ESCUELA DE INGENIERIA Y NEGOCIOS DE LA SALLE UNIVERSITAT RAMM LLUL

PROYECTO INSTALACIN DE A.C.S. GUARDERAEnerga Solar TrmicaJordi Arranz - Celina Bentez Rosala Fernndez Cristian Yez 24/11/2011

Postgrado de Eficiencia Energtica Sistemas Trmicos y Fotovoltaicos. El grupo de proyecto, que a efectos de este curso constituye una empresa ficticia de arquitectura e ingeniera sostenible con el bre de CASO1 S.L., ha recibido la solicitud de presupuesto del promotor de una guardera, para la poracin al edificio de instalaciones de ST y de SFV.

NDICEFASE 1- Clculo de la demanda segn las normativas en vigor - Clculo del % de cobertura solar segn normativa en vigor

FASE 2- Analizar la superficie disponible para la instalacin solar trmica - Identificar orientacin e inclinacin ptimas - Calcular el porcentaje de prdidas por sombras lejanas - Diagrama de sombras lejanas

FASE 3- Seleccionar el panel solar trmico y razonar dicha eleccin - Proponer distribucin de campo de captacin y conexionado de paneles - Determinar cul ser la tipologa de la instalacin escogida de las disponibles en el Transol y razonarlo - Propuesta comparativa de dos sistemas de produccin, uno bueno y otro mejorado de aporte solar trmico

DISEO DEL SISTEMA SOLAR TERMICO DE UNA GUARDERIA INFANTILDATOS DE PARTIDA

El objetivo de este proyecto es dotar de una instalacin para el calentamiento de agua sanitaria por medio de energa solar a una guardera infantil ubicada en la ciudad de Barcelona. La guardera est compuesta por 135 personas, entre las cuales hay 121 nios y 14 adultos que utilizan el recinto 11 meses al ao. Contiene aulas, zonas de administracin y servicios para el centro docente. Hay cocina, agua caliente disponible en todas las aulas y una ducha para el personal. El edificio consta de 2 plantas con cubierta plana no transitable. Sobre esta cubierta existen 3 volmenes o torretas para la iluminacin natural de los recintos del segundo nivel. Se encuentra ubicado hacia el Sur, con 20 de desviacin hacia el oeste. Hay objetos o edificios que proyectan sombras durante algunos periodos del da sobre la superficie donde irn los colectores. Este edificio no fue diseado para albergar una instalacin de estas caractersticas y la disposicin de los espacios para albergar los diferentes componentes tienen su dificultad, por sombras cercanas, lejanas y disposicin de la superficie a ocupar.

FASE 11.- Determinacin de la cantidad de usuarios de agua caliente sanitaria (ACS) en el edificio. El proyecto contempla como ocupacin bsica la de 8 alumnos en el aula de 0-1 ao, 13 alumnos en el aula de 1-2 aos y 20 alumnos en cada una de las 5 aulas de 2-3 aos. En cada aula se prev una ocupacin adicional de 2 adultos.

2.- Determinacin del consumo volumtrico diario de A.C.S. a 60C Para este punto y el siguiente (contribucin mnima solar), se analizo cada una de las normativas vigentes, y se llego a la conclusin de utilizar el Decreto de Adopcin de Criterios de Ecoeficiencia en los Edificios de Catalunya, por ser la ms exigente en la demanda de energa. Tambin, a modo informativo, se indican los clculos con las otras normas estudiadas y sus resultados.

Otras normas:

3.- Contribucin mnima de energa solar en %, en produccin de A.C.S. a 60C El Decreto de Adopcin de Criterios de Ecoeficiencia en los Edificios de Catalunya indica que el porcentaje mnimo de contribucin solar en la zona climtica III es del 50%. Se muestran tambin las otras 2 normas.

Otras normas:

4.- Calculo de las demandas energticas mensuales y anuales. En la siguiente tabla se indican: la T de agua de red de Barcelona (datos dados por estudios ya realizados y se pueden encontrar en fuentes como Censolar), el clculo del salto trmico a cubrir, el clculo de la energa (E) necesaria para cubrir el salto trmico y finalmente las demandas energticas mensuales y anuales.

5.- Cuantificacin de la contribucin solar mnima anual Despus de haber calculado la energa necesaria para cubrir los saltos trmicos mensuales se debe indicar que porcentaje de ese valor va a ser a travs de aportacin solar. Ya se haba establecido anteriormente que utilizaramos el Decreto, donde se exige un 50%, por lo tanto:

6.- Calculo de la intensidad til en un da medio de cada mes, Irradiancia (I). Para el clculo de la irradiancia se genero la siguiente tabla donde se indican una serie de datos. Algunos de ellos son entregados por centros especializados y otros son producto de clculos. Esta tabla indica: irradiacin diaria media mensual sobre superficie horizontal (H) y efectiva (He), con la aplicacin de coeficientes por suciedad, envejecimiento y no perpendicularidad, la aplicacin del factor de inclinacin k sobre la superficie horizontal (He), la determinacin de las horas tiles de sol en un da medio de cada mes, hasta llegar al clculo de la irradiancia (I).

7.- Rendimiento unitario del panel solar. Para poder determinar el rendimiento del panel primero debemos elegir uno que sea apropiado para nuestras necesidades. En este caso uno para bajas T. Para esto

debemos conocer la curva de rendimiento instantneo del panel expresada de esta manera:

=-a*x-a*x*GDonde: = Rendimiento Instantneo = Rendimiento ptico a= Coeficiente de perdida 1 a= Coeficiente de perdida 2 G= Irradiancia x= (Tmed - Tamb)/G Tmed: Temperat. media del fluido caloportador (45C) Tamb: Temperatura ambiente

Para resolver la expresin anterior debemos primero calcular el parmetro X, X.

En esta tabla debemos indicar el promedio de la T ambiente mensual de Barcelona (IDAE) y aproximar la temperatura media de trabajo de nuestro fluido caloportador. Restando estos datos y dividindolos por G (intensidad til diaria a 40 de inclinacin), tenemos x, y luego elevando al cuadrado tenemos x.

8.- Calculo del rendimiento instantneo. Para este punto debemos tener elegido algn tipo de captador en donde se encontraran los valores del Rendimiento ptico (), Coeficiente de perdida 1 y 2 de aquel panel. En este caso se ha elegido un Captador Solar Plano de marca Sonnenkraft modelo SK500N.

Datos de Captador Solar elegido.

9.- Aportacin Solar y Energa neta unitaria disponible. Con la irradiancia efectiva (He40) y la informacin del rendimiento de nuestro captador solar elegido podemos saber el aporte solar diario de energa que tenemos. Restndole las perdidas del sistemas tenemos la E neta disponible mensual y anual.

10.- Calculo de la Superficie mnima de captacin. En este punto calculamos los m necesarios de captacin para producir la contribucin mnima solar que nos exige la norma para el funcionamiento de nuestro sistema.

11.- Calculo de la cantidad necesaria de captadores. Con el valor de la superficie necesaria podemos decidir cuntos paneles debemos poner para cumplir la norma.

Superf. necesaria de captacion Superf. Unitaria de captadores Cant. necesaria de captadores Cant. Escogida de captadores

[M] 8,75 2,3 -

[UD]

3,80 4

12.- Calculo de la cobertura. Luego de realizar todos los clculos anteriores podemos al fin verificar si nuestra demanda de energa que pide la norma (Decreto) es cubierta por la E neta disponible en la cantidad de paneles elegidos.DEMANDA MES 1 Enero 2 Febrero 3 Marzo 4 Abril 5 Mayo 6 Junio 7 Julio 8 Agosto 9 Septiembre 10 Octubre 11 Noviembre 12 Diciembre Media Anual [MJ/mes] 3584,7 3175,5 3377,9 3135,5 3171,1 3002,1 3033,2 3102,1 3068,8 3240,0 3268,9 3584,7 38744,6E NETA UNITARIA DISPONIBLE

SUPERFICIE DEL COLECTOR [m] 2,30 2,30 2,30 2,30 2,30 2,30 2,30 2,30 2,30 2,30 2,30 2,30 -

CANTIDAD ESCOGIDA DE COLECTORES

SUPERFICIE DE CAMPO E NETA DISPONIBLE DE CAPTACION CAMPO DE CAPTACION

COBERTURA[tanto por uno]

0 68,4 105,2 172,2 199,4 232,2 254,0 300,6 274,0 239,4 189,1 110,5 69,7 -

[ud] 4 4 4 4 4 4 4 4 4 4 4 4 -

[m] 9,2 9,2 9,2 9,2 9,2 9,2 9,2 9,2 9,2 9,2 9,2 9,2 -

[MJ] 629,2 967,7 1583,9 1834,5 2135,8 2336,9 2765,9 2520,9 2202,7 1739,4 1016,6 641,2 20374,6

0,176 0,305 0,469 0,585 0,674 0,778 0,912 0,813 0,718 0,537 0,311 0,179 0,538

[%] 17,6 30,5 46,9 58,5 67,4 77,8 91,2 81,3 71,8 53,7 31,1 17,9 53,8

Los 4 captadores elegidos cumple con la contribucin mnima solar del 50%, ya que la cobertura que brindan es del 50.8%, pero como se ver a continuacin en el estudio de sombras, en el cual se obtienen unas prdidas del 5%, baja al 45,8%, por lo tanto, no cumple. Para solucionar este problema se trato de modificar algunos parmetros. Primero se prob con cambiar ascendente y descendentemente el factor k de inclinacin de los paneles, y se comprob que no haba mucho cambio que afectara en la cantidad de paneles. Luego se prob con distintos tipos de captadores y tampoco hubo grandes modificaciones. Por lo tanto se decidi aumentar un captador mas para cumplir la demanda de energa.

13.- Rectificacin de cantidad necesaria de captadores. En esta rectificacin se paso de 4 a 5 paneles.

Superf. necesaria de captacion Superf. Unitaria de captadores Cant. necesaria de captadores Cant. Escogida de captadores

[M] 8,75 2,3 -

[UD]

3,80 5

14.- Nuevo clculo de cobertura.

DEMANDA MES 1 Enero 2 Febrero 3 Marzo 4 Abril 5 Mayo 6 Junio 7 Julio 8 Agosto 9 Septiembre 10 Octubre 11 Noviembre 12 Diciembre Media Anual [MJ/mes] 3584,7 3175,5 3377,9 3135,5 3171,1 3002,1 3033,2 3102,1 3068,8 3240,0 3268,9 3584,7 38744,6

E NETA UNITARIA DISPONIBLE

SUPERFICIE DEL COLECTOR [m] 2,30 2,30 2,30 2,30 2,30 2,30 2,30 2,30 2,30 2,30 2,30 2,30 -

CANTIDAD ESCOGIDA DE COLECTORES

SUPERFICIE DE CAMPO E NETA DISPONIBLE DE CAPTACION CAMPO DE CAPTACION

COBERTURA[tanto por uno]

0 68,4 105,2 172,2 199,4 232,2 254,0 300,6 274,0 239,4 189,1 110,5 69,7 -

[ud] 5 5 5 5 5 5 5 5 5 5 5 5 -

[m] 11,5 11,5 11,5 11,5 11,5 11,5 11,5 11,5 11,5 11,5 11,5 11,5 -

[MJ] 786,5 1209,6 1979,9 2293,1 2669,7 2921,1 3457,4 3151,1 2753,3 2174,3 1270,7 801,5 25468,3

0,219 0,381 0,586 0,731 0,842 0,973 1,140 1,016 0,897 0,671 0,389 0,224 0,672

[%] 21,9 38,1 58,6 73,1 84,2 97,3 114,0 101,6 89,7 67,1 38,9 22,4 67,2

Con 5 Captadores Solares Planos de marca Sonnenkraft modelo SK500N, da una cobertura del 63,4% (24341,8 MJ/ao). Con la perdida por sombras (5%), queda un 59,3% la cobertura. Este valor es ms que suficiente para cubrir la demanda de 19372,29 Mj/ao que exige el Decreto de Adopcin de criterios de Ecoeficiencia en los edificios de Catalunya.

FASE 22.1. Anlisis de la superficie disponible para la instalacin. Luego de encontrar el nmero de captadores necesarios para cubrir la demanda de energa exigida habr que analizar la superficie disponible para la instalacin solar trmica, teniendo en cuenta las proyecciones de las sombras cercanas y lejanas que pudieran afectar a nuestros paneles. Con respecto a lo anterior, se comprob que hay problemas con las sombras cercanas existente en la cubierta, producto de los traga luces, que impide ocupar directamente la superficie junto a ellos para instalar los captadores solares, ya que generan una sombra constante que es imposible de evitar. Es por esto, que para tener la radiacin solar necesaria se utilizo estos mismos traga luces para instalar sobre ellos los paneles solares trmicos. Esta informacin se detalla en los planos siguientes, identificando las zonas que se deben evitar y la zona donde finalmente se ha decido colocar dicha instalacin, como tambin el plano de emplazamiento con edificios colindantes (destacados) que generan sombras sobre el edificio y estudio de sombras por cada mes en las horas limites (10:30 am y 14:30 pm):

1. ENERO- 10.30hs

2. FEBRERO- 10.30hs

3. MARZO- 10.30hs

4. ABRIL- 10.30hs

5. MAYO- 10.30hs

6. JUNIO- 10.30hs

7. JULIO- 10.30hs

8. AGOSTO- 10.30hs

9. SEPTIEMBRE- 10.30hs

10. OCTUBRE- 10.30hs

11. NOVIEMBRE- 10.30hs

12. DICIEMBRE- 10.30hs

1. ENERO- 14:30hs

2. FEBRERO- 14:30hs

3. MARZO- 14:30hs

4. ABRIL- 14:30hs

5. MAYO- 14:30hs

6. JUNIO- 14:30hs

7. JULIO- 14:30hs

8. AGOSTO- 14:30hs

9. SEPTIEMBRE- 14:30hs

10. OCTUBRE- 14:30hs

11. NOVIEMBRE- 14:30hs

12. DICIEMBRE- 14:30hs

Planta cubierta: la superficie existente es de 414,75 m2, dentro de la cual estn los traga luces que se ocuparan como superficie para los captadores solares, cuya rea suma 54.15 m (sombreada), entre los 3.

Distribucin de captadores: Se han utilizados los traga luces ms cercano al Este, ya que, como se demostrara ms adelante, la esquina Oeste de la cubierta es la ms perjudicada por sombras. Se hicieron dos grupos de captadores, con una desviacin de 20 con respecto al eje del edificio para encontrar la perpendicularidad al Sur.

Alzado: se indica el skyline del edificio de enfrente que genera sombras.

Detalle panel: se propone una forma de instalacin en horizontal.

2.2. Orientacin e inclinacin ptimas. Analizando todos los aspectos correspondientes, se ha llegado a la conclusin de colocar nuestros paneles a Sur, es decir con una Orientacin de 0, puesto que nuestro edifico tiene un desviacin respecto al Sur de unos 20 hacia el Este, por tanto no resulta nada complicado colocar los paneles hacia el Sur. Por otro lado, hemos llegado a la conclusin de poner los paneles con una Inclinacin de 40, puesto que al estar situados en Barcelona, con latitud de 41, siguiendo la normativa, que recomienda colocar los paneles con una inclinacin de: latitud + 10 latitud 10, para mayor aprovechamiento en invierno o en verano, respectivamente. Como en nuestro caso queremos un aprovechamiento regular durante todo el ao, nos quedamos con la inclinacin igual a nuestra latitud.

2.3. Calcular el porcentaje de prdidas por sombras lejanas y diagrama. El procedimiento consiste en la comparacin del perfil de obstculos que afecta a la superficie de estudio con el diagrama de trayectorias aparentes del Sol. Para ello hay que localizar los principales obstculos que afectan a nuestra guardera, en trminos de sus coordenadas de posicin azimut, , (ngulo de desviacin con respecto a la direccin Sur) y elevacin, , (ngulo de inclinacin con respecto al plano horizontal). Dicho clculo se ha realizado manualmente, con la ayuda de los planos y con los clculos necesarios, puesto que para obtener el ngulo de elevacin, necesito tanto la distancia horizontal como la altura, y el azimut se obtiene de los planos.

L: distancia (proyeccin horizontal) H: altura

: ngulo de elevacin : azimut

Fachada Sur Este: L 8.51 8.51 9.50 9.50 11.89 17.93 17.93 19.92 19.92 22.01 27.55 H 2.38 5.38 5.38 2.38 2.38 2.38 5.38 5.38 2.38 2.38 2.38 15.63 32.30 29.52 14.06 11.32 7.56 16.70 15.11 6.81 6.17 4.94 41 41 54 54 69 69 69 74 74 89 94

AO BO CO DO EO FO GO HO IO JO KO

Fachada Sur Oeste: D 28.35 31.92 31.92 30.56 30.56 25.29 H 14.38 14.38 17.38 17.38 14.38 14.38 26.90 24.25 28.57 29.63 25.20 29.62 97 87 87 72 72 70

AO BO CO DO EO FO

Una vez obtenidos los datos necesarios, hay que representar el perfil de obstculos en el diagrama correspondiente, en el que se muestra la banda de trayectorias del Sol a lo largo de todo el ao. Dicha banda se encuentra dividida en porciones, delimitadas por las horas solares e identificadas por una letra y un nmero. Se han de sumar las contribuciones de aquellas porciones que resulten total o parcialmente ocultas por el perfil de obstculos representado. Para dicho clculo hay que escoger la tabla de referencia que resulte ms parecida a la superficie en estudio. Los nmeros que figuran en cada casilla se corresponden con el porcentaje de irradiacin solar global anual que se perdera si la porcin correspondiente resultase interceptada por un obstculo. En nuestro caso hemos escogido la tabla correspondiente a un ngulo de inclinacin de 35 y un ngulo de orientacin de 0, obteniendo el resultado siguiente:

Fachada Sur - Este:

0.50xA5 + 0.75xA7 + A9 + 0.25xB5 + 0.25xB7 + 0.50xB9 + 0.75xB11 + 0.25xC11 = = 0.50x1.84 + 0.75x1.00 + 0.13 + 0.25x1.50 + 0.25x0.95 + 0.50x0.41 + 0.75x0.01 + 0.25x0.12 = = 0.92 + 0.75 + 0.13 + 0.375 + 0.2375 + 0.205 + 0.0075 + 0.03 = = 2.655 = = 3%

Fachada Sur Oeste:

0.25xA10 + 0.75xB10 + B12 + 0.25xC8 + C10 + C12 + 0.50xD10 + 0.25xD12 = = 0.25x0.11 + 0.75x0.42 + 0.02 + 0.25x1.08 + 0.52 + 0.10 + 0.50x1.33 + 0.25x0.40 = = 0.0275 + 0.315 + 0.02 + 0.27 + 0.52 + 0.10 + 0.665 + 0.1 = = 2.0175 = = 2%

Por tanto, segn estos clculos, tendramos un 5% de prdidas por sombras lejanas.

Se ha realizado el mismo clculo, pero esta vez escogiendo como punto O el punto ms desfavorable, que sera el punto en la esquina Sur , como se indica en los planos, como se observar se obtiene % de prdidas por sombras lejanas mayor, puesto que es el punto peor situada en cuanto a sombras.

Fachada Sur Este: L 21.97 21.97 23.93 23.93 27.28 33.01 33.01 35.37 35.37 38.37 44.07 H 2.38 5.38 5.38 2.38 2.38 2.38 5.38 5.38 2.38 2.38 2.38 6.18 13.76 12.67 5.68 4.99 4.12 9.26 8.65 3.85 3.55 3.09 84 84 86 86 89 86 86 87 87 95 97

AO BO CO DO EO FO GO HO IO JO KO Clculo:

0.25xB11 + 0.50xC11 = 0.25x0.01 + 0.50x0.12 = 0.0025 + 0.06 = 0.0625 = 0.1 %

Fachada Sur Oeste: D 14.06 15.84 15.84 13.99 13.99 8.97 H 14.38 14.38 17.38 17.38 14.38 14.38 45.65 42.23 47.65 51.17 45.79 59.09 122 98 98 67 67 57

AO BO CO DO EO FO Clculo:

A10 + 0.50xB8 + B10 + B12 + 0.50xC6 + C8 + C10 + C12 + 0.50xD6 + D8 + D10 + D12 + D14 = = 0.11 + 0.50x0.99 + 0.42 + 0.02 + 0.50x1.65 + 1.08 + 0.52 + 0.10 + 0.50x 3.63 + 2.55 + 1.33 + 0.40 + 0.02 = = 9.685 = = 10%

FASE 33.1. Seleccin del panel solar trmico Luego de analizar los rendimientos de 3 tipos de captadores, entre ellos, el captador solar kaplan 3.0 (ACV), el captador solar plano SCE250 (Sonnenkraft) y el SK500N (Sonnenkraft), hemos seleccionado este ltimo, no solo por el rendimiento, si no porque adems tiene la posibilidad de instalarse horizontalmente, que es de la forma que nosotros estamos proponiendo esta instalacin. Su presin mxima de trabajo es de 10 bares, muy superior a lo necesario, ya que el lugar donde se encontrara el sistema ser el equivalente de 3 niveles (9,26mt). Otra de sus caractersticas importantes, es que su temperatura de estancamiento supera los 180 C, lo que permite un funcionamiento ms seguro, y tambin que se pueden instalar hasta 6 unidades en serie, lo que nos permite agrupar de una forma ms libre, y de una forma muy sencilla.

3.2. Distribucin de campo de captacin y conexionado de paneles La distribucin del campo de captacin se indica grficamente en los planos correspondientes en la anterior Fase 2. Principalmente es una distribucin de una sola lnea de captadores, separados en dos grupos (2 y 3 captadores c/u), que entre ellos hay una distancia aproximada de 2 mt, con una desviacin de 20 hacia el oeste con respecto al edificio, para quedar perpendicular al sur. El conexionado de paneles se ha simulado con Transol, y hemos optado por conectar cada uno de estos dos grupos en paralelo, y entre ellos en serie. Para lograr el equilibrio hidrulico se utilizaran vlvulas de control de caudal.

3.3. Tipologa de instalacin escogida de las disponibles en Transol El sistema elegido es el SCH-304 de Transol, que consta de dos circuitos, el primario que es el solar y el secundario, que es el de consumo. Compuesto por un acumulador, un intercambiador externo y una caldera en serie. Hemos decidido seleccionar este sistema, puesto que obtuvimos los mejores resultados simulando en Transol, resultando unos valores bastante superiores a los exigidos, como la eficiencia del campo de captadores por encima del 40%, la eficiencia del resto del sistema sobre el 75%, adems de la produccin solar del campo muy por encima de 600 kw*h/m. Mientras que eligiendo otros sistemas estos valores quedaban por debajo o muy poco por encima de los valores esperados.

3.4. Comparativa entre dos sistemas de produccin solar. El sistema SCH 304 (elegido para este proyecto) se comparo con el SCH301 y el SCH305, comprobndose una mayor produccin y eficiencia que los otros. Se observo que, si bien indicaba mejor nmeros, haba un descenso en el porcentaje de eficiencia del resto del sistema. Creemos que se debe a que los otros dos sistemas integran un serpentn directamente dentro de los acumuladores, que puede ayudar a mejorar el rendimiento pero aumenta el consumo de energa ya que se hace a travs del auxiliar. Tambin se vio que al aumentar el dimetro de la tubera de 18-16 a 22-20 se aumenta la produccin de campo solar, pero tambin aumenta el consumo auxiliar. Al estratificar el acumulador se produce un aumento en la fraccin solar de campo y la eficiencia del campo de captadores, baja la aportacin auxiliar, que mejora el sistema.