 33 los captadores en la cubierta y el depósito de acumulación en la planta baja. Trazamos las tuberías lo más rectas posibles y con una pendiente del 1% para evitar acumulaciones de sólidos, unos 15 m de tuberías, aproximadamente. Para el circuito primario planteo las siguientes singularidades: Accesorio Cantidad L eq por elemento L eq total Válvula antiretorno 1 0,20 0,20 Válvula de asiento 2 1,10 2,20 Codo de 90º 6 0,38 2,28 Válvula de compuerta 3 0,14 0,42 TABLA 11: EQUIVALENCIA DE LAS SINGULARIDADES. FUENTE: P. PEREDA, 2006 Los valores están tomados para D int = 12 mm, ya que para 10 mm (nuestra medida), carecemos de datos. Además: L equiv. total = L eqiv + L real L equiv. total = 15 + 10,34 = 25,34 m Ahora ya podemos calcular las pérdidas de carga en toda la instalación. Pdc tuberías = Pdc unitaria .L eq total Pdc tuberías = 51,95 mmca.25,34 m= 1316,41 mmca Una vez calculadas las pérdidas en las tuberías, calculamos las pérdidas en el captador, del que no disponemos de datos, por lo que suponemos uno genérico de las siguientes características: Energías Renovables. Materia 3. Ejercicio 2. 2010 INSTITUTO TÉCNOLOGICO. USP – CEU (ABRIL 2010) Página 29 de 33 GRÁFICO 6: PÉRDIDAS DE UN CAPTADOR SOLAR EN BASE AL CAUDAL Para un caudal de 166,65 l/h, las pérdidas de presión son de aproximadamente 20 mmca por 1,3 para corregir la viscosidad del fluido caloportador: 26 mmca. En el intercambiador también tenemos pérdidas, pero tampoco disponemos de datos acerca del mismo, tomamos por ejemplo un modelo SOLARIS 60-140 de 140 l en el que fabricante nos ofrece las pérdidas de carga, de valor 300 mmca por 1,3 para corrección de la viscosidad del fluido caloportador: 390 mmca. Para la estimación de las pérdidas de carga totales se toma el valor de las pérdidas en tuberías en su tramo más desfavorable, además deben sumarse las pérdidas en el intercambiador y las pérdidas al paso por los captadores, ambos datos suministrados por los fabricantes. Con esto, las pérdidas totales de carga de la instalación ascienden a: Pdc total = Pdc tuberías + (Pdc captador + Pdc intercambiador ) * 1,3 Pdc total = 1316,41 + (26 + 390) * 1,3 = 1732,41 mmca Energías Renovables. Materia 3. Ejercicio 2. 2010 INSTITUTO TÉCNOLOGICO. USP – CEU (ABRIL 2010) Página 30 de 33 13.- DIMENSIONAMIENTO DE LA BOMBA DE CIRCULACIÓN. Partimos de: Q = 166,65 l/h = 0,16665 m 3 /h Calculamos la altura manométrica H T , como suma de las pérdidas de tuberías, intercambiador y captador: H T = Pdc tuberías + Pdc captador + Pdc intercambiador H T = 1732,41 mmca ≈ 1,73 m Una vez conocidos el caudal de circulación Q y la altura manométrica H T , se selecciona una bomba cuya característica de funcionamiento cubra las condiciones de diseño. GRÁFICO 7: EJEMPLO DE CURVA CARACTERISTICA DE BOMBA DE CIRCULACIÓN UPS 25-40 180. FUENTE: GRUNDFOS Energías Renovables. Materia 3. Ejercicio 2. 2010 INSTITUTO TÉCNOLOGICO. USP – CEU (ABRIL 2010) Página 31 de 33 14.- DIMENSIONAMIENTO DEL VASO DE EXPANSIÓN. El vaso de expansión del circuito primario se encarga de recoger el exceso de volumen de líquido debido a la dilatación por calentamiento. Su tamaño debe ser tal que permita guardar ese exceso de volumen. Consideramos un vaso de expansión abierto, dado que la instalación es inferior a 100 m 2 de captadores, pero hay que situarlo 2,5 m por encima del punto más alto del circuito para evitar la entrada de aire y rebose. Su volumen se puede estimar mediante: V vaso = V circuito* (0,2 + 0,1 * h) siendo: V circuito = V captador + V intercambiador + V tuberias h: longitud de las tuberías El V tuberias se calcula como: C (caudal del 1º) = S * v V = S * h de donde: V tuberias = C / (v * h) siendo: v: velocidad del fluido Sustituyendo valores: V vaso = 2,2 + 3,3 + 54,54 / (0,6 * 18) = 2,2 + 3,3 + 5,05 = 10,55 l En nuestro caso suponemos una expansión del 5%. Energías Renovables. Materia 3. Ejercicio 2. 2010 INSTITUTO TÉCNOLOGICO. USP – CEU (ABRIL 2010) Página 32 de 33 15.- RENDIMIENTO TOTAL DE LA INSTALACIÓN Y AHORRO OBTENIDO. Comparando la demanda energética frente a la cobertura obtenida mes a mes observamos los ahorros obtenidos. GRÁFICO 8: COMPARACIÓN DEMANDA ENERGÉTICA CON APORTACIÓN SOLAR. FUENTE: ELABORACIÓN PROPIA Se deduce que en los meses de invierno la instalación solar no cubre la demanda energética, por lo que es necesaria la aportación de una fuente auxiliar, la cual es ayudada por la aportación solar de la instalación. Pero en los meses de verano el rendimiento es mayor, llegando a sobrepasar el 100% en julio, y la demanda energética queda prácticamente durante estos meses con la instalación solar. Se comprueba gráficamente el ahorro que se logra al instalar esta instalación solar para cubrir las demandas de ACS. Energías Renovables. Materia 3. Ejercicio 2. 2010 INSTITUTO TÉCNOLOGICO. USP – CEU (ABRIL 2010) Página 33 de 33 16.- BIBLIOGRAFÍA - Reglamento Instalaciones Térmicas en Edificios RITE. - CTE DB HE4. - IMF - Libro Energía Solar Térmica. - Díaz Villar, P., Peña Capilla, R.: Energía Solar Térmica. 2008, Ediciones Roble. - Pliego de Condiciones Técnicas de Instalaciones de Baja Temperatura. 2002, MIT y C. - Datos de la base de CENSOLAR.