I Congreso sobre Arquitectura Bioclimática y Frio Solar

Almería, 2010

ANÁLISIS DE VIABILIDAD DE UN SISTEMA SOLAR TÉRMICO CON

ACUMULACIÓN ESTACIONAL EN ZARAGOZA.

Autor: Luis Guirala/ Miguel Angel Lozano

a/ Fernando Palacín

b

GITSE-I3A (Universidad de Zaragoza)a/ Centro Nacional de Energías Renovables (CENER)

b

Resumen: La necesidad de reducir la dependencia energética con otros países y disminuir las

emisiones contaminantes al medio ambiente, abren el camino a las energías renovables. En Europa,

especialmente en países como Alemania, Austria, Dinamarca y Suecia, se apuesta claramente por la

energía solar térmica para cubrir las necesidades de agua caliente sanitaria (ACS) y calefacción.

Incluso se han diseñado sistemas a gran escala que atienden la demanda térmica de un conjunto de

viviendas (distritos) o incluso de localidades de reducido tamaño.

En España, a través del código técnico de la edificación (CTE), solamente se apuesta por cubrir la

demanda de ACS con sistemas solares, aunque por otro lado, dadas sus favorables condiciones

climáticas, nuestro país posee, en el campo de la energía solar térmica, un potencial mucho mayor

susceptible de ser aprovechado.

El objetivo a medio plazo debería considerar los planes y acciones de los países europeos

mencionados, que poseedores de una amplia experiencia con sistemas térmicos solares consiguen

alcanzar fracciones solares de hasta un 50% de la demanda de calefacción. Como ejemplo de estos

sistemas, se citan las centrales solares para distrito con acumulación estacional. Su característica

principal reside en la capacidad de desacoplar la oferta y la demanda energética. Es decir, los

acumuladores estacionales se diseñan para cargarse completamente en los periodos estivales,

aprovechando la gran radiación solar existente; para posteriormente descargarse en invierno para

suministrar la demanda de calefacción requerida por el edificio. Por lo tanto, para que el sistema

solar ceda energía no es necesario que exista una radiación solar suficiente en ese mismo momento,

sino que haya sido acumulada en el depósito estacional con anterioridad.

Aquí se analiza la viabilidad técnico-económica de la instalación de un sistema solar térmico con

acumulación estacional que cubra parcialmente las demandas de ACS y calefacción de un conjunto

de viviendas situadas en la ciudad de Zaragoza.

Tras un estudio previo se sondea el mercado para encontrar los principales componentes del sistema

y realizar una estimación de la inversión necesaria. Posteriormente, con la ayuda de la herramienta

informática TRNSYS se elabora un modelo físico-matemático del sistema y se estudia su

comportamiento dinámico realizando un análisis de sensibilidad para los parámetros más

influyentes. El trabajo concluye mostrando los resultados obtenidos, tanto económicos cono

energéticos, correspondientes al diseño final del sistema solar.

1. Introducción

Tras la entrada en vigor del código técnico de la edificación (CTE), el Gobierno de España

comienza a impulsar tímidamente la instalación de sistemas con aprovechamiento térmico de la

energía solar. En concreto, el CTE establece la exigencia de que entre un 30% y un 70% del

consumo de agua caliente sanitaria (ACS) se cubra con energía solar. En Europa se tiene una gran

experiencia con la energía solar térmica y se han diseñado sistemas a gran escala que atienden la

demanda térmica de distritos urbanos e incluso de localidades/regiones enteras.

Fig. 1. Mapa europeo de la irradiación global anual sobre módulos óptimamente inclinados y orientados al Sur.

Las mejores condiciones de radiación solar que posee España (ver Fig. 1) sugieren apostar por las

centrales solares para calefacción de distrito con acumulación estacional en aquellas zonas con

consumos significativos de calefacción en invierno, aprovechando así la tecnología que vienen

desarrollando nuestros vecinos europeos.

En este trabajo, se pretende evaluar técnica y económicamente la instalación de un sistema solar

térmico con acumulación estacional que cubra parcialmente (al menos en un 50%) las demandas de

ACS y calefacción de un conjunto de 100 viviendas situadas en la localidad de Zaragoza (España).

De este modo, se desacopla la oferta de la demanda térmica entre periodos de mayor radiación solar

(Verano) y periodos de gran consumo de calefacción (Invierno), obteniéndose independencia

energética, ahorro energético y reducción de emisiones contaminantes.

Tras estudios previos, se decide un diseño del sistema térmico requerido que servirá de base para

dimensionar/seleccionar los equipos necesarios y valorar económicamente de su viabilidad. Para

ello se procede al estudio de su comportamiento dinámico con el programa TRNSYS.

2. Sistema

En el sistema propuesto, cuyo esquema se muestra en la Fig. 2, la energía captada por los colectores

se transfiere al acumulador estacional o al acumulador de ACS (con preferencia). Tener un

acumulador independiente para el ACS, de pequeño tamaño, facilita la obtención de la temperatura

de servicio en pocas horas y permite, como se verá, atender casi toda la carga térmica con energía

solar. El proceso dinámico de carga/descarga del acumulador estacional es mucho más lento, pues

se pretende atender parcialmente la demanda de calefacción en invierno con la energía acumulada

en verano. Las calderas auxiliares apoyaran (y garantizarán) la atención de las demandas cuando no

se alcance la temperatura necesaria en los acumuladores respectivos.

Fig. 2. Esquema del sistema solar (b1 a b6: bombas; hx1 a hx3: intercambiadores; c1, c2: calderas)

La demanda térmica diaria se genera a partir de la demanda de un día tipo de cada mes para un total

de 100 viviendas de la zona residencial Parque Goya en Zaragoza. Esta demanda alcanza un valor

anual de 101,5 MWh para el ACS y de 479,5 MWh para la calefacción, resultando una demanda

total de 581 MWh/año.

La red de calefacción propuesta es una red de baja temperatura (50 ºC), favorable en general para la

generación, acumulación y distribución de la energía en los sistemas solares térmicos. Un sistema

típico de calefacción de baja temperatura es, por ejemplo, el suelo radiante.

La selección de equipos se realiza para: colectores solares, acumuladores, calderas auxiliares,

intercambiadores de calor y bombas. La prioridad es dimensionar el equipo adecuado y, de las

posibles opciones, elegir el más económico a partir de catálogos comerciales (acumulador ACS,

calderas, intercambiadores y bombas) o realizar una estimación de su valor a partir de información

publicada en la bibliografía científica (campo colector y acumulador estacional).

2.1 Colectores solares

Los colectores solares elegidos son del tipo cubierta plana. Estos colectores alcanzan superficies de

captación por encima de 10 m2 y su instalación puede ser tanto en la cubierta de los edificios como

en el propio terreno. La superficie que se propone instalar, sobre terreno, es de 801 m2, lo que

corresponde a un ratio de 1,375 m2/ (MWh/año). En la Tabla 1 se muestran las características

técnicas de los colectores solares, instalados con orientación Sur y 50º de inclinación, y operados

con un caudal “low flow” de 20 kg/(m2·h).

Tabla 1. Características técnicas de los colectores solares

Modelo ARCON HT-SA

Dimensiones exteriores 2,27 x 5,96 x 0,14 m

Área bruta/ apertura 13,57/12,57 m2

Fluido de trabajo Agua-Glicol (33,3% vol. de etilenglicol)

Caudal de test 1499,9 l/h

Curva de eficiencia η = η0 – a1·T*m – a2·G·T

*m

2

η0 0,738

a1 1,63 W/(m2·K)

a2 0,0299 W/(m2·K

2)

2.2 Acumuladores

Para dimensionar el acumulador de ACS se considero cubrir un suministro diario de 6,52 m3/día

correspondiente al día tipo de mayor demanda. El volumen de acumulación se estableció en 7 m3.

Las características técnicas del acumulador seleccionado se muestran en la Tabla 2.

Tabla 2. Datos técnicos del acumulador inercial de ACS

Modelo Ibersolar Keramtech

Volumen 7 m3

Tª max. de operación 100 ºC

Altura 2751 mm

Diámetro interno 1800 mm

Aislamiento 50 mm poliuretano flexible de alta densidad

El volumen del acumulador estacional necesario para alcanzar una fracción solar próxima al 50% de

la demanda de calefacción se estimo en 2402 m3. Debido a sus dimensiones este acumulador debe

construirse in situ. Como guía del proceso de construcción puede considerarse la instalación del

acumulador tipo tanque de agua (TTES) realizada en la ciudad alemana de Munich en el año 2006.

En la Fig. 3 se puede ver una sección de dicho acumulador y en la Tabla 3 los parámetros más

importantes del acumulador estacional diseñado para el estudio realizado.

Fig. 3. Detalles del acumulador instalado en Munich (www.solites.de)

Tabla 3. Datos técnicos del acumulador estacional

Tipo Tanque de agua

Volumen 2402 m3

Tª max. de operación 100 ºC

Altura 10326 mm

Diámetro interno 17210 mm

Coeficiente de perdidas térmicas 0,278 W/(m2·K)

2.3 Calderas auxiliares, intercambiadores de calor y bombas

Las calderas auxiliares con potencia térmica de 39 kW (ACS) y 395 kW (calefacción) pueden

suministrar el 100% de las demandas térmicas, independientemente de la instalación solar.

Para los intercambiadores de calor se estableció por cálculo el coeficiente global UA que permitiera

una eficiencia de 0,95 en las condiciones más adversas de trabajo.

El dimensionado de las bombas de impulsión se estableció a partir de los caudales máximos y la

pérdida de carga asociada en los circuitos correspondientes. Esta pérdida de carga es la suma de las

pérdidas de los equipos con los que se encuentre conectada en serie la bomba, más las pérdidas de

carga asociadas a la longitud de las tuberías del circuito y los elementos accesorios. Para el cálculo

de las perdidas en tuberías se utiliza la formula de Darcy-Plandtl para tubos lisos.

3. Modelo TRNSYS

TRNSYS es una herramienta informática que proporciona un entorno completo para la simulación

dinámica de sistemas energéticos, incluidos edificios. El esquema del sistema propuesto en el

apartado 2 tiene ahora su reflejo grafico en la Fig. 4.

La radiación solar anual se generó con el programa METEONORM, que crea ficheros en formato

TMY2 reconocible por el entorno de TRNSYS. Estos datos se obtuvieron para la localidad de

Zaragoza (Altitud: 247 m; Latitud: 41,39º N; Longitud: 1,00º W).

Fig. 4. Sistema solar térmico con acumulación estacional representado en TRNSYS

Tabla 4. Modelos TRNSYS de los componentes del sistema diseñado y parámetros característicos

Nombre Definición Type Parametros Valor

Tiempo Modelo de radiación solar incidente 109 Inclinación de la superficie 50º

Archivo externo Zarahour.tm2

Terreno Modelo de la Tª del terreno 77

Nº de nodos 6

Temperatura media de superficie 14,76 ºC

Calor especifico del terreno 0,73 kJ/(kg·K)

Profundidad de los nodos 1,...,6 12,...,2 m

Control 1, 2, 3 Controles diferenciales de Tª 2b

∆T superior 20 ºC

∆T inferior 10 ºC

Tª de corte 100 ºC

Demanda calefacción Lector de la demanda de calefacción 6 Archivo externo Demanda Heating

100Viv.txt

Demanda ACS Lector de la demanda de ACS 6 Archivo externo Demanda ACS

100Viv.txt

Colectores Modelo de colector plano 1a

Numero de colectores 59

Área del colector 13,575 m2

Calor especifico del fluido 3,84 kJ/(kg·K)

Caudal de test 1499,9 l/h

a0 0,738

a1 1,63 W/m2·K

a2 0,0299 W/m2·K2

Acum. Estacional Modelo de acumulador estacional 4c

Volumen 2402 m3

Calor especifico del fluido 4,18 kJ/(kg·K)

Densidad del fluido 980 kg/m3

Coeficiente de perdidas térmicas 0,278 W/m2·K

Numero de nodos 10

Acum. ACS Modelo de acumulador de ACS 4a

Volumen 7 m3

Calor especifico del fluido 4,22 kJ/(kg·K)

Densidad del fluido 980 kg/m3

Coeficiente de perdidas térmicas 0,556 W/m2·K

Numero de nodos 6

c1 Modelo de caldera auxiliar de ACS 6

Potencia máxima 43 kW

Rendimiento 0,93

Tª de servicio 60 ºC

c2 Modelo de caldera auxiliar de calefacción 6

Potencia máxima 395 kW

Rendimiento 0,92

Tª de servicio 50 ºC

hx1, hx2 , hx3 Modelo de intercambiadores de calor 5b

Coeficiente global UA hx1 3544 W/m2·K

Coeficiente global UA hx2 4529 W/m2·K

Coeficiente global UA hx3 4289 W/m2·K

b1, b2, b4 Modelo de bombas 3b

Caudal máximo b1 8,6 m3/h

Potencia nominal b1 1100 W

Caudal máximo b2 8,3 m3/h

Potencia nominal b2 1100 kW

Caudal máximo b4 8,3 m3/h

Potencia nominal b4 200 kW

b3 Modelo de bomba de caudal variable 110 Caudal máximo b3 0,62 m3/h

Potencia nominal b3 550 W

p1, p2, p3, p4 Modelo de tuberías de conexión 709

Diámetro interior 0,040 m

Diámetro exterior 0,042 m

Longitud de tubería p1, p3 175 m

Longitud de tubería p2, p4 125 m

Las demandas térmicas horarias anuales, tanto de ACS como de calefacción, se registran en un

archivo tipo texto y se introducen en el modelo. Ya se comentó antes que las demandas se

obtuvieron a partir de medidas reales en un grupo de viviendas de la zona residencial Parque Goya

en Zaragoza.

En la Tabla 4 se recogen los modelos de equipos utilizados en TRNSYS para simular los equipos

así como los parámetros más importantes del sistema diseñado.

3.1 Balance de energía anual

El balance térmico completo para un año regular de operación de la instalación diseñada se muestra

en la Fig. 5. Como puede apreciarse el rendimiento anual del colector solar es del 42%. Como es

lógico el acumulador de ACS tiene un rendimiento (86%) mucho mayor que el acumulador

estacional (68%). Una de las conclusiones más importantes, obtenidas del análisis de resultados

operacionales de las instalaciones europeas, es la importancia de un buen aislamiento térmico del

acumulador estacional. En la práctica, se han observado perdidas de calor superando las

estimaciones de diseño en 30% hasta 300%. Esto produce una disminución apreciable en la fracción

solar alcanzada con relación a la supuesta en diseño.

Fig. 5. Balance térmico anual del sistema diseñado

3.2 Comportamiento dinámico de la instalación

En las Figuras 6 a 8 se muestra el comportamiento mensual para un año regular de operación de la

instalación diseñada. Según vemos en la Fig. 6 el mes con mayor oferta solar es Agosto. Sin

embargo, desde Marzo a Julio se consigue captar más energía que en Agosto. Esto se debe a que

conforme se va cargando el acumulador estacional la temperatura del líquido caloportador en los

colectores solares aumenta y, por tanto, disminuye su rendimiento. La Fig. 7 muestra como la

cobertura solar de la demanda de ACS se mantiene elevada (superior al 50%) a lo largo de todo el

año. De Junio a Septiembre la cobertura es prácticamente del 100%. En conjunto la cobertura anual

es del 73%. La Fig. 8 muestra como la cobertura solar solo es elevada durante los primeros meses

de la temporada de calefacción. En conjunto la cobertura anual es del 49%. Agrupando ambas

demandas, la de ACS y calefacción, el sistema diseñado consigue una cobertura anual del 53%.

Fig. 6. Energía solar incidente, captada (rojo) y desaprovechada (azul) en kWh/mes

Fig. 7. Producción mensual (kWh) y fracción solar del ACS

Fig. 8. Producción mensual (kWh) y fracción solar de la calefacción

Fig. 9. Comportamiento térmico mensual del acumulador estacional (kWh)

Fig. 10. Temperaturas (ºC) en el techo (rojo), media (azul) y fondo (rosa) del acumulador estacional

El acumulador estacional (Fig. 9) se descarga por completo atendiendo la demanda de calefacción

en los meses de Octubre, Noviembre y Diciembre. De Enero a Marzo, cuándo la demanda de

calefacción es todavía alta, el acumulador descarga todo el calor que le llega. A partir de Abril se va

cargando hasta alcanzar el máximo nivel de temperatura en Septiembre. La Fig. 10 muestra las

temperaturas en el acumulador estacional para un año regular de operación de la instalación

analizada.

3.3 Consumo de auxiliares

En este trabajo se ha tenido en cuenta el consumo auxiliar de energía para el funcionamiento del

sistema diseñado. Este consumo tiene dos partes bien diferenciadas. En primer lugar, el consumo de

combustible de las calderas auxiliares que atenderán la demanda de ACS y calefacción no atendida

con energía solar. En segundo lugar, pero también importante, la energía eléctrica necesaria para el

funcionamiento de las bombas hidráulicas que hacen circular el agua por la instalación. En la Tabla

5 se representan estos consumos mes a mes a lo largo del año.

Tabla 5. Consumo de energías auxiliares

Consumo bombas (kWh) Consumo calderas (GJ)

b1 b2 b4 b3 Total c1 c2 Total

Jan 236 186 14 247 683 19 409 428

Feb 251 198 15 199 664 15 247 262

Mar 325 257 18 180 780 9 90 99

Apr 345 273 15 126 760 6 9 16

May 391 309 16 0 715 5 0 5

Jun 360 284 14 0 659 2 0 2

Jul 350 276 12 0 638 0 0 0

Aug 277 219 9 0 505 0 0 0

Sep 260 206 11 0 477 1 0 1

Oct 233 184 13 118 548 5 0 5

Nov 214 169 12 190 586 17 0 17

Dec 192 151 15 261 619 18 223 241

Anual 3436 2713 165 1320 7634 98 978 1076

4. Análisis económico

4.1 Coste energético

Considerando un precio para el gas consumido por las calderas de 11,2 €/GJ se obtiene un coste

anual de unos 12050 €. Considerando un precio de 0,16 €/kWh para la energía eléctrica consumida

por las bombas se obtiene un coste anual de 1220 €. En total los costes energéticos de operación a lo

largo del año son de 13270 €.

4.2 Estimación de la inversión

La inversión inicial a realizar, sin incluir el IVA ni ayudas, se ha estimado en 1,3·106 € aprox. La

estimación incluye los precios de compra de los equipos que conforman el sistema, así como la

instalación de los mismos y un margen industrial para imprevistos del 15%. En la Tabla 6 se

muestra un desglose de la inversión a realizar. Suponiendo un 6% de interés y una vida útil de 20

años, el factor de amortización anual de la inversión se calcula en 0,087 año-1

. Por tanto el coste

anual del capital invertido es de 112240 €.

Tabla 6. Inversión

Componente Dimensión Precio Factor de modulo simple Coste (€)

Campo solar 801 m2 490 €/m

2 Incluido en precio unitario 392490

Acumulador estacional 2400 m3

250 €/m3 Incluido en precio unitario 600000

Acumulador ACS 7 m3 21860 € 1,3 28420

Caldera calefacción 395 kW 8400 € 1,7 14280

Caldera ACS 43 kW 2570 € 1,5 3860

Intercambiador hx1 50 m2

12100 € 1,5 18150

Intercambiador hx2 34 m2 8900 € 1,5 13350

Intercambiador hx3 113 m2 28200 € 1,5 42300

Bomba b1 1100 W 820 € 2,5 2050

Bomba b2 1100 W 820 € 2,5 2050

Bomba b3 (caudal variable) 550 W 1250 € 2,5 3130

Bomba b4 200 W 700 € 2,5 1750

TOTAL componentes 1121830

Imprevistos, 15% 168270

Inversión TOTAL 1290100

4.3 Otros costes

Los costes anuales de mantenimiento se estiman en el 1% de la inversión; es decir, en 12900 €.

4.4 Coste anual total y coste unitario del calor

La suma de los costes anteriores supone un valor anual de 138410 €. Como la demanda anual de

calor es de 581 MWh, el coste unitario resulta igual a 0,24 €/kWh.

4.5 Coste unitario del calor solar

Para calcular el coste unitario del calor solar excluimos de los costes de amortización y

mantenimiento la parte correspondiente a las calderas, resultando 110420 €/año y 12690 €/año,

respectivamente. Los costes de energía eléctrica, 1220 €/año, debemos imputarlos íntegramente al

calor solar. Sumando estos costes resulta un coste anual para el calor solar producido de 124330 €.

Puesto que la producción solar anual es de 310 MWh/año, el coste unitario resulta de 0,40 €/kWh.

5. Comparación con otros sistemas

En la Tabla 7 se recogen los datos obtenidos de varios sistemas instalados en Alemania y del

sistema diseñado para la ciudad de Zaragoza.

Tabla 7. Comparación de datos técnicos y económicos de varios sistemas solares térmicos con acumulación estacional

Localización Demanda

Anual

D (MWh/a)

Área

Colectores

A (m2)

Volumen

Acumulador

V (m3)

Fracción

Solar

(%)

Ratio

A/D

m2/(MWh/a)

Ratio

V/A

m

Coste

Calor Solar

€/kWh

Friedrichshafen 4106 5600 12000 47 1,36 2,14 0,159

Hamburg 1610 3000 4500 49 1,86 1,50 0,257

Munich 2300 2900 5700 47 1,26 1,97 0,240

Hanover 694 1350 2750 39 1,95 2,04 0,414

Zaragoza 581 801 2400 53 1,38 3,00 0,400

Los sistemas comparados pertenecen a la misma tipología de sistema solar térmico y tienen un

acumulador estacional del mismo tipo; es decir, los captadores solares utilizados son planos y el

sistema de acumulación térmica es un tanque de agua caliente. Al disponer España de una mayor

cantidad de radiación solar anual, los parámetros de diseño para Zaragoza varían con respecto a los

utilizados en Alemania. Para valores similares de demanda energética y fracción solar a alcanzar, se

requiere en España una menor superficie de colectores solares y un mayor volumen de acumulación

térmica estacional. Esto se observa claramente con el ratio volumen / área resultante del diseño del

sistema solar térmico de Zaragoza que muestra la Tabla 7.

En cuanto al coste unitario del calor solar producido puede verse claramente que disminuye cuando

aumenta el tamaño del sistema; es decir, cuando aumenta la demanda térmica del sistema

consumidor. Esto se debe a dos efectos ligados al tamaño del acumulador estacional. En primer lugar a que las economías de escala con el volumen son acusadas (el acumulador de Friedrichshafen

5 veces mayor que el de Zaragoza tiene un coste por m3 inferior a la mitad). En segundo lugar a que

la pérdida relativa de calor disminuye al aumentar el volumen (el acumulador de Friedrichshafen

con 5 veces el volumen del de Zaragoza tiene una pérdida por m3 inferior a la mitad).

Para alcanzar una determinada cobertura pueden existir puntos de diseño diferentes en lo que

respecta a la relación V/A. La inversión a realizar aumenta drásticamente para coberturas solares

elevadas. La experiencia muestra que no debe sobrepasarse el 60% para no incrementar

excesivamente el coste del calor solar producido. Concretamente en nuestro sistema el coste

unitario alcanza un valor de 400 €/MWh, algo mayor que el de los sistemas instalados en Alemania.

Sin embargo debe tenerse en cuenta que su tamaño es pequeño y que hemos añadido un 15% de

imprevistos a la inversión calculada.

6. Conclusiones

En este trabajo se abordó el reto de ofrecer una guía de diseño que facilite la instalación, en España,

de sistemas solares térmicos con acumulación estacional, capaces de atender con elevada fracción

solar las demandas de calefacción y ACS de un conjunto de edificios. Se observó la oportunidad

clara de innovación en el marco nacional, debido al potencial solar desaprovechado y a la necesidad

de políticas de desarrollo sostenible que potencien el uso de las energías renovables y reduzcan la

dependencia energética con terceros países. También, se disponen a favor las numerosas

experiencias que se vienen desarrollando con estos sistemas en países vecinos de la Unión Europea.

El estudio realizado proporciona como resultado la caracterización técnica y económica de un

sistema solar con acumulación estacional que atiende la demanda térmica de 100 viviendas en

Zaragoza. Se obtuvo una cobertura solar del 53% de la demanda con un coste unitario de 400

€/MWh. El coste del calor solar resulta entre 3 y 5 veces más caro que el obtenido en la producción

centralizada de calor con calderas. Es previsible que esta diferencia vaya disminuyendo en el futuro,

al reducirse los costes de inversión, en particular, de los acumuladores estacionales, y al aumento

probable del precio de los combustibles ahorrados.

7. Bibliografía

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