EJERCICIO PRCTICO DE CLCULO DE INSTALACIONES SOLARES

DATOS:

Edificio de 90 viviendas.; 3 dormitorios.; Latitud Pontevedra 42; Tambiente: 22; T de la red 17; N n de horas solares en julio: 9,5h; T acumulacin: 60. " ngulo de inclinacin de los paneles: 30 H energa que incide por m2 de sup. horizontal: 22 Mj/m2 K; K factor corrector por ngulo y latitud: 1,02. La T ambiente, H, y K son valores tomados de las tablas del IDAE. Datos del panel:

Rendimiento ptico o: 0,80; transmitancia (U): 4,5 W/ m2 K; Superf panel: 2 m2

Capacidad del panel: 2,2 litros/panel Nota: Este ejemplo esta realizado en el mes de julio, pero habra que hacerlo para

todos los meses. PASO 1.- Clculo de la demanda de a.c.s. diaria s/CTE HE4 (tabla 3.1 CTE).

.Consumo de a.c.s. a 60C: = 7.560 litros (da). PASO 2.- Clculo de la energa consumida para una t de acumulacin de 60.

Energa = Consumo x Ce x salto trmico Econsumo = 378 kWh (da).

PASO 3.- Clculo de la energa aprovechable en un da.

Esolar = prdidas por ensuciamiento (0,94) x K x Hcorregido; Hcorregido = 0,95 x H = 0,95 x 22 (tabla) = 20,90 Mjulios/m2 da. pasamos de Mjulios/m2 (da) a kWh/m2 (dia)

=> 20,90106 Ws x 1h/3600s x 1kW/1000W = 5,81 kWh/m2 dia

Esolar = 0,94 x K (tabla) x Hcorregido = 0,94 x 1,02 x 5,81 = 5,57 kWh/m2(dia) PASO 4.- Clculo del rendimiento del panel.

Rendimiento = Rendimiento ptico o U x (Tmedia. Tamb.) / I (irradiacin).

o = 0,80; U = 4,50 W/m2 C. Estos datos nos los debera dar el fabricante, y

los Organismos que homologan stos valores son el INTA o el CENER. Debemos solicitar estas certificaciones a los fabricantes. 5,57kWh x 1.000 = 5.570 Wh/m2(dia).

I = E / N = 5.570 Wh/m2 / 9,5 horas = 586,32 W/m2.

= o - Ux(Tmed Tamb. / I (irradiancia))=0,80 4,50 x (60-22/586,32) = 0,508

Consideramos un rendimiento de 50,8 % La energa real que aprovechamos es: 5,57 x 0,508 = 2,785 kWh/m2.

PASO 5.- Clculo de la energa solar almacenada.

Ealmacenada = E x x 0,95 ( prdidas por tuberas y rendimiento del depsito) Ealmacenada = 5,57 kW/m

2 x 0,508 x 0,95 = 2,69 kWh/m2. (media diaria)

Dato: con esta energa cubrimos la necesidad trmica de una ducha de 5 minutos.

PASO 6.- Clculo de la superficie necesaria de paneles.

Como el CTE nos dice que en la zona I debemos cubrir un 30 % de la demanda anual (tabla 2.1 del CTE) (comprobamos que las perdidas no sean superiores al 10% por orientacin o inclinacin, que en este caso,

comprobamos que las prdidas son despreciables por orientacin y no tenemos sombras en este edificio). Para el mes de Julio consideramos una cobertura media del 42% P x 0,42 (42%) / Ealmacenada = 378 kWh x 0,42 / 2,69 kWh/m

2 = 59 m2. El panel es de. 2,00 m2 de superficie captadora (superficie real de captacin sin

contar el marco) nos dara un nmero estimado de: 59 m2 / 2,00 m2 = 29,5 paneles.

Otro mtodo de clculo: sera utilizar el F-Chat:

f = 1.029D1-0.245D12+0.0215D1

3-0.065D2+0.0018D22

D1= A FR ( ) IT N / Wt D2= A FR UL (100-Ta) t K1 K2 /1000 Wt PASO 7.- Composicin de los paneles.

La conexin de los paneles se realizar en paralelo. Los fabricantes nos darn datos sobre sus paneles para saber hasta cuantos podramos poner en paralelo (los hay que llegan a los 10 paneles en paralelo). La composicin sera en funcin de la superficie que tengamos: Cinco bateras de seis paneles => 30 paneles. (Buscamos que todas las bateras tengan el mismo nmero de paneles, por ello al reducir un panel en la instalacin, tendramos que recalcular el grado de cobertura solar)

PASO 8.- Conexionado de los paneles.

Conexin de paneles en una misma batera, en PARALELO Conexin entre dos bateras en PARALELO Equilibrado hidrulico utilizando vlvulas de equilibrado o retorno invertido

(ver esquemas).

DIAMETROS TUBERIA COBRE: A= 22 mm ; B= 28 mm; C= 35 mm; D= 35 mm Conexin entre bateras SERIE-PARALELO

PASO 9.- Superficie ocupada por los paneles (cubierta de 30).

Pensando en la solucin de 5 bateras de 6 paneles, la superficie sera:

Longitud medida en la lnea de mxima pendiente del faldn. Largo del panel 2 metros. Distancia mnima entre baterias 0,50 metros. Esto no da: 2,50 x 4 + 2,00 (ltimo panel) = 12,00 metros de largo. Longitud medida en el ancho del faldn. Ancho del panel 1 metro. Distancia mnima entre paneles 0,00 metros. Esto no da: 6 x 1 + 0,50 (tuberas) = 6,50 metros de ancho. Superficie ocupada = 12,00 x 6,50 = 78 m2. Debemos fijarnos que la relacin entre la superficie necesaria para la colocacin de los paneles y la superficie de captacin, estara en un 20% ms. => 78 / 60. .

Nota: en caso de no poder ubicarse todos los paneles con la misma orientacin, habra que realizar dos clculos diferentes PASO 10.- Superficie ocupada por los paneles (cubierta plana, inclinacin de paneles 30).

Pensando en la solucin de 5 bateras de 6 paneles, la superficie sera: Peto de 1 metro de altura h. Dimensiones del panel 2x1 metros.

ho= 24,55

La separacin de la 1 batera desde el peto ser d, y lo mismo entre bateras, ya que el seno de 30 es 0,5 que multiplicado por la hipotenusa (2m. de long. de panel) nos da 1 metro que es la misma altura que el peto d = h x K = 1 x 2,19 = 2,19 metros de separacin respecto al peto. Como el ngulo de inclinacin de paneles es de 30, la longitud ocupada por las bateras sera:

d1 = 1 x cos24.55= 2,19 m d2 = 2 x cos30 = 1,73 m.

Por lo tanto: distancia entre bateras d= 1,73 + 2,19 = 3,92 m Otra forma de calcular la distancia d sera aplicar el teorema del seno:

d/ sen = L / sen ho Distancia inicial al peto de 2,19 metros, 2,19 +(3,92 x 4)+ 1,73 = 19,6 metros de fondo. Entonces la superficie ocupada por las 5 bateras ser: 19,6 x 6,50 = 127,4 m2.

La relacin entre la superficie necesaria para la colocacin de los paneles y la superficie de captacin, sera del doble. => 127 / 60. Es importante notar la gran diferencia que existe de ocupacin entre una instalacin sobre una cubierta inclinada y una superficie plana, para un mismo nmero de paneles.

PASO 11.- Determinacin del peso del lastre para vientos de 180 km/h; Presin del viento: 1528 N/m2

F1= PxSxSen2

F1= 1528 N/m2 x 2m2 x 0,52 = 764 N F1xD1 = F2xD2 D1=1m D2=0,8 m

F2= F1xD1/D2 = 764 x 1/0,8= 955 N 955/ 9,8 = 97,5 Kg x 1,5 = 146,2 kg (para un panel de 2 m2)

PASO 12.- Clculo del volumen del depsito solar.

Podemos calcular el depsito con la energa que hemos obtenido de los paneles; 2,69 kWh/m2 , para el mes de Junio

(datos de partida temperatura acumulacin 60 temperatura red 16)

Q = Ce x C x ( Tacumulac T red) Q = Energa aportada por paneles (Wh) Ce = Calor especfico fluido (Agua Ce=1,16 W/l K) C = Acumulacin (litros). 2690 Wh/m2 x 60 m2 = 1,16 W/l K x C x ( 60 17)

C = 3236 Litros Mtodo rpido: 7560 l x 0,42 = 3175 l

Este depsito es solo para almacenar energa solar, necesitaramos otro depsito para cubrir las necesidades de ACS del edificio como si no existiera el depsito solar. El clculo de las necesidades punta de ACS de edificio se utiliza otro mtodo de clculo diferente al solar (ver captulo dimensionamiento ACS). Una vez calculada la potencia punta que necesitamos, la repartimos entre caldera y depsito de acumulacin de ACS, que deben mantener la relacin de 60% (Caldera) ; 40% (depsito).

PASO 13.- Determinacin del tipo de depsito solar.

Se decide instalar dos depsitos de 2.000 litros cada uno. Los podemos instalar en paralelo o en serie. La altura libre que debe tener nuestra sala de mquinas para depsitos de 2.000 litros es de 2,80 m. aproximadamente (2,20 altura depsito + 0,60 espacio tuberas). (consultar tablas de dimensiones de fabricantes) Si instalamos los depsitos en PARALELO dispondrn de serpentn

(intercambiador) interior.

Si instalamos los depsitos en SERIE utilizamos un intercambiador de placas externo, (su rendimiento es mayor).

Tambin debemos tener en cuenta que no se debe almacenar agua a ms de 85C (proteccin depsito), parando la bomba en cuanto detecte esta temperatura.

CALCULO DE LAS PERDIDAS DEL DEPSITO

Segn el fabricante del depsito de 2.000 l tiene unas prdidas de 1 W/m2 K Temperatura de acumulacin 50 C Temperatura ext: 10 C Dimensiones depsito, dimetro ext: 1,36 m; altura: 2,3 m Perdida de temperatura del depsito en 24 horas? : Superficie depsito: 12,7 m2 Perdidas energticas: 10485 kCal Perdida de temperatura en depsito: 5,24 C El mismo depsito anterior, si en 12 horas ha perdido 4 C cuales son sus prdidas en W/m2 K reales

PASO 14.- Clculo de las bombas.

Es recomendable que a partir de 50 m2 debemos tener un nmero mnimo de 2 bombas, repartiendo el caudal entre las dos bombas. Para nuestro caso tenemos 60 m2 de panel por ello la instalacin tendr dos bombas en paralelo. El fabricante nos recomendar un caudal en funcin del tipo de panel. Si no fuera as, consideraramos un caudal que sera: 40 L/hora-m2 x 60 m2 = 2400 L/hora. => Instalaramos dos bombas que nos aporten un caudal cada una de:

Q = 1.200 L/hora cada una.

Para tubos de vaco necesitaramos 60 L/hora-m2 x 60 m2 = 3.600 L/hora. => (Realizar el clculo a bajo caudal 30 l/h-m2)

PASO 15.- Calculo consumo de la bomba

Si el glicol tiene una densidad de 1200 kg/ m3, y un rendimiento del 60%

Pr= 1200 kg/m3 x 9,81 m/s2 x 7 m.c.a x 2,4m3/h x 1h/3600 s./ 0,6 = 91,6 W (contrastarlo con el fabricante de bombas) Funcionando 6 hora al da consume: 91,6 W x 6 h = 549,4 Wh (Energa elctrica consumida diaria)

2,69 kWh/m2 x 60 m2 = 161 kWh (Energa solar generada diaria) 549,4/161.000 =0,003 =>0,3% (dentro del lmite 1%, comprobar en Enero)

PASO 16.- Clculo dimetro tubera:

Por ecuaciones: perdida de carga/L = v2 x factor de ficcin /D2g

Por graficas: Q= 2400 (l/h); Prdidas de 3 mbar/m; Dimetro: 35 mm PASO 17.- Clculo perdidas de carga: UNE 149201-2008

Tubera, codos, vlvulas, retenciones, etc Paneles Serpentn depsito, etc Aproximado: 7 m.c.a. PASO 18.- Clculo del lquido de la instalacin

Volumen por colector.

El volumen de anticongelante debemos tener en cuenta el colector. El fabricante nos facilita el dato, nos dicen que es de 2,2 litros/panel que multiplicado por los 30 paneles nos da un valor de 66 litros de anticongelante en los paneles.

Volumen por tuberas/dimetro.

El volumen de anticongelante que debemos tener en cuenta para las tuberas, nos lo marcar el dimetro de las mismas. En funcin del panel tambin se nos dan dimetros de tuberas, volumen, prdidas de carga etc. En nuestro caso por los metros cuadrados de panel a instalar y entrando en las tablas del fabricante nos indica una tubera de 35 mm. de dimetro (de aqu tambin obtenemos que la coquilla aislante ser de 35mm de espesor). Si tenemos 60 m. de tuberas entre ida y retornos, obtendramos 60m x 1l/m = 60 litros. Sumados a los 66 litros necesarios para el panel, ms 20 litros que acumulara el serpentn del depsito nos dara un volumen total de anticongelante de: 60 + 66 + 20 = 146 litros.

Volumen intercambiador.

Ver tablas de fabricante: ej. 20 l

PASO 19.- Clculo del vaso de expansin.

Ecuacin completa vista en teora:

Por clculo rpido: El volumen del vaso de expansin es igual al volumen del liquido multiplicado por un coeficiente medio 1,10: (Segn CTE HE4) Vvaso expansin = Vlquido x 1,10 = 146 x 1,10 = 160 litros. Depsito de unas medidas considerables para estos volmenes. Comercialmente elegimos el inmediatamente superior 200L. Calculo vaso de expansin segn UNE 100-155.

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eKVN

PP

PVzVVV

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PASO 20.- Clculo intercambiadores.

Se recomienda que la potencia del intercambiador ser de 500 W/m2. Entonces 500 W/m2 x 60 m2 de panel nos da una potencia mxima de 30.000 W => 30 kW. Al fabricante indicar la potencia as como los caudales y temperaturas de funcionamiento de primario y secundario.

PASO 21.- Y esto cuanto cuesta?

Un clculo aproximado nos da un valor de 900-1.000 /m2, por lo tanto para nuestro ejemplo sera un valor aproximado de: 950 /m2 x 60 m2 = 57.000 .

CUANTA ENERGA HA GENERADO LA INSTALACIN SOLAR AL CABO DE UN AO?

60 m2 x 1564 kWh/ao x 0,58 = 54.427 kWh /ao (cobertura anual del 30%) (Utilizando el programa CHEQ4 sale 56.732 kwh/ao) Aplicando el precio de la energa elctrica: 54.427 kWh x 0,15 /kWh = 8164 Aplicando el precio del gas natural: 0,06 /kWh: Aplicando el precio del gasoil:

Periodos de amortizacin? REDUCCION DE EMISIONES DE CO2?

12,25 Toneladas de CO2 (segn programa CHEQ4) UNA DUCHA CONSUME 3 KWH UNA VIVIENDA CONSUME EN CALEFACCIN AL DIA 50 KWH

Cuanto tiempo tardamos en amortizar la instalacin solar? OTROS EJERCICIOS

Tenemos un deposito de 150 l de agua caliente. La temperatura de agua de la red es de 15 C, tardamos 6 horas en calentar el agua hasta alcanzar los 80 C. Si hemos utilizado una resistencia elctrica que potencia tiene. Si fuera un quemador de gas, cuanto hemos consumido. (rendimiento caldera 85%)

Programa de calculo CHEQ4

TABLAS