T03_11E

1. Introducción 22. Estimación de la demanda 22.1 Estimación de la demanda de ACS 22.2. Estimación de la demanda de calefacción 52.3 Energía Solar Incidente 72.4 Cálculo del número de captadores y volumen de acumulación por el método f-chart 92.5 Abastecimiento de la demanda de ACS 152.6 Disposición de los captadores 162.7 Elección de los equipos de acumulación 162.8 Circuito hidráulico 162.8.1 Tuberías 172.9 Diseño de los vasos de expansión 262.10 Diseño del intercambiador 282.11 Diseño de la bomba del circuito primario 282.12 Diseño del aerodisipador 303. Anexos 32ANEXO I 32ANEXO II 33ANEXO III 34ANEXO IV 354. Bibliografía 37

1. IntroducciónEl objetivo del ejercicio es realizar el diseño de una instalación de energía solar térmica para suplir la demanda de ACS y parte de la demanda de calefacción. Para ello partimos de una serie de datos iniciales:

  * Ubicación de la vivienda: Ávila  * Tipo de vivienda: Vivienda Unifamiliar  * Nº de personas/vivienda: 5  * Superficie útil y calefactable:150 m2  * Carga térmica del inmueble: 75 W/m2  * Longitud tuberías circuito primario: mínimo 30 m – máximo 100 m  * Coeficiente de dilatación del agua a 90 ºC: 0,04   * Coeficiente de dilatación del Agua+Glicol (45%) a 90ºC: 0,08  * Captador: SAUNIER DUVAL, modelo, HELIO PLAN SCV 2.3

El proyecto se va a realizar cumpliendo el R.D. 314/2006 [1].

2. Estimación de la demanda2.1 Estimación de la demanda de ACSEn primer lugar vamos a proceder a calcular la demanda energética en el caso de ACS, para ello partimos de los siguientes datos:

  * Localidad: Ávila

  * Latitud: 40º39’ N [2]  * Longitud: 4º.42’ O [2]  * Zona Climática: IV  * Tipo de Edificio: Vivienda Unifamiliar  * Nº de personas que habitan en el edificio: 5  * Sistema de energía auxiliar: Gas natural  * Temperatura de diseño: 60ºC

El consumo de ACS estimado se toma según el valor mínimo recomendado por el CTE, que para una vivienda unifamiliar es de 30 litros por día, tomando como referencia la temperatura de 60ºC, ya que la instalación deberá contar con un intercambiador para el depósito de inercia, que abastecerá al circuito de calefacción, y según el pliego de condiciones técnicas [3], se recomienda que para calefacción, la temperatura de entrada al intercambiador sea de 60ºC. En nuestro caso, vamos resolver el caso considerando dicha temperatura de diseño. Por tanto, según el CTE, la demanda a considerar, según la temperatura elegida, se obtiene a partir de la siguiente expresión:DT=112Di(T)       (2.1.1)Donde,D(T), es la demanda de agua caliente sanitaria anual a la temperatura T elegida.Di(T), es la demanda de agua caliente sanitariapara el mes i a la temperatura T elegida.

Una vez conocido el consumo de la vivienda hemos de obtener la demanda energética mensual por consumo de ACS, la cual obtenemos a partir de la siguiente expresión, obtenida del libro de “Energía solar, térmica y pasiva” [4]:

DEmes,ikcalmes=DdíaxNdías,ixCpx(TACS-Tred,i)     (2.1.2)

Donde,DEmes,i (kcal/mes), es la demanda energética mensual para el mes i.Ddía, demanda de agua caliente sanitaria diaria a la temperatura T elegida.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 ACSCp, es el calor específico del agua (1 kcal/kg·ºC)ρ, es la densidad del agua (1.000 kg/m3)

Como hemos visto en la expresión, para el cálculo de la demanda energética mensual es necesario conocer los valores de temperatura media del agua de red, para lo que se ha hecho uso de las tablas suministradas por el Pliego de Condiciones Técnicas [3]. A continuación se muestran los valores obtenidos de consumo en m3 y demanda energética en kWh.

Mes | Nº Días Mes | Tª Agua Red | Ddia (T) (m3/día) | Di(60ºC) (m3/mes) | DEi(T) (kWh/mes) |Enero | 31 | 4 | 0,15 | 4,7 | 302,1 |Febrero | 28 | 5 | 0,15 | 4,2 | 268,0 |Marzo | 31 | 7 | 0,15 | 4,7 | 285,9 |

Abril | 30 | 9 | 0,15 | 4,5 | 266,2 |Mayo | 31 | 10 | 0,15 | 4,7 | 269,7 |Junio | 30 | 11 | 0,15 | 4,5 | 255,8 |Julio | 31 | 12 | 0,15 | 4,7 | 258,9 |Agosto | 31 | 11 | 0,15 | 4,7 | 264,3 |Septiembre | 30 | 10 | 0,15 | 4,5 | 261,0 |Octubre | 31 | 9 | 0,15 | 4,7 | 275,1 |Noviembre | 30 | 7 | 0,15 | 4,5 | 276,7 |Diciembre | 31 | 4 | 0,15 | 4,7 | 302,1 |Total Anual | 54,7 | 3285,6 |Tabla 2.1.- Consumo de ACS estimado y demanda energética anuales. Fuente: Elaboración propia.

Por tanto, el consumo total estimado al año de ACS es de 54,7 m3 y la demanda energética anual es de 3.285,6 kWh.Para conocer la contribución solar mínima hemos de tener en cuenta que la demanda del edificio se encuentra entre el rango de 0,05-5 m3/día, ya que para la temperatura elegida la demanda diaria media es de 0,15 m3/día, o lo que es lo mismo 150 l/día, además tenemos que considerar que está ubicada en la zona climática IV, y el aporte convencional auxiliar hemos considerado que es gas natural, por lo que, como podemos comprobar en tabla 2.1 del CTE, la contribución solar mínima exigida es del 60%.

Tabla 2.2.- Contribución solar mínima general suponiendo que la fuente energética de apoyo sea, gasóleo, gas natural, propano u otras. Fuente: Sección HE 4 del Código Técnico de la Edificación.

Así, la demanda mínima a cubrir con el sistema solar para ACS debe ser:EUsolar,año = f·DEaño = 0,6 x 3.222,1(kWh/año) = 1.933,26 kWh/añoConsiderandoque la demanda diaria media es de 150 l/m2, seleccionaremos un volumen de acumulación de ACS de 200 l/m2. Por otro lado, para cubrir la demanda de ACS necesitamos solo un captador solar.Teniendo en cuenta la condición del CTE en cuanto al volumen de acumulación, hemos de comprobar si este caso cumple o no con la misma:

50<Vacum-solarSc<180     (2.1.3)50<2002,35<18050<85<180     Cumple las premisas

2.2. Estimación de la demanda de calefacciónEn este caso, partimos de una serie de datos que hemos visto al inicio en cuanto a superficie útil y calefactable y la carga térmica del edificio. Por otro lado, hemos de tener en cuenta las horas de funcionamiento de la calefacción al día en el edificio para lo que se ha hecho una estimación según criterio propio, teniendo en cuenta las diferentes estaciones del año, y suponiendo una mayor demanda de calor en unas que en otras. Estos valores aparecen más adelante en la tabla 2.3. En cuanto a la temperatura de diseño, en el caso de calefacción consideramos 45ºC.

Sabiendo que la carga térmica del edificio es de 75 W/m2, habrá que multiplicarla por la superficie total calefactables para conocer la carga total, así como multiplicar por el número de horas que se va a usar esta para conocer la energía total demandada.   De esta manera, para estimar la demanda de calefacción vamos a aplicarla siguiente expresión:

DEmes,i=QtermicaxScalefxNdías,mesxHdía,calef     (2.2.1)Donde;

DEmes,i, es la demanda energética de calefacción en el mes i, (kWh/mes).Qtérmica, es la carga térmica por unidad de superficie del edificio, (kW/m2).Scalef, es la superficie útil y calefactable total del edificio, (m2).Ndias,mes, es el número de días del mes i.Hdía,calef, es el número de horas de funcionamiento de la calefacción al día.

A continuación se muestran los resultados obtenidos para cada mes:Mes | Nº de días | Qtermica (kW/m2) | Scalef (m2) | Hdia,calef (h) | DEmes,i (kWh/mes) |Enero | 31 | 0,075 | 150 | 20 | 6995 |Febrero | 28 | 0,075 | 150 | 20 | 6300 |Marzo | 31 | 0,075 | 150 | 20 | 6975 |Abril | 30 | 0,075 | 150 | 15 | 5062,5 |Mayo | 31 | 0,075 | 150 | 10 | 3487,5 |Junio | 30 | 0,075 | 150 | 0 | 0 |Julio | 31 | 0,075 | 150 | 0 | 0 |Agosto | 31 | 0,075 | 150 | 0 | 0 |Septiembre | 30 | 0,075 | 150 | 0 | 0 |Octubre | 31 | 0,075 | 150 | 15 | 5231,25 |Noviembre | 30 | 0,075 | 150 | 22 | 6750 |Diciembre | 31 | 0,075 | 150 | 22 | 6975 |Total Anual | 47.756,25 |Tabla 2.3.- Cálculo de demanda de calefacción. Fuente: Elaboración propiaPor tanto, la demanda energética total a lo largo del año es de 47.756,25 kWh.Como podemos apreciar, la contribución solar mínima exigida para ACS, supone un 4%   del total de lademanda de calefacción, dado que supone solo una pequeña parte de la demanda, vamos a considerar para el diseño únicamente la demanda de calefacción ya que la de ACS quedará cubierta como podemos ver en el libro de “Energía solar térmica y pasiva”[4]: ”[…] el suministro del calor solar hacia los circuitos de calefacción se encuentra siempre supeditado a que exista un excedente en el suministro de ACS.”

2.3 Energía Solar IncidentePara continuar con el diseño de la instalación hemos de conocer los datos de radiación solar incidente para la orientación e inclinación real de los captadores. Para ello, hemos de cumplir con los límites establecidos por el CTE DB HE 4 [1] en cuanto a pérdidas por orientación e inclinación y por sombras. En primer lugar consideramos que no existen sombras posibles en el entorno de la instalación, por lo que no habrá pérdidas por este motivo. En segundo

lugar, teniendo en cuenta que la orientación del campo de captadores es al Sur, que la inclinación elegida es de 50º, y consideramos que se trata de integración arquitectónica de los módulos, las pérdidas por inclinación y orientación están dentro de los límites establecidos por el CTE ya que como podemos ver en la tabla 2.4 del CTE [1], el límite de pérdida para el caso de integración arquitectónica es del 40%, por lo que la energía generada mínima debe ser del 60 % y como se puede apreciaren la figura siguiente, nuestro caso se encuentra en el límite entre el rango del 95%-100%   y el del rango del 90%-95% de generación de energía, que en cualquier caso supera dicho 60% límite que establece el CTE en nuestro caso:

Figura 1.- Pérdidas por inclinación y orientación. Fuente: Elaboración propia.

Tabla 2.4.- Pérdidas límite. Fuente: Sección HE 4 del Código Técnico de la Edificación.

Se ha seleccionado como inclinación óptima de los captadores 50º, para favorecer la demanda en invierno, que como indica el CTE, para este caso se considera como inclinación óptima la latitud geográfica más 10º. Se ha optado por esta solución porque se considera que no hay necesidad de favorecer la demanda en verano ya que la demanda en calefacción durante los meses estivales será nula, y solo habrá que abastecer la demanda de ACS y hemos de tener en cuenta, que es en estos meses cuando habrá un excedente de energía ya que la energía incidente será mayor y la demanda menor, por lo que la demanda de ACS quedará cubierta con creces.

Para conocer la energía incidente, debemos conocer la radiación solar diaria sobre superficie inclinada, la cual obtenemos de la siguiente expresión, obtenida del libro de “Energía solar, térmica y pasiva” [4], para captadores orientados al sur:

Gdi(β) = k x Gdi(0º)     (2.3.1)Donde,Gdi(β), es la media de la radiación solar diariaincidente en el mes i sobre una superficie de inclinación β.Gdi(0º), es la media de la radiación solar incidente en el mes i sobre superficie horizontal (0º).k, es el factor de corrección para superficies inclinadas.

Para la obtención de dichos datos hacemos uso de la base de datos de PVGIS de donde hemos tomado los valores de irradiación solar diaria sobre plano horizontal y hemos corregido aplicando el factor de corrección del pliego de condiciones técnicas [3], de tal manera que tomamos la radiación solar diaria media incidente sobre superficie horizontal para Ávila, y el factor de corrección para una latitud de 40º y una inclinación de 50º.

Por otro lado, la energía solar mensual incidente, EImes,i, se obtiene multiplicando la irradiación diaria de cada mes por el número de días:

EImes,i = Gdi x Ndías, mes     (2.3.2)

A continuación se muestran los resultados obtenidos:

Mes | Nº días mes | K (latitud 40º, inclinación 50º) | Gdi(0º) (kWh/m2) | Gdi (50º) (kWh/mes) | EImes,i (kWh/mes) |Enero | 31 | 1,41 | 1,949 | 2,75 | 85,19 |Febrero | 28 | 1,28 | 2,709 | 3,47 | 97,09 |Marzo | 31 | 1,13 | 4,467 | 5,05 | 156,48 |Abril | 30 | 0,98 | 5,078 | 4,98 | 149,29 |Mayo | 31 | 0,87 | 6,437 | 5,60 | 173,61 |Junio | 30 | 0,83 | 7,229 | 6,00 | 180,00 |Julio | 31 | 0,87 | 7,389 | 6,43 | 199,28 |Agosto | 31 | 0,99 | 6,578 | 6,51 | 201,88 |Septiembre | 30 | 1,18 | 4,949 | 5,84 | 175,19 |Octubre | 31 | 1,39 | 3,363 | 4,67 | 144,91 |Noviembre | 30 | 1,54 | 2,086 | 3,21 | 96,37 |Diciembre | 31 | 1,52 | 1,529 | 2,32 | 72,05 || 1731,35 |Tabla 2.5.- Valores diarios medios de radiación solar y energía solar mensual incidente. Fuente: Elaboración propia con datos del IDAE.

La energía total incidente al año es de 1.731,35 kWh.

2.4 Cálculo del número de captadores y volumen de acumulación por el 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 debemos tener en cuenta una serie de datos de partida, además de los datos del captador. A continuación se muestran todos estos datos necesarios:

  1. Modelo de Colector: Saunier Duval, HELIO PLAN SCV 2.3  2. Área de apertura (Sc): 2,352 m2  3. Coeficiente lineal de pérdidas térmicas, k1, (W/m2·ºK): 2,834  4. Coeficiente cuadrático de pérdidas térmicas, k2, (W/m2·ºK2): 0, 056  5. Rendimiento óptico del captador (η0): 0,736  6. Coeficiente Global de pérdidas Térmicas:Para conocer el coeficiente global de pérdidas aplicamos la siguiente expresión, tomada del libro de “Energía Solar, Térmica y Pasiva” [4]:

kglobal=k1+k2xTm-Tamb     (2.4.1)Donde;kglobal, es el coeficiente global de pérdidas térmicas (W/m2·ºC)k1,es el coeficiente lineal de pérdidas térmicas (W/m2·ºC)k2, es el coeficiente cuadrático de pérdidas térmicas (W/m2·ºC2)Tm, es la temperatura de diseño (ºC)Tamb, es la temperatura media ambiente (ºC)En la tabla 2.6 se mostrarán los valores obtenidos para el coeficiente global de

pérdidas para cada mes.  7. MAI (modificador de ángulo de incidencia): 0,95Según indicaciones del CTE este valor deberá estar entre 0,9 y 0,95, y según el IDAE debe estar entre 0,94 y 0,96, por lo que hemos optado por tomar 0,95.  8. FCint (Factor de corrección del conjunto captador-intercambiador): 0,95Tomamos el valor de 0,95 porque es lo que se recomienda en el Pliego de Condiciones Técnicas [3].  9. Factor de corrección para el acumulador (FCacm): 1,09Para conocer el factor de corrección para el acumulador se ha usado la siguiente expresión, tomada del pliego de condiciones técnicas [3]:

FCacum=Vacum-solarSc75 l/m2-0,25(2.4.2)

Donde;FCacum, es el factor de corrección para el acumulador.Vacum-solar, es el volumen del acumulador solar (l/m2)Sc, es la superficie total de captadores (m2)

Para obtener el volumen del acumulador solar comprobaremos que cumplimos con la condición del CTE en la que relaciona el volumen de acumulación del depósito con la superficie total de captadores vista anteriormente en el apartado 2.1:Más adelante se aclara el volumendel acumulador seleccionado.  10. Factor de corrección para la temperatura del agua (FCacs)Para conocer el factor de corrección para la temperatura hemos usado la expresión recomendada por el Pliego de Condiciones Técnicas [3]:

FCacs=11,6+1,18·Tacs,min+3,86·Tred-2,32·Tamb100-Tamb       (2.4.3)

Donde;FCacs, es el factor de corrección para la temperatura.Tacs,min, es la temperatura mínima de ACS (ºC).Tred, es la temperatura media del agua de red (ºC).Tamb, es la temperatura media del agua (ºC)Los valores del corrector para la temperatura se recogerán en la tabla 2.6, calculados en función de las temperaturas medias del agua de red y de las temperaturas ambiente medias para cada mes.

Los valores de temperatura ambiente media para cada mes han sido tomados de las tablas del Pliego de Condiciones Técnicas [3], para Ávila.

A continuación vamos a resumir los valores iniciales mencionados anteriormente en una tabla:Sc (m2) Total | Sc (m2) Unitaria | Nº de captadores | η0 | MAI | FCint | FCacum | Vacum-solar (l/m2) |18,82 | 2,352 | 8 | 0,736 | 0,95 | 0,95 | 1,09 | 1.000 |Tabla 2.6.- Resumen de datos adicionales para proceder al método de cálculo de f-chart. Fuente: Elaboración propia

Los resultados obtenidos para el diseño se han conseguido considerando un volumen de acumulación de inercia de 1.000 l/m2 para una superficie total de captaciónde 18,82 m2, es decir, 8 captadores. A continuación comprobamos que cumple con lo requerido en el CTE en cuanto a la relación con el área total de captación, aplicando la expresión 2.1.3:50<Vacum-solarSc<18050<1.00018,82<18050<55<180 Cumple las premisas

Para el método de cálculo de f-chart 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:

fmes=1,029·D1-0,065·D2-0,245·D12+0,0018·D22+0,0215·D13   (2.4.4)

El parámetro D1 expresa la relación entre la energía absorbida por el captador y la demanda energética mensual del sistema:

D1=EabsorbidaDEmes=Sc·η0·MAI·FCint·Gdm·Ndías,mesDEmes     (2.4.5)

Donde;Sc, es el área total de apertura del captador (m2)η0, es el rendimiento óptico del captador MAI, es el modificador de ángulo de incidenciaFCint, es el factor de corrección del conjunto captador-intercambiador FCacm, es el factor de corrección para el acumulador Gdm, irradiación solar diaria de ese mes para la orientación e inclinación de los captadores (kWh/m2).Ndías,mes, es el número de días del mes.

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:

D2=EperdidaDEmes=Sc·kglobal·FCint·100-Tamb·FCacum·FCACS·24·Ndías,mesDEmes     (2.4.6)

Sc, es el área total de apertura del captador (m2)kglobal, es el coeficiente global de pérdidas (w/m2·ºC)FCint, es el factor de corrección del conjunto captador-intercambiador FCacm, es el factor de corrección para el acumulador FCACS, es el factor de corrección para la temperatura Ndías,mes, es el número de días del mes.

El método f-chart, nos permite obtener los valores mensuales de contribución solar.Con la fracción solar mensual se obtiene la energía solar útil (EU) aportada al

fluido:

f=mes=112EUsolar,mesmes=112DEmes     (2.4.7)

Por otro lado, el rendimiento medio de la instalación lo obtenemos a partir de la siguiente expresión:

ηsistema,año=mes=112EUsolar,mesmes=112Sc·Gdm·Ndías.mes=mes=112EUsolar,mesmes=112Sc·EImes     (2.4.8)

En la tabla siguiente se recogen los principales resultados obtenidos aplicando el método de f-chart, para un captador, y de algunas de las ecuaciones mencionadas anteriormente:

Mes | Nº días mes | Tred | Tamb | kglobal | FCacs | D1 | D2 | fmes (%) | EUsolar (kWh/mes) |Enero | 31 | 4 | 4 | 0,0051 | 0,74 | 0,11 | 0,76 | 6% | 421,87 |Febrero | 28 | 5 | 5 | 0,0051 | 0,76 | 0,15 | 0,76 | 10% | 635,01 |Marzo | 31 | 7 | 8 | 0,0049 | 0,80 | 0,25 | 0,75 | 19% | 1346,81 |Abril | 30 | 9 | 11 | 0,0047 | 0,83 | 0,38 | 0,97 | 29% | 1478,81 |Mayo | 31 | 10 | 14 | 0,0046 | 0,82 | 0,72 | 1,35 | 53% | 1863,21 |Junio | 30 | 11 | 18 | 0,0043 | 0,80 | 0 | 0 | 0 | 0 |Julio | 31 | 12 | 22 | 0,0041 | 0,77 | 0 | 0 | 0 | 0 |Agosto | 31 | 11 | 22 | 0,0041 | 0,72 | 0 | 0 | 0 | 0 |Septiembre | 30 | 10 | 18 | 0,0043 | 0,75 | 0 | 0 | 0 | 0 |Octubre | 31 | 9 | 13 | 0,0046 | 0,80 | 0,25 | 0,89 | 19% | 968,47 |Noviembre | 30 | 7 | 8 | 0,0049 | 0,80 | 0,12 | 0,75 | 7% | 462,35 |Diciembre | 31 | 4 | 5 | 0,0051 | 0,72 | 0,08 | 0,72 | 4% | 276,25 |Total Anual | 7.452,78 |Tabla 2.7.- Resultado aplicación método f-chart. Fuente: Elaboración propia.

La cobertura solar para calefacción podrá estar entre el 10% y el 30%, como se recomienda en el CTE. En este caso la cobertura solar es la siguiente: f=mes=112EUsolar,mesmes=112DEmes=7.452,7847.756,25=0,16⟶16%

Por tanto estamos dentro del rango recomendado.Por otro lado,   el CTE, nos dice que: “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%”.A continuación comprobamos que la instalación tiene un rendimiento superior al mencionado:

ηsistema,año=mes=112EUsolar,mesmes=112Sc·EImes=7.452,7818,82x1.731,35=0,23⟶23%

2.5 Abastecimiento de la demanda de ACSComo se ha mencionadoanteriormente, la demanda de ACS quedará cubierta al 100% con la instalación aunque esta no se haya tenido en cuenta para el diseño, ya que la demanda de ACS supone un 4 % de la demanda de calefacción y además el suministro del

calor solar hacia los circuitos de calefacción está supeditado a la existencia de un excedente en el suministro de ACS.Como podemos ver en el libro de “Energía solar, térmica y pasiva” [4], en   instalaciones de gran tamaño se puede aislar una parte del sistema sin parar el funcionamiento del conjunto mediante los circuitos de by-pass correspondientes con válvulas de tres vías, ya que estas determinan el camino que ha de seguir el fluido, de manera que estará abierta a la calefacción pero con preferencia para el ACS cuando la temperatura en el depósito de acumulación baje del valor del consigna (60C). Se recomienda que estas válvulas sean de esfera.A continuación podemos ver el esquema básico de cómo quedaría la instalación:

Figura 2.- Instalación Solar de ACS y apoyo de sistema de calefacción a baja temperatura. Fuente: Manual Técnico de Salvador Escoda [7]

2.6 Disposición de los captadoresLa instalación contará con 8 captadores conectados en paralelo, de tal manera que   formarán dos baterías de captadores conectadas en paralelo, formadas cada una por cuatro captadores conectados también en paralelo. Para lograr el equilibradodel sistema es preferible una conexión con retorno invertido.

Figura 3.- Conexión de los captadores con retorno invertido. Fuente: Energía Solar Térmica y Pasiva [4]2.7 Elección de los equipos de acumulaciónTras realizar el diseño hemos obtenido un volumen de acumulación para ACS de 200l y para calefacción de 1000 l. Por tanto vamos a seleccionar dos interacumuladores de 200 y 1000 l de capacidad modelos: GX-200-M1 y GX-1000-M1B de Lapesa [13], cuyas especificaciones técnicas se adjunta en el anexo I.2.8 Circuito hidráulicoLos rangos de caudales varían bastante dependiendo de si el sistema es de bajo flujo (10-20 l/h·m2) o de flujo normal o alto (40-60 l/h·m2) [8]. Si bien normalmente se selecciona un caudal de diseño unitario relativamente alto. El caudal de diseño de la instalación se calcula a partir del caudal unitario y es función de la superficie de captadores.Según recomendaciones de CTE, el caudal recomendado para el circuito primario, los valores indicados de caudal específico se estiman en un rango entre 43 – 72 l/h·m2, y hasta 60 l/h·m2, atendiendo estos valores vamos a seleccionar un caudal de diseño de 55 l/h·m2. A continuación calculamos el caudal que circula por cada batería de 4 captadores conectadas en paralelo:

      (2.8.1)

Así, el caudal que circula por todo el campo de colectores y por tanto, por el circuito primario es de1.034 l /h, o lo que es lo mismo 1,034 m3/h.

2.8.1 Tuberías

Ahora vamos a determinar el diámetro de las tuberías del circuito primario. Para ello, vamos a tener en cuenta los valores recomendados de velocidad, ya que el Pliego de Condiciones Técnicas recomienda que el diámetro de las tuberías se seleccione de forma que la velocidad de circulación del fluido sea inferior a 2 m/s cuando la tubería discurra por locales habitados y a 3 m/s cuando el trazado sea al exterior o por locales no habitados. Por otro lado, como podemos ver en el libro de “Energía Solar Térmica y solar” [4] en el interior de locales la velocidad de circulación está limitada a 1,5 m/s por cuestiones acústicas y no menos de 0,5 m/s para evitar sedimentaciones.Los materiales más usados para conducciones son el cobre, el hierro galvanizado, el hierro negro y   plástico. Para instalaciones de energía solar el más aconsejable es el cobre ya que resiste grandes presiones de trabajo [9]. Por tanto las tuberías tanto en el circuito primario como en el secundario serán de cobre.Antes de proceder con el cálculo del diámetro, necesitamos estimar el caudal con el que trabajará la instalación. El caudal calculado es de 1.034 l/h cuando el fluido caloportador es agua. Para otros fluidos debemos dividir este valor por el calor específico correspondiente. Hemos tomado como anticongelante el propilenglicolya que resulta más fácil recopilar datos en cuanto a sus características. Por tanto vamos a realizar los cálculos para una mezcla de propilenglicol (45%) + agua. En nuestro caso el calor específico de la mezcla con anticongelante es de aproximadamente 0,87 kcal/kg ºC, tomando una temperatura mínima de -25ºC, ya que según el Pliego de Condiciones Técnicas, la mínima registrada en Ávila es de -21ºC, tomaremos 4ºC menos por seguridad. A partir de la siguiente figura obtenemos el calor específico del anticongelante:

Figura 4.- Calor Específico de una disolución de propilenglicol, en función de la temperatura. Fuente: CensolarEl caudal utilizado es de 55 kcal / h·m2, teniendo en cuenta que la densidad del agua es de 1000 kg/m3. En el caso de que el fluido calorportador   fuese agua, bastaría con aplicar un caudal de 55 l / h·m², ya que, el calor especifico del agua es de 1   kcal / kg ºC. Pero, en este caso, al no ser el fluido el 100 % agua el calor específico varía, por lo que se ha de calcular un caudal que extraiga el calor   antes indicado. Para ello, se divide el caudal aconsejado entre el calor específico del fluido, de ahí que:

C= (55 kcal / h·m²) / (0.87 kcal /kg ºC) = 47,8 kg / h m²         (2.8.2)El caudal másico por tanto es de: 47,8 kg/ h m2 x 18,82 m2 = 899,6 kg / h       (2.8.3)

Al ser un fluido el encargado de extraer la energía caloríficay con el fin de poder dimensionar las tuberías por las cuales se moverá dicho fluido, se ha de calcular el caudal volumétrico de la instalación, [9]. Para ello, hemos de consultar las características del propilenglicol y del agua, con el fin, de ver la densidad de ambos componentes a una temperatura de trabajo de 45 ºC, siendo, de 1.023 g/cm³ [10] para el propilenglicol   y de 1 g/cm³ para el agua.Para una composición del 45 % de propilenglicol y del 55 % restante de agua

hemos de calcular la densidad del fluido obtenido, para ello dividiendo el volumen en 100 partes y efectuando una media ponderada se obtiene la siguiente densidad:

ρ = 0,45 x 1.023 + 0,55 x 1= 1,01 g/cm³     (2.8.4)

La densidad es aproximadamente igual a 1 g/cm3, por lo que el caudal volumétrico es aproximadamente igual al caudal másico, por tanto el caudal será aproximadamente 899,6 l/h, o lo que es lo mismo 0,8996 m3/h, para redondear tomaremos 0,9 m3/h.Como primera aproximación estimativa del diámetro mínimo para la tubería usaremos la siguiente expresión: [37]    (2.8.5)Donde,D: es el diámetro (m)j: es igual a 2,2 para tuberías metálicas [9]C: es el caudal en m3/h

Sustituyendo el caudal obtenido en la expresión anterior, obtenemos el siguiente diámetro:

Tomamos como valor normalizado más próximo el tubo de diámetro nominal 22 mm (diámetro interior igual a 20 mm).

Para cada batería de captadores, el diámetro de tubería será:

Tomamos como valor normalizado más próximo el tubo de diámetro nominal 18 mm (diámetro interior igual a 16 mm). Los valores normalizados podemos obtenerlos de la siguiente tabla:

Tabla 2.8- Características de los tubos de cobre comprendidos en la norma UNE 37.141-76. Fuente: Censolar

Una vez hallado el diámetro de la tubería a instalar, se ha de comprobar que con un caudal de 0,9 m³/h, la velocidad no exceda de 1.5 m/s, velocidad máxima recomendada para el circuito primario. Dicha comprobación se calculará a partir de la siguiente fórmula: v ms=0,354xQ(lh)D2(mm2)       (2.8.6)Donde,

Q, es el caudal del circuito (l/h)D, es el diámetro interior de la tubería (mm)v, es la velocidad de circulación del fluido (m/s)

Para cada batería de colectores la velocidad será:

Ahora vamos a proceder a calcular las pérdidas de cargas en el circuito. Para ello vamos a calcular las pérdidas por metros lineales de tubería y de los accesorios que pueda haber en la instalación. En primer lugar vamos a calcular las pedidas en las tuberías del circuito primario teniendo en cuenta la siguiente

figura:

Figura 5.- Tramos en captadores para cálculo de pérdidas de cargas en circuito hidráulico. Fuente: Elaboración propiaPara el cálculo de la pérdida de carga vamos a utilizar las siguientes expresiones:Pdctuberías=tramosPdcunitariaxLequivalente+Pdcsingular    (2.8.7)Donde;Pdcunitaria, son las pérdidas por unidad de longitud en cada tramo de tubería (mmca/m)Lequivalente, es la longitud por tramo corregida para la circulación del fluido de trabajo (m)Pdcsingular, son las pérdidas de carga en las singularidades (mmca)Para determinar las pérdidas de carga unitaria se puede usar la siguiente expresión:Pdcunitaria=378xQ1,75D4,75       (2.8.8)Vamos a determinar un cálculo aproximado sobre las distancias entre captadores para que nos sirva de ayuda a la hora de estimar las longitudes de tubería. Dado que desconocemos el tipo de cubierta, vamos a considerar que la cubierta es plana y suponemos que los paneles se colocaran en posición vertical:

La distancia entre módulos sería la siguiente:        (2.8.9)Por otro lado, también tendremos en cuenta que la corrección debida a la mayor viscosidad del fluido de trabajo respecto al agua puede estimarse en un 30%, por lo que las longitudes de las tuberías tendrán que ser modificadas:Lequivalente=1,3xLreal       (2.8.10)Tramo 1-2:Es necesario conocer la longitud de las tuberías, en este caso la distancia es desde los captadores al acumulador, en este caso consideraremos una longitud de 40 m.Pdcunitaria=378x9001,75204,75=37 mmca/mLequivalente=1,3x40=52 mLa pérdida de carga total es de 1924 mmcaTramo2-3En este caso consideraremos una longitud de tubería de 0,75 mPdcunitaria=378x4501,75164,75=32 mmca/mLequivalente=1,3x0,75=0,975 mLa pérdida de carga total es de: 31,2 mmcaTramo 2-4 En este caso, consideraremos una longitud de tubería de 7 mPdcunitaria=378x4501,75164,75=32 mmca/mLequivalente=1,3x7=9,1 mLa pérdida de carga total es de: 291,2 mmcaTramo 5-7En este caso, consideraremos una longitud de tubería de 7 m

Pdcunitaria=378x4501,75164,75=32 mmca/mLequivalente=1,3x7=9,1 mLa pérdida de carga total es de: 291,2 mmcaTramo 6-7En este caso consideraremos una longitud de tubería de 0,75 mPdcunitaria=378x4501,75164,75=32 mmca/mLequivalente=1,3x0,75=0,975 mLa pérdida total de carga es de: 31,2 mmcaTramo 7-8Este tramo es el de retorno, y consideraremos que la longitud de tubería es de 50 mPdcunitaria=378x9001,75204,75=37 mmca/mLequivalente=1,3x50=65 mEn este caso la pérdida total de carga es de: 2405 mmcaFinalmente, la pérdida de carga total en las tuberías sin tener en cuenta accesorios es de:4.973,8 mmca, o lo que es lo mismo 4,97mca, aproximadamente.

Ahora vamos a estimar las pérdidas de carga correspondientes a los accesorios, para ello vamos a tomar como referencia, en parte, algunos de los accesorios que aparecen en la figura 2,   por tanto consideraremos que el circuito consta de:  * 2 válvulas deantirretorno, Lequivalente: 0,55 m cada una (1,1 m)  * 8 codos de 90º, Lequivalente: 0,63m cada uno (5,04 m)  * 2 codos de 90º, Lequivalente: 0,50 m cada uno (1 m)  * 1 Derivación en T, Lequivalente: 1,08 m   * 1 Confluencia, Lequivalente: 0,20 m   * 1 Reducción, Lequivalente: 0,30 m   * Vamos a considerar, además, 3 m de longitud, por otros tipos de valvulería y accesorios.Vamos a obtener la pérdida de carga:En primer lugar vamos a considerar la pérdida de carga para el caudal en las baterías de captadores:Pdcunitaria=378x4501,75164,75=32 mmca/mPara este caudal consideramos una longitud equivalente en accesorios de 2,3 m, por tanto:Lequivalente=1,3x2,3=2,99 mLa pérdida de carga total será: 95,68 mmcaEn segundo lugar, vamos a calcular la pérdida de carga para el resto del circuito por accesorios, ahora consideramos el resto de la longitud equivalente obtenida anteriormente:Pdcunitaria=378x9001,75204,75=37 mmca/mLequivalente=1,3x9,42=12,3 mLa pérdida de carga será de: 453,1 mmcaAsí, la pérdida de carga total obtenida para todo el circuito hidráulico es de: 5.522,6 mmca, o lo que es lo mismo, 5,52 mca.2.9 Diseño de los vasos de expansión El vaso de expansión, es el encargado de absorber las dilataciones del fluido

calorportador. Dicho depósito debe de tener una capacidad suficiente para absorber las dilataciones del fluido,ya que en caso contrario, habría que rellenar periódicamente el sistema.Está instalación se efectúa con circuito cerrado, por lo que se recomienda utilizar un vaso de expansión cerrado, ya que presenta una serie de ventajas frente a los vasos de expansión abiertos, tales como; fácil montaje, no es necesario su aislamiento, al ser cerrados, no absorben oxigeno y se elimina las pérdidas de fluido por evaporización [9].En los vasos de expansión cerrados y hay que tener en cuenta las presiones. Así, el volumen del vaso se determina a partir de la siguiente expresión:Vvaso≥k·Vcircuito·PfPf-Pi         (2.9.1)Donde;Vvaso; es el volumen del vaso de expansiónVcircuito, es el volumen del circuitok, es el coeficiente de dilatación del fluido. (El coeficiente de dilatación de la mezcla de agua + anticongelante a 90ºC es de 0,08)Pf, es la presión absoluta final del vaso de expansión (bar)Pi; es la presión absoluta inicial (bar)

Para calcular el volumen del circuito primario necesitamos:  * Capacidad de los colectores que según sus hojas características tiene una capacidad de 1,85 l /colector.  * Capacidad del intercambiador que según el fabricante: Por falta de datos para el modelo de interacumulador seleccionado, vamos a tomar como referencia el valor encontrado para otros modelos interacumuladores de la misma marca, en los que se estima el volumen enel serpentín del 3% del volumen del acumulador, por tanto vamos a considerar un volumen del intercambiador de 30 l.  * La capacidad total en las tuberías la tenemos en la tabla siguiente, donde la capacidad por metro según el diámetro viene en la tabla 2.8.

Diámetro Interior (mm) | Longitud (m) | Capacidad (l/m) | Capacidad Total (l) |20 | 9,42 | 0,314 | 2,96 |16 | 2,30 | 0,201 | 0,46 |Total | 3,4 |Tabla 2.9.- Capacidad total en las tuberías de ida y vuelta del circuito primario.Vcircuito=1,85x8+30+3,4=48,2 l

El valor de presión final, tomaremos el valor máximo que puede alcanzar el circuito primario, que es la de tarado de la válvula de seguridad, para este caso de 6 bar. Para la presión inicial la vamos a establecer en 1,5 bar, considerando que el vaso no se encuentra en la zona alta de la instalación.

Vvaso,primario≥0,08·48,2·66-1,5=5,1 l

Por seguridad, seleccionaremos un volumen de para el vaso de expansión   un 10% mayor que el obtenido, como recomienda el CTE, por tanto, el volumen de expansión para el circuito primario será de 5,5 l.

En el caso de los dos circuitos secundarios el coeficiente de dilatación será de 0,04, ya que en este caso el fluido es agua. Para el circuito de de ACS, vamos a considerar de volumen del circuito el volumen del acumulador, ya que al ser un circuito abierto, el vaso de expansión tendrá que absorberlas dilataciones del acumulador cuando no haya consumo, así el volumen del vaso de expansión es:Vvaso,ACS≥0,04·200·66-1,5=10,7Al resultado obtenido le sumamos un 10% más de seguridad que recomienda el CTE, por tanto el volumen del vaso de expansión para el circuito secundario de ACS es de 11,7 litros.

Para el circuito de calefacción vamos a considerar el volumen de acumulación más un 15%, por tanto este será de 1.150 litros, así el volumen del vaso de expansión es:Vvaso,calefacción≥0,04·1.150·66-1,5=61,3Al resultado obtenido le sumamos un 10% de seguridad, por tanto el volumen del vaso de expansión para el circuito secundario de calefacción es de 67,5 litros.

A la hora de seleccionar el vaso de expansión optaremos por el del volumen directamente superior en caso de no coincidir con el obtenido en los cálculos, de esta manera seleccionaremos los modelos 8- SMF de 8 litros y 12 SMF de 12 litros, para circuitos solares y 80 CMF de 80 litros, para circuitos de calefacción, todos ellos de Salvador Escoda. En el anexo II podemos ver sus características.2.10 Diseño del intercambiadorPor tratarse de un interacumulador, vamos a tener en cuenta la relación que recomienda el CTE entre la superficie útil de intercambio y la superficie total de captación, en la que marca que esta relación no será inferior a 0,15:0,15<SintercambioScaptación       (2.10.1)Sintercambio=0,15x18,82=2,82Portanto, la superficie de intercambio podrá ser mayor de 2,82 m2.En el caso del interacumulador para ACS, la superficie de intercambio será mayor a 0,35m2, cumpliendo con la condición anterior.Para los modelos de interacumuladores seleccionados, la superficie de intercambio es de 1,1 m2, para el depósito de 200 l y de 3,3 m2 para el depósito de 1000 litros, por tanto cumplimos con lo requerido.

2.11 Diseño de la bomba del circuito primarioEl tipo de bomba ha de seleccionarse en función del caudal y de la presión a vencer mediante el empleo de las curvas características proporcionadas por el fabricante. En nuestro caso el caudal es de 0,9 m3/ h y la pérdida de carga la determinamos a continuación a partir de la siguiente expresión:

HT=Pdctuberías+Pdccaptadores+Pdcintercambiador       (2.11.1)Donde;Pdctuberías, es la pérdida de carga en las tuberías en su tramo más desfavorable.

Pdccaptadores, es la pérdida de carga en el paso por los captadores.Pdcintercambiador,es la pérdida de carga en el intercambiador.

A partir de la hoja de características del captador solar podemos obtener la pérdida de carga de los mismos, para ello sabemos que el caudal que circula por cada captador solar es de 112,5 l/h para lo que se obtiene aproximadamente una pérdida de carga de 120 mbar. Cuando varios captadores solares son conectadosen paralelo, la pérdida de carga en el sistema de captación corresponde prácticamente a la de un único captador solar. Teniendo en cuenta que 1mca son 98 mbares, 120mbares son 1,22 mca.

En cuanto a la pérdida de carga en las tuberías, tenemos en cuenta que el tramo más desfavorable es el Tramo 7-8, con una pérdida de carga de   2.405 mmca, por tanto tomaremos este valor más un 5% por un incremento de las pérdidas debido a accesorios, por tanto, tomaremos una pérdida de carga en las tuberías de 2,5 mca.

Las pérdidas en los intercambiadores vienen dadas por los fabricantes en las especificaciones de diseño, en nuestro caso no se han encontrado datos de pérdida de carga para el modelo de interacumulador seleccionado, por tanto, supondremos una pérdida de carga de 1,7 mca, tomando como referencia la pérdida de carga de otros interacumuladores de similares características de los que si se han encontrado datos.De esta manera la pérdida de carga total es:HT=2,5+1,22+1,7=5,4 mcaPor   tanto hemos de seleccionar la bomba a partir del caudal 0,9m3/h y la pérdida de carga del circuito, para ello hemos de usar las gráficas suministradas por el fabricante, en este caso hemos optado por las bombas de grundfos, concretamente por el modelo UPS 25-60, ya que se ajusta a las condiciones tal y como podemos ver en la siguiente gráfica:

Gráfica 1.- Curva característicadel modelo UPS 25-60 de grundfos. Fuente: GrundfosPodemos ver las características de la misma en el anexo III2.12 Diseño del aerodisipadorPara el diseño de la instalación se ha considerado que la demanda en los meses estivales es nula ya que no es necesaria la calefacción, por tanto, la demanda de ACS será cubierta al 100% pero con excedente de energía, de manera que en los tres meses de verano la contribución solar es de más del 110% durante más de 3 meses, lo que es algo que no cumpliría con el CTE, ya que en ningún   mes del año la energía producida por la instalación podrá superar el 110% de la demanda energética.Para solucionar este problema se han de adoptar medidas que en este caso consiste en la instalación de un aerodisipador.Para seleccionar el aerodisipador, en una instalación solar térmica, se debe realizar el siguiente proceso [11]:  * Conocer la potencia a disipar, ésta viene marcada por el número de captadores, sus prestaciones y las particularidades del conjunto de la instalación.

  * Fijar la temperatura máxima del fluido, que no queremos sobrepasar, y que nos servirá como consigna para que comience a funcionar el disipador.  * Fijar la temperatura ambiente a la que estimamos se puede alcanzar la temperatura límite anterior.

En cuanto a la potencia a disipar, será el excedente que se produzca en los meses de verano, en este caso,el mes en el que más energía se produce es en agosto con 202 kWh/mes lo que al día es 6,5 kWh, esto supone disipar una potencia de 270 W a la hora.Fijaremos como temperatura máxima 100ºC como valor de consigna para el disipador, y la temperatura ambiente a la que se puede alcanzar ese valor, 25º C, que es más o menos la temperatura media ambiente en ese mes.

Para seleccionar el modelo de Aerotermo, hacemos uso de la gráfica suministrada por Salvador Escoda, para la elección del mismo [12], y en nuestro caso nos vamos a decantar por el modelo A-9/3, cuyas características aparecen en el anexo IV:

Gráfica 2.- Tabla de selección disipador de seguridad en instalaciones de Energía Solar Térmica. Fuente: Salvador Escoda

3. AnexosANEXO ICaracterísticas técnicas del modelo de interacumulador GX -200-M1 y GX-1000-M1B de Lapesa.

ANEXO IICaracterísticas de los vasos de expansión seleccionados de Salvador Escoda.

ANEXO IIICaracterísticas del modelo de bomba seleccionado de Grundfos:

ANEXO IVCaracterísticas del Aerodisipador modelo A 3/9 de Salvador Escoda.

4. Bibliografía[1] 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.[2] Coordenadas Geográficas de Ciudades Españolas:http://www.sitiosespana.com/paginas/coordenadas.htm[3] Pliegode Condiciones Técnicas de Instalaciones de Baja Temperatura. IDAE.[4] Energía solar, térmica y pasiva, (módulo 3), Máster oficial en Energías Renovables. IMF-CEU[5]Real Decreto 865/2003, de 4 de julio, por el que se establecen los criterios higiénico-sanitarios para la prevención y control de la legionela.[6]PVGIS, Sistema de Información Geográfica sobre Energía Fotovoltaica:http://re.jrc.ec.europa.eu/pvgis/apps/radmonth.php?lang=es&map=europe[7] Energía Solar Térmica – Manual Técnico, 2ª Edición (2005). Salvador

Escoda.http://www.salvadorescoda.com/tecnico/CE/Manual-EnergiaSolar-2a-ed.pdf[8] Germán López Lara, Bernd-Rainer Kasper y Bernhard Weyres-Borchert. (2004). Instalaciones Solares Térmicas. Manual para uso de Instaladores, Fabricantes, Proyectistas, Ingenieros y Arquitectos, Instituciones de Enseñanza y de Investigación (1ª Edición). Sevilla: Sodean y Alemania: DGS LV Berlin-Brb.

[9] Censolar (2003). Instalaciones de Energía solar térmica, Tomos III y IV (3ª edición). Sevilla.[10] Información técnica de TYFOCOR:http://www.tyfo.de/en/tyfocor.php[11] Catálogo accesorios “Solaris”.http://www.solaris.es/documentos/accesorios/Ficha-Tecnica-Aerotermo..pdf[12] Catálogos de productos Salvador Escoda.http://webpages.ull.es/users/jrguezs/tecnologia/tema5/precios_salvador_escoda.pdf[13] Catálogo acumuladores Lapesa.http://www