3. Resultados de los ensayosbibing.us.es/proyectos/abreproy/5061/descargar_fichero/6...Si se suman...

3. Resultados de los ensayos

3.1. Test A (18/10/2011 al 20/10/2011)

A continuación se exponen las condiciones atmosféricas de los días de Test A válidos:

Fecha H(MJ/m2) Gmedia

(W/m2)

Gmax

(W/m2)

Tv,media

(ºC)

vv,media

(m/s)

Ta,media

(ºC)

QL,tot

(MJ)

18/10/11 22,21 325 934 22,8 4,67 23,2 78,39

19/10/11 22,06 255 960 21,68 4,27 21,9 92,38

20/10/11 21,98 255 930 21,75 4,7 22,1 92,83

Tabla 3.1: condiciones atmosféricas del test A y energía extraída.

H: radiación sobre el plano de captadores, es decir, energía incidente por unidad de

superficie sobre el plano de captadores, obtenida por integración de la irradiancia

durante un intervalo de tiempo dado, normalmente una hora o un día, en este caso un

día.

Gmedia: irradiancia media sobre el plano de captadores, es decir, potencia radiante

incidente por unidad de superficie sobre un plano dado.

Gmax: irradiancia máxima sobre el plano de los captadores.

Tv,media: temperatura media del viento.

Vv,media: velocidad media del viento en el plano de captadores.

Ta,media: temperatura ambiente media cerca de los captadores.

QL,total: calor cedido por el sistema solar a través de las extracciones.

El cálculo de QL,total (energía total cedida por el sistema solar de calentamiento a la

salida) se obtiene a partir de las diferentes extracciones que se hacen cada día y con la

siguiente expresión recogida de la norma:

QL = ∫

(Tsa)· s· p (Tea, Tsa)·(Tsa – Tea)dt

t0: instante de comienzo de la extracción.

tf: instante en el que se termina la extracción.

(Tout): densidad del agua a la temperatura de salida de la extracción.

A continuación se muestran otros datos tomados durante los días de Test A válidos:

Día

Hora

comienzo

Duración

(s)

Volumen de

extracción

(l)

Tsa (ºC)

Tea(ºC)

Ta (ºC)

QL (MJ)

18/10/11 5:10:25 8914 1504 17,783 17,73 15,716 5,44

18/10/11 9:45:27 734 135 18,173 17,565 17,471 0,277

18/10/11 11:45:27 732 135 27,585 17,653 24,116 5,267

18/10/11 13:45:27 730 135 40,82 17,751 28,595 12,621

18/10/11 14:45:27 732 135 43,815 17,689 29,9 14,560

18/10/11 15:45:27 732 135 44,709 18,18 30,605 15,039

18/10/11 17:45:27 730 135 45,758 18,532 29,888 15,298

18/10/11 20:45:27 732 135 44,698 17,841 23,395 15,328

19/10/11 9:45:29 734 135 32,005 17,827 16,619 10,323

19/10/11 11:45:27 732 135 30,485 17,774 22,259 6,949

19/10/11 13:45:29 732 135 42,466 17,77 26,501 13,601

19/10/11 14:45:27 730 135 44,785 17,544 28,651 15,088

19/10/11 15:45:29 732 135 45,254 17,62 29,176 15,441

19/10/11 17:45:29 730 135 45,825 17,636 29,46 15,628

19/10/11 20:45:29 734 135 44,681 17,823 25,23 15,352

20/10/11 9:45:29 732 135 31,323 17,867 16,405 10,095

20/10/11 11:45:29 732 135 30,596 17,666 22,473 7,017

20/10/11 13:45:29 730 135 42,974 17,743 28,608 13,859

20/10/11 14:45:29 734 135 45,339 17,609 30,57 15,429

20/10/11 15:45:29 732 135 45,573 17,68 31,354 15,361

20/10/11 17:45:29 732 135 45,611 17,513 30,816 15,558

20/10/11 20:45:27 732 135 44,432 17,472 24,156 15,238

20/10/11 22:30:27 8914 1505 17,793 17,728 20,791 17,361

Tabla 3.2: algunas variables de interés medidas durante el test A.

Si se suman para cada día el calor cedido por el sistema (QL) se obtiene QL,tot.

El caudal de extracción debía estar en el intervalo [9,11] l/min según la norma ISO

9459-5. Si se divide el volumen de extracción entre la duración de la extracción se

observa cómo se cumple. También se cumple con el volumen de extracción así como

con que el tiempo de comienzo de la primera extracción debía estar entre las 6:30 y las

8:00 hora solar. En este caso, las 9:45:27 se corresponden con las 7,61 hora solar. Se

producen 7 extracciones cada día cada 2 horas, excepto la cuarta, que está separada una

hora de la tercera y quinta extracción.

Se observa cómo hay dos períodos de acondicionamiento al principio y al final del Test

A como indicaba la norma ISO 9459-5. Estas extracciones superan los 1200 litros (3

veces el volumen del acumulador) y se detienen cuando las temperaturas de salida y

entrada al acumulador son similares.

3.2.Test B (21/10/2011 al 23/10/2011)

A continuación se exponen las condiciones atmosféricas de los días de Test B válidos:


(W/m2)

Gmax

(W/m2)

Tv,media

(ºC)

vv,media

(m/s)

Ta (ºC)

QL,tot

(MJ)

21/10/11 21,76 252 926 21,94 4,17 22,18 43,92

22/10/11 15,87 184 1096 21,29 4,37 21,54 55,26

23/10/11 16,06 186 1249 18,95 3,92 19,08 32,07

Tabla 3.3: condiciones atmosféricas del test B y energía extraída.

El cálculo de QL,tot se hace igual que en el test A. Se muestran ahora otros datos

tomados durante los días de Test B válidos:

Día

Hora

comienzo

Duración

(s)

Volumen

de

extracción

(l)

Tsa (ºC)

Tea (ºC)

Ta (ºC)

QL

(MJ)

20/10/11 22:30:27 8914 1505,3 17,793 17,728 20,791 17,361

21/10/11 11:45:31 32 17,30 26,911 17,760 23,726 0,619

21/10/11 13:45:31 32 17,55 42,601 17,160 27,948 1,711

21/10/11 15:45:29 416 81,96 56,825 17,405 30,732 13,164

21/10/11 17:45:31 416 82,16 59,838 17,507 29,69 14,289

21/10/11 19:45:31 418 82,08 59,258 17,615 26,016 14,133

22/10/11 11:45:17 418 82,01 51,131 17,735 21,720 11,725

22/10/11 13:45:29 32 17,21 48,112 17,359 27,961 2,134

22/10/11 15:45:31 416 81,93 58,84 17,490 27,446 13,941

22/10/11 17:45:31 420 82,17 58,413 17,441 25,964 13,863

22/10/11 19:45:31 420 82,03 57,503 17,837 23,692 13,595

23/10/11 11:45:31 36 17,43 47,836 17,843 22,020 2,179

23/10/11 13:45:29 34 17,47 46,492 17,875 22,648 2,080

23/10/11 15:45:31 34 17,32 49,682 17,854 20,768 2,251

23/10/11 17:45:29 418 82,03 55,407 17,582 24,385 12,794

23/10/11 19:45:31 418 82,02 55,160 17,749 20,519 12,765

23/10/11 22:30:31 8916 1504,88 17,795 17,787 18,597 36,021

Tabla 3.4: algunas variables de interés medidas durante el test B.

El acondicionamiento final del Test A sirve como acondicionamiento inicial para el Test

B. Cada día hay 5 extracciones separadas por dos horas. La primera extracción se

produce a las 11:45:32 (9,62 hora solar), cumpliendo la franja que establecía la norma

(8:30 a 10:00 hora solar).

Las extracciones al comienzo del test serán de pequeña cantidad para alcanzar

temperaturas elevadas. La temperatura límite resulta ser 50 ºC, ya que el volumen de

almacenamiento es de 400 litros y el área de apertura de los captadores igual a 7,05 m2,

por lo que el parámetro Vs/Ac es igual a 56,7 l/m2. El equipo está programado para que

la extracción mínima sea de 16 litros, valor por encima de 5 litros, de forma que al

principio del Test B se extrae una cantidad aproximada a la mínima de forma que la

temperatura de salida del acumulador se incremente. En las siguientes extracciones, en

las que se ha alcanzado la temperatura límite la extracción, ésta continúa hasta que la

temperatura de salida baja hasta la temperatura límite o hasta que el volumen extraído

de la extracción supere el 20 % del volumen de almacenamiento (80 litros).

Se observa cómo se cumplen las condiciones de la secuencia S-sol:

Se han registrado 3 días válidos de Test A y otros 3 días de Test B.

De los 3 días válidos de Test B, dos son consecutivos.

El número de días válidos de Test A (3) es mayor que el número total de días en

los que se ha realizado el Test A (5) y lo mismo ocurre con el Test B, en los que

el número de días válidos es 3 y el número total de días es 4.

Se observa cómo los acondicionamientos inicial y final finalizan cuando la diferencia

entre las temperaturas de entrada y salida del acumulador es menor de 1 K,

extrayéndose una cantidad mayor de 3 veces el volumen del acumulador.

3.3.Secuencia S-store (24/10/2011 al 27/10/2011)

Se presentan a continuación las condiciones ambientales de los dos días válidos de Test

B:


(W/m2)

Gmax

(W/m2)

Tv,media

(ºC)

vv,media

(m/s)

Ta (ºC) QL,tot

(MJ)

24/10/2011 16,44 190 1301 19,64 4.14 19,68 25,83

25/10/2011 15,8 183 1345 17,1 3.83 17,15 52,43

Tabla 3.5: condiciones atmosféricas de la secuencia S-store y energía extraída.

Ahora se muestran las distintas extracciones de los días de Test B así como los

acondicionamientos inicial y final. El acondicionamiento inicial se produce antes de los

dos días de Test B y el final después del período de enfriamiento:

Día

Hora

comienzo

Duración

(s)

Volumen

de

extracción

(l)

Tsa(ºC)

Tea(ºC)

Ta (ºC)

QL

(MJ)

23/10/11 22:30:31 8916 1504,88 17,795 17,787 18,597 36,021

24/10/11 11:45:33 34 17,30 18,341 17,954 18,553 0,0453

24/10/11 13:45:33 34 17,53 27,910 17,676 20,670 0,710

24/10/11 15:45:33 34 17,21 42,693 17,286 24,996 1,719

24/10/11 17:45:33 420 82,29 52,018 17,877 26,563 11,661

24/10/11 19:45:33 440 82,21 51,994 17,653 20,327 11,699

25/10/11 11:45:35 38 17,48 47,730 17,651 18,008 2,223

25/10/11 13:45:33 422 82,24 54,482 17,657 21,719 12,438

25/10/11 15:45:31 420 81,94 55,455 17,927 23,268 12,816

25/10/11 17:45:33 418 82,10 54,927 17,963 22,889 12,708

25/10/11 19:45:33 422 82,04 52,581 17,843 17,243 12,249

27/10/11 11:45:21 8914 1504,50 17,768 17,523 20,147 18,703

Tabla 3.6: algunas variables de interés medidas durante la secuencia S-store.

La extracción final del día 23 de octubre, último día de la secuencia S-sol, sirve como

acondicionamiento inicial para la secuencia S-store. Cada día se producen 5

extracciones separadas por 2 horas. La primera extracción se produce sobre las 11:45,

que corresponde a las 9,62 hora solar (según la norma, la primera extracción debía ser

entre las 8:30 y las 10:00 hora solar).

Al igual que en los días de Test B de la secuencia S-sol, el sistema está programado

para que la extracción mínima sea de 16 litros, de forma que al principio se extrae una

cantidad cercana a esa cifra para que la temperatura de salida del acumulador ascienda.

Una vez que se alcanza la temperatura límite (50 ºC) las siguientes extracciones

continúan hasta que la temperatura de salida del acumulador cae por debajo de 50 ºC o

hasta que la extracción sobrepase el 20 % del volumen del acumulador (80 litros).

Después de los dos días de Test B, hay un período de enfriamiento que dura de 36 a 48

horas, en nuestro caso 44,48 horas, desde las 19:52:35 del día 25 de octubre hasta las

16:21:23 del día 27 de octubre. Para llevar a cabo este período se para la bomba y

cuando hay radiación solar se tapan los captadores con unas mantas. Por último, se

realiza un acondicionamiento final.

Los acondicionamientos inicial y final finalizan cuando la diferencia entre las

temperaturas de entrada y salida del acumulador es menor de 1 K, superándose los 1200

litros.

3.4. Cálculo de los parámetros característicos y del comportamiento a largo plazo

del equipo según la norma ISO 9459-5

Ya se está en disposición de identificar los parámetros característicos del equipo

mediante un software que se basa en que la operación de un equipo solar de baja

temperatura puede describirse mediante una ecuación diferencial en derivadas parciales

donde cada término representa un subproceso. Esto no es más que un modelo

matemático dinámico del equipo, y el software tiene como objetivo calcular el

coeficiente de cada término de la ecuación, que son los llamadas parámetros

característicos. Esto se consigue con el funcionamiento del equipo en un amplio rango

de condiciones y el software utiliza las herramientas matemáticas apropiadas para

ajustar los parámetros a los datos medidos. Los parámetros identificados se usan

después para la predicción del comportamiento a largo plazo del equipo para cualquier

clima y demanda de agua caliente y son los siguientes:

Parámetro Símbolo Valor Unidad

Área efectiva del campo de captadores Ac* 5,22 m2

Coeficiente efectivo de pérdidas del captador uc* 9,47 W/m2K

Coeficiente global de pérdidas de calor del acumulador US 3,69 W/K

Capacidad calorífica global del acumulador CS 1,542 MJ/K

Constante de mezcla DL 0,0269 -

Parámetro de estratificación Sc 0,000 -

Tabla 3.7: parámetros característicos del equipo solar.

Para obtener el comportamiento a largo plazo del equipo solar se usa el mismo modelo

que para calcular los parámetros anteriores con los siguientes cambios:

Un termostato que reduzca la temperatura de salida hasta la temperatura

damandada.

El funcionamiento del lazo del campo de captadores se para para temperaturas

superiores a 100 ºC.

La tercera variante no se ha incluido al no estar en funcionamiento el equipo auxiliar.

Aunque se use el mismo modelo, deben utilizarse diversos datos climáticos así como

distintos volúmenes de demanda de agua caliente, y en cada caso el software nos dará

un valor de la energía suministrada por el equipo (QL) anualmente. Bajo las mismas

condiciones recogidas en la tabla 3.8, extraída de la norma UNE-EN 12976-2, se

calculan la demanda de calor (Qd) anual y la energía parásita consumida por la bomba y

por los controles (Qpar).

A continuación se recoge un esquema en el que se describe gráficamente el proceso

seguido para la obtención del comportamiento a largo plazo del equipo:

Ensayos exteriores: Ssol,a; Ssol,b; Sstore

Figura 3.1: proceso seguido para la obtención del comportamiento a largo plazo del equipo.

Ensayos exteriores sobre el equipo

Registro de datos

Parámetros del equipo

Predicción anual del comportamiento del equipo para varios climas y varios

volúmenes de agua caliente

Tabla 3.8: condiciones de referencia de la norma UNE-EN 12976-2.

Para calcular la demanda anual de calor se utiliza el volumen de carga, la temperatura

de agua fría y la temperatura deseada de agua caliente. El volumen de carga variará

desde 50 l/día a 600 l/día. La temperatura de agua fría se calcula de acuerdo a la

siguiente fórmula tomada de la norma UNE-EN 12976-2:

cw = media + amplitud·sen(2 ·([Día] – Ds)/365)

donde

cw (ºC) es la temperatura del agua fría a usar para la presentación del

rendimiento;

media (ºC) es la temperatura media anual en el sitio de referencia;

amplitud (ºC) es la amplitud promedio de las variaciones estacionales en el sitio de

referencia;

[Día] es el número del día del año;

Ds es el término de ajuste;

Para las localidades de referencia se tienen los siguientes valores:

Localidad de

referencia

media

(ºC)

amplitud

(ºC)

Ds

(día)

Stockholm 8,5 6,4 137

Würzburg 10,0 3,0 137

Davos 5,4 0,8 137

Athens 17,8 7,4 137

Tabla 3.9: valores anuales de la temperatura media, amplitud promedio y del término de ajuste para las localidades

de referencia.

De esta forma para cada día del año se puede calcular la temperatura de agua fría y

calcular la demanda de calor como sigue:

Qd = s · Cp · (Tac – Taf)

donde

(kg/m3) densidad del agua;

s (m3/dia) caudal de agua caliente extraído al día;

Cp (kJ/kgK) calor específico del agua a presión constante;

Tac (ºC) temperatura del agua caliente (45ºC);

Taf (ºC) temperatura del agua fría para el día de cálculo ( cw según la norma

UNE-EN 12976-2);

Las expresiones tanto de la densidad como del calor específico a presión constante se

describieron anteriormente en el punto

Por otro lado, la energía parásita se calcula de acuerdo a la norma UNE-EN 12976-1.

Básicamente, se indica que el consumo de electricidad anual de las bombas, sistemas de

control y válvulas eléctricas del sistema se tenga en cuenta bajo las mismas condiciones

que las especificadas para el rendimiento térmico, asumiendo un tiempo de operación de

la bomba de captadores de 2000 horas.

La bomba consume para el modo de operación empleado 46 W, mientras que la

centralita consume 5,42 W. Teniendo en cuenta que la bomba trabaja 2000 horas al año

y la centralita lo hace durante todas las horas se tiene:

Qpar, anual = 46·2000 + 5,42·8760 = 139479,2 W·h = 502 MJ

De esta forma se obtienen los siguientes resultados:

Volumen de agua caliente de 50 l/dia

Localidad Qd (MJ) QL (MJ) fsol Qpar (MJ) fsol con Qpar

Stockholm 2791 2140 0,767 502 0,587

Wuerzburg 2676 2135 0,798 502 0,610

Davos 3028 2923 0,965 502 0,799

Athens 2080 2044 0,983 502 0,741

Tabla 3.10: valores anuales para un volumen diario de agua caliente de 50 litros.



Stockholm 4465 3338 0,748 502 0,635

Wuerzburg 4282 3316 0,774 502 0,657

Davos 4845 4632 0,956 502 0,852

Athens 3327 3254 0,978 502 0,827




Stockholm 6140 4447 0,724 502 0,642

Wuerzburg 5888 4399 0,747 502 0,662

Davos 6662 6283 0,943 502 0,868

Athens 4575 4440 0,97 502 0,861




Stockholm 7814 5472 0,7 502 0,636

Wuerzburg 7494 5399 0,721 502 0,653

Davos 8479 7847 0,925 502 0,866

Athens 5823 5602 0,962 502 0,876




Stockholm 9489 6434 0,678 502 0,625

Wuerzburg 9099 6340 0,697 502 0,642

Davos 10295 9318 0,905 502 0,856

Athens 7071 6736 0,953 502 0,882




Stockholm 11163 7310 0,655 502 0,610

Wuerzburg 10705 7195 0,672 502 0,625

Davos 12112 10667 0,881 502 0,839

Athens 8319 7821 0,94 502 0,880




Stockholm 13954 8638 0,619 502 0,583

Wuerzburg 13381 8512 0,636 502 0,599

Davos 15140 12694 0,838 502 0,805

Athens 10398 9556 0,919 502 0,871

Tabla 3.16: valores anuales para un volumen diario de agua caliente de 250 litros



Stockholm 16745 9856 0,589 502 0,559

Wuerzburg 16058 9744 0,607 502 0,575

Davos 18168 14500 0,798 502 0,770

Athens 12478 11176 0,896 502 0,855




Stockholm 22327 11658 0,522 502 0,500

Wuerzburg 21410 11717 0,547 502 0,524

Davos 24225 17125 0,707 502 0,686

Athens 16637 13880 0,834 502 0,804




Stockholm 33490 12549 0,375 502 0,360

Wuerzburg 32115 13194 0,411 502 0,395

Davos 36337 18286 0,503 502 0,489

Athens 24956 16948 0,679 502 0,659


La fracción solar se ha calculado como el cociente entre la energía suministrada por el

sistema solar y la energía demandada. La última columna corresponde a la fracción

solar teniendo en cuenta la energía parásita (fsol con Qpar =

). La siguiente figura

muestra los resultados de forma gráfica para las distintas localidades de referencia:

Figura 3.2: energía extraída anual frente al volumen diario de agua caliente para las 4 localidades de referencia.

La tendencia de la energía extraída es casi lineal hasta que se llega un volumen diario de

agua caliente de 400 litros. El incremento que supone pasar de 400 litros a 600 es

mucho menor que los incrementos producidos anteriormente.

0 100 200 300 400 500 600 0.2

0.4

0.6

0.8

1

1.2

1.4

1.6

1.8

2 x 10 4

Vs(l/dia)

QL

(M

J)

QL Stockholm QL Wuerzburg QL Davos QL Athens

Figura 3.3: fracción solar frente al volumen de agua caliente para las 4 localidades de referencia.

Se observa cómo la fracción solar disminuye conforme aumenta el volumen diario de

agua caliente. Esto se debe a que al aumentar el volumen de agua caliente aumenta más

la demanda de calor que el calor suministrado por el sistema solar.

Figura 3.4: fracción solar frente a volumen de agua caliente incluyendo la energía parásita para las 4 localidades de

referencia.

0 100 200 300 400 500 600 30

40

50

60

70

80

90

100

Volumen agua caliente(l/dia)

Fra

cció

n s

ola

r

Fracción solar Stockholm Fracción solar Wuzburg Fracción solar Davos Fracción solar Atenas

0 100 200 300 400 500 600 30

40

50

60

70

80

90

Volumen agua caliente(l/dia)

Fra

cció

n s

ola

r te

nie

nd

o e

n c

ue

nta

Qp

ar

Fracción solar Stockholm Fracción solar Wuzburg Fracción solar Davos Fracción solar Atenas

Se observa cómo la fracción solar calculada teniendo en cuenta la energía parásita

presenta un máximo. Por tanto dependiendo de la ciudad, existirá un volumen de agua

caliente que dará la fracción solar óptima.

Con estos datos se puede calcular el rendimiento del equipo para las localidades de

referencia mediante la siguiente expresión:

=

Localidad

H45º

(MJ/m2)

QL

(MJ)

(%)

Atenas 16,95 46,43 38,85

Davos 16,61 50,10 42,78

Wurzburgo 12,13 36,15 42,27

Estocolmo 10,98 34,38 44,41 Tabla 3.20: rendimiento del equipo para las 4 localidades de referencia.

Los valores de la radiación media diaria para una orientación de los captadores solares

de 45º para las 4 localidades de referencia se tomaron del comité de certificación

Solarkeymark y la energía extraída diaria se ha calculado dividiendo le energía anual

entre 365 días para el caso de un volumen de agua caliente de 600 l diarios, ya que es

durante ese caso cuando la energía extraída durante los ensayos está más cerca de la

cantidad que proporciona la norma. Se observa cómo la energía extraída no aumenta de

forma proporcional a la radiación, con la consiguiente disminución del rendimiento. Se

podría pensar en un principio que el equipo daría mayor rendimiento en Atenas, que es

un clima mediterráneo que en Estocolmo, que es un clima nórdico. Por ello se suele usar

más la fracción solar que el rendimiento para indicar el comportamiento de un equipo

solar de baja temperatura.

3. Resultados de los ensayosbibing.us.es/proyectos/abreproy/5061/descargar_fichero/6...Si se suman...

Documents

Transcript of 3. Resultados de los ensayosbibing.us.es/proyectos/abreproy/5061/descargar_fichero/6...Si se suman...