Diseño DE IST (Wagner & Co)(2006 ) PDF

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Pasos para diseñar una Instalación Solar Térmica...

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1. Aprovechando al Máximo el Calor del Sol Introducción El sol nos regala su energía en forma de luz y calor. Hoy, una tecnología establecida, eficiente y no contaminante nos permite utilizarlo para iluminar y calentar nuestras casas y negocios reduciendo los consumos energéticos para la producción de agua caliente sanitaria, la calefacción, el calentamiento de piscinas y la climatización. Su utilización se justifica no sólo en el ahorro energético y la rentabilidad del usuario sino que además contribuye al bien común: la mejora de la calidad del aire de las ciudades y del país; la rentabilidad macroeconómica por el uso de recursos propios, la generación de riqueza interna y de empleos, y la reducción de la dependencia energética externa. A lo largo de los últimos años se ha iniciado el despertar del mercado solar térmico en España, con crecimientos 2 que, sin llegar a las cifras de Alemania, (más de 900000m de captadores solares térmicos instalados en el año 2 2001), empiezan a ser muy significativos al superarse en el año 2004 los 90.000m instalados. Los principales mecanismos que explican este despertar solar están ligados tanto al crecimiento del interés social por la protección del medio ambiente, como a una actitud mucho más activa por parte de las Administraciones – tanto ayuntamientos, como comunidades autónomas y administración central- que han abierto líneas de subvención mucho más generosas y que están introduciendo elementos de obligatoriedad solar dentro de las regulaciones de su competencia: las ordenanzas solares de los Ayuntamientos de Barcelona, Madrid, Burgos,... obligan a la instalación de sistemas de aprovechamiento solar para la producción del agua caliente en las nuevas edificaciones –y reformas integrales- de las ciudades en las que habitan prácticamente el 20% de la población española (viviendas, hoteles, polideportivos,...) son los ejemplos más claros, ejemplos que ya están siguiendo ciudades como Pamplona, Zaragoza, Valladolid, Sevilla, Gijón,.... Las Ordenanzas Solares representan un buen ejemplo de situación en la que, con solar, ganamos t odos: vivienda (300m ), es la utilización de un sistema de producción instantáneo de ACS mediante un intercambiador acoplado al acumulador de inercia (Fig.16.b) Con ambos tipos de esquemas, conseguimos integrar en un único depósito los servicios de ACS y calefacción. Esta integración presenta como principal ventaja la simplificación del esquema hidráulico al máximo, (se ahorra en número de bombas, válvulas, control...) con el consiguiente ahorro en pérdidas térmicas y de espacio.

Fig.16.a: Sistemas de ACS y Calefacción con interacumulador trivalente.

Fig.16.b: Sistemas de ACS y Calefacción con acumulador de inercia y producción instantánea de ACS . 32 Impreso en papel reciclado/Datos técnicos EURO 01/2005

7. Dimensionado para ACS 7.1. Dimensionado aproximado de las instalaciones solares para ACS Para tener una aproximación antes de realizar el cálculo podemos dimensionar aproximadamente nuestra

Utilizando captadores planos de suficiente calidad, el área de captador requerida para cumplir los 2 requisitos de las ordenanzas solares suelen ser bastante reducidas (de 1.3 a 2.5m /vivienda tipo en función de la tecnología utilizada y la localización y el tamaño de la vivienda).

El espacio necesario a reservar para la instalación solar viene a ser de 2 a 3 veces el área de captadores en terrazas planas y de un 25% más del área de captadores si el montaje se realiza sobre un tejado inclinado.

La orientación ideal es mirando al sur y la inclinación ideal de los paneles es de unos 40º, pero desviaciones en orientación superiores a 45º y desviaciones de inclinación de más de 20º, suponen penalizaciones en la producción energética de la instalación solar mínimas. 2

La acumulación solar a instalar está entre los 50 y los 70L/m de captador solar.

En caso de utilizar intercambiadores para transferir al circuito de consumo la energía térmica 2 producida por el circuito solar, la potencia de los mismos será de 600-700 W por 1 m de captador.

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7. Dimensionado para ACS 7.2. Herramientas de cálculo Una de las diferencias principales entre los métodos de cálculo para el dimensionado de los equipos convencionales de producción de ACS y los equipos solares es que mientras que el parámetro más importante en los sistemas convencionales es la potencia del sistema y ésta se calcula para un instante (aquél en el que las condiciones sean más desfavorables) en el que se obtiene el pico de la demanda, los sistemas de energía solar requieren para evitar su sobredimensionado el seleccionarlos teniendo en cuenta la demanda de todo el año. En ese sentido se necesita información a lo largo de todo el año tanto de los parámetros climáticos de la ubicación como de la propia demanda. Entre los programas de cálculos para el cálculo del ahorro energético solar las diferencias fundamentales radican en el nivel de detalle de la información necesaria para introducir los datos de partida y en el nivel de detalle de los resultados. Cuanto más completo es el programa de cálculo permite mayor flexibilidad en las configuraciones de los sistemas solares que puede simular y suministra más información en los resultados, permitiendo comparar de una manera más precisa las distintas alternativas tanto de configuraciones de sistemas como de comportamiento de los diferentes captadores solares, acumuladores o intercambiadores. La problemática asociada a los programas más detallados está en ser capaces de suministrarles información de entrada suficiente y de calidad y en evitar los errores de manejo que pueden provocar resultados erróneos si la persona que los maneja no tiene un conocimiento adecuado. En la tabla a continuación mostramos tres programas de cálculo con tres niveles de sofisticación diferentes con sus ventajas e inconvenientes.

Programa

Ventajas datos: Valores mensuales su uso es mínimo.

Inconvenientes

Comentarios

entre distintas configuraciones de esquemas, ni de alternativas de control.

El Fchart está disponible desde hace más de 20 años como una correlación a configuraciones típicas simuladas con TRNSYS

estratificación del acumulador solar ni el efecto del caudal en el rendimiento del sistema. consumo constante a lo largo del día y para todo el año. amplio de configuraciones de esquemas con alternativas de control.

de Datos: Valores horarios. para su uso es medio

acumulador solar y el efecto del caudal en el rendimiento del sistema.

Alguna de las configuraciones típicas en nuestro país, en especial aquellas con calderas murales, no son directamente simulables, aunque se puede aproximar.

consumo configurable a lo largo del día, mes y año.

esquemas y en la selección de modelos de simulación de cada

de Datos: Valores horarios. para su uso es alto.

Empiezan a estar disponibles programas de simulación para las configuraciones típicas en nuestro país obtenidos a partir de TRNSYS y de uso no tan complejo (TRANSOL.PRO 1.2)

34 Impreso en papel reciclado/Datos técnicos EURO 01/2005

7. Dimensionado para ACS 7.2. Herramientas de cálculo TRANSOL

detallada de TRNSYS a configuraciones cerradas para instalaciones solares con calderas distribuidas en multiviviendas.

de Datos: Valores horarios.

para su uso es medio.

Pensado para las configuraciones típicas en nuestro país con calderas murales o termos eléctricos.

estratificación del acumulador solar y el efecto del caudal en el rendimiento del sistema.

Sensibilidad de la productividad solar a los parámetros e los captadores solares. Ejemplo calculado con FChart. Como ejemplo de la influencia de los parámetros característicos de los captadores solares en la productividad anual de la instalación, mostramos a continuación los resultados de la cobertura solar que se obtiene para un caso tipo:

El programa de simulación empleado ha sido el F-Chart, programa de simulación de sistemas solares térmicos. En la figura 17 mostramos la sensibilidad de la cobertura solar a los parámetros de los colectores variando el área.

Fig.17: Sensibilidad de la cobertura solar a los parámetros de los colectores variando el área.

En la tabla a continuación y en la figura 18 mostramos, para el mismo caso base, el área requerida de distintas tecnologías de captadores solares para conseguir la cobertura solar del 60% y del 75% de la misma demanda (hay www.wagner-solar.com Errores y modificaciones reservadas

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7. Dimensionado para ACS 7.2. Herramientas de cálculo que recordar que los requisitos exigidos por el CTE y por las ordenanzas, es de cobertura solar por vivienda, no por área de vivienda). Se observa que hay diferencias muy significativas, y utilizando un buen captador solar, se requiere mucha menos área que usando uno de peor rendimiento. Esta conclusión choca con le criterio generalmente aceptado de que “da prácticamente lo mismo usar un captar bueno que uno malo” u otro como “en España hasta un cubo al sol se calienta”.

Madrid (1000L a 45º, V/A=70L/m2) Fracción solar 60% (Eta0, UL)

Fracción solar

75%

Área requerida

60% (Eta0, UL)

75%

(Eta0, UL) Área requerida

0.74, 3.0

9.6

13

0.74, 3.0

100%

100%

0.74, 4.5

10.45

14.6

0.74, 4.5

109%

112%

0.74, 6.0

11.1

15.8

0.74, 6.0

116%

122%

0.70, 4.5

11.2

16.5

0.70, 4.5

117%

127%

0.70, 6.0

12.2

18.1

0.70, 6.0

127%

139%

0.70, 7.5

13.8

20.7

0.70, 7.5

144%

159%

Fig. 18: Áreas de captación requeridas para obtener una cobertura solar del 60% y del 75% para la demanda tipo en Madrid y en función de los parámetros de los captadores solares.

Para entender de donde surge esta diferencia, mostramos en la figura 19 la comparación dentro las coberturas solares mensuales para el caso base con dos captadores solares diferentes: el Euro C20 HTF de Wagner Solar 2 (Eta0=0,74;ULINT A T in= 3,0 W/m C) como ejemplo de captador de alta calidad y uno de referencia (Eta0=0,72;UL INT A 2 T in= 5,1 W/m C) con unos parámetros representativos de los campeadores meda.

36 Impreso en papel reciclado/Datos técnicos EURO 01/2005

7. Dimensionado para ACS 7.2. Herramientas de cálculo

Fig. 19: Coberturas solares mensuales y anuales con dos captadores y diferentes áreas. 2

Se observa que para la demanda tipo y con el mismo área (14,6 m ), con el captador EURO C20 HTF, obtenemos la cobertura del 75,0 %, mientras que con el de referencia obtenemos un 67,1 %, viniendo la diferencia del comportamiento durante le invierno, ya que en verano el comportamiento con los dos captadores es básicamente idéntico (en verano si se cumple el que “en España hasta un cubo al sol se calienta”, pero no en invierno). Dado que la ordenanza de Madrid exige el 75% de cobertura solar, independientemente del área de captadores 2 instalados, hay que aumentar el área del captador de referencia hasta los 18 m , lo que representa un aumento del 2 área /y del coste) del 23%. Es especialmente interesante remarcar que con el área de 14,6 m el captador de referencia ya alcanzaba prácticamente el 100% de cobertura solar en verano, con lo que cuando a este captador con peores parámetros se le exige llegar al 75% de cobertura, va a experimentar más situaciones de estancamient o, y por lo tanto mas degradación, que el captador de mejor rendimiento. Por lo tant o, cuanto peor sea el captador, si se le exige llegar a coberturas de la normativa, mas área hace falta, y por tanto, estará periodos mas largos en estancamiento.

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8. Especificidades Solares 8.1. Requisitos de seguridad Los requisitos de seguridad de los sistemas solares son semejantes al resto de instalaciones térmicas en los edificios. Únicamente es de interés el resaltar algunas de las más importantes y sus peculiaridades: importante el respetar las normas de prevención de accidentes para trabajos en altura durante el montaje y puesta en marcha. es importante adoptar las protecciones adecuadas para evitar daños a las personas. en el circuito primario solar donde se pueden alcanzar las presiones y temperaturas más elevadas. sistemas de protección contra descargas atmosféricas.

captadores. Esta restricción es menos importante en sistema con vaciado automático (drain back).

resistir las temperaturas mínimas, y al vez, capaces de aguantar las temperaturas de estancamiento sin que se descompongan los aditivos antioxidantes que llevan. escape del medio portador de calor durante las paradas de bomba con el captador en estancamiento. edificios deben asegurarse para soportar las cargas de viento y nieve y transmitirlas adecuadamente al edificio sin causar daños. Así mismo debe evitarse que su fijación provoque cualquier daño a los sistemas de impermeabilización del edificio.

Fig.20: Sistemas de seguridad. Localización 38 Impreso en papel reciclado/Datos técnicos EURO 01/2005

8. Especificidades Solares 8.2. Selección de equipos hidráulicos Los criterios generales son idénticos a los de un sistema convencional de calefacción, salvo el que las temperaturas que pueden alcanzarse son mucho mayores cuando la bomba de primario solar está parada y los captadores solares se encuentran a pleno sol (estancamiento), lo que conlleva la presencia de vapor en el circuito primario. Las precauciones adicionales a tomar son:

el generador de calor (EL CAPTADOR SOLAR) y el vaso. Su dimensionado debe tener en cuenta la formación de vapor en el captador. condiciones extremas de funcionamiento (presión y temperat ura), teniendo en cuenta las temperaturas alcanzables con la bomba de primario solar parada y a pleno sol (estancamiento). las tuberías o accesorios a las temperaturas de estancamiento, y aguantará la acción del UV. que no alcance zonas que no aguanten su temperatura, evitándose su escape por purgadores y deaereadores.

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ANEXO 1: Cálculos Rápidos Instalaciones Solares Térmicas El objetivo de este punto es dar una primera aproximación al dimensionado de todos los componentes de una instalación solar de A.C.S., para realizarlo con suficiente precisión, pero en poco tiempo y con poco esfuerzo.

Los pasos ha seguir en el diseño son los siguientes: 1. Calcular el consumo anual de A.C.S. y el aporte solar demandado por la normativa ó el más conveniente para la instalación. 2.

Elección de un esquema de principio donde se elija la mejor implantación con el sistema convencional.

3.

Dimensionar el campo solar.

4.

Colocación de los captadores solares en el edificio y su mejor integración con el mismo.

5.

Dimensionar el resto de los componentes de la instalación

En general, a las instalaciones recogidas bajo este documento le son de aplicación el Reglamento de Instalaciones Térmicas en Edificios (RITE), y sus Instrucciones Técnicas Complementarias (ITC), junto con la serie de normas UNE sobre solar térmica. 1.

Cálculo del consumo anual de A.C.S. y elección de la cobertura solar anual.

a.

Cálculo del consumo anual de A.C.S.

Como referencia se pueden utilizar para el diseño los consumos unitarios máximos expresados en la siguiente tabla.

Criterios de consumo

Litros/día a 45 ºC

Litros/día a 60 ºC

Viviendas unifamiliares

40

30

Unidad de referencia por persona

Viviendas multifamiliares

30

22

por persona

Hospitales y clínicas

80

55

por cama

Hotel ****

100

70

por cama

Hotel ***

80

55

por cama

Hotel/Hostal **

60

40

por cama

Camping

60

40

por emplazamiento

Hostal/Pensión *

50

35

por cama

Residencia (ancianos, estudiantes, etc)

80

55

por cama

Vestuarios/Duchas colectivas

20

15

por servicio

Escuelas

5

3

por alumno

Cuarteles

30

20

por persona

Fábricas y talleres

20

15

por persona por persona

Oficinas

5

3

30 a 40

20 a 25

Lavanderías

5a7

3a5

Restaurantes

8 a 15

5 a 10

2

1

Gimnasios

Cafeterías

por usuario por kilo de ropa por comida por almuerzo

Fuente C.T.E. www.wagner-solar.com Errores y modificaciones reservadas

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ANEXO 1: Cálculos Rápidos Instalaciones Solares Térmicas En el uso residencial el cálculo del número de personas por vivienda deberá hacerse utilizando como valores mínimos los que se relacionan a continuación:

Número de dormitorios Número de Personas

1

2

3

4

5

6

7

1,5

3

4

6

7

8

9

más de 7 Nº de dormitorios

No hay que olvidar incluir en la demanda de energía las pérdidas energéticas en la distribución de calor y en los acumuladores, tanto en los circuitos solares como convencionales.

b. Elección de la cobertura solar La contribución solar mínima anual es la fracción entre los valores anuales de la energía solar aportada exigida y la demanda energética anual, obtenidos a partir de los valores mensuales. El aporte solar demandado por las ordenanzas municipales solares varía según la normativa entre el 50 % y el 75 %, en función del área geográfica donde este situada y del consumo total del edificio. En las tablas siguientes se indican, las contribuciones solares mínimas anuales que demanda el nuevo Código Técnico de la Edificación para cada zona climática, a una temperatura de referencia de 60 ºC, considerándose los siguientes casos:

Joule.

Contribución Solar Mínima en %. Caso General Demanda total de ACS del edificio (I/d)

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Zona climática I

II

III

IV

V

50-5.000

30

30

50

60

70

5.000-6.000

30

30

55

65

70

6.000-7.000

30

35

61

70

70

7.000-8.000

30

45

63

70

70

8.000-9.000

30

52

65

70

70

9.000-10.000

30

55

70

70

70

10.000-12.500<...