4 Diseño de instalaciones solares térmicas - educaronline.es · Tema 4 Diseño de instalaciones...

Diseño de instalaciones solares térmicas

4

Tema 4 Diseño de instalaciones solares térmicas

Índice

4.1. La instalación solar térmica en la edificación ................................................................. 4 4.2. Contribución solar mínima en el Código Técnico de la Edificación .............................. 7 4.3. Estimación de la demanda de energía calorífica ........................................................... 11 4.3.1. Estimación de la demanda de ACS ............................................................................ 12 4.3.2. Cálculo de la demanda energética por consumo de ACS........................................... 19 4.3.3. Cálculo de la demanda energética para climatización de piscina cubierta ................ 22 4.4. Condiciones climáticas.................................................................................................. 26 4.4.1. Radiación solar incidente ........................................................................................... 26 4.4.2. Temperatura ambiente................................................................................................ 28 4.5. Energía solar térmica aportada...................................................................................... 28 4.6. Criterios generales......................................................................................................... 29 4.7. Método f-chart............................................................................................................... 30 4.8. Pérdidas de posición y por sombreado.......................................................................... 37 4.8.1. Aspectos generales ..................................................................................................... 37 4.8.2. Estimación de las pérdidas por orientación e inclinación .......................................... 40 4.8.3. Estimación de las pérdidas por sombreado ................................................................ 44 4.8.4. Distancia entre filas de captadores ............................................................................. 46 4.9. Condiciones de diseño del intercambiador.................................................................... 50 4.10. Condiciones de diseño del circuito hidráulico ............................................................ 51 4.11. Condiciones de diseño de la bomba ............................................................................ 55 4.12. Dimensionado del vaso de expansión ......................................................................... 56 4.12. Plan de vigilancia ........................................................................................................ 58 4.13. Plan de mantenimiento ................................................................................................ 59 4.14. Datos de entrada del proyecto ..................................................................................... 65 4.15. Estimación de la demanda energética de A.C.S.......................................................... 66 4.16. Contribución solar mínima de ACS ............................................................................ 68 4.17. Radiación solar incidente sobre el plano de captadores.............................................. 69 4.18. Cálculo de número de captadores y volumen de acumulación: método f-chart.......... 70 4.19. Volumen de acumulación y potencia de intercambio ................................................. 73 4.20. Datos de entrada del proyecto ..................................................................................... 75 4.21. Estimación de la demanda energética de A.C.S.......................................................... 75 4.22. Contribución solar mínima de ACS ............................................................................ 78 4.23. Radiación solar incidente sobre el plano de captadores.............................................. 79 4.24. Cálculo de número de captadores y volumen de acumulación: método f-chart.......... 80 4.25. Volumen de acumulación y potencia de intercambio ................................................. 83

2


Una vez descritas las principales características de las instalaciones solares

térmicas y de sus elementos, en este tema se aborda su diseño.

El punto de partida se encuentra en la exigencia de aporte solar que viene marcada

por la normativa actualmente en vigor, el Código Técnico de la Edificación, en su

Documento Básico de Ahorro de Energía, sección 4: “Contribución solar mínima de

agua caliente sanitaria” (CTE DB HE4). También resulta imprescindible la lectura del

Pliego de Condiciones Técnicas del IDAE que aunque no es de obligado

cumplimiento, orienta y asesora con gran rigor técnico. Ambos documentos se

encuentran fácilmente en la red.

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 instalación y para la posición del

campo de captadores, teniendo en cuenta posibles reducciones por

sombreado y por orientaciones diferentes de la óptima.

En función de la demanda de agua y de la ubicación de la instalación se determina

la contribución solar requerida. Para determinar el número (o superficie) de

captadores se aplica uno de los métodos de dimensionado reconocidos en el sector.

En este documento se trabaja con el llamado método f-chart, de amplia difusión y

reconocimiento.

Para poder dimensionar la instalación deben conocerse de antemano las principales

características de los captadores para poder cotejar en cada instalación cual es el

que mejor encaja, bien por dimensiones, por superficie de captación, por calidad, por

precio, etc.

Después de la descripción del método de diseño, el tema aborda dos casos

prácticos. A continuación se indican las tareas de mantenimiento a realizar, para

concluir con un análisis energético y económico de este tipo de sistemas.

3


4.1. La instalación solar térmica en la edificación

En el tema inicial se ha presentado la evolución y la situación actual de la utilización

de sistemas solares activos para la generación de calor en la edificación.

Son instalaciones con un grado de implantación importante en determinadas zonas

del planeta con elevada insolación, partiendo de sistemas sencillos y poco costosos

que, con el tiempo, han ido perfeccionándose.

En la mayor parte de los casos, la instalación solar térmica ha constituido un añadido

al edificio, ya que normalmente su instalación ha sido posterior al propio diseño y

construcción de la edificación. El hecho de que la gran mayoría de los sistemas

instalados hayan sido de pequeño tamaño permitía su disposición “a posteriori” en

edificios con condiciones adecuadas, en terrenos colindantes, azoteas, etc.

La necesidad de diversificar el uso de fuentes de energía y reducir en lo posible el

consumo de recursos convencionales como gas o gasóleo ha provocado un

aumento importante en el número de sistemas instalados y, poco a poco, en su

tamaño.

Desde la aprobación del Código Técnico de la Edificación en marzo de 2006 se ha

extendido aún más el uso de sistemas térmicos en España y se han desarrollado

nuevos y mejores diseños de componentes.

Por su relevancia práctica este tema va a tomar como base de desarrollo de un

proyecto la aplicación de dicho Código Técnico, remarcando las posibles

ampliaciones sobre los mínimos en él exigidos.

En primer lugar debe quedar claro el ámbito de aplicación de la normativa actual, en

el Documento Básico HE4 del Código Técnico de la Edificación, sobre contribución

solar mínima de agua caliente sanitaria (referido como CTE DB HE4 en lo que sigue).

4


Como indica el propio documento:

“… es aplicable a los edificios de nueva construcción y rehabilitación de edificios

existentes de cualquier uso en los que exista una demanda de agua caliente

sanitaria y/o climatización de piscina cubierta.”

Cabe destacar que no se menciona el apoyo a la calefacción, lo que no impide

diseñar instalaciones con ese fin, junto al suministro de ACS, ya que el CTE DB HE4

únicamente establece los mínimos a cumplir.

Como es lógico, existen circunstancias que limitan o incluso excluyen el uso de

sistemas solares térmicos en determinados edificios. Así se recoge en el CTE:

“La contribución solar mínima determinada en aplicación de la exigencia básica…,

podrá disminuirse justificadamente en los siguientes casos:

a. cuando se cubra ese aporte energético de agua caliente sanitaria mediante el

aprovechamiento de energías renovables, procesos de cogeneración o

fuentes de energía residuales procedentes de la instalación de recuperadores

de calor ajenos a la propia generación de calor del edificio;

b. cuando el cumplimiento de este nivel de producción suponga sobrepasar los

criterios de cálculo que marca la legislación de carácter básico aplicable;

c. cuando el emplazamiento del edificio no cuente con suficiente acceso al sol

por barreras externas al mismo;

d. en rehabilitación de edificios, cuando existan limitaciones no subsanables

derivadas de la configuración previa del edificio existente o de la normativa

urbanística aplicable;

e. en edificios de nueva planta, cuando existan limitaciones no subsanables

derivadas de la normativa urbanística aplicable, que imposibiliten de forma

evidente la disposición de la superficie de captación necesaria;”

En los casos anteriores, salvo el a), se debe justificar en el proyecto la inclusión

alternativa de medidas o elementos que produzcan un ahorro energético térmico o

reducción de emisiones de dióxido de carbono, equivalentes a las que se obtendrían

5


mediante la correspondiente instalación solar, realizando mejoras en el aislamiento

térmico y rendimiento energético de los equipos.

Así mismo, existe un último caso de excepción por motivos del valor histórico-

artístico del edificio:

f. “cuando así lo determine el órgano competente que deba dictaminar en

materia de protección histórico-artística.”

Se establece un procedimiento para la verificación del cumplimiento del CTE DB

HE4, que incluye los siguientes puntos:

a. Obtención de la contribución solar mínima.

b. Cumplimiento de las condiciones de diseño y dimensionado.

c. Cumplimiento de las condiciones de mantenimiento.

La contribución solar es la fracción entre los valores anuales de la energía solar

aportada y la demanda energética anual, obtenidos ambos a partir de los valores

mensuales.

Según establece el CTE, en la memoria del proyecto debe definirse el método de

cálculo, especificando, al menos en base mensual, los valores medios diarios de la

demanda de energía y de la contribución solar.

Asimismo el método de cálculo incluirá las prestaciones globales anuales definidas

por:

a. La demanda de energía térmica.

b. La energía solar térmica aportada.

c. Las fracciones solares mensuales y anuales.

d. El rendimiento medio anual.

6


Como datos de partida para la obtención de la contribución solar, se debe conocer la

demanda energética mensual del edificio al que da servicio el sistema y la energía

solar que incide sobre la superficie de los captadores, también en base mensual.

En los siguientes apartados se analizan estos aspectos, dejando para secciones

posteriores la explicación y aplicación del método de dimensionado y cálculo de la

contribución solar de la instalación, su diseño completo y sus necesidades de

mantenimiento.

4.2. Contribución solar mínima en el Código Técnico de la Edificación

El CTE DB HE4 exige que toda edificación acogida en su ámbito de aplicación

disponga de una instalación solar térmica que sea capaz de suministrar, en diseño,

una contribución solar mínima, en función de la zona climática y del nivel de

demanda de agua caliente sanitaria del edificio, a una temperatura de referencia de

60ºC.

Establece dos categorías dependiendo de cuál sea la fuente de generación auxiliar:

a. General: suponiendo que la fuente energética de apoyo sea gasóleo, propano,

gas natural, u otras;

b. Efecto Joule: suponiendo que la fuente energética de apoyo sea electricidad

mediante efecto Joule, como ocurre con el calentamiento mediante

resistencias eléctricas.

7


Los valores exigidos de aporte solar mínimo anual, expresados en porcentaje sobre

el total, se recogen en las siguientes tablas, para ambas categorías y con

temperatura de referencia de 60ºC.

Zona climática Demanda total de

ACS del edificio

(m3/día) I II III IV V

0,05-5 30 30 50 60 70

5-6 30 30 55 65 70

6-7 30 35 61 70 70

7-8 30 45 63 70 70

8-9 30 52 65 70 70

9-10 30 55 70 70 70

10-12,5 30 65 70 70 70

12,5-15 30 70 70 70 70

15-17,5 35 70 70 70 70

17,5-20 45 70 70 70 70

>20 52 70 70 70 70

Tabla 4.1: Contribución solar mínima en % exigido por el CTE DB HE4. Caso general (gas, gasóleo,

propano, etc. Fuente: Código Técnico de la Edificación


ACS del edificio


0,05-1 50 60 70 70 70

1-2 50 63 70 70 70

2-3 50 66 70 70 70

3-4 51 69 70 70 70

4-5 58 70 70 70 70

5-6 62 70 70 70 70

>6 70 70 70 70 70

Tabla 4.2: Contribución solar mínima en % exigido por el CTE DB HE4. Caso calentamiento auxiliar

por efecto Joule (eléctrico). Fuente: Código Técnico de la Edificación

8


La distribución de zonas climáticas se establece en el propio CTE, a partir de los

datos de radiación solar global anual incidente sobre superficie horizontal, H, con los

intervalos indicados en la siguiente tabla. Los valores se expresan en kWh/m2,

debiendo multiplicar por 3,6 para pasar a MJ/m2.

Zona climática kWh/m2

I H<3,8

II 3,8 ≤H < 4,2

III 4,2 ≤H < 4,6

IV 4,6 ≤H < 5,0

V H ≥ 5,0

Tabla 4.3: Distribución de zonas climáticas en función de la radiación solar global anual

sobresuperficie horizontal. Fuente: Código Técnico de la Edificación

Se muestra el mapa de España en la figura 4.1, dejando para el anexo

correspondiente la asignación de zona climática por localidades.

Figura 4.1: Mapa de zonas climáticas para la aplicación del CTE DB HE4.

Fuente: Código Técnico de la Edificación

9


La zona climática I corresponde a los lugares de menor radiación incidente anual, en

el norte del país, mientras que la zona climática V es la de mayor insolación, al Sur.

Si se analizan las tablas anteriores y las diferencias entre los dos casos, con

generación auxiliar convencional o eléctrica, se observa una exigencia mucho mayor

de aporte solar en el segundo caso. Por ejemplo, en edificios con demanda

pequeña-media (entre 50 litros por día y 1.000 litros por día) para zona climática II,

se exige un 30% más de contribución solar si se utiliza calentamiento auxiliar

eléctrico. En la zona climática III esta diferencia es del 20% y en al IV del 10%. En la

zona V ambos casos alcanzan el tope de 70% de contribución exigida.

La electricidad se considera una energía de mayor “calidad”, generalmente se

produce a partir del calor, por lo que resulta poco eficiente utilizar electricidad para

retornar a usos caloríficos. Es diferente el caso en el que esta electricidad haya sido

generada mediante energías renovables, no consumidoras de combustibles

convencionales.

En cuanto a las diferencias por zona climática, como es lógico se exige una mayor

contribución solar en los lugares donde la insolación es superior, con un 30% en

zona I y un 70% en zona V para instalaciones de tamaño pequeño-medio y

combustible convencional.

Desde un punto de vista cualitativo, sin entrar todavía en el detalle del cálculo de la

instalación, puede decirse que se alcanzan los valores de contribución exigidos para

cada zona con sistemas de tamaño similar. De esta forma los costes totales de

construcción no se incrementan en exceso en unas zonas respecto a otras.

Debe comprenderse, sin embargo, que en las zonas con menor insolación y menor

exigencia de contribución solar, el gasto anual por consumo del recurso auxiliar

(convencional o eléctrico) será mayor en las zonas de baja insolación, para la misma

demanda total.

En cuanto a la dependencia según la demanda de ACS del edificio, la contribución

solar mínima exigida se incrementa con el consumo, siempre con el tope del 70%.

10


Por tanto, cuanta mayor es la necesidad térmica para ACS, mayor debe ser la

instalación solar, en proporción, y para una misma zona.

En el CTE también se indica la contribución solar mínima para el caso de la

aplicación con climatización de piscinas cubiertas:

Zona climática

I II III IV V

Piscinas cubiertas 30 30 50 60 70

Tabla 4.4: Contribución solar mínima en % exigido por el CTE DB HE4 para climatización de piscinas

cubiertas. Fuente: Código Técnico de la Edificación

Los requisitos mínimos de este CTE permiten ser complementados con normativas

autonómicas y/o municipales más exigentes.

4.3. Estimación de la demanda de energía calorífica

Para poder calcular la contribución solar de una instalación o bien para poder

dimensionarla de forma que suministre dicha contribución solar, el primer paso es la

estimación de las necesidades térmicas del edificio en sus aplicaciones de

suministro de ACS o bien climatización de piscinas.

La demanda calorífica se obtiene con la siguiente información previa, que habrá que

evaluar en base mensual:

Demanda de ACS del edificio, en litros o m3 por día.

Temperatura final de calentamiento, normalmente 60ºC como referencia.

Temperatura fría del agua de red.

En primer lugar se determina la demanda de agua prevista, en función del tipo de

aplicación y de sus dimensiones (ocupación). Posteriormente debe determinarse la

demanda energética que supone el calentamiento de dicha cantidad de agua desde

la temperatura de red hasta la temperatura final

11


4.3.1. Estimación de la demanda de ACS

La estimación del consumo de ACS previsto en el edificio es un dato fundamental

para calcular la contribución solar real de la instalación. Sin embargo, existe escasa

información del terreno, ya que rara vez se registran directamente estos caudales.

En edificios ya en funcionamiento, con una instalación convencional, es posible

estimar el consumo de ACS a partir del gasto de combustible que aparece en las

facturas mensuales o bimensuales. Si la instalación suministra tanto para calefacción

como para ACS, debe escogerse un mes de verano, en el que no se conecte la

calefacción.

Como se indica en el Manual del Proyectista de Energía Solar Térmica, de la Junta

de Castilla y León, el consumo mensual de ACS del mes i, Di, expresado en m3/mes

se puede estimar cómo:

Donde:

Dcombustible,i es el consumo de combustible del mes de estudio i, en m3/mes.

PCI es el poder calorífico inferior del combustible utilizado.

η es el rendimiento del generador de calor convencional existente.

Tuso y Tred son las temperaturas finales de calentamiento y de agua fría de red,

respectivamente.

Otra opción es tomar los registros de agua fría y estimar que el ACS supone entre un

25 y un 35% del total (Fuente: Junta de Castilla y León), aunque en este caso no se

consideran las diferencias que pueda haber entre aplicaciones. Otra opción es

evaluar individualmente por tipos de utilización, como ducha, lavado de platos, etc.

12


La solución más habitual, la única en obra nueva, consiste en utilizar las tablas que

diversos organismos ofrecen. El propio CTE propone una tabla de consumos

unitarios previstos de ACS por aplicaciones. Se ha elaborado a partir de la tabla de

consumo unitario medio de la norma UNE 94002:2005 “Instalaciones solares

térmicas para producción de agua caliente sanitaria: cálculo de la demanda

energética”.

No deben confundirse estos valores de demanda con los registros y estadísticas de

consumo de agua por persona y día, que incluye también el agua fría.

Lugar de consumo Litros ACS/día a 60ºC

Viviendas unifamiliares 30 por persona

Viviendas multifamiliares 22 por persona

Hospitales y clínicas 55 por cama

Hotel**** 70 por cama

Hotel*** 55 por cama

Hotel/Hostal** 40 por cama

Camping 40 por emplazamiento

Hostal/Pensión* 35 por cama

Residencia (ancianos, estudiantes,…) 55 por cama

Vestuarios/duchas colectivas 15 por servicio

Escuelas 3 por alumno

Cuarteles 20 por persona

Fábricas y talleres 15 por persona

Administrativos 3 por persona

Gimnasios 20-25 por usuario

Lavanderías 3-5 por kg de ropa

Restaurantes 5-10 por comida

Cafeterías 1 por almuerzo

Tabla 4.5: Demanda diaria de referencia de ACS a 60ºC según el CTE DB HE4.


13


Para obtener la demanda mensual de ACS debe multiplicarse la demanda diaria por

el número de días de cada mes. Si es constante durante todo el año la demanda

total será, obviamente, igual a la demanda diaria por 365 días.

Existen muchas aplicaciones en las que el consumo no es constante durante la

semana, con valores muy superiores durante los días laborables como ocurre en

escuelas o centros administrativos, por ejemplo, y también casos con mayor

consumo durante los fines de semana, como en hoteles o segundas residencias.

El CTE DB HE4 indica que en el caso que se justifique un nivel de demanda de ACS

que presente diferencias de más del 50% entre los diversos días de la semana, se

considerará la correspondiente al día medio de la semana y la capacidad de

acumulación será igual a la del día de la semana de mayor demanda.

Volviendo a la estimación de la demanda de agua anterior, en usos residenciales, si

no se conoce el nivel de ocupación de las viviendas objeto del suministro, debe

estimarse el número de personas a partir del número de dormitorios de cada

vivienda, según la siguiente tabla extraída del el CTE:

Número de

dormitorios 1 2 3 4 5 6 7 >7

Número de

personas 1,5 3 4 6 7 8 9

Una persona

por dormitorio

Tabla 4.6: Determinación del número de personas por vivienda

14


Para la asignación de la contribución solar mínima que debe satisfacer la instalación,

debe considerarse siempre la demanda a la temperatura de referencia de 60ºC. Sin

embargo, si la temperatura de acumulación de diseño es distinta de los 60ºC, para el

dimensionado de la instalación debe corregirse la demanda anterior según las

siguientes expresiones:

Donde:

T: Temperatura del acumulador final.

Ti: Temperatura media del agua fría en el mes i.

D(T): demanda de agua caliente sanitaria anual a la temperatura T elegida.

Di(T):demanda de agua caliente sanitaria para el mes i a la temperatura T elegida.

Di(60ºC): demanda de agua caliente sanitaria para el mes i a la temperatura de 60ºC.

Para obtener la demanda mensual debe multiplicarse la demanda diaria por el

número de días de cada mes.

Una temperatura de acumulación inferior mejora el rendimiento de la instalación, ya

que existe un menor salto térmico en el intercambiador de calor. Sin embargo,

aumenta el volumen de acumulación para almacenar la misma carga térmica y

puede haber riesgo de legionelosis.

Si la acumulación se realiza a mayor temperatura se requiere un mayor número de

captadores, si bien una acumulación de menor tamaño.

15


Para realizar estas correcciones por temperatura, así como para cálculos posteriores

de la demanda en términos energéticos, se pueden usar las tablas de temperaturas

medias de agua de red de CENSOLAR, incluidas en el Pliego del IDAE (ver anexo).

Sin embargo, es común utilizar una temperatura media anual de 12ºC tal y como

hace el propio CTE en la estimación de las demandas energéticas a 60ºC antes

tabuladas.

Con toda esta información se propone un ejercicio práctico sencillo de repaso de la

información hasta ahora expuesta.

Ejercicio:

Se pretende instalar un sistema solar térmico para suministro de ACS en un edificio

residencial multifamiliar situado en Alcalá de Henares (Madrid), en zona climática IV.

El edificio tiene 6 viviendas de 3 dormitorios y 2 viviendas de 2 dormitorios. La

temperatura del agua de acumulación para suministro de ACS es de 55ºC.

Determinar la contribución solar mínima que deberá cubrir la instalación solar y la

demanda real de agua a la temperatura elegida, sabiendo que la fuente de

generación auxiliar es gas natural.

El número de personas residentes estimado es:

Tipo vivienda Nº viviendas Nº personas por

vivienda Nº personas

3 dormitorios 6 4 24

2 dormitorios 2 3 6

Total 30

Tabla 4.7: Estimación del número de personas residentes.

Fuente: Elaboración propia

16


En edificios multifamiliares la demanda mínima propuesta por el CTE es de 22 litros

por persona y día, a 60ºC, con lo que la demanda total diaria a dicha temperatura

asciende a:

30 personas x 22 litros/día = 660 litros/día = 0,66m3/día

Se concluye que con 0,66m3/día de consumo y zona climática IV, la contribución

solar mínima de ACS es del 60% del total.

Sin embargo, como la temperatura de acumulación elegida es de 55ºC, la demanda

de agua real a efectos de cálculo de la instalación se debe estimar con las

expresiones anteriores.

Primero vamos a calcular la demanda a 55ºC de forma simplificada, suponiendo una

temperatura de agua de red constante de 10,3ºC para todos los meses (media anual

en Madrid) y tomando un mes medio de 30,4 días. La demanda media mensual a

60ºC, igual para todos los meses es:

Di(60ºC) ≈ 0,66m3/día.30, 4días ≈ 20,1m3/mes

Que se corrige a los 55ºC del ejercicio como:

La demanda anual es:

Daño(55ºC) =12 meses x 22,3m3/mes = 267,6m3

Y la demanda media diaria, que es de 0,66m3/día a 60ºC pasa a ser de:

Ddía(55ºC)=267,6m3/365días = 0,73m3/día

17


Al transformar el valor de demanda de los 60ºC a los 55ºC se produce un incremento

del 10%. Puede calcularse para otras temperaturas, como 45ºC, para los que el

aumento de demanda es del 50% respecto a la inicial a 60ºC.

Si aplicamos de forma estricta las expresiones anteriores, en base mensual,

tomando la temperatura media del agua de red de cada mes del lugar de ubicación

(en este caso Madrid) y el número de días real de cada uno, se obtienen los

siguientes valores:

Mes Tª agua

red

Ddia a 60ºC

(m3/día) Nº días mes

Di(60ºC)

(m3/mes)

Di(55ºC)

(m3/mes)

Ene 6 0,66 31 20,5 22,5

Feb 7 0,66 28 18,5 20,4

Mar 9 0,66 31 20,5 22,7

Abr 11 0,66 30 19,8 22,1

May 12 0,66 31 20,5 22,8

Jun 13 0,66 30 19,8 22,2

Jul 14 0,66 31 20,5 23,0

Ago 13 0,66 31 20,5 22,9

Sep 12 0,66 30 19,8 22,1

Oct 11 0,66 31 20,5 22,8

Nov 9 0,66 30 19,8 22,0

Dic 6 0,66 31 20,5 22,5

Año 240,9m3 267,9m3

Tabla 4.8: Cálculo de la demanda mensual de ACS para temperatura diferente de 60ºC, según CTE

DB HE4. Fuente: Elaboración propia

18


4.3.2. Cálculo de la demanda energética por consumo de ACS

Una vez estimado el consumo de agua caliente, se calcula cuánta energía requiere

su calentamiento desde las condiciones del agua de red hasta la temperatura final.

No debe confundirse la temperatura de utilización del agua con la temperatura final

de calentamiento en el acumulador. Por los motivos sanitarios mencionados, debe

calentarse el agua a temperaturas superiores aunque después se realice la mezcla

con agua fría en el consumo.

Para la estimación de la demanda energética se considera el salto térmico completo,

desde la temperatura de red hasta la temperatura final del acumulador.

Así pues, la demanda energética mensual para el mes i, DEmes,i, necesaria para

calentar un volumen de agua Ddía, expresado en m3/día, se obtiene mediante la

siguiente expresión:

Donde:

Ndías,i es el número de días del mes i.

Tred,i es la temperatura media del agua de red en el mes i.

TACS es la temperatura final de calentamiento del ACS (60ºC como referencia).

Cp es el calor específico del agua (1kcal/kg.ºC).

ρ es la densidad del agua (1.000kg/m3).

Esta misma demanda energética pero expresada en kWh, se obtiene de la anterior

como:

DEmes,i (kWh/mes) = 1,16.10-3.DEmes,i(kcal/mes)

19


Sin más que utilizar las relaciones:

1kcal=4,168 kJ

1kW.h=1 kJ/s.3600s=3600 kJ

Ejercicio:

En un gimnasio situado en la provincia de Madrid, con 120 usuarios al día, se quiere

diseñar un sistema solar térmico para el suministro de ACS, con generación auxiliar

de gasóleo. Determinar la contribución solar mínima según el CTE DB HE4 y estimar

la demanda energética mensual de la instalación.

En un emplazamiento de uso general (no residencial) como es un gimnasio, la

temperatura final de acumulación debe ser de 60ºC, según el R.D. 865/2003. Se

utilizan los datos de demanda a la temperatura de referencia de 60ºC sin necesidad

de correcciones posteriores.

Según la tabla por aplicaciones la demanda de diseño en un gimnasio es de 20 a 25

litros de ACS por día y por usuario. Tomamos el valor inferior para reducir el riesgo

de un sobredimensionado en verano, con riesgo de estancamiento, ya que es una

época de menor afluencia

La demanda diaria de ACS es, por tanto

Ddía (60ºC)=20l/día.usuario x 120 usuarios=2,4m3/día

En zona climática IV, para un consumo inferior a los 5m3/día, la contribución solar

mínima que establece el CTE es del 60%

Para cada mes debe calcularse la demanda de energía utilizando la expresión antes

presentada, ya en kWh/mes y con Ddía en m3/día:

20


Donde Cp=1kcal/kg.ºC y r =1.000 kg/m3.

Los datos de entrada y resultados se muestran en la siguiente tabla:

Mes Tª agua

red

Ddia a 60ºC

(m3/día) Nº días mes

Di(60ºC)

(m3/mes)

DEi(60ºC)

(kWh/mes)

Ene 6 2,4 31 74,4 4.660,4

Feb 7 2,4 28 67,2 4.131,5

Mar 9 2,4 31 74,4 4.401,5

Abr 11 2,4 30 72,0 4.092,5

May 12 2,4 31 74,4 4.142,6

Jun 13 2,4 30 72,0 3.925,4

Jul 14 2,4 31 74,4 3.970,0

Ago 13 2,4 31 74,4 4.056,3

Sep 12 2,4 30 72,0 4.009,0

Oct 11 2,4 31 74,4 4.228,9

Nov 9 2,4 30 72,0 4.259,5

Dic 6 2,4 31 74,4 4.660,4

Año 876,0m3 50.538kWh

Tabla 4.9: Cálculo de la demanda energética mensual.


Se puede observar cómo para un consumo de agua constante a lo largo del año, la

necesidad energética es inferior en verano. Esto se debe a que el agua de red está

más caliente y, por tanto, el salto térmico que debe proporcionar la instalación solar

es inferior.

Se puede comprender que si además se supusiera un consumo estival de agua

caliente inferior, lo cual tiene bastante sentido en una aplicación como esta, las

diferencias aumentarían. A todo ello se suma que la radiación es máxima en esta

época del año de menor necesidad térmica.

21


En estas condiciones, como se estudia más adelante, el sistema debe ser capaz de

proporcionar la contribución anual mínima establecida por el CTE pero sin generar

excedentes excesivos en otras épocas que no sólo serían desperdiciados, sino que

implican un aumento de las temperaturas y un mayor riesgo de estancamiento de los

captadores y una degradación mayor de los componentes.

El propio CTE limita el sobredimensionado en los meses de verano.

4.3.3. Cálculo de la demanda energética para climatización de piscina cubierta

La instalación solar para la climatización de una piscina cubierta debe suministrar

entre un 30 y un 70% de la demanda total de energía, en función de la zona

climática, tal y como se indica en la tabla de asignación a partir de los datos del CTE

DB HE4.

Figura 4.2: Esquema de instalación solar climatización de piscina cubierta.

Fuente: Termicol

La demanda energética total depende por una parte del volumen de agua a

acondicionar y, por otra, de las temperaturas del agua y del aire del recinto.

El propio CTE señala que, para piscinas cubiertas, los valores ambientales de

temperatura y humedad deberán ser fijados en el proyecto, la temperatura seca del

22


aire del local será entre 2 ºC y 3 ºC mayor que la del agua, con un mínimo de 26 ºC y

un máximo de 28 ºC, y la humedad relativa del ambiente se mantendrá entre el 55%

y el 70%, siendo recomendable escoger el valor de 60%.

Se deduce, entonces, que la temperatura del agua está entre los 23 y los 26ºC, sin

que el CTE ofrezca indicaciones más concretas ni proponga métodos de cálculo de

la demanda térmica.

Se recurre al Pliego de Condiciones Técnicas del IDAE, que sí aborda en más

detalle la estimación de la demanda energética en piscinas.

En primer lugar, el Pliego del IDAE remite a la tabla de temperaturas de agua

incluida en el Reglamento de Instalaciones Térmicas en los Edificios, en la ITE 10

sobre Instalaciones específicas, ITE 10.2 de Acondicionamiento de piscinas. Dicha

tabla se reproduce a continuación:

Uso principal Temperatura del agua (ºC)

Público Recreo

Chapoteo

Enseñanza

Entrenamiento

Competición

25

24

25

26

24

Privado 25/26

Tabla 4.10: Temperatura del agua de las piscinas, RITE ITE 10.2.

Fuente: Reglamento de Instalaciones Térmicas en los Edificios

La temperatura del agua se medirá en el centro de la piscina y a unos 20 cm por

debajo de la lámina de agua. La tolerancia en el espacio, horizontal y verticalmente,

de la temperatura del agua no podrá ser mayor que ± 1ºC.

Cabe mencionar que algunas Instrucciones Técnicas Complementarias, en concreto

la IT 10.2 sobre acondicionamiento de piscinas, no ha sido todavía actualizada en el

nuevo RITE publicado en Agosto de 2007 en el momento de redactar este texto, por

23


lo que aquí se hace referencia al documento previo. Se advierte, entonces, de su

provisionalidad.

Para el cálculo de la demanda energética deben evaluarse las pérdidas térmicas de

la piscina hacia su entorno. La aportación del sistema térmico (solar más apoyo

auxiliar) debe compensar las pérdidas térmicas de la pileta, de forma que se

establezca una situación de equilibrio estacionario. Según el Pliego del IDAE, estás

pérdidas se distribuyen de la siguiente forma:

Pérdidas por evaporación un 70-80% de las totales.

Pérdidas por radiación un 15-20% de las totales.

Pérdidas por conducción a través de los cerramientos despreciables.

Para el cálculo de las pérdidas energéticas en piscinas cubiertas, se puede utilizar la

siguiente expresión empírica, que engloba todas ellas, en términos de potencia

calorífica. Es un método simplificado propuesto en el Pliego del IDAE:

Donde:

Tagua es la temperatura del agua de la piscina

Spiscina es la superficie de la piscina

Para obtener las pérdidas en unidades de energía se multiplica la potencia P por 24

horas y se obtiene la demanda diaria total requerida para mantener la piscina en las

condiciones de diseño:

24


La demanda mensual DEmes se determina multiplicando la demanda diaria por el

número de días del mes correspondiente.

Ejercicio:

Calcular la demanda energética diaria que requiere la climatización de una piscina

cubierta de 25x10x2,5m, a una temperatura de 24ºC, utilizando el método

simplificado del Pliego del IDAE.

Se aplica la fórmula empírica anterior:

El cálculo mensual se obtiene multiplicando el valor diario por el número de días de

cada mes, para los meses de utilización de la instalación.

Junto a este método simplificado, se puede encontrar en la bibliografía un método

general que independiza la estimación de las pérdidas a través de cada uno de los

mecanismos de transmisión de calor que se producen: evaporación, convección y

radiación.

La evaporación requiere una aportación energética elevada, el llamado calor latente

(540cal/gr), que extrae de la propia agua de la piscina, con lo que esta se enfría. La

evaporación del agua, a temperaturas tan alejadas de la de ebullición, está

determinada por el nivel de humedad del entorno, la velocidad del aire en la

superficie del agua y la temperatura del agua y del aire.

Los mecanismos de convección y radiación ya se han estudiado al inicio del tema 3.

En la práctica para el diseño de instalaciones solares térmicas de climatización de

piscinas cubiertas es suficiente con aplicar el método simplificado, por lo que no se

va a abordar con más detalle el método general mencionado. Para ampliar

información sobre el método general se recomienda consultar el libro “Proyecto y

Cálculo de Instalaciones Solares Térmicas” (Pereda, 2006).

25


Si bien en el CTE DB HE4 no se incluye la climatización de piscinas al aire libre, es

un tipo de aplicación con un cierto mercado en España, donde se logra ampliar los

meses de uso, fundamentalmente compensando las pérdidas de calor nocturnas con

la aportación del sistema solar. Cabe recordar que es un tipo de aplicación donde no

está permitido el uso de fuentes no renovables.

El Pliego del IDAE ofrece una expresión empírica para la estimación de las pérdidas

energéticas a superar, P:

Donde la velocidad del viento se expresa en m/s.

Al no haber sistema de apoyo, cuando el suministro de calor solar no es suficiente,

por una radiación inferior a lo previsto o por temperatura ambiente baja, la

temperatura del agua disminuye.

Para este tipo de sistemas se busca un coste lo menor posible, por lo que se utilizan

normalmente captadores solares abiertos o plásticos, ya descritos en el tema 3.

4.4. Condiciones climáticas 4.4.1. Radiación solar incidente

En la asignación de los valores de contribución solar mínima que realiza el CTE DB

HE4 se considera la zona climática donde se va a instalar el sistema solar térmico,

como se analizó en apartados anteriores. Aparecía ya una primera dependencia del

diseño de la instalación con el nivel de radiación global existente en el lugar de

ubicación.

Sin embargo, la influencia de la radiación solar no se queda en eso, sino que es

necesario disponer de datos de radiación incidente del lugar para poder calcular el

26


número de captadores solares necesarios, en realidad, para estimar la energía

generada por estos y poder conocer la energía transferida al agua de consumo.

En el tema 2 de este libro se estudió en detalle la naturaleza de la radiación solar,

sus diferentes formas de expresión y el tratamiento de los datos actualmente

disponibles.

Para el dimensionado de los sistemas solares térmicos y su análisis energético se

utilizan los 12 valores medios mensuales de irradiación diaria global incidente,

expresados en MJ/m2 o más habitualmente en kWh/m2.

Si no se dispone de otros datos más precisos del lugar de instalación, el Pliego del

IDAE recomienda utilizar los datos suministrados por CENSOLAR, que se

reproducen en el anexo. Estos datos se refieren a superficie horizontal, por lo que es

necesario transformarlos a la inclinación y orientación real de los captadores solares.

Existen aplicaciones informáticas que permiten realizar esta transformación, por

ejemplo, la disponible en el Curso Solar de la Universidad de Jaén.

También en el portal sobre radiación solar de la Comisión Europea, PV GIS, se

pueden obtener los valores de radiación diaria para cualquier inclinación y para un

gran número de Municipios.

Para completar la información, aunque sólo para captadores con orientación Sur, en

el anexo al final del tema se ofrecen las tablas con el factor de corrección k que

permiten relacionar los valores de radiación solar sobre superficie inclinada con los

de superficie horizontal, mediante:

Gdi (β) = k.Gdi(0º)

Donde Gdi (β) es la media de la radiación solar diaria incidente en el mes i sobre una

superficie de inclinación β y Gdi(0º) la media de la radiación solar diaria incidente en

el mes i sobre superficie horizontal.

27


La energía solar mensual incidente, EImes,i, se obtiene sin más que multiplicar la

irradiación diaria de cada mes por el número de días:

EImes,i = Gdi (β).Ndías,mes

4.4.2. Temperatura ambiente

En el tema 3 dedicado a la descripción de los sistemas solares térmicos y sus

componentes, se explica cómo se reducen las pérdidas de calor de los captadores

solares con el aumento de la temperatura ambiente. Se produce un incremento de la

eficiencia y un mejor aprovechamiento de la radiación solar incidente.

Para el cálculo de la instalación solar capaz de suministrar la fracción de energía que

exige el CTE DB HE4 debe disponerse de bases de datos de temperatura ambiente

del lugar de ubicación o un lugar próximo.

Son datos de temperatura media mensual registrados durante las horas del día, ya

que es en este tiempo en el que los captadores se encuentran funcionando y cuando

se pueden producir las pérdidas.

Si no se disponen de datos concretos de la localidad de ubicación puede recurrirse a

las tablas que proporciona CENSOLAR y que recomienda el Pliego del IDAE. Se

adjuntan en el anexo.

4.5. Energía solar térmica aportada

La energía calorífica que una instalación solar aporta al agua de consumo sólo es

posible calcularla, a partir de la radiación incidente, una vez que se conoce el

número de captadores solares previstos.

Sin embargo, cuando el objetivo es suministrar la cantidad exigida por el CTE DB

HE4, se determina la energía solar a aportar como el producto de la contribución

solar mínima por la demanda energética total. El resto proviene del calentador

auxiliar.

28


El análisis mensual de la aportación del sistema se debe realizar para una superficie

de captación ya determinada.

4.6. Criterios generales

El dimensionado de la instalación solar térmica y, en concreto, del número de

captadores necesarios para cumplir con las exigencias del CTE DB HE4 sobre

contribución solar mínima no es una tarea sencilla.

El propio CTE no indica el método a emplear, sino que únicamente señala que en la

memoria del proyecto se establecerá el método de cálculo, especificando, al menos

en base mensual, los valores medios diarios de la demanda de energía y de la

contribución solar.

Asimismo, continúa el CTE, el método de cálculo incluirá las prestaciones globales

anuales definidas por:

a. La demanda de energía térmica;

b. La energía solar térmica aportada;

c. Las fracciones solares mensuales y anuales;

d. El rendimiento medio anual.

Los requisitos básicos que establece el CTE relacionados directamente con el

dimensionado son:

Cumplimiento de la contribución solar mínima en función de la zona climática,

de la demanda de ACS y del tipo de generación auxiliar.

Ningún mes del año la energía producida por la instalación solar debe superar

el 110% del consumo estimado y no más de 3 meses el 100%.

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%.

29


Se han desarrollado métodos de cálculo con un número de parámetros reducido que

facilita enormemente la tarea del diseñador. Uno de los métodos de mayor

implantación, y también recomendado por el Pliego del IDAE, es el llamado método

f-Chart.

En este libro se propone el uso de este método y con su aplicación se presentarán

varios casos prácticos de instalaciones.

El proceso de dimensionado de la instalación parte de los datos de la energía

demandada antes expuesta, de las condiciones climáticas y de los parámetros

básicos de los captadores y demás elementos fundamentales del sistema. Con esta

información se aplica el método con un número de captadores concreto y se estima

la contribución solar y el rendimiento. Se reajusta el número de captadores hasta

que se alcanzan los valores requeridos de contribución solar.

Como valor orientativo de predimensionado se indica 70 l/m2.día de ACS (Pereda,

2006). Según esta regla, para un consumo diario de 660 litros por día de ACS se

puede comenzar el proceso de cálculo del sistema de captación con 9,4 m2 de

captadores solares, o con el número correspondiente de unidades, según la

superficie de estos. Este valor debe recalcularse teniendo en cuenta la contribución

solar exigida y las condiciones particulares de la instalación por lo que únicamente

es orientativo, no vinculante en ningún caso.

4.7. Determinación del número de captadores y del volumen de acumulación: método f-chart

El método f-Chart fue elaborado en 1973 por los profesores Klein, Beckman y Duffie

y desarrollado en años posteriores (Duffie y Beckman, 1980), en los que se ha

convertido en el de más amplia aplicación en todo el mundo.

Es un método destinado a estimar las principales variables de funcionamiento de la

instalación en períodos de tiempo largos, no siendo válido para el análisis

instantáneo ni diario. Un estudio operativo instantáneo sólo se podrá hacer aplicando

condiciones particulares de operación a una instalación ya diseñada.

30


El método f-chart permite realizar el cálculo de la contribución solar de un sistema y

de su rendimiento medio, a partir de valores medios mensuales de las diferentes

variables estudiadas (demanda de agua, temperatura de agua de red, radiación

solar y temperatura ambiente media durante el día).

Se definen dos parámetros adimensionales D1 y D2, relacionados con la energía

absorbida por los captadores y con la energía perdida, respectivamente. Estos

parámetros sirven para el cálculo de la fracción solar mensual fmes mediante la

siguiente expresión empírica:

El parámetro D1 expresa la relación entre la energía absorbida por el captador y la

demanda energética mensual del sistema, DEmes, ya tratada en apartados anteriores.

El parámetro D2 expresa la relación entre las pérdidas de energía del captador, para

una determinada temperatura y esa misma demanda energética mensual del

sistema. Ambos parámetros deben calcularse para cada mes del año.

Así:

La energía absorbida por mes por el sistema de captación se obtiene a partir de la

irradiación solar diaria de ese mes para la orientación e inclinación de los captadores,

Gdm, por el número de días, Ndías,mes, que incide sobre una superficie de captadores

SC. Este producto representa la energía mensual incidente, que debe corregirse con

el Modificador del Ángulo de Incidencia, MAI, con el parámetro de rendimiento óptico

del captador, ηo, ambos ya descritos en el tema 3 y, finalmente, con un factor de

corrección del conjunto captador-intercambiador, FCint, para el que el Pliego del

IDAE recomienda tomar un valor de 0,95.

31


La superficie de captadores, SC, suele asociarse con el área de apertura de cada

captador, multiplicada por el número de equipos a instalar.

El parámetro adimensional asociado a las pérdidas del captador se puede obtener

mediante la siguiente expresión:

El parámetro Kglobal es el coeficiente global de pérdidas, obtenido de las curvas

características de rendimiento en aproximación lineal del captador seleccionado,

como se explicó en temas anteriores.

Además, se aplican dos factores de corrección, uno para el acumulador, FCacum, y

otro por temperatura del agua, FCACS. Para estos dos parámetros el Pliego del IDAE

propone unas ecuaciones empíricas, que se muestran a continuación.

Con una relación entre el volumen de acumulador y superficie de captadores que el

CTE DB HE4 sitúa entre:

Por ejemplo, en viviendas unifamiliares, tomando un colector de 2,5 m2 de superficie

de captación, el volumen mínimo de depósito será de 125 litros y el volumen máximo

de 450 litros. Para edificios residenciales multifamiliares, con unos 2m2 de captación

32


por cada vivienda, el volumen mínimo en el caso de disponer de acumulación

descentralizada es de 100 litros por vivienda.

Ya se mencionó en el tema anterior que el CTE da preferencia a la acumulación

centralizada frente a la descentralizada, sin embargo, la tendencia actual en el

mundo de la construcción es la individualización de los sistemas (excepto los

captadores) debido al recelo que existe entre propietarios en cuanto a los consumos

de cada uno de los vecinos.

En ocasiones el edificio no dispone del espacio adecuado apara la ubicación de un

depósito de grandes dimensiones y un peso muy elevado.

En el Pliego del IDAE se indica, a su vez, que la relación entre el volumen de

acumulación y la demanda diaria estará entre 0,8 y 1. En la práctica como dato de

referencia se suele seleccionar un acumulador de volumen similar al consumo de

ACS diario, debiendo siempre adaptarlo a las medidas comerciales existentes en el

mercado y a su coste.

Un criterio adicional de ajuste en el dimensionado del acumulador se puede

establecer en función del desfase entre el momento de generación del calor y el del

consumo. Si este desfase es breve, es decir, si el consumo se realiza

fundamentalmente durante el día, cabe seleccionar un depósito en la zona inferior

del rango admisible. Por el contrario, si el desfase es mayor, en horas o más de un

día conviene incrementar el volumen.

El valor del volumen de acumulación influye sobre el cálculo de la fracción solar,

aunque en menor proporción que la superficie o número de captadores.

El factor de corrección por temperatura se calcula como:

33


Este último parámetro corrector, FCACS, relaciona la temperatura mínima de ACS,

establecida en 60ºC, la temperatura del agua de red y la temperatura ambiente.

Una vez calculada la fracción solar mensual, se obtiene la energía solar útil aportada

como:

EUsolar,mes = fmes.DEmes

Si se realiza el mismo cálculo para cada mes del año, finalmente se obtiene la

fracción solar anual, que es la que evalúa el CTE DB HE4 como contribución solar

mínima:

Además de esta fracción solar anual que se obtiene al aplicar el método de

dimensionado del sistema, debe tenerse en cuenta también la evolución mensual de

la aportación solar calculada.

Al respecto, el CTE DB HE4 indica que con independencia del uso al que se destine

la instalación, en el caso de que en algún mes del año la contribución solar real

sobrepase el 110 % de la demanda energética o en más de tres meses seguidos el

100 %, deben adoptarse cualquiera de las siguientes medidas:

a. Dotar a la instalación de la posibilidad de disipar dichos excedentes (a través

de equipos específicos o mediante la circulación nocturna del circuito

primario).

b. Tapado parcial del campo de captadores. En este caso el captador está

aislado del calentamiento producido por la radiación solar y a su vez evacua

los posibles excedentes térmicos residuales a través del fluido del circuito

primario (que seguirá atravesando el captador).

34


c. Vaciado parcial del campo de captadores. Esta solución permite evitar el

sobrecalentamiento, pero dada la pérdida de parte del fluido del circuito

primario, debe ser repuesto por un fluido de características similares debiendo

incluirse este trabajo entre las labores del contrato de mantenimiento.

d. Desvío de los excedentes energéticos a otras aplicaciones existentes.

Las dos opciones intermedias sólo se recomiendan cuando existe un servicio de

mantenimiento permanente en el lugar. Si no es así, es recomendable aplicar el

desvío de los excedentes a otros usos y, si no se dispone de los medios para ello,

recurrir a la recirculación o disipación del calor.

En realidad, la necesidad de aplicar una o varias de estas medidas por exceso de

generación no se pueden evaluar en esta evolución mensual de la fracción solar, ya

que, una vez en operación, las condiciones iniciales de diseño varían enormemente.

Así, tanto el consumo esperado como la radiación incidente pueden variar, por lo

que siempre deben disponerse las medidas de protección y control de la instalación,

como se explica en el tema correspondiente. Los resultados mensuales del diseño sí

ofrecen, sin embargo, una primera idea de las condiciones de funcionamiento del

sistema.

En el caso de ocupaciones parciales de instalaciones de uso residencial turístico, se

deben detallar los motivos, modificaciones de diseño, cálculos y resultados tomando

como criterio de dimensionado que la instalación deberá aproximarse al máximo al

nivel de contribución solar mínima.

El dimensionado de la instalación estará limitado por el cumplimiento de la condición

de que en ningún mes del año la energía producida por la instalación podrá superar

el 110 % de la demanda energética y en no más de tres meses el 100 % y a estos

efectos no se tomarán en consideración aquellos periodos de tiempo en los cuales la

demanda energética se sitúe un 50 % por debajo de la media correspondiente al

resto del año, tomándose medidas de protección.

35


Por último, junto a la fracción solar, debe calcularse el rendimiento medio anual de la

instalación, tal y como prescribe el CTE. 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 o en media anual:

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%.

Adicionalmente se deberá cumplir que el rendimiento medio dentro del periodo al

año en el que se utilice la instalación, deberá ser mayor que el 20 %.

Como repaso del proceso de cálculo del sistema de captación y acumulación se

indican las etapas principales:

Identificar la zona climática de ubicación y el tipo de fuente auxiliar.

Determinar la demanda de Agua Caliente Sanitaria.

Localizar la contribución solar mínima exigida por el CTE DB HE4.

Determinar la demanda energética mensual a partir de la demanda diaria de

ACS, la temperatura de red y la temperatura final de acumulación del agua.

Obtener la irradiación solar diaria incidente sobre el plano de los captadores

(orientación e inclinación) y la energía mensual recibida (irradiación diaria por

número de días del mes).

Seleccionar un modelo de captador solar, con sus características básicas:

área de apertura, rendimiento óptico y coeficiente global de pérdidas.

36


Proponer un volumen comercial para el depósito y comprobar que cumple con

los requisitos exigidos en el CTE de mínima y máxima acumulación.

Aplicar el método de cálculo, obtener las fracciones solares mensuales y la

contribución anual y verificar el cumplimiento del valor mínimo requerido en el

CTE.

Aumentar o reducir el número de captadores y su inclinación y variar el

volumen de acumulación hasta ajustar la contribución solar a lo exigido.

Verificar la evolución mensual de la fracción solar y comprobar que ningún

mes incumple los preceptos del CTE.

Las aplicaciones informáticas de diseño de instalaciones se basan en una hoja de

cálculo f-chart sobre la que programan las expresiones anteriores.

4.8. Pérdidas de posición y por sombreado 4.8.1. Aspectos generales

En un proyecto de instalación, el estudio de dimensionado efectuado hasta el

momento debe integrarse en las características específicas del edificio donde se va

a ubicar, lo cual puede modificar algunos aspectos del diseño o incluso imposibilitar

su aplicación.

El edificio se encuentra situado en un entorno urbanístico, ya formado o en

construcción, que puede provocar el sombreado parcial del lugar previsto de

instalación de los captadores. El propio edificio también puede modificar la recepción

solar por sombras (chimeneas o cualquier otro elemento saliente) o por la

disposición de las cubiertas adecuadas para la colocación de los captadores.

En este sentido, deben evaluarse las posibles pérdidas por una posición (orientación

e inclinación) del campo de captadores diferente de la óptima y los efectos del

sombreado de elementos de su entorno.

37


En realidad, el efecto de una posición no óptima (orientación Sur e inclinación

alrededor de los 30-35º en la península) ya se ha tenido en cuenta en el

dimensionado, puesto que los datos de radiación incidente, Gdm, empleados en el

cálculo de la energía solar absorbida, deben ser los obtenidos para la orientación e

inclinación real de los captadores, como se explica en detalle en el tema 2 y se

recuerda en secciones anteriores del presente tema.

Sin embargo, para que una ubicación de los captadores sea autorizada deben

cumplirse unos requisitos adicionales sobre límites admisibles de pérdidas.

El CTE DB HE4 establece que la orientación e inclinación del sistema de captación y

las posibles sombras sobre el mismo serán tales que las pérdidas sean inferiores a

los límites de la tabla siguiente:

Caso Orientación e

inclinación Sombras Total

General 10% 10% 15%

Superposición 20% 15% 30%

Integración

arquitectónica 40% 20% 50%

Tabla 4.11: Pérdidas límite por orientación e inclinación, por sombreado y totales, según CTE

DB HE4. Fuente: Código Técnico de la Edificación

Se diferencian tres casos: general, superposición de módulos e integración

arquitectónica. Se considera que existe integración arquitectónica cuando los

módulos cumplen una doble función energética y arquitectónica y además sustituyen

elementos constructivos convencionales o son elementos constituyentes de la

composición arquitectónica.

Se considera que existe superposición arquitectónica cuando la colocación de los

captadores se realiza paralela a la envolvente del edificio, no aceptándose en este

concepto la disposición horizontal con el fin de favorecer la autolimpieza de los

módulos.

38


En ejemplo más habitual del caso general es la colocación de los captadores sobre

una azotea horizontal, donde las posibilidades de posicionamiento de los equipos

son mayores que sobre cubierta inclinada.

Una regla fundamental a seguir para conseguir la integración o superposición de las

instalaciones solares es la de mantener, dentro de lo posible, la alineación con los

ejes principales de la edificación.

En todos los casos se han de cumplir las tres condiciones: pérdidas por orientación e

inclinación, pérdidas por sombreado y pérdidas totales inferiores a los límites

estipulados respecto a los valores obtenidos con orientación e inclinación óptimas y

sin sombra alguna.

Se observa en la tabla anterior cómo los valores de sombras totales son inferiores,

para cada caso, a la suma de las sombras de posición y de sombreado. Es decir, no

se admite un máximo de sombras en ambos conceptos, ya que entonces la total

superaría los límites admisibles.

Se considera como la orientación optima el sur y la inclinación óptima, dependiendo

del periodo de utilización, uno de los valores siguientes:

a. Demanda constante anual: la latitud geográfica.

b. Demanda preferente en invierno: la latitud geográfica + 10 º.

c. Demanda preferente en verano: la latitud geográfica – 10 º.

Cuando, por razones arquitectónicas excepcionales no se pueda dar toda la

contribución solar mínima anual correspondiente, cumpliendo los requisitos de

pérdidas límite indicados, se justificará esta imposibilidad, analizando las distintas

alternativas de configuración del edificio y de ubicación de la instalación, debiéndose

optar por aquella solución que dé lugar la contribución solar lo más cerca posible de

lo exigido.

39


4.8.2. Estimación de las pérdidas por orientación e inclinación

El CTE DB HE4 establece el método de evaluación de las pérdidas por orientación e

inclinación y sombras de la superficie de captación.

Figura 4.3: Referencia de ángulos de inclinación (β) y orientación o acimut (α) de los captadores.


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 del captador.

En el proyecto inicial, en realidad antes de realizar el dimensionado de la instalación

solar, deben determinarse las posibles ubicaciones del campo de captadores entre

las cubiertas disponibles en el edificio. En obra nueva la instalación solar debe

contemplarse en paralelo al resto de instalaciones del edificio, participando de esta

forma en el propio proyecto arquitectónico.

El CTE DB HE4 ofrece una herramienta gráfica para la estimación de las pérdidas

por orientación e inclinación, en valor anual. Este gráfico, que se reproduce a

continuación, es válido para una la latitud (φ) de 41º, debiendo corregirse los

resultados para otras latitudes.

40


Los ejes radiales representan las diferentes orientaciones, con eje Norte-Sur en la

vertical. Las circunferencias concéntricas marcan las inclinaciones de los captadores,

siendo el punto central del gráfico la posición horizontal y la circunferencia exterior la

vertical (inclinación de 90º). La intersección de una radial con una circunferencia es

una posición concreta del campo de captadores.

Las diferentes secciones indican el porcentaje de energía anual recibida respecto al

óptimo, situado (punto negro) en orientación Sur e inclinación 34-35º. Las pérdidas

anuales se obtienen restando dicho porcentaje de 100.

Para conocer si una posible ubicación es válida de acuerdo con el CTE y su criterio

de pérdidas límite, se determina primero la orientación de los captadores (acimut),

que se recomienda que estén en línea con la orientación de las cubiertas existentes.

Para dicha orientación, se calculan los límites de inclinación aceptables de acuerdo

a las pérdidas máximas respecto a la inclinación óptima establecidas en la tabla

correspondiente, en función del tipo de integración.

Figura 4.4: Herramienta gráfica con porcentajes de energía anual respecto a la orientación e

inclinación diferentes de la óptima, para latitud de 41º. Fuente: Código Técnico de la Edificación

41


Ejercicio:

En el proyecto de una vivienda (latitud 41º) se planea una posible ubicación para los

captadores solares. La cubierta tiene orientación Sureste, con 45º de acimut

respecto al Sur. Determinar la inclinación máxima y mínima de los captadores para

cumplir los requisitos del CTE sobre pérdidas límite, suponiendo los tres casos:

general, superposición en cubierta e integración arquitectónica.

La orientación viene definida por el eje radial indicado en la figura:

Figura 4.5: Aplicación de la herramienta gráfica con porcentajes de energía anual respecto a la

orientación e inclinación diferentes de la óptima, para latitud de 41º.


Las pérdidas límite por orientación e inclinación son del 10% para el caso general,

del 20% para superposición y del 40% para integración arquitectónica. La energía

generada mínima debe ser, por tanto del 90%, 80% y 60% respecto al óptimo. Se

localizan estos valores en la tabla de sectores y se obtienen las intersecciones con el

eje de orientación.

42


Se extraen los valores límite de inclinación siguiendo las circunferencias

concéntricas, con los resultados que se muestran en la tabla siguiente:

Caso Inclinación

Máxima

Inclinación

Mínima

General 40º 10º

Superposición 60º 0º (5º)

Integración

arquitectónica 85º 0º(5º)

Tabla 4.12: Inclinaciones máximas en el ejercicio propuesto.

Se puede observar cómo para los casos de superposición e integración el límite

mínimo sería la propia horizontal. Sin embargo, debe siempre realizarse el montaje

con una cierta inclinación, de al menos 5º, para favorecer la circulación del fluido y la

limpieza externa de los captadores con el agua de lluvia.

Si existe flexibilidad a la hora de posicionar los captadores debe buscarse siempre la

orientación e inclinación óptima, dentro de unos parámetros arquitectónicos

aceptables, para lograr la mayor generación solar posible.

Para latitudes diferentes de los 41º se corrigen los valores de inclinación obtenidos

mediante las siguientes expresiones:

a. inclinación máxima = inclinación (φ = 41º) – (41º - latitud).

b. inclinación mínima = inclinación (φ = 41º) – (41º-latitud), siendo 5º su valor

mínimo.

En casos cerca del límite y como instrumento de verificación, se utilizará las

siguientes fórmulas:

Pérdidas (%) = 100.(1,2·10−4·(β − βopt)2 + 3,5·10−5.α2), para 15º < β< 90º

Pérdidas (%) = 100.(1,2·10−4·(β − βopt)2, para β ≤15º

43


4.8.3. Estimación de las pérdidas por sombreado

El CTE DB HE4 establece el método a emplear para calcular las pérdidas de

radiación incidente sobre los captadores debido a las sombras producidas por

elementos del entorno.

Estas pérdidas se expresan como porcentaje de la radiación solar global anual que

incidiría sobre los captadores de no existir sombra alguna. En caso de superar los

valores límites establecidos por el CTE y no poder eliminar el elemento causante de

la sombra se debe buscar otra ubicación más favorable, en las condiciones

expuestas anteriormente.

El procedimiento de cálculo propuesto en el CTE consiste en la comparación del

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

trayectorias del sol de la figura:

Figura 4.6: Diagrama de trayectorias del Sol.


Este diagrama es válido para localidades de la Península Ibérica y Baleares (para

las Islas Canarias el diagrama debe desplazarse 12º en sentido vertical ascendente).

Se encuentra dividido en porciones, delimitadas por las horas solares (negativas

antes del mediodía solar y positivas después de éste) e identificadas por una letra y

un número (A1, A2,... D14).

44


Cada una de las porciones representa el recorrido del sol en un cierto periodo de

tiempo (una hora a lo largo de varios días) y tiene, por tanto, una determinada

contribución a la irradiación solar global anual que incide sobre la superficie de

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

cierta pérdida de irradiación.

Los pasos a seguir son los siguientes:

Localizar los principales obstáculos que afectan a los captadores, en términos

de sus coordenadas de posición: acimut (ángulo de desviación con respecto a

la dirección sur) y elevación (ángulo de inclinación con respecto al plano

horizontal), vistos desde los captadores.

Representar el perfil de obstáculos en el diagrama de trayectorias del sol a lo

largo de todo el año.

Identificar las porciones ocultas por el obstáculo, total o parcialmente (factor

de llenado 1, 0,75, 0,5 ó 0,25).

Sumar los efectos de cada porción oculta según las tablas correspondientes,

para la orientación e inclinación del captador más próxima.

No debe confundirse el ángulo de acimut del obstáculo con el del propio captador. El

acimut del obstáculo es el ángulo respecto al Sur de la línea que une el obstáculo

con el captador, independientemente de la orientación de este. El acimut u

orientación del captador indica hacia dónde está inclinado.

Se muestra a continuación una de las tablas de referencia para la estimación de

pérdidas anuales por sombreado incluidas en el CTE DB HE4, en concreto la

correspondiente a orientación Sur e inclinación de paneles 35º.

45


Tabla 4.13: Tabla de referencia para la estimación de pérdidas anuales por sombreado.

Fuente: Código Técnico de la edificación

4.8.4. Distancia entre filas de captadores

Una vez que se ha determinado la cantidad de captadores necesaria para cumplir

con la contribución solar mínima establecida, debe diseñarse su ubicación física

sobre la cubierta elegida cumpliendo los requisitos del apartado anterior.

En este caso, no se trata ya del sombreado de los elementos del entorno, sino de los

posibles efectos de unas filas de captadores sobre otras.

Cuando los paneles se disponen en filas sobre una cubierta plana, deben guardar

una distancia mínima entre ellas para evitar el sombreado de unas sobre otras. La

estimación de esta distancia se esquematiza en la figura 4.7.

Conociendo la longitud del panel l (en su lado vertical) y la inclinación β, por simples

reglas de trigonometría se puede determinar la distancia d entre paneles que

garantiza que al mediodía del día del año con el Sol más bajo (solsticio de invierno),

la sombra de una fila no alcanza a la siguiente.

46


Figura 4.7: Esquema de cálculo de la distancia mínima entre captadores fijos orientados

al Sur, en función de su longitud de inclinación.

La expresión de cálculo es:

La distancia mínima entre el final de un captador (u otro obstáculo) y el siguiente,

dmin en el eje Norte-Sur, se puede simplificar a:

Figura 4.8: Distancia mínima entre final de un captador (u otro obstáculo) e inicio

del siguiente, en orientación Sur.

Antes de calcular la separación entre filas debe decidirse cuál es el criterio a aplicar,

esto es, cuál es la elevación mínima del Sol a la que no debe haber sombras entre

una fila y otra de paneles.

47


Por ejemplo, en el Pliego de Condiciones Técnicas del IDAE, se propone la ecuación

La aplicación de esta expresión implica que el criterio de separación es la ausencia

de sombreado entre filas al mediodía solar del solsticio de invierno.

En el tema 2 se mostró que la elevación del sol al mediodía solar se puede obtener,

para cada lugar y día del año, mediante la expresión:

= 90º - Φ + δ

En el solsticio de inverno la declinación δ es de -23,45º, por lo que restando de 90º

se llega al valor aproximado de 67º de la expresión anterior.

La latitud en España varía entre los 36,5º y 43,5º en la península, con Ceuta y Melilla

alrededor de los 35,5º y las Islas Canarias sobre los 28-29º. Para estas latitudes la

elevación del sol en el mediodía solar el 21 de Diciembre oscila entre los 23º del

Norte de la península y los 31º del Sur, con unos 38º de elevación en las Islas

Canarias.

Aplicando la ecuación de distancia anterior a diversas latitudes se pueden obtener

valores del coeficiente k que relaciona directamente la separación mínima entre el

final de un panel y el inicio del siguiente con la altura h.

Latitud 29º 37º 39º 41º 43º 45º

Coeficiente k 1,280 1,732 1,881 2,050 2,246 2,475

Tabla 4.14: Coeficientes de separación, con criterio de ausencia de sombras al mediodía solar del

solsticio de invierno. mFuente: Elaboración propia con datos de JCyL

Sin embargo, en el Pliego del IDAE se aplica un criterio diferente. En este caso se

exige ausencia de sombreado entre filas no sólo al mediodía solar del solsticio de

invierno, sino también 2 horas antes y 2 horas después.

48


Estas 4 horas sin sombreado implican que la elevación mínima del sol a aplicar a la

expresión general de separación va a ser inferior; el Sol está más bajo, por lo que el

sombreado es más alargado y la distancia entre filas debe ser mayor.

Recuperando también del tema 2 la ecuación que permite calcular la elevación del

sol a cualquier hora del día de cualquier día del año, en un lugar de latitud dada:

Se obtiene que la elevación del sol 2 horas antes (o después) del mediodía solar

(ω=±30º, ya que cada hora equivale a 15º) en el solsticio de invierno varía,

aproximadamente, entre los 17º del Norte de la península y los 24º del Sur, Ceuta y

Melilla, pasando por los 21º del centro. En las Islas Canarias la elevación del sol en

ese momento se sitúa sobre los 30º.

Así, en el Pliego de Condiciones Técnicas de Instalaciones de Baja Temperatura del

IDAE se propone la siguiente aproximación, basada en lo aquí expuesto, con los 6º

de diferencia en elevación:

Aplicando esta ecuación a diferentes latitudes se obtienen otros valores del

parámetro k:

Latitud 29º 37º 39º 41º 43º 45º

Coeficiente k 1,600 2,246 2,475 2,747 3,078 3,487

Tabla 4.15: Coeficientes de separación, con criterio de ausencia de sombras durante 4 horas

alrededor del mediodía solar del solsticio de invierno. Fuente: Elaboración propia con datos de IDAE

49


Comparando los resultados de la aplicación de ambos criterios puede comprobarse

cómo la distancia exigida en este segundo caso es entre un 25 y un 40% superior al

primero, en función de la latitud.

En realidad es posible aplicar el método de cálculo de sombras especificado en el

CTE DB HE4 también a la separación entre filas. Sin embargo, la simplificación a las

expresiones expuestas en este apartado facilita enormemente su aplicación práctica.

4.9. Condiciones de diseño del intercambiador

El CTE DB HE4 establece que la potencia térmica de un intercambiador

independiente debe ser de al menos 500 veces la superficie de captadores:

Pintercambio (W)≥500.Scaptación(m2)

En otros documentos se recomienda un factor de 600 para esta estimación (Pliego

IDAE).

Si el intercambiador está incorporado al acumulador se indica en el mismo CTE que

la relación entre la superficie útil de intercambio interno y la superficie total de

captación no será inferior a 0,15. En ocasiones se recomienda aumentar este valor a

0,20, si bien siempre se depende de la oferta de equipos existentes en el mercado.

50


4.10. Condiciones de diseño del circuito hidráulico

El diseño del circuito primario parte del dato de caudal que debe circular por los

captadores. Es una información que deben proporcionar los fabricantes. En su

defecto, el CTE indica un rango de valores entre los 43-72 l/h.m2, debiendo

contabilizarse sólo la superficie de captadores en paralelo, ya que por los elementos

en serie circula el mismo caudal. El RITE un valor máximo algo inferior, entre los 43

y los 57 l/h.m2. Como se ha comentado, algunos fabricantes estipulan el caudal en

10–30 l/h.m2 en lo que se conoce como low-flow.

Existe una relación entre el caudal de fluido Q y la velocidad de circulación v, en

función del diámetro interior D de la tubería:

En el interior de locales habitados la velocidad de circulación está limitada a 1,5m/s

por cuestiones acústicas y no menos de 0,5m/s para evitar sedimentaciones. En el

exterior puede aumentarse hasta los 2,5m/s, si bien siempre a expensas de los

requisitos de caudal suministrados por los fabricantes.

Asimismo, con el caudal de diseño y su distribución por tramos, se calculan las

pérdidas de carga en cada tramo del circuito, utilizando los ábacos o las

herramientas informáticas al efecto. Estas pérdidas de carga, por unidad de longitud,

dependen del diámetro interno de la tubería y de la viscosidad del fluido de trabajo.

La longitud de tuberías debe ser la menor posible y su trazado lo más recto que

permita la edificación y ubicación de los equipos. Asimismo, los tramos horizontales

deben tener siempre una pendiente mínima del 1% en el sentido de la circulación,

como establece el CTE DB HE4.

51


Además de las pérdidas en los tramo lineales deben sumarse las singularidades,

como pérdidas en codos, reducciones de sección, válvulas y todo elemento que

interfiera en la circulación del fluido. Asimismo, deben contabilizarse las pérdidas en

el intercambiador y en los propios captadores.

Las pérdidas de carga totales en las tuberías, Pdctuberías, expresadas en milímetros

de columna de agua (mmca), se pueden obtener como:

Donde Pdcunitaria son las pérdidas por unidad de longitud (mmca/m) en cada tramo de

tubería, Lequivalente es la longitud por tramo, corregida para la circulación del fluido de

trabajo (m) y Pdcsingular las pérdidas de carga en las singularidades (mmca).

La corrección debida a la mayor viscosidad del fluido de trabajo respecto al agua

puede estimarse en un 30%. Así:

Lequivalente=1,3. Lreal

Uno de los métodos más habituales para contabilizar las pérdidas de carga en las

singularidades consiste en establecer su equivalencia en metros de longitud lineal de

tubería lisa y añadir esa longitud a la del tramo lineal correspondiente.

52


Las equivalencias es obtienen de forma experimental y en muchos casos son

suministradas por los propios fabricantes. Si no se dispone de información precisa

del fabricante se puede emplear la siguiente tabla:

Diámetro interior nominal de tubería (mm) Accesorio

12 18 22 28 35 42 54 66,7 76,1

Curva de 45º 0,20 0,34 0,43 0,47 0,56 0,70 0,83 1,00 1,18

Codo de 90º 0,38 0,50 0,63 0,76 1,01 1,32 1,71 1,94 2,01

Curva de 90º 0,18 0,33 0,45 0,60 0,84 0,96 1,27 1,48 1,54

Reducción 0,2 0,3 0,5 0,65 0,85 1,00 1,30 2,00 2,30

T confluencia 0,10 0,15 0,20 0,30 0,40 0,50 0,60 0,70 0,80

T derivación 1,50 1,68 1,80 1,92 2,40 3,00 3,60 4,20 4,80

Válvula

antirretorno 0,20 0,30 0,55 0,75 1,15 1,50 1,90 2,65 3,40

Válvula de

compuerta 0,14 0,18 0,21 0,26 0,36 0,44 0,55 0,69 0,81

Válvula de

asiento 1,10 1,34 1,74 2,28 2,89 3,46 4,53 5,51 6,69

Tabla 4.16: Equivalencia en longitud lineal de singularidades.

Fuente: P. Pereda, 2006

Las pérdidas de carga en cada singularidad se determinan, por tanto, como:

Pdcsingular = Pdcunitaria.Lequivalente

Pudiendo sumarse al tramo correspondiente. S el fluido es agua + anticongelante la

longitud equivalente anterior debe multiplicarse también por 1,3.

53


Para determinar las pérdidas de carga unitarias se puede emplear una expresión

empírica que relaciona caudal y diámetro con dicha pérdida. Es una ecuación

obtenida a partir de la fórmula de Flamant, aplicable a tuberías de cobre liso (Pereda,

2006):

Con el caudal expresado en l/h y el diámetro interior de tubería en mm, resultando la

pérdida de carga unitaria en mm de columna de agua por metro lineal de tubería

(mmca/m).

Se pueden utilizar también los ábacos para el cálculo de las pérdidas de carga

unitarias, en función del caudal y del diámetro de tubería, para cada tipo de material

(acero inoxidable y cobre). Se muestra en la siguiente figura:

Figura 4.9: Gráfico de pérdidas de carga unitaria en conducciones hidráulicas.

Fuente: Asociación de Fabricantes de Tubos y Accesorios

54


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 del

30% por viscosidad elevada que se utilizaba para el fluido caloportador en el

primario.

4.11. Condiciones de diseño de la bomba

La bomba debe tener potencia suficiente para superar las pérdidas de carga del

circuito y de esta forma garantizar la circulación del fluido en las condiciones de

diseño. Cuanto mayor sea la pérdida de carga, mayor es la bomba necesaria, su

coste y su consumo eléctrico.

El CTE DB HE4 limita la potencia eléctrica máxima de la bomba a instalar, con los

valores especificados son los siguientes:

Sistema Potencia eléctrica de la bomba

Sistema pequeño 50W o 2% de la mayor potencia calorífica que pueda

suministrar el grupo de captadores

Sistemas grandes 1% de la mayor potencia calorífica que pueda

suministrar el grupo de captadores

Tabla 4.17: Potencia eléctrica máxima de la bomba, según CTE DB HE4.


Para la estimación de las pérdidas de carga totales se toma el valor de las pérdidas

en tuberías del apartado anterior, en su tramo más desfavorable. Asimismo, deben

sumarse las pérdidas en el intercambiador (ver apartado 8.2.2 del Tema 3) y las

pérdidas en el paso por los captadores (ver apartado 6.3.3 del Tema 3), ambos

datos suministrados por los fabricantes.

HT= Pdctuberías + Pdccaptadores + Pdcintercambiador

Una vez conocido el caudal de circulación Q, en m3/h y la altura manométrica total,

HT, expresada en metros, como suma de las pérdidas anteriores, se selecciona una

bomba cuya característica de funcionamiento cubra las condiciones de diseño.

55


Figura 4.10: Ejemplo de curva característica de bomba de circulación para 0,948 m3/h de caudal y

5,45m de altura manométrica, resultado de cálculo: bomba, UPS Solar 15-80 130.

Fuente: Software Wincaps de Grundfos

El CTE DB HE4 indica que para instalaciones con más de 50m2 de captación deben

disponerse dos bombas en paralelo, tanto en el primario como en el secundario. Una

de ellas actúa de reserva, de forma alterna, para prolongar su vida y garantizar un

buen funcionamiento.

4.12. Dimensionado del vaso de expansión

El vaso de expansión del circuito primario tiene una función básica en toda

instalación solar. Se encarga de recoger el exceso de volumen de líquido debido a la

dilatación por calentamiento. Si no existiera, se produciría una sobrepresión en el

circuito que debería aliviarse en las válvulas de seguridad, con la consiguiente

pérdida de fluido.

Así pues, su tamaño debe ser tal que permita guardar ese exceso de volumen.

Depende, por tanto, del volumen total del circuito primario, de la temperatura máxima

del fluido y del coeficiente de dilatación del fluido a dicha temperatura.

56


En los vasos de expansión cerrados, hay que tener en cuenta las presiones. Así, el

volumen del vaso se determina como:

Donde Pf es la presión absoluta final del vaso de expansión, en bar o en kg/cm2 y Pi

la presión absoluta inicial, en las mismas unidades. La presión absoluta es la suma

de la presión manométrica más la presión atmosférica, de aproximadamente 1 bar.

La presión final del vaso es la presión máxima que puede alcanzar el circuito

primario, que es la de tarado de la válvula de seguridad, normalmente 10bar en

sistemas grandes y 6 bar en los pequeños.

La presión inicial de llenado del circuito puede establecerse, en frío, como mínimo en

1,5bar esto es, una presión de columna de agua de 0,5bar, para evitar la entrada de

aire durante el llenado. Si el vaso no se encuentra en la zona alta de la instalación, a

este valor hay que sumar la presión estática, que es la presión de la columna de

agua situada entre el vaso y el punto más elevado del sistema (10m equivale a 1 bar

aproximadamente).

En realidad se están asumiendo unos errores debidos a las diferencias entre las

diversas unidades relativas a la presión. Se sabe que 1 bar = 0,987 atm = 1,0197

kg/cm2, además de 1 bar =105Pa, en unidades Internacionales, menos utilizadas en

este tipo de aplicaciones.

El plan de mantenimiento engloba todas las operaciones necesarias durante la vida

de la instalación para asegurar el funcionamiento, aumentar la fiabilidad y prolongar

la duración de la misma. El CTE DB HE4 incluye el cumplimiento del plan de

mantenimiento como una de las exigencias, al mismo nivel que el de la contribución

solar mínima y las condicione de diseño y dimensionado.

57


Establece dos etapas de mantenimiento, que se pueden complementar con otras

actuaciones derivadas de normativas adicionales:

a. Plan de vigilancia.

b. Plan de mantenimiento preventivo.

4.12. Plan de vigilancia

El plan de vigilancia se refiere básicamente a las operaciones que permiten

asegurar que los valores operacionales de la instalación sean correctos. Es un plan

de observación simple de los parámetros funcionales principales, para verificar el

correcto funcionamiento de la instalación.

En la siguiente tabla, extraída del CTE, se definen las tareas a realizar y su

frecuencia:

Elemento de

la instalación Operación

Frecuencia

(meses) Descripción

Limpieza de cristales A determinar

Con agua y

productos

adecuados

Cristales 3

IV

condensaciones

en horas

centrales del día

Juntas 3 IV agrietamientos

y deformaciones

Absorbedor 3

IV corrosión,

deformación,

fugas, etc.

Conexiones 3 IV fugas

CAPTADORES

Estructura 3 IV degradación,

indicios de

58


corrosión

Tubería, aislamiento

y sistema de llenado 6

IV ausencia de

humedad y fugas CIRCUITO

PRIMARIO Purgador manual 3

Vaciar aire del

botellín

Termómetro Diaria IV temperatura

Tubería y aislamiento 6 IV ausencia de

humedad y fugas

CIRCUITO

SECUNDARIO

Acumulador solar 3

Purgado de la

acumulación de

lodos en parte

inferior de

depósito

Tabla 4.18: Plan de vigilancia de las instalaciones, según CTE DB HE4. Nota: IV: Inspección Visual.

Fuente: Código Técnico de la Edificación.

4.13. Plan de mantenimiento

El plan de mantenimiento incluye las operaciones de inspección visual, verificación

de actuaciones y otros, que aplicados a la instalación deben permitir mantener

dentro de límites aceptables las condiciones de funcionamiento, prestaciones,

protección y durabilidad de la instalación.

EL CTE establece, como mínimo, una revisión anual de la instalación para

instalaciones con superficie de captación inferior a 20 m2 y una revisión cada seis

meses para instalaciones con superficie de captación superior a 20 m2.

El plan de mantenimiento debe realizarse por personal técnico competente que

conozca la tecnología solar térmica y las instalaciones mecánicas en general. La

instalación tendrá un libro de mantenimiento en el que se reflejen todas las

operaciones realizadas así como el mantenimiento correctivo. Asimismo, el

mantenimiento ha de incluir todas las operaciones de mantenimiento y sustitución de

elementos fungibles ó desgastados por el uso, necesarias para asegurar que el

sistema funcione correctamente durante su vida útil.

59


En las tablas siguientes se desarrollan de forma detallada las operaciones de

mantenimiento que deben realizarse en las instalaciones de energía solar térmica

para producción de agua caliente, la periodicidad mínima establecida (en meses) y

observaciones en relación con las prevenciones a observar, según establece el CTE

DB HE4.

En primer lugar se muestran las tareas de inspección para el mantenimiento a

aplicar al sistema de captación:

Equipo/componente Frecuencia

(meses)

Descripción

IV diferencias sobre original Captadores 6

IV diferencias entre captadores

Cristales 6 IV condensadores y suciedad

Juntas 6 IV agrietamientos, deformaciones

Absorbedor 6 IV corrosión, deformaciones

Carcasa 6 IV deformación, oscilaciones,

ventanas de respiración

Conexiones 6 IV aparición de fugas

Estructura 6 IV degradación, indicios de corrosión

y apriete de tornillos

Captadores* 12 Tapado parcial del capo de

captadores

Captadores* 12 Destapado parcial del campo de

captadores

Captadores* 12 Vaciado parcial del campo de

captadores

Captadores* 12 Llenado parcial del campo de

captadores

Tabla 4.19: Plan de mantenimiento del sistema de captación, según CTE DB HE4.

Nota: IV: Inspección Visual. Fuente: Código Técnico de la Edificación

60


Las tareas identificadas con un asterisco se refieren únicamente a los casos en los

que para evitar el sobrecalentamiento por exceso de producción solar, se aplican

medidas de tapado parcial o de vaciado parcial del campo de captadores, ya

explicadas en secciones anteriores.

En cuanto al sistema de acumulación, el CTE establece un conjunto de tares de

mantenimiento, que se resumen en la siguiente tabla:


(meses)

Descripción

Depósito 12 Presencia de lodos en el fondo

Ánodos de sacrificio 12 Comprobación de desgaste

Ánodos de corriente

impresa 12

Comprobación de buen

funcionamiento

Aislamiento 12 Comprobación de ausencia de

humedad

Tabla 4.20: Plan de mantenimiento del sistema de acumulación, según CTE DB HE4.


Los ánodos de sacrificio están fabricados en un material de electronegatividad

menor que el material que quieren proteger (depósito). De esta forma, son estos

ánodos los que se oxidan, reduciendo la corrosión del elemento principal. Si están

ya muy oxidados agotan su función.

En la protección catódica mediante ánodos de corriente impresa se utiliza una fuente

continua para imprimir la corriente necesaria para la protección frente a la corrosión

del depósito.

61


En cuanto al sistema de intercambio, el CTE establece las siguientes tareas de

mantenimiento:


(meses)

Descripción

12 Control de funcionamiento, eficiencia

y prestaciones Intercambiador de

placas 12 Limpieza

12 Control de funcionamiento, eficiencia

y prestaciones Intercambiador de

serpentín 12 Limpieza

Tabla 4.21: Plan de mantenimiento del sistema de intercambio, según CTE DB HE4.


El circuito hidráulico requiere una especial atención, debido a los elevados

gradientes de temperatura que soportan sus componentes y los esfuerzos

mecánicos que ello conlleva. Durante el día, con la incidencia solar, el fluido de

trabajo que circula por las tuberías puede alcanzar temperaturas muy elevadas,

mientras que por la noche, en invierno, las temperaturas exteriores pueden ser muy

bajas.

Junto a la inspección de los elementos pasivos, como aislamientos o juntas, debe

atenderse a los elementos de control y regulación del sistema como bombas y

válvulas, especialmente a las de uso menos frecuente, que podrían agarrotarse.

El CTE DB HE4 establece las siguientes tareas de mantenimiento en el circuito

hidráulico primario:


(meses)

Descripción

Fluido refrigerante 12 Comprobar su densidad y pH

62


Estanqueidad 24 Efectuar prueba de presión

Aislamiento al exterior 6 IV degradación protección uniones y

ausencia de humedad

Aislamiento al interior 12 IV uniones y ausencia de humedad

Purgador automático 12 Control de funcionamiento y limpieza

Purgador manual 6 Vaciar aire del botellín

Bomba 12 Estanqueidad

Vaso de expansión

cerrado 6 Comprobación de la presión

Vaso de expansión

abierto 6

Control de funcionamiento y

actuación

Sistema de llenado 6 Control de funcionamiento y

actuación

Válvula de corte 12


actuación (abrir y cerrar) para evitar

agarrotamiento

Válvula de seguridad 12 Control de funcionamiento y

actuación

Tabla 4.22: Plan de mantenimiento del circuito hidráulico, según CTE DB HE4. Nota: IV: Inspección

Visual. Fuente: Código Técnico de la Edificación

El sistema eléctrico y de control también requiere una serie de revisiones periódicas

para garantizar su buen funcionamiento.


(meses)

Descripción

Cuadro eléctrico 12

Comprobar que está siempre bien

cerrado para que no entre polvo y su

estado

Control diferencial 12 Control de funcionamiento y

actuación

63


Termostato 12 Control de funcionamiento y

actuación

Verificación del sistema

de medida 12


actuación

Tabla 4.23: Plan de mantenimiento del sistema eléctrico y de control, según CTE DB HE4.

Nota: IV: Inspección Visual. Fuente: Código Técnico de la Edificación

En cuanto al sistema de generación auxiliar, se requiere una comprobación anual de

su operación y de las sondas de temperatura, además de lo exigido por la normativa

aplicable en función del tipo de tecnología.

Se quiere desarrollar un proyecto de instalación solar térmica para suministro de

Agua Caliente Sanitaria en una vivienda unifamiliar de 3 dormitorios, de nueva

construcción. La vivienda está situada en Alcalá de Henares, provincia de Madrid.

La instalación está compuesta por el sistema de captación solar, con captador solar

plano, situado en el tejado del edificio y un sistema de intercambio y acumulación

conjunto (interacumulador) y centralizado, único en la vivienda. El sistema de aporte

de energía convencional auxiliar es de gas natural.

El proyecto se realiza cumpliendo el R.D. 314/2006 Código Técnico de la Edificación,

documento básico DB HE, Ahorro de energía, Sección HE 4, Contribución solar

mínima de agua caliente sanitaria.

A continuación se desarrollan los puntos básicos del proyecto.

64


4.14. Datos de entrada del proyecto

Localidad: Alcalá de Henares (Madrid).

Latitud: 40,5º N.

Zona climática: IV.

Tipo de edificio: Vivienda unifamiliar.

Nº de dormitorios: 3.

Tipo de integración de captadores: integración arquitectónica.

Sistema de energía auxiliar: gas natural.

Orientación de campo de captadores: Sur

Inclinación de campo de captadores: 35º.

Condiciones del entorno: sin sombras posibles.

Figura 4.11: Esquema de instalación solar para suministro de ACS en vivienda unifamiliar.

Fuente: Expert Sistemas Solares

65


4.15. Estimación de la demanda energética de A.C.S.

Según lo estipulado en el CTE DB HE4 y a falta de información específica sobre el

número de residentes de la vivienda, se supone una ocupación de 4 personas:

Número de

dormitorios 1 2 3 4 5 6 7 >7

Número de

personas 1,5 3 4 6 7 8 9

Una persona

por dormitorio

Tabla 4.24: Grado de ocupación por defecto. Fuente: Código Técnico de la Edificación

El consumo de ACS estimado se toma según el valor mínimo recomendado por el

CTE para vivienda unifamiliar: 30 litros por día.

Así pues, el consumo diario total de la vivienda es:

Nº viviendas 1

Nº personas por vivienda 4

Consumo por persona 30 l/día

120 l/día Consumo total de ACS (Ddía)

0,12m3/día

La temperatura final de acumulación se supone TACS=60ºC.

Para el cálculo de la demanda energética mensual falta conocer los valores de

temperatura media del agua de red. Para ello, se hace uso de las tablas

suministradas en el Pliego del IDAE, por provincias (ver anexo).

Como se ha expuesto en la sección correspondiente, la demanda energética

mensual se puede obtener cómo:

66


Donde Cp = 1kcal/kg.ºC y ρ = 1.000 kg/m3.


Mes Tª agua

red

Ddia a 60ºC

(m3/día)

Nº días

mes

Dmes(60ºC)

(m3/mes)

DEmes(60ºC)

(kWh/mes)

Ene 6 0,12 31 3,72 233,0

Feb 7 0,12 28 3,36 206,6

Mar 9 0,12 31 3,72 220,1

Abr 11 0,12 30 3,60 204,6

May 12 0,12 31 3,72 207,1

Jun 13 0,12 30 3,60 196,3

Jul 14 0,12 31 3,72 198,5

Ago 13 0,12 31 3,72 202,8

Sep 12 0,12 30 3,60 200,4

Oct 11 0,12 31 3,72 211,4

Nov 9 0,12 30 3,60 213,0

Dic 6 0,12 31 3,72 233,0

Año 10,3 0,12 365 43,80m3/año 2526,9kWh

Las diferencias en demanda de agua mensual se deben al diferente número de días,

mientras que en el caso de la demanda energética se añade la diferente temperatura

del agua de red para cada mes.

67


4.16. Contribución solar mínima de ACS

La contribución solar mínima depende del tipo de aporte auxiliar, de la demanda

diaria de agua y de la zona climática. En las condiciones del proyecto en desarrollo

(0,12m3/día, zona climática IV y aporte auxiliar convencional) se obtiene una

contribución solar anual o fracción solar f= 60%:


ACS del edificio


0,05-5 30 30 50 60 70

5-6 30 30 55 65 70

6-7 30 35 61 70 70

7-8 30 45 63 70 70

8-9 30 52 65 70 70

9-10 30 55 70 70 70

10-12,5 30 65 70 70 70

12,5-15 30 70 70 70 70

15-17,5 35 70 70 70 70

17,5-20 45 70 70 70 70

>20 52 70 70 70 70

Tabla 4.25: Contribución solar mínima en % exigido por el CTE DB HE4.

Caso general (gas, gasóleo, propano, etc.). Fuente: Código Técnico de la Edificación

Así pues, la demanda mínima a cubrir con el sistema solar debe ser:

EUsolar,año=f.DEaño = 0,6.2526,9kWh/año = 1516,14kWh/año

Para la determinación del número de captadores necesarios y del volumen de

acumulación debe hacerse, sin embargo, el análisis mensual utilizando el método de

cálculo adecuado.

68


4.17. Radiación solar incidente sobre el plano de captadores

Antes de abordar el dimensionado de la instalación deben conocerse los datos de

radiación solar incidente para la orientación e inclinación real de los captadores.

En las condiciones de ubicación del proyecto actual, las pérdidas por estos dos

conceptos son nulas.

La radiación solar diaria sobre superficie inclinada se obtiene como:


Según las tablas de radiación, los valores mensuales de radiación solar diaria sobre

superficie horizontal Gdi(0º) y su corrección k para inclinación de 35º son los

mostrados en la tabla siguiente, junto con los valores ya modificados Gdi(35º):

Mes Gdi (0º)

(kWh/m2día) k (35º)

Gdi(35º)

(kWh/m2dia)

EImes (kWh/m2mes)

Enero 1,86 1,37 2,55 79,10

Febrero 2,94 1,28 3,77 105,61

Marzo 3,78 1,17 4,42 137,13

Abril 5,22 1,06 5,54 166,20

Mayo 5,81 0,98 5,69 176,51

Junio 6,53 0,95 6,20 186,19

Julio 7,22 0,98 7,08 219,59

Agosto 6,42 1,07 6,87 213,01

Septiembre 4,69 1,21 5,68 170,54

Octubre 3,17 1,37 4,34 134,60

Noviembre 2,08 1,47 3,06 91,95

Diciembre 1,64 1,45 2,38 73,73

Año 4,28 4,81 1.754,17

Tabla 4.26: Tabla de valores diarios de radiación solar y energía solar mensual incidente.

Fuente: Elaboración propia con datos del IDAE y CENSOLAR

69


4.18. Cálculo de número de captadores y volumen de acumulación: método f-chart

Para la aplicación del método de cálculo f-chart, junto a los valores calculados de

demanda energética mensual y energía solar disponible, es necesario conocer una

serie de datos adicionales:

Modelo de captador Fagor Solaria 2.4

Superficie apertura 2,40 m2

Eficiencia óptica 0,67

Coeficiente global de

pérdidas 3,14 W/m2.ºC

MAI 0,95

FCint 0,95

Para completar los datos de entrada del método, sólo queda conocer los valores

medios mensuales de temperatura ambiente durante el día, según lo recomendado

por el IDAE sobre datos de CENSOLAR.

En la tabla siguiente se resumen los principales resultados de la aplicación del

método f-chart para 1 captador. De aplicación directa del método se obtienen los

valores mensuales de contribución solar, fmes.

Con la fracción solar mensual se obtiene la energía solar útil aportada al fluido:


70


Mes Tamb

(ºC)

DEmes

(kWh)

fmes

(%)

EUsolar,mes

(kWh)

Enero 6 233,0 32,12 74,85

Febrero 8 206,6 50,88 105,11

Marzo 11 220,1 61,22 134,73

Abril 13 204,6 76,47 156,48

Mayo 18 207,1 80,44 166,62

Junio 23 196,3 88,37 173,44

Julio 28 198,5 99,45 197,41

Agosto 26 202,8 96,17 195,04

Septiembre 21 200,4 81,40 163,17

Octubre 15 211,4 62,16 131,44

Noviembre 11 213,0 41,86 89,15

Diciembre 7 233,0 29,70 69,20

Anual 15,60 2.526,9 1.656,65

Tabla 4.27: Resultados de aplicación del método f-chart.

Fuente: elaboración propia

Como verificación principal del análisis, se obtiene una fracción solar o contribución

solar anual f superior a la exigida por el CTE:

El rendimiento medio anual de la instalación es:

71


Es decir, el rendimiento medio anual es del 40%, en el límite de lo establecido por el

CTE.

Resulta interesante analizar la evolución mensual del sistema en diseño, con la

relación entre energía demandada y energía solar aportada al agua de consumo. De

la relación entre ambos surge la contribución solar mensual, útil para detectar

posibles situaciones de sobrecalentamiento.

Los valores de la tabla anterior se representan en las siguientes figuras:

Figura 4.12: Relación entre demanda energética y aportación solar mensual.


Se observa en primer lugar cómo, a pesar de que el consumo de ACS se ha

considerado constante durante todo el año, no lo es la demanda energética, debido

a las diferencias en la temperatura del agua de red. Al estar más fría en invierno el

salto térmico a suministrar es mayor que en verano.

Hay diferencias menores debidas al diferente número de días de cada mes.

Se observa también que en los meses de verano la aportación solar prácticamente

cubre la demanda, mientras que en inverno se requiere de la aportación fuerte del

gas natural.

72


Este hecho se refleja en la fracción solar mensual, con valores invernales sobre el

30%, que ni mucho menos son despreciables en términos de ahorro de combustible.

Mientras, en verano, no se sobrepasa el 100%, con lo que al menos en diseño la

instalación parece equilibrada.

Figura 4.13: Fracción solar mensual.


4.19. Volumen de acumulación y potencia de intercambio

Teniendo en cuenta el rango admitido por el CTE DB HE4:

50 < Vacum/SC < 180 l/m2

y valorando las opciones comerciales existentes en el mercado en cuanto a

volúmenes de acumulación, proponemos un depósito interacumulador de 150 litros y

comprobamos que es válido.

Vacum/Sc = 150/2,4 = 62,5 → Válido

73


Siempre debe buscarse un acumulador entre los equipos del mercado, teniendo en

cuenta costes, plazos de entrega, etc. Con el valor definitivo puede corregirse el

dimensionado, si bien su influencia es reducida.

Para un sistema pequeño como éste, se selecciona un intercambiador incorporado al

acumulador (serpentín).

El requisito exigido por el CTE DB HE4 para los interacumuladores es:

Sinter ≥ 0,15·SC = 0,15·2,4m2 = 0,36m2

Para el diseño del resto de componentes, del circuito primario y secundario deben

conocerse las características constructivas completas del edificio. Con esta

información se aplica lo descrito en apartados anteriores. En caso de no disponer de

dichos datos, deberemos realizar los cálculos estimando las particularidades de una

instalación tipo para calcular, por ejemplo, el vaso de expansión y la bomba para lo

cual necesitamos conocer el volumen de fluido caloportador y caudal del circuito

primario, y la altura manométrica.

Se quiere desarrollar un proyecto de instalación solar térmica para suministro de

Agua Caliente Sanitaria en un edificio residencial multifamiliar a rehabilitar. El edificio

está situado en Alcalá de Henares, provincia de Madrid.

La instalación está compuesta por el sistema de captación solar, con panel solar

plano, situado en una cubierta del edificio con orientación Sur e inclinación 60º; un

sistema de intercambio y una acumulación centralizada. El sistema de aporte de

energía convencional auxiliar es de gas natural, en línea descentralizado, en cada

vivienda.

El proyecto se realiza cumpliendo el R.D. 314/2006 Código Técnico de la Edificación,

documento básico DB HE, Ahorro de Energía, Sección HE 4, Contribución solar

mínima de agua caliente sanitaria.

74


A continuación se desarrollan los puntos básicos del proyecto.

4.20. Datos de entrada del proyecto

Localidad: Alcalá de Henares (Madrid).

Latitud: 40,5º N.

Zona climática: IV.

Tipo de edificio: Residencia multifamiliar, 10 viviendas de 4 dormitorios, 40 viviendas

de 3 dormitorios y 20 de 2 dormitorios.

Tipo de integración de captadores: superposición.

Sistema de energía auxiliar: gas natural.

Orientación de campo de captadores: Sur.

Inclinación de campo de captadores: 55º.

Condiciones del entorno: sin sombras posibles.

4.21. Estimación de la demanda energética de A.C.S.

Según lo estipulado en el CTE DB HE4 y a falta de información específica sobre el

número de residentes de la vivienda, se supone una ocupación de 4 personas:

Número de

dormitorios 1 2 3 4 5 6 7 >7

Número de

personas 1,5 3 4 6 7 8 9

Una persona

por dormitorio

Tabla 4.28: Grado de ocupación por defecto.


El consumo de ACS estimado se toma según el valor mínimo recomendado por el

CTE para vivienda unifamiliar: 30 litros por día.

75


Así pues, el consumo diario total de la vivienda es:

Nº viviendas 4 dorm. 10






Nº total residentes 280

Consumo por persona 22 l/día

6.160 l/día Consumo total de ACS (Ddía)

6,16m3/día

La temperatura final de acumulación se supone TACS=60ºC.

Para el cálculo de la demanda energética mensual falta conocer los valores de

temperatura media del agua de red. Para ello, se hace uso de las tablas

suministradas en el Pliego del IDAE, por provincias (ver anexo).

Como se ha expuesto en la sección correspondiente, la demanda energética

mensual se puede obtener cómo:

Donde Cp= 1kcal/kg.ºC y ρ = 1.000 kg/m3.

76



Mes Tª agua

red

Ddia a 60ºC

(m3/día)

Nº días

mes

Dmes(60ºC)

(m3/mes)

DEmes(60ºC)

(kWh/mes)

Ene 6 6,16 31 190,96 11.961,73

Feb 7 6,16 28 172,48 10.604,07

Mar 9 6,16 31 190,96 11.297,19

Abr 11 6,16 30 184,80 10.504,03

May 12 6,16 31 190,96 10.632,65

Jun 13 6,16 30 184,80 10.075,30

Jul 14 6,16 31 190,96 10.189,63

Ago 13 6,16 31 190,96 10.411,14

Sep 12 6,16 30 184,80 10.289,66

Oct 11 6,16 31 190,96 10.854,17

Nov 9 6,16 30 184,80 10.932,77

Dic 6 6,16 31 190,96 11.961,73

Año 10,3 6,16 365 2248,4m3/año 129.714kWh

Las diferencias en demanda de agua mensual se deben al diferente número de días,

mientras que en el caso de la demanda energética se añade la diferente temperatura

del agua de red para cada mes.

77


4.22. Contribución solar mínima de ACS

La contribución solar mínima depende del tipo de aporte auxiliar, de la demanda

diaria de agua y de la zona climática. En las condiciones del proyecto (6,16m3/día,

zona climática IV y aporte auxiliar convencional), se obtiene una contribución solar

anual o fracción solar f= 70%:


ACS del edificio


0,05-5 30 30 50 60 70

5-6 30 30 55 65 70

6-7 30 35 61 70 70

7-8 30 45 63 70 70

8-9 30 52 65 70 70

9-10 30 55 70 70 70

10-12,5 30 65 70 70 70

12,5-15 30 70 70 70 70

15-17,5 35 70 70 70 70

17,5-20 45 70 70 70 70

>20 52 70 70 70 70

Tabla 4.29: Contribución solar mínima en % exigido por el CTE DB HE4. Caso general (gas, gasóleo,

propano…). Fuente: Código Técnico de la Edificación

Así pues, la demanda mínima a cubrir con el sistema solar debe ser:

EUsolar,año=f.DEaño = 0,7x129.714kWh /año = 90.800kWh/año

Para la determinación del número de captadores y del volumen de acumulación

debe hacerse, sin embargo, el análisis mensual utilizando el método de cálculo

adecuado.

78


4.23. Radiación solar incidente sobre el plano de captadores

Antes de abordar el dimensionado de la instalación deben conocerse los datos de

radiación solar incidente para la orientación e inclinación real de los captadores.

En las condiciones de ubicación del proyecto actual, las pérdidas por sombreado son

nulas, mientras que por la inclinación de 55º se estiman en un 8%, dentro de los

márgenes admisibles.

La radiación solar diaria sobre superficie inclinada se obtiene como:


Según las tablas de radiación, los valores mensuales de radiación solar diaria sobre

superficie horizontal Gdi(0º) y su corrección k para inclinación de 55º son los

mostrados en la tabla siguiente, junto con los valores ya modificados Gdi(55º):

Mes Gdi (0º)

(kWh/m2día) k (55º)

Gdi(55º)

(kWh/m2dia)

EImes (kWh/m2mes)

Enero 1,86 1,40 2,61 80,84

Febrero 2,94 1,27 3,74 104,79

Marzo 3,78 1,10 4,16 128,93

Abril 5,22 0,94 4,91 147,38

Mayo 5,81 0,82 4,76 147,70

Junio 6,53 0,78 5,09 152,87

Julio 7,22 0,82 5,92 183,74

Agosto 6,42 0,95 6,10 189,12

Septiembre 4,69 1,15 5,40 162,09

Octubre 3,17 1,38 4,37 135,58

Noviembre 2,08 1,54 3,21 96,33

Diciembre 1,64 1,52 2,49 77,29

Año 4,28 4,40 1.606,64

Tabla 4.30: Tabla de valores diarios de radiación solar y energía solar mensual incidente, por unidad

de superficie. Fuente: Elaboración propia con datos del IDAE y CENSOLAR

79


4.24. Cálculo de número de captadores y volumen de acumulación: método f-chart

Para la aplicación del método de cálculo f-chart, junto a los valores calculados de

demanda energética mensual y energía solar disponible, es necesario conocer una

serie de datos adicionales:

Modelo de captador Isotherm Plus Isofotón

Superficie apertura 2,205 m2

Eficiencia óptica 0,773

Coeficiente global de

pérdidas 3,24 W/m2.ºC

MAI 0,922

FCint 0,95

Tabla 4.31: Datos de entrada del método de cálculo.


Para completar los datos de entrada del método, sólo queda conocer los valores

medios mensuales de temperatura ambiente durante el día, según lo recomendado

por el IDAE sobre datos de CENSOLAR.

Después de probar con diferente número de captadores, en la tabla siguiente se

resumen los principales resultados de la aplicación del método f-chart para 60

unidades. Por aplicación directa del método se obtienen los valores mensuales de

contribución solar, fmes.

Con la fracción solar mensual se obtiene la energía solar útil aportada al fluido:


80


Mes Tamb (ºC)

DEmes

(kWh)

fmes

(%)

EUsolar,mes

(kWh)

Enero 6 11.961,73 40,14 4.801,55

Febrero 8 10.604,07 60,04 6.366,96

Marzo 11 11.297,19 68,00 7.682,54

Abril 13 10.504,03 80,03 8.406,64

Mayo 18 10.632,65 80,38 8.546,65

Junio 23 10.075,30 87,22 8.787,94

Julio 28 10.189,63 99,68 10.157,20

Agosto 26 10.411,14 100,30 10.411,14

Septiembre 21 10.289,66 89,85 9.245,23

Octubre 15 10.854,17 73,32 7.958,51

Noviembre 11 10.932,77 52,85 5.778,04

Diciembre 7 11.961,73 38,42 4.596,20

Anual 15,60 129.714,17 92.738,60

Tabla 4.32: Resultados de aplicación del método f-chart (60 captadores).


Como verificación principal del análisis, se obtiene una fracción solar o contribución

solar anual f superior a la exigida en el CTE:

El rendimiento medio anual de la instalación es:

81


Es decir, el rendimiento medio anual es del 43%, ligeramente por encima de los

límites establecidos por el CTE.

Resulta interesante analizar la evolución mensual del sistema en diseño, con la

relación entre energía demandada y energía solar aportada al agua de consumo. De

la relación entre ambos surge la contribución solar mensual, útil para detectar

posibles situaciones de sobrecalentamiento.

Los valores de la tabla anterior se representan en las siguientes figuras:

Figura 4.14: Relación entre demanda energética y aportación solar mensual.


En este caso, en comparación con el anterior de vivienda unifamiliar, la mayor

exigencia del CTE sobre contribución solar, conduce a un sistema más grande, en

proporción, con una mayor aportación energética y fracción solar en todo el año.

Se observa también en el gráfico de la fracción solar mensual, mayor aportación en

invierno con valores cercanos al 40% en el mes más desfavorable. A esto contribuye,

además del tamaño del sistema, una inclinación (55º) que favorece la generación

solar térmica en invierno, ya que el Sol en dicha estación presenta un recorrido más

bajo en el cielo.

82


Figura 4.15: Fracción solar mensual.


4.25. Volumen de acumulación y potencia de intercambio

Como variable del método de dimensionado se ha seleccionado una relación entre

volumen de acumulación y superficie de captadores de 50l/m2, que se encuentra en

el mínimo del rango admitido por el CTE DB HE4:

50 < Vacum/SC < 180 l/m2

Como la superficie total de captación es de 132,3m2, el volumen total de

acumulación mínimo es:

Vacum=50l/m2.132,3m2= 6.650l

Este volumen de acumulación puede distribuirse en uno o varios acumuladores

centralizados conectados en serie, lo que implica disponer de un espacio de uso

común de grandes dimensiones. La opción opuesta es disponer de acumuladores

descentralizados, uno por vivienda, si bien el control del conjunto se complica y la

eficiencia se resiente. Una tercera opción, intermedia, es instalar un acumulador

colectivo parcial y acumuladores individuales en cada vivienda en función de su

tamaño y consumo previsto. Sobre estos acumuladores, ya de ACS, actúan los

sistemas auxiliares cuando sea necesario.

83


En este sentido, y tomando valores existentes en el mercado, se puede realizar la

siguiente distribución:

Acumulador colectivo: 2.000.

Acumuladores individuales viviendas 4 dormitorios: 100.



El volumen total de acumulación resulta ser 7.000l, poco por encima del volumen

diario del edificio y dentro de los límites del CTE.

Figura 4.16: Esquema acumulación solar mixta.

Fuente: Termicol

En todo caso, en instalaciones de gran tamaño, al igual que ocurre con los sistemas

normales de suministro de ACS convencionales, al esquema anterior se le debe

añadir una tubería de retorno que garantice una temperatura de agua adecuada en

la vivienda más alejada del punto de generación.

De esta forma, si la temperatura en esa vivienda no es suficiente, se recircula el

agua, aumentando su temperatura.

84


85

En instalaciones grandes, se dispone un intercambiador externo al acumulador.

El requisito exigido por el CTE DB HE4 para los intercambiadores externos es:

Pinter (W)≥ 500.SC = 500.132,3m2 = 66,15kW

Volviendo al sistema de captación el fabricante del captador solar recomienda un

caudal de 110l/h, que equivale a 50l/h.m2, dentro del rango admisible de 43-72l/h.m2.

Para este caudal, se indica una pérdida de carga al paso por el captador de

9,5mmca.

Una posible configuración del campo de captadores es en 20 baterías en paralelo de

3 elementos en serie. Para esta configuración, el caudal total del primario resulta:

Q (l/h) =50(l/h.m2).Nparalelo.Scaptador (m2)

Q (l/h) =50(l/h.m2).20.2,21 (m2)=2210l/h=2,21m3/h

El fabricante recomienda una tubería de 35mm de diámetro interior.

Para el diseño del resto de componentes, vaso de expansión, bomba, tuberías, etc.,

tanto del circuito primario y secundario deben conocerse las características

constructivas completas del edificio. Con dicha información se aplica lo descrito en

apartados anteriores.

Un aspecto importante es la propia ubicación de los equipos sobre la cubierta del

edificio. En este caso, los 60 captadores ocupan una superficie total de

60x2,4m2=144m2, que se ve ampliada por la necesaria separación entre filas de

captadores, como se analizó en el apartado correspondiente. Para realizar la

configuración completa debe conocerse las dimensiones de la cubierta real.

4 Diseño de instalaciones solares térmicas - educaronline.es · Tema 4 Diseño de instalaciones...

Documents

Transcript of 4 Diseño de instalaciones solares térmicas - educaronline.es · Tema 4 Diseño de instalaciones...