CURSO DE ENERGÍA SOLAR TÉRMICA OURENSE Setembro de 2007.
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CURSO DE ENERGÍA SOLAR TÉRMICA
OURENSE Setembro de 2007
MÓDULOS
1.- El Código Técnico y la Energía Solar Térmica.2.- Equipos y materiales a usar en las instalaciones de
Energía Solar Térmica.3.- Diseño de instalaciones de Energía Solar Térmica bajo
el CTE.
1. EL CÓDIGO TÉCNICO Y LA ENERGÍA SOLAR TÉRMICA.
- El RD. 314/2006 establece las bases para el desarrollo del Código Técnico de la Edificación CTE.
- El CTE se publica en el BOE 28 de Marzo de 2006 estableciéndose los plazos para su entrada en vigor.
1.1.- DESARROLLO DEL CTE.
El Código Técnico de la Edificación pretende como uno de sus objetivos fundamentales la calidad en la edificación. Para ello se establecen 6 Exigencias Básicas dentro de las cuales encontramos los documentos básicos.
EXIGENCIAS BÁSICAS.
1.- Exigencias básicas de seguridad estructural (SE).
2.- Exigencias básicas de seguridad en caso de incendio (SI).
3.- Exigencias básicas de seguridad de utilización (SU).
4.- Exigencias básicas de salubridad (HS).
5.- Exigencias básicas de protección frente al ruido (HR).
6.- Exigencias básicas de ahorro de energía (HE).
EXIGENCIAS BÁSICAS DE AHORRO DE ENERGÍA (HE).
- Exigencia básica HE1: Limitación de demanda energética.
- Exigencia básica HE2: Rendimiento de las instalaciones térmicas
- Exigencia básica HE3: Eficiencia energética de las instalaciones de iluminación.
- Exigencia básica HE4: Contribución solar mínima de ACS.
- Exigencia básica HE5: Contribución fotovoltaica mínima de energía eléctrica.
EXIGENCIA BÁSICA HE4.
1.1.- ÁMBITO DE APLICACIÓN.
a.- Edificios de nueva construcción y rehabilitaciones que demanden ACS y/o climatización de piscinas cubiertas.
b.- La contribución solar mínima podrá disminuirse del mínimo establecido en esta norma en los siguientes casos:
- Aprovechando otras energías renovables. (Biomasa, cogeneración, etc).
- Edificio mal situado por barreras externas al mismo.
- Cuando existan limitaciones de configuración del edificio o normativas urbanísticas.
- Por dictamen del órgano competente.
c.- En los dos últimos casos anteriores habrá que justificar otras medidas de ahorro energético.
Las contribuciones solares tienen carácter de mínimos pudiendo ser ampliadas voluntariamente por el promotor o por las administraciones autonómicas o locales.
2.1- Contribución solar mínima.
La contribución solar mínima anual es la fracción entre los valores anuales de la energía aportada exigida y la demanda energética anual que para ACS será a 60 ºC.
2.- CARACTERIZACIÓN Y CUANTIFICACIÓN DE LAS EXIGENCIAS.
En caso de dimensionar por encima de los valores mínimos anteriormente descritos se tendrán que cumplir las siguientes condiciones:
-Ningún mes del año la cobertura solar superará el 110% de la demanda de ACS.-No se tendrán más de tres meses seguidos con una cobertura solar igual al 100%.
Si se dieran alguna de las condiciones anteriores habría que tomar las siguientes medidas:
-Sistemas de disipación de calor. (Intercambiadores estáticos, aerotermos).
-Tapado parcial del campo de colectores.-Vaciado parcial del campo de colectores.-Desvío del excedente a otras aplicaciones. (Una piscina descubierta).
La colocación de los colectores puede hacerse de tres formas:
-General: Colocación en cubierta inclinada.-Superposición: Colocación paralela a la envolvente del edificio.-Integración arquitectónica: Cuando el colector además de su función energética sustituye elementos constructivos.
En todos esos casos se tendrá que cumplir que las perdidas por orientación, sombreado e inclinación sean menores que las establecidas en la tabla 2.4 CTE, pag-HE 4-3.
La orientación optima será Sur, aunque no se nota una perdida considerable de rendimiento si se da una desviación Sur +- 20º.
En cuanto a la inclinación sobre la horizontal el CTE establece tres opciones dependiendo del periodo de utilización:
-Demanda constante anual: Ángulo de inclinación igual a latitud geográfica.-Demanda en invierno: Ángulo de inclinación igual a latitud geográfica +10º.-Demanda en verano: Ángulo de inclinación igual a latitud geográfica -10º.
3.- CÁLCULO Y DIMENSIONADO.
3.1.1- Cálculo de la demanda.
En el caso de viviendas de uso residencial el número de personas por vivienda deberá hacerse utilizando como valores mínimos los que se relacionan en la tabla anterior.Adicionalmente se tendrán en cuenta las perdidas caloríficas en distribución- recirculación del agua a los puntos de consumo.
3.1.2.- Zonas climáticas.
3.2.- Condiciones generales de la instalación.
•TERMOSIFON
PORCIRCULACION
DEL FLUIDO
PORINTERCAMBIO
DEL FLUIDO
•CERRADO•FORZADO
•ABIERTO
3.2.1.- Tipos de instalaciones.
TERMOSIFON ABIERTO
•Tiene un rendimiento mayor.•No es adecuado para zonas de agua dura.•No es adecuado para zonas con peligro de heladas.
•El agua de red entra al tanque de almacenamiento.
•Por estratificación térmica el agua fría entra a la parte inferior del colector.
•La radiación calienta el agua del colector y esta asciende a medida que se calienta.
•El agua pasa del colector directamente al consumo.
A TENER EN CUENTA
TERMOSIFON CERRADO
•Tiene un rendimiento menor.•Adecuado para zonas de agua dura.•Permite el uso de anticongelante (Heladas)
•El agua del colector es calentada por la radiación y se recircula entre el tanque y el colector continuamente, a medida que se enfría dentro de la doble chaqueta del tanque.
•La doble chaqueta del colector funciona como intercambiador de calor, calentando el agua de red y saliendo para consumo.
A TENER EN CUENTA
DIFERENTES FORMAS DE INSTALACIÓN
SUPERFICIE PLANA SUPERFICIE INCLINADA
TANQUE BAJO TECHO
FORZADO CERRADO
El concepto para los sistemas forzados es el mismo que para el termosifón, solo que requieren bombeo. Un sistema forzado abierto es muy poco frecuente.
2.- EQUIPOS Y MATERIALES A USAR EN LAS INSTALACIONES DE E.S.T.
2.1.- Captadores.
El captador es el elemento fundamental de cualquier sistema solar térmico su misión es captar la energía incidente y transmitirla al fluido que circula por el.
En sistemas de baja temperatura (50º) los captadores usados son los de placa plana, los cuales están formados por cuatro elementos fundamentales.
- Cubierta transparente: Provoca el efecto invernadero, reduce las perdidas y asegura la estanqueidad del captador en unión con la carcasa y las juntas. Suelen ser de vidrio templado con bajo contenido en sílice.
- Caja bastidor o carcasa: Contiene y soporta todos los elementos anteriores y los protege de la intemperie. Debe resistir las variaciones de Temperatura, la corrosión y la degradación química.
-Placa absorbente y absorbedor: Su misión es recibir la radiación solar, transformarla
en calor y transmitirla al fluido caloportador (normalmente agua o agua con
anticongelante). Existen básicamente dos modelos, el mas usual consiste en una placa
de aluminio recubierta de oxido de cobre, o una placa de cobre recubierta de oxido de
titanio, dichas placas se encuentran soldadas a una parrilla de tubos por donde se
transmite el calor. El otro modelo consiste en dos placas metálicas separadas unos
milímetros, entre las cuales circula el fluido caloportador.
-Aislante lateral y posterior: Para disminuir las fugas de calor del interior del captador
se le debe exigir una serie de características como son: resistir temperaturas de hasta
150ºC no desprender vapores bajo la acción del calor y no perder sus cualidades
aislantes en caso de humedecerse.
Para sistemas de media temperatura (60º a 120º) se utilizan colectores de tubos de
vacío. Este tipo de colectores pueden ser de dos tecnologías:
-Circulación directa: El fluido caloportador circula por el interior del Tubo de vacío.
-Circulación indirecta (HEAT-PIPE): Por el interior del tubo de vacío circula un gas
que se evapora en el tubo y al llegar a la cabeza se condensa cediendo el calor latente
de condensación al fluido caloportador. Este tipo de tubo de vacío es el de mayor
rendimiento de todos los colectores.
- Colectores de polipropileno: Se utilizan para el calentamiento de piscinas al aire
libre, son resistentes a los productos químicos, cloro, intemperie, rayos ultravioleta y
congelación, cuyas características son:- No llevan cubierta transparente, carcasa ni material aislante.- Se adaptan a los sistemas de depuración de piscinas.- Necesitan un bastidor rígido, por lo que se colocan sobre cubiertas, suelo, o
estructura adecuada para ellos.- Trabajan a temperaturas menores de 30ºC.
•Plano •Selectivo
•Vacío •Polipropileno
SISTEMA HEAT-PIPE.
Los captadores solares en el CTE.
-El CTE recomienda captadores con coeficientes de perdida inferiores a
10Wm2/ºC.
-Se recomienda que los captadores sean todos de la misma marca y modelo en la
misma instalación.
- Los captadores se montarán en filas y la conexión dentro de cada fila puede ser
en serie o en paralelo. En caso de que la instalación sea exclusivamente de ACS
se podrán conectar en serie 10m2 en zonas climáticas I y II, hasta 8m2 en zona
climática III y hasta 6m2 en zona climática IV y V. Todo esto estará limitado por las
condiciones del fabricante.
- La conexión entre filas se realizará en paralelo con retornos invertidos.
- Cada fila de colectores irá instalada entre válvulas y llevará un purgador con su
válvula de cierre correspondiente.
- Ver más características de captadores en CTE pag HE 4-16.
2.2.- Acumuladores.
Los acumuladores en las instalaciones solares se deben a la necesidad de que la
energía no siempre coincide en el tiempo con la captación que se obtiene del sol.
La utilización de acumuladores verticales tiene la ventaja de favorecer la
estratificación del agua, por ello los acumuladores solares tienen mayor altura que
los tradicionales de ACS para una misma capacidad.
Los acumuladores se clasifican según el tipo de construcción:-De serpentín helicoidal.-De haz tubular.-De doble envolvente.
El CTE recomienda la utilización de un solo acumulador solar. Cuando sea
necesario utilizar mas de uno estos se conectarán en serie invertida en el circuito
de consumo ó en paralelo con los circuitos primarios y secundarios equilibrados.
Las conexiones se realizarán como indica el CTE.
El intercambiador del acumulador debe cumplir que S= Scap*1,15 (m2).
Cuando el acumulador no pueda llevar serpentín se le acoplará un intercambiador
de placas siendo su P>=500*A (W)
IMPORTANTE: Según CTE (Pag HE4-13 punto 3.3.3.2 apartado 4), no se
permite la conexión de un sistema de generación auxiliar en el acumulador solar…
-Bomba de circulación: Dispositivo encargado de mover el fluido caloportador por
los captadores y el acumulador venciendo las perdidas de carga. Obligatorio para
S>10m2 y de deben colocar dos bombas en paralelo cuando la S>50m2. El caudal
que debe circular por m2 de captador es de 50l/h (según CTE entre 1,2l/s y 2l/s por
cada 100m2 de captación). Ojo con las conexiones en serie.
-Tuberías: Velocidades de diseño<2m/s. Aisladas con coquillas elastoméricas
resistentes a las radiaciones UVA. Se recomienda utilizar tubería de Cu en la salida
de colectores y luego multicapa.
-Vaso de expansión: Dispositivo colocado en el circuito primario destinado a
absorber las dilataciones del fluido debido a los cambios de temperatura. (Ojo no
valen los de ACS ni los de calefacción).
-Válvulas y accesorios: Válvulas de esfera, válvulas de asiento, válvulas de
seguridad, válvulas antirretorno, purgadores, termómetros, termostatos
diferenciales, manómetros etc.
2.3.- Otros dispositivos.
2.4.- Aplicaciones.
Agua Caliente Sanitaria (ACS)(Con apoyo de Caldera Instantánea Modulante)
RED
TD1
S2
S3
S1
CALDERAACS
B1
Agua Caliente Sanitaria (ACS)(Con apoyo de Caldera)
RED
TD1
S2
S3
S1
CALDERA
ACS
B1
PROHIBIDO SEGÚN CTE
Agua Caliente Sanitaria (ACS) + Calefacción(Con apoyo)
CALEFACCIÓNRED B2
TD1
S2
S3
S1
CALDERA
TACS
V2
TB1
S5 B1
B3
GRUPO DE SEGURIDAD
PROHIBIDO SEGÚN CTE
Agua Caliente Sanitaria (ACS) + Calefacción
(Con apoyo, 2 Tanques)
CALEFACCIÓN
CALDERA
T
V2
T
RED
ACS
TD1
S2
S3
S1
S5 B1
GRUPO DE SEGURIDAD
T
S5
PROHIBIDO SEGÚN CTE
Agua Caliente Sanitaria (ACS) + Calefacción + Piscina
(Con apoyo)
TD1
PiscinaS4
S2
S3
S1
CALDERA
TACS
RED
V1
V2
TB1
S5 B1
B2
B3
B4
T
PROHIBIDO SEGÚN CTE
Agua Caliente Sanitaria (ACS) Comunidades(Distribución Central)
3000 L
TANQUE SOLAR
TANQUE ACTUAL
CONSUMODISTRIBUCIÓN
CAMPO DE COLECTORES
TD
TD
CALDERA
ACS Comunidades(Sistema Individual)
Calefacción
Calderas mixtasAcumuladoresZona de Captación Solar
Válvulas de equilibrado
Válvulas de equilibrado
Termostatos diferenciales
ACS
ACS
ACS
T
Cal. Mix. ACS instantáneo
Cal. Mix. ACS doble serpentín
Resistencia eléctrica
Un serpentín
ACSResistencia
eléctricaDoble camisa
T
ACS
T
Doble camisa con termo eléctrico serie
T
T
T
PROHIBIDO SEGÚN CTE
PROHIBIDO SEGÚN CTE
Calentamiento de Piscinas
Normativa RITE a tener en cuenta en el diseño de la instalación además de la CTE y el PCT del IDAE.
•Según RITE-ITE 11, La ejecución de las instalaciones sujetas a este reglamento solamente pueden ser realizadas por empresas que estén registradas como empresas instaladoras en la especialidad adecuada a la instalación que se trate.
. Según RITE- ITE 10, El sistema convencional de apoyo tendrá una potencia térmica suficiente para que pueda proporcionar la energía necesaria para la producción total de agua caliente. (Legionela).
. Según RITE- ITE 10.2, En piscinas al aire libre sólo podrán utilizarse para el calentamiento de agua fuentes de energía residuales o de libre disposición. El consumo de energías convencionales para calentamiento de piscinas está permitido solo cuando estén situadas en locales cubiertos.
Se prohíbe el calentamiento directo del agua de la piscina por medio de una caldera, es necesario un sistema de intercambio.
3.- . Diseño de una I.S.T. bajo el C.T.E.
DATOS PARA EL DIMENSIONADO DE LA INSTALACIÓN.
a.- Condiciones de uso de la instalación: A.C.S., Piscina, Calefacción.
b.- Datos climatológicos: Radiación sobre los captadores, temperatura exterior, temperatura del agua de red.
c.- Datos geográficos: Latitud del lugar de ubicación de los captadores.
3.- . Diseño de una I.S.T. bajo el C.T.E.
• ORIENTACIÓN DE LOS PANELES.
– Según RITE ITE 10.1.3: Los paneles se orientarán hacia el sur
geográfico pudiéndose admitir desviaciones no mayores de 25º con
respecto a dicha orientación.
– Según los estudios de orientación del sol con respecto a la tierra:
• 1 hora antes del mediodía solar la orientación será de 20º ESTE
• 5 horas después del mediodía solar 66º OESTE.
Existen sistemas solares de captación autoorientables pero no
compensa económicamente la inversión por la producción ya que la
máxima producción se da al mediodía solar.
3.- . Diseño de una I.S.T. bajo el C.T.E.
INCLINACIÓN:
-Según RITE ITE 10.1.3 TABLA 11 tenemos:
-Para consumos anuales constantes: Inclinación= Latitud del lugar.-Para consumos invernales: Inclinación= Latitud+10º-Para consumos en verano: Inclinación=Latitud-10º
-Según estudios de eficiencia tenemos:
-En el mes de agosto 23º respecto a la horizontal.-En el mes de diciembre 60º respecto a la horizontal.
3.- . Diseño de una I.S.T. bajo el C.T.E.
- Radiación sobre superficie horizontal (H= Kwh/m2 dia)
- Radiación sobre superficie horizontal modificada: En algunas situaciones debe
tomarse esta radiación por encontrase la instalación en situaciones como las siguientes:
- 0,95 si la instalación está en casco urbano.
- 1,05 si está en atmósfera limpia o zona montañosa.
- Coeficientes de corrección severos en caso de prever importantes sombras
en invierno.
- Radiación sobre superficie inclinada: Esta radiación es la teórica que se puede
esperar que incida en un día medio del mes considerado, por cada metro cuadrado de
captador.
E=K*H
3.- . Diseño de una I.S.T. bajo el C.T.E.
3.- . Diseño de una I.S.T. bajo el C.T.E.
- Horas útiles de sol: Se corresponde al tiempo que el sol está en el horizonte, descartando las horas iniciales y finales del día.
- Temperatura ambiente media.
- Temperatura del agua de red.
3.- . Diseño de una I.S.T. bajo el C.T.E.
SOMBRAS:
-Según RITE ITE 10.1.3 la separación entre filas de colectores se realizará por
medio de la siguiente expresión:
d=K.h
Siendo:
d: Separación entre filas (m).
K: Coeficiente que se obtiene de la tabla 12 del RITE.
h: Altura del colector (m)
-Cuando se trata de otros obstaculos la separación queda definida por:
d=1,732.a
Siendo:
a: Altura del obstáculo (m).
3.- . Diseño de una I.S.T. bajo el C.T.E.
RENDIMIENTO DE UN COLECTOR.-Las curvas de rendimiento de un colector están siempre dadas en función de la siguiente expresión:
Donde: - : Rendimiento del panel.
- C1: Factor de ganancia.
- C2: Factor de perdidas.
- Te: Temperatura entrada agua panel.
- Tamb: Temperatura ambiente media horas de sol.- I: Radiación media horas de sol (W/m2).
De donde se deduce: 1.- Si la temperatura de entrada del fluido aumenta también lo hará la
temperatura media del la placa, con lo cual el rendimiento bajará.2.- Si la temperatura ambiente es mayor el rendimiento aumentará.3.- Si la radiación aumenta el rendimiento aumentará.
I
TTC ambe 21C
3.- . Diseño de una I.S.T. bajo el C.T.E.
3.- . Diseño de una I.S.T. bajo el C.T.E.
EL ACUMULADOR.
3.- . Diseño de una I.S.T. bajo el C.T.E.
El CIRCULADOR.
-Según RITE ITE 10.1.3. el caudal del circulador estará comprendido entre 1,2 y
1,6 l/s por cada 100m2 de panel.
En la practica es un buen dato de calculo considerar 50l/h por m2 de
panel ya que caudales menores producen perdidas de rendimiento y caudales
mayores no suponen un incremento apreciable del rendimiento además de tener
que instalar un circulador de mayor potencia.
Cuando la superficie de captación supere los 50m2 se montarán dos
bombas idénticas en paralelo una funcionando y otra en Stand-by.
3.- . Diseño de una I.S.T. bajo el C.T.E.
AISLAMIENTO.
El aislamiento de la instalación cumplirá todo lo especificado en el RITE ITE 03.12
3.- . Diseño de una I.S.T. bajo el C.T.E.
FLUIDO CALOPORTADOR.
Se denomina así al circuito primario que recorre los paneles. Puede ser:
- Agua natural: Zonas sin riesgo de heladas.
- Agua con aditivos anticongelantes, en este caso debemos tener en cuenta:
- Generalmente son Tóxicos: Por lo que se debe de evitar que se mezcle con
el agua de consumo.
- Aumentan la viscosidad: Por lo que las perdidas de carga y la potencia del
electrocirculador serán ligeramente mayores.
- Coeficientes de dilatación mayores que el agua natural: A tener en cuenta
en cl cálculo del vaso de expansión.
- Inestables por encima de 120ºC produciendo aditivos corrosivos para la
instalación.
3.- . Diseño de una I.S.T. bajo el C.T.E.
3.- . Diseño de una I.S.T. bajo el C.T.E.
VASO DE EXPANSION.
- Su calculo se realizará por la norma UNE 100-155-88
El volumen del vaso de expansión será:
Vt= V.Ce.Cp
Donde:
- Vt: Volumen vaso expansión (l).
- V: Volumen agua circuito (l).
- Ce: Coeficiente de expansión.
- Cp: Coeficiente de presión.
3.- . Diseño de una I.S.T. bajo el C.T.E.
VALVULA DE SEGURIDAD.
-Obligatoria en todos los circuitos sometidos a presión y variaciones de t.
- Su tarado se realizará teniendo en cuenta las presiones máximas que soportan los elementos del circuito. (Min 6 bar).
PURGADOR.
-Eliminación del aire para que el agua/glicol circule correctamente.
-Se debe colocar en el punto más alto.
-Su volumen mínimo 100cm3.
3.- . Diseño de una I.S.T. bajo el C.T.E.
CONEXIÓN ENTRE CAPTADORES.
- RITE ITE 10.1.3.
- Serie: Aumento de temperatura salida del agua pero un menor rendimiento.
(Sistemas de alta temperatura).
-Paralelo: Aumento de caudal, mejora rendimiento. (Sistemas de baja t).
3.- . Diseño de una I.S.T. bajo el C.T.E.
3.- . Diseño de una I.S.T. bajo el C.T.E.
AREA DE CAPTADORES Y VOLUMEN DE ACUMULACIÓN.
- Según CTE para ACS tendrá que cumplirse.
50<V/A<180
3.- . Diseño de una I.S.T. bajo el C.T.E.
CALCULO DE TUBERÍAS.
A la hora de realizar el cálculo de tuberías se tendrán en cuenta los siguientesparámetros:
- Velocidad máxima del fluido Vmax= 1,5 m/seg.- Pdc/m= 40 mm.c.d.a/m.
INTERCAMBIADORES DE CALOR.
Su cálculo no deja de ser complejo por ello para serpentines se suele considerarun valor de superficie 1,15 veces de la superficie de captación. Manteniendo una superficie entre espiras igual a 2 veces el diámetro exterior del tubo. En el caso de intercambiadores de placas (a partir de 1500l de acumulación), la potencia del intercambiador (W), vendrá dada por la siguiente expresión:
P=500.S
3.- . Diseño de una I.S.T. bajo el C.T.E.
Según el punto 4 de la exigencia básica HE para el mantenimiento de las
IST, se definen dos escalones complementarios:
a.- Plan de vigilancia.
b.- Plan de mantenimiento preventivo.
MANTENIMIENTO.
PROTECCIÓN CONTRA HELADAS.
- El fabricante, suministrador final, instalador o diseñador del sistema deberá
fijar la mínima temperatura permitida en el sistema.
1.- Mezclas anticongelantes: (Ce=3Kj/Kg.K). Sistema de llenado automático.
2.- Recirculación de agua de los circuitos: Sistema valido en zonas de
pocas heladas, el sistema pondrá la instalación en marcha como min a 3ºC.
3.- Drenaje automático con recuperación de fluido: Una electroválvula
actua cuando la temperatura del fluido desciende a 3ºC. Requiere intercambiador entre
captadores y acumulador.
4.- Sistemas de drenaje al exterior: Solo para sistemas prefabricados, no
permitido en los sistemas solares a medida.
LEGISLACIÓN.
SOBRECALENTAMIENTOS.
El sistema deberá estar diseñado de tal forma que con altas radiaciones
solares prolongadas sin consumo de agua caliente, no se produzcan situaciones en las
cuales el usuario tenga que realizar alguna acción especial para llevar al sistema a su
forma normal de operación.
QUEMADURAS.
En los puntos de consumo el ACS no podrá superar los 60ºC aunque en la
parte solar pueda alcanzar mas temperatura.
FLUJO INVERSO.
Tendrán que colocarse válvulas anti-retorno para evitar flujos inversos.
LEGIONELOSIS.
Cumplimiento del decreto 865/2003, para ACS calentamiento durante 2h a
70ªC una vez al año, por lo que no se permite el uso de componentes de acero
galvanizado.
LEGISLACIÓN.
