f-chart

CLCULO DE INSTALACIONES SOLARES TRMICAS. MTODO F-CHART

ndice

ESTIMACIN DE LA RADIACIN SOLAR Y APLICACIONES 1

1. Conocimientos previos de instalaciones solares trmicas .............. 22. Hojas del libro ............................................................................................ 63. Modo de introduccin de datos ............................................................ 74. Datos necesarios en el clculo .............................................................. 8

4.1. Seleccin de la poblacin.............................................................................. 84.2. Datos de la superficie .................................................................................. 84.3. Datos de la demanda de ACS y calefaccin .................................................. 94.4. Datos del campo solar .............................................................................. 134.5. Datos de acumulacin y eficiencia de intercambio ...................................... 14

5. Resultados.................................................................................................. 156. Mtodo de clculo F-Chart .................................................................. 18

6.1. Clculo de las necesidades energticas ...................................................... 196.2. Clculo de radiacin solar incidente .......................................................... 206.3. Clculo de X ............................................................................................ 206.4. Clculo de FR UL ...................................................................................... 216.5. Clculo de K1 y K2 .................................................................................... 22

6.1.5.1. Capacidad de almacenamiento (K1) .......................................................... 226.1.5.2. Factor de correccin para ACS (K2) .......................................................... 22

6.6. Clculo de Y .............................................................................................. 236.7. Clculo del grado de cobertura mensual .................................................... 236.8. Clculo del grado de cobertura anual ........................................................ 236.9. Resultados obtenidos con el mtodo F-Chart.............................................. 24

Este manual es una gua para facilitar el manejo y aprendizaje de la hoja de clculo Excel titulada Mto-do_F_Chart. La aplicacin permite realizar el prediseo de instalaciones solares trmicas para la prepara-cin de agua caliente sanitaria (ACS) y apoyo a calefaccin de baja temperatura.

MANUAL DEL USUARIO

CLCULO DE INSTALACIONES SOLARES TRMICAS. MTODO F-CHART

ESTIMACIN DE LA RADIACIN SOLAR Y APLICACIONES2

El captador solar trmico aprovecha parte de la radiacin solar que incide sobre ste. Laparte no aprovechada se debe a las prdidas hacia el ambiente que le rodea, conveccin yradiacin. La energa aprovechada se cede al fluido caloportador que circula por el interiordel colector y es conducido hasta la cesin de energa con el depsito de acumulacin gra-cias al intercambio con serpentn, doble envolvente o intercambiador de placas. En lugaresfros el fluido caloportador es una mezcla de agua con anticongelante, no existiendo mez-cla posible entre el fluido que circula por los captadores y el agua caliente acumulada en eldepsito que se usar para consumir.

El aprovechamiento solar del captador se debe al efecto invernadero, el vidrio deja pasar laradiacin solar de onda corta proveniente del Sol y es opaco a la radiacin emitida en lon-gitud de onda larga de la placa absorbente, producindose el calentamiento de la superficieabsorbedora. La placa absorbente trasvasa energa al fluido que circula por los tubos solda-dos a la placa, producindose el aprovechamiento de energa en el primario.

El rendimiento de un captador solar trmico () respecto de la radiacin incidente, para uninstante de funcionamiento dado, se obtiene mediante la siguiente expresin.

[1.1]

a: Parmetro ptico del captador facilitado por el fabricante mediante ensayo dehomologacin (adimensional).

b: Coeficiente de prdidas del captador facilitado por el fabricante mediante ensa-yo de homologacin (W/m2 K).

I: Radiacin solar incidente sobre el captador (W/m2). Tm:Temperatura media del fluido caloportador en el interior del captador (C).

[1.2]

Ts:Temperatura del fluido caloportador a la salida del captador (C). Te:Temperatura del fluido caloportador a la entrada del captador (C).

El RITE (1998) impone ciertas restricciones de diseo en las instalaciones solares en cuantoal rea de captacin, volumen de acumulacin, orientacin e inclinacin, sombreamiento, etc.

En una instalacin el primer dato que hay que obtener es el rea de captacin que se de-be instalar para satisfacer un grado de cubrimiento, casi siempre se suele disear para un cu-brimiento de un 60%, valor similar al que suelen indicar las ordenanzas solares.

El sistema solar se debe disear y calcular en funcin de la energa que se aporta a lo largode un da y no en funcin de la potencia que pueden suministrar los captadores solares. Pa-ra determinar la radiacin solar que incide en el captador se utiliza un modelo de clculode radiacin horario.

Conocimientos previos deinstalaciones solares trmicas1

= a b (Tm T0)

I

Tm =Ts + Te

2

Para el clculo del volumen se tiene que cumplir la relacin entre volumen de acumulaciny el rea captadora que indica el RITE (1998) en su ITE 10.1.3.2, recogido en la figura 1.1.

El mtodo ms extendido para el clculo de captadores solares trmicos es el Mtodo F-Chart, basado en un modelo de anlisis medio mensual.

Una instalacin solar trmica, a groso modo, est compuesta por el campo de captadores so-lares y por los depsitos de acumulacin desde los que suministra agua caliente a consumo.

En la figura 1.2 se incluye un esquema de una instalacin individual con los elementos prin-cipales que la componen, captador, tuberas de captadores a depsito, depsito de acumu-lacin, bomba, tubera entrada agua fra a depsito y tubera agua caliente a consumo. Cuan-do la instalacin es para un nmero elevado de viviendas se utiliza un intercambiador deplacas para transferir la energa de los captadores al depsito, variando el nmero de de-psitos en funcin del tamao de la instalacin.

Para viviendas colectivas el rea de captacin por vivienda se sita cercano a 1 m2/vivienda pa-ra captadores planos de alta calidad, con un consumo medio diario ACS de 85 l/da vivienda.

Clculo de instalaciones solares trmicas. Mtodo F-Chart


Tred

TD

TCTS

Te

Figura 1.2Esquema de instalacinsolar trmica para unavivienda. Los captadorescalientan el depsito (TD)a travs de un serpentninterior en el depsitopor el que circula el fluidocaloportador impulsadopor la bomba. El aguaentra fra al depsito (Tred)y es calentada (Tc) cuandoexiste radiacin solar porlos captadores.

Figura 1.1Parmetros de diseopara instalacionessolares trmicasindicados por la nor-mativa del RITE (1998).(Fuente: RITE (1998)).

ITE 10.1.3.2 rea de los colectores y volumen de acumulacinEl rea total de los colectores tendr un valor tal que se cumpla la condicin:

1,25 100 A/M 2siendo:A la suma de las reas de los colectores, expresada en m2M el consumo medio diario de los meses de verano, expresado en L/dV el volumen del depsito acumulador, expresado en LEn las instalaciones cuyo consumo sea constante a lo largo del ao, el volu-men del depsito de acumulacin cumplir la condicin:

0,8 M V MCuando se instale menos superficie de colectores que la resultante del clcu-lo, deben justificarse en la memoria del proyecto las razones de esta decisiny el volumen del depsito acumulador por cada metro cuadrado de rea insta-lada debe ser igual o menor que 80 litros.

Los captadores se deben orientar prximos al sur y con una inclinacin de 50, si se quie-re conseguir un aprovechamiento anual de ACS. Para otras condiciones de uso se puedencambiar los ngulos para optimizar el grado de cobertura.

En las figuras siguientes se incluyen algunas imgenes de los componentes de las instalacio-nes solares trmicas.



Figura 1.3Campo de captado-res solares trmicosplanos en el edificiobioclimtico delCIFPSER de Imrcoain(Navarra).

Figura 1.4Captadores solarestrmicos integradosen edificio de 98viviendas.



Figura 1.5Depsitos de acumu-lacin solar paraproduccin de ACSen edificio de 98viviendas. El volumentotal de acumulacines de 9.000 l.

Figura 1.6Intercambiador de placas para latransferencia deenerga desde elprimario de loscaptadores al secundario de losdepsitos de acumulacin.

El libro que compone la aplicacin se divide en diferentes hojas en las que se introducen losdatos o en las que se muestran los resultados. Las hojas son:

Hoja en blanco. Esta hoja est sin proteccin por lo que permite al usuario ma-nipularla insertando resultados de otras hojas, hacer comparaciones, introducir fr-mulas, etc.

Datos y resultados. Permite definir todos los parmetros de la instalacin solartrmica segn el uso previsto y para la poblacin elegida; obteniendo como resultadoel rea de los captadores, el volumen de acumulacin, el grado de cubrimiento de lademanda y la rentabilidad econmica.

En el prediseo realizado se verifica el cumplimiento de la normativa aplicable.

BD Colector. Es una base de datos de colectores que permite modificar los da-tos o incorporar nuevos modelos. Algunos de los datos son de mera informacin, noutilizndose en el clculo de los captadores.

Perfiles de consumo. El consumo diario de ACS que se utiliza como estndar esel de Munt y que es el habitualmente empleado en el Mtodo F-Chart. En la hoja sepermite incluir perfiles de consumo mensual que corrijan, por ejemplo, la ausencia devecinos en el edificio en verano o el uso estacional de un hotel.

BD clima. Es una base de datos climtica que facilita los datos medios mensualesde radiacin solar global horizontal diaria, la temperatura media de las mximas y delas mnimas, la temperatura del agua de red y la localizacin de poblaciones espao-las. La base de datos se puede ampliar o modificar. Los datos incluidos provienen prin-cipalmente del Pliego de Condiciones Tcnicas del IDAE y del Instituto Nacional deMeteorologa.

Cuando se selecciona la poblacin en la hoja Datos y resultados, se importan los da-tos climticos que le corresponden de la hoja BD clima a la hoja de Datos y resul-tados.

1, 2, ... , y 12. Estas hojas estn ocultas y son donde est implementado elmtodo de clculo de radiacin solar horario y el Mtodo F-Chart. Cada una de lashojas toma los valores que le corresponden de la hoja Datos y resultados y calculael grado de cobertura de la instalacin solar trmica para el mes correspondiente,siendo llevado este valor a la hoja Datos y resultados.



Hojas del libro2

En las hojas de datos que componen el libro hay diferenciados dos tipos de celdas, que in-dican la posibilidad de introducir datos o slo muestran resultados y estn protegidas con-tra escritura.

Para diferenciar ambos tipos de celdas, las de introduccin de datos son de color azul cla-ro, presentando de color amarillo las de resultado de algn clculo. La figura 3.1 recoge am-bos tipos de casillas.

Aparte de celdas de introduccin de datos, algunas celdas azules son de seleccin de opcio-nes desplegables, en las que el usuario puede elegir entre las diferentes posibilidades que seincluyen.

Cuando se lleva a cabo cualquier modificacin en algn dato, automticamente se calculantodos los resultados de nuevo, realizndose la actualizacin instantneamente.



Modo de introduccin de datos3

Figura 3.2Celda desplegable paraseleccionar la poblacinpara la que se va a realizarlos clculos de la instala-cin solar trmica. Laslocalidades de la lista sonlas incluidas en la base dedatos BD clima.

Celda desplegable de seleccin

Figura 3.1Las celdas en azul permi-ten introducir datos.Las amarillas son deresultados y no se puedeacceder a modificar la informacin quecontienen.

Azul: Introduccin de datos

Amarillo: Resultados

Pinche aquPinche encima de la imagen para acceder al documento excel.

AdministradorNotaUnmarked definida por Administrador


En este apartado se incluyen los datos necesarios para llevar a cabo el clculo de la instala-cin solar trmica.

4.1. SELECCIN DE LA POBLACINEl primer paso es seleccionar la poblacin para la que se van a realizar los clculos. Parallevar a cabo la seleccin hay que acceder a la celda de la poblacin y elegir la localidad,figura 3.2.

En caso de querer introducir una nueva poblacin se modificar la hoja de datos BD clima,aadiendo al final de sta el nombre de la poblacin, la latitud y los datos medios mensua-les de radiacin global sobre horizontal, temperaturas ambientales de las mximas y de lasmnimas y la temperatura media del agua de red.

4.2. DATOS DE LA SUPERFICIE Una vez seleccionada la poblacin se debe definir el albedo de los alrededores y la orien-tacin e inclinacin de los captadores. Las convecciones que se han utilizado son:

Orientacin de la superficie: 0 = sur ; 90 = oeste; -90 = este y 180 = norte. Inclinacin de la superficie: 0 = horizontal; 90 = vertical. Albedo. Es la reflexin de los alrededores donde est ubicada la superficie a analizar :

0,1 = mar; 0,2 = terreno normal; 0,4 = pradera; 0,9 = nieve.



Datos necesarios en el clculo4

Figura 4.1La introduccin deuna nueva poblacincon sus datos climti-cos en la base dedatos BD clima selleva a cabo despusde los datos yaexistentes o modifi-cando stos.

Introducir nueva poblacin con sus datos al final de la lista de localidades.Se permite modificar datos ya existentes.Como mximo se puede incluir el nmero de poblaciones que cabe en las celdas con cuadrcula.


4.3. DATOS DE LA DEMANDA DE ACS Y CALEFACCIN El Mtodo F-Chart permite calcular el grado de cubrimiento de la demanda de ACS y/o ca-lefaccin de baja temperatura de un edificio. A continuacin se enuncian los datos que hayque introducir en la hoja Datos y Resultados para definir la demanda energtica del edifi-cio que puede apoyarse mediante la instalacin solar trmica:

N viviendas. Es el nmero de viviendas de igual consumo en el que se divide eledificio.

Consumo ACS (l/persona da). Consumo individual de ACS que realiza unapersona en un da medio anual.

N personas/vivienda. Nmero de habitantes medio de una vivienda. T agua consumo (C).Temperatura final de consumo del agua caliente. Un va-

lor habitual es 45C, aunque se almacene para consumo final a ms temperatura porla normativa de legionela, debiendo mezclarse con agua fra en el uso final, resultandoa nivel energtico el mismo consumo que si se hubiera utilizado el caudal de consu-mo a la temperatura de 45C.

Consumo da (l/da). Consumo medio diario de ACS que se realiza en el edifi-cio. Este valor es el que hay que conseguir cuadrar con los datos de necesidades deledificio. Por ejemplo, si se tuviera un edificio con viviendas de 1 4 dormitorios, cadatipo tiene una ocupacin diferente. En este caso se puede ajustar el consumo final dia-rio del edifico con los parmetros N viviendas, Consumo ACS (l/persona da) yN personas/vivienda.Cuando el edificio no es residencial se pueden ajustar los parmetros para realizar elequivalente a un edificio residencial. El caso ms normal sera el de un hotel o el de unhospital en el que el consumo se estimar por nmero de camas.

Tipo instalacin. Existe una seleccin mltiple que permite calcular con el mo-delo de instalacin solar para suministro de ACS, la segunda opcin calcula el sumi-nistro de ACS y calefaccin de baja temperatura combinados.Si se elige la opcin de Suministro de Calefaccin+ACS se tendr que rellenar la ta-bla de consumo medio mensual de calefaccin prevista del edificio. La figura 4.3 mues-tra esta tabla y las celdas en las que se introducen el resto de datos de consumo dela instalacin solar trmica.

Las demandas energticas pueden tener variaciones horarias, diarias (fin de semana) o men-suales (periodo de vacaciones). Un clculo correcto de la instalacin debera pasar por ob-tener un perfil de consumo horario en el edificio analizado.



Figura 4.2Introduccin en la hojaDatos y resultados de laorientacin e inclinacinde los captadores y delalbedo del terreno.

Orientacin Inclinacin Albedo

Figura 4.3Datos sobre la demandaenergtica del edificio acubrir en parte por lainstalacin solar trmicaobjeto del diseo.

Datos consumo ACS

Consumo mensual calefaccin

Tipo instalacin (ACS o ACS + Calefaccin)



En la mayora de casos no se dispone del perfil de consumo del edifico, por lo que habrque estimar un consumo tipo horario, pudindose utilizar cuando no se disponga de msinformacin del consumo normalizado horario desarrollado por Muntch (1974), mostradoen la figura 4.4 y que se ha incluido en el clculo del Mtodo F-Chart en la hoja Perfilesconsumo.

La curva de Muntch indica cmo se realiza el consumo tpico de ACS en una vivienda a lolargo del da. Bastara conocer el consumo total diario de la vivienda para saber cmo sedistribuye de forma normalizada a lo largo del da.

El consumo de ACS medio diario que se tiene en una vivienda se puede obtener de los da-tos estadsticos obtenidos para 2.200 viviendas de Zaragoza, investigacin realizado por elGrupo de Energa y Edificacin de la Universidad de Zaragoza y Viterra Energy Service apartir de 5 aos de mediciones trimestrales en edificios de tipologa bloque para diferentessectores de la ciudad.

El consumo medio por vivienda obtenido es de 85,3 l/da vivienda, valor significativamenteinferior al planteado en algunas ordenanzas o por fabricantes de captadores, y que condu-cir a instalaciones con ms rea captadora en los edificios sin que sta genere ningn be-neficio al usuario, siendo ms costosa tanto por el desembolso inicial como por los proble-mas de mantenimiento que tendr durante su vida.

La estadstica para Zaragoza arroja una ocupacin de 3,2 personas/vivienda, similara las estadsticas de otras poblaciones espaolas. Por ejemplo, Pamplona se sita en3,3 personas/vivienda.

Es interesante conocer para un valor de consumo diario dado, qu porcentaje de poblacinse deja desatendida con produccin solar. Para ello se ha construido una curva de consu-mo acumulado porcentual, figura 4.5.

En este grfico, para un consumo diario dado, por ejemplo de 120 l/vivienda da, el eje deordenadas indica un valor de un 20 %, esto significa que un 20 % de la poblacin tiene unconsumo medio de agua caliente sanitaria por encima de 120 litros diarios. O lo que es lomismo, el 80 % de las viviendas consumen menos de 120 litros diarios de agua caliente.



Consumo tipo diario ACS

hora0,0

2,0

0,5

4,0

6,0

8,0

10,0

12,0

2,5 4,5 6,5 8,5 10,5 12,5 14,5 16,5 18,5 20,5 22,5

%

Figura 4.4Porcentaje de consu-mo horario normali-zado frente alconsumo diario deACS segn Muntch(1974).

Se puede utilizar este baco para el diseo de sistemas de agua caliente sanitaria, puestoque es necesario estimar de partida cul va a ser el consumo de agua caliente a la hora dedimensionar el sistema que la produzca.

Por ejemplo, si se quiere dimensionar un sistema de precalentamiento de agua caliente sa-nitaria mediante captadores solares trmicos con una demanda 180 litros diarios por vi-vienda se estar desatendiendo tan solo al 4,5 % de la poblacin, producindose un alto ex-cedente de energa para la mayor parte de habitantes del edificio. Para el 95,4 % de pobla-cin, el sistema estar sobredimensionado, con los inconvenientes que esto puede acarrear,sobretodo si adems se tiene en cuenta que en periodo estival el consumo todava es me-nor que el medio anual.

Si se toma como valor de demanda el consumo medio diario de agua obtenido, 85,3 l/vivienda da,se tiene que ms de la mitad, el 58,2 %, de las viviendas tienen un consumo menor.

Si se representan los consumos medios estacinales se tiene la curva de evolucin del con-sumo medio diario para los distintos meses del ao. Evidentemente esta curva solamentetiene valor orientativo, puesto que se ha construido uniendo los consumos medios puntua-les asignados a un trimestre. Esto quiere decir que por ejemplo en agosto ser probable quese espere un consumo menor que el que da el baco, dado que es el mes de vacacionespor excelencia, siendo el resto del trimestre mayor.

En la figura 4.6 se observa la evolucin anual del consumo medio diario de agua caliente.



% d

e p

ob

laci

n

qu

e su

per

a el

co

nsu

mo

Litros por vivienda y da

0

10%

0

20%

30%

40%

50%

60%

70%

80%

90%

100%

20 40 60 80 100 120 140 160 180 200 220 240 260 280

Consumo medio diario:85,31 - 41,8%

Figura 4.5Porcentaje acumuladode consumo mediodiario de ACS.(Fuente: Grupo deEnerga y Edificacinde la Universidad deZaragoza y ViterraEnergy Service).

Litr

os p

or v

ivie

nda

y d

a

0,0

20,0

Enero

40,0

60,0

80,0

100,0

120,0

Abril Julio Octubre Enero Abril

Figura 4.6Consumo medioestacional diario porvivienda de ACS.(Fuente: Grupo deEnerga y Edificacinde la Universidad deZaragoza y ViterraEnergy Service).

Si se disea con el valor medio de consumo por vivienda se ha de tener en cuenta que enverano el consumo es un 31 % menor y en invierno un 24 % mayor. Se tiene, por tanto, unadiferencia bastante importante, 47 l/vivienda da, entre estos dos valores extremos.

Estos datos pueden permitir a los diseadores de captadores solares trmicos estimar la de-manda real que se tiene en una muestra de edificios bastante extensa (2.200 viviendas).

Como conclusin a los resultados mostrados, para disear la instalacin solar trmica de un edi-ficio tipo bloque se podra estimar un consumo medio anual por vivienda de 85,3 l/vivienda,que se modificara dependiendo del mes en que se estuviera. Para todos los das de la semanase podra considerar un consumo por familia uniforme y un reparto diario horario del consu-mo similar al de Muntch.

El perfil de ocupacin anual, figura 4.7, permite adaptar las variaciones del consumo mediodiario para los diferentes meses. Un valor de por ejemplo 120% indicara que el consumoen ese mes es un 20% superior a la media, no que el edificio est ocupado con un 120%de personas.



Figura 4.7Eleccin del tipo deperfil de consumomensual de ACSrealizado en la hojaDatos y resultados.Se pueden incluirnuevos perfiles omodificar los existen-tes en la hoja Perfilesconsumo.

Figura 4.8Definicin de perfilesde consumo mensua-les de la hoja Perfilesconsumo. Se puedenincluir o modificar enla tabla los perfiles deconsumo mensualpara ajustarlos a laocupacin previsibledel edificio.

Perfil de consumo ACS mensual

Perfil horario deconsumo de Muntchimplementado enMtodo F-Chart

Perfiles de consumo mensuales



Para otros tipos de edificios, el IDAE recomienda realizar las estimaciones de la tabla 4.1.

4.4. DATOS DEL CAMPO SOLARUna vez fijada la demanda de ACS y/o calefaccin, para disear la instalacin hay que elegirel modelo y el nmero de captadores con los que se obtendr un cierto grado de cubri-miento.

N captadores. Es el parmetro ms importante de diseo.Variando este valorse puede ajustar el rea de captacin total para satisfacer un grado de cubrimiento dela demanda determinado.

Modelo captador. Permite seleccionar un modelo de captador de los incluidosen la hoja BD Colector.Al elegirlo se rellena de forma automtica los datos del cap-tador, rea, parmetro ptico y coeficiente de prdidas.

rea de captadores (m2). Es el rea total de captacin que tiene la instalacinsolar. Se obtiene como resultado de multiplicar el nmero de captadores por el reade cada uno.



TABLA 4.1

Estimaciones deconsumo de ACSpara diferentesusos. (Fuente:IDAE).

TIPO DE USO LITROS/DA

Viviendas unifamiliares 40 por persona

Viviendas multifamiliares 30 por persona

Hospitales y clnicas 80 por cama

Hoteles **** 100 por cama

Hoteles *** 80 por cama

Hoteles/Hostales ** 60 por cama

Camping 60 por emplazamiento

Hostales/Pensiones * 50 por cama

Residencias (ancianos, estudiantes, etc.) 80 por cama

Vestuarios/Duchas colectivas 20 por servicio

Escuelas 5 por alumno

Cuarteles 30 por persona

Fbricas y talleres 20 por persona

Oficinas 5 por persona

Gimnasios 30 a 40 por usuario

Lavanderas 5 a 7 por kilo de ropa

Restaurantes 8 a 15 por comida

Cafeteras 2 por almuerzo

Figura 4.9Datos de los captadoressolares trmicos elegidosen la hoja Datos y resultados.

Datos captadores (nmero, modelo y rea total)


En la hoja BD colector se incluye un listado de captadores solares que son seleccionablesdesde la hoja Datos y resultados. La base de datos se puede aumentar o modificar, siem-pre que no se rebase un nmero de captadores que no sobrepase los lmites en los queexiste cuadrcula de la hoja BD colectores.

En la base de datos de colectores se solicitan los datos que caracterizan al captador, comoson el rea de cada captador, el parmetro ptico (a) y el coeficiente de prdidas (b). El res-to de datos son valores informativos para el usuario. La figura 4.10 incluye una imagen delaspecto de la base de datos de colectores.

4.5. DATOS DE ACUMULACIN Y EFICIENCIA DE INTERCAMBIOHay una serie de datos complementarios relacionados con la eficiencia del intercambioenergtico, y que son las variables:

cte.Abs-trans. Este parmetro indica la eficiencia del intercambio entre la placaabsorbente del captador y el fluido caloportador, teniendo en cuenta las variacionesdel ngulo de incidencia del sol con la placa absorbente a lo largo del da y el no serinstantneo el proceso de transferencia trmica. Se recomienda utilizar 0,96.

cte. intercambiador. Representa la eficiencia de la transferencia de energa en-tre el primario, compuesto por el fluido caloportador, y el depsito de acumulacin.En depsitos individuales o de doble envolvente la constante vale 1,0, y cuando se uti-lizan intercambiadores de placas su eficiencia es superior a 0,95.

Litros en depsito / m2 captador. Es la relacin de acumulacin en el depsi-to frente a la superficie de captacin. Para usos normales se recomienda utilizar valo-res comprendidos entre 50 a 70 l de acumulacin/m2 captador.



Figura 4.10Base de datos decaptadores solarestrmicos.

Base de datos de captadores. Permite la introduccin de nuevos captadores o la modificacin de los existentes.Slo se puede incluir datos hasta el lmite con cuadrcula.


Volumen acumulacin (l). Es el volumen total de ACS que deben tener los de-psitos solares de la instalacin. Su valor se obtiene de multiplicar el rea total de cap-tacin por los Litros en depsito / m2 captador.



Figura 4.11Introduccin de datos deldepsito solar y de laeficiencia de intercambiotrmica entre primario ysecundario.

Datos eficienciaintercambio

Volumen depsito solar

Resultados5Una vez introducidos los datos de la demanda, del campo solar y del volumen de acumula-cin se obtiene como resultado el grado de cobertura de la demanda energtica produci-da con la instalacin solar trmica.

En las instalaciones habituales el grado de cobertura debe situarse prximo al 60%, resultan-do este valor el ptimo econmico con relacin al coste de las instalaciones y de la energaa da de hoy. No es de extraar por tanto que las Ordenanzas Solares Trmicas que han sur-gido en diferentes municipios de Espaa fijen el 60% como resultado a cubrir de la demanda.

En la figura 5.1 se muestran los resultados energticos que facilita la hoja Datos y resulta-dos. El dato principal con el que se disea una instalacin solar es el grado de cubrimien-to de la demanda por la instalacin solar (Porcentaje cubierto por los captadores).

Si se quiere incrementar el grado de cobertura se debe aumentar el rea de captacin ins-talando un mayor nmero de captadores, mientras que para reducirlo se puede disminuir.Siempre es recomendable que el nmero de colectores de la instalacin permita hacer gru-pos de igual nmero de captadores.

Figura 5.1Los resultados energticosincluyen la energa cubier-ta por los captadores, laque se debe suministrarmediante fuentes auxilia-res, el grado de cubrimien-to de la demanda y elrendimiento medio anualde los captadores (detoda la energa anual quereciben los captadoressuelen aprovechar entor-no al 50%).

Resultadosenergticos. Gradode cobertura de lademanda



Una vez prediseada la instalacin hay que verificar que se cumplen los apartados del RITEen cuanto a la relacin de captadores respecto al nmero de viviendas (slo en uso resi-dencial) y la limitacin del volumen de acumulacin. Existen dos opciones de diseo referi-das al cumplimiento de la normativa. Si se elige consumo diferenciado en verano se debe-r reajustar el diseo para cumplir los valores normativos.

Si la aplicacin indica un incumplimiento de la relacin de rea captadora se deber modi-ficar el nmero de colectores hasta que se site en la horquilla que permite el RITE. Deigual modo, si no se cumple la relacin de volumen de acumulacin habr que modificar losLitros en depsito / m2 captador hasta que la hoja de clculo Datos y resultados d porbueno los valores y no salgan mensajes de incumplimiento de la normativa. La figura 5.2muestra la comprobacin que se realiza en la hoja Datos y resultados.

Cuando se modifique la normativa actual de Instalaciones Trmicas dejar de ser vlida lacomprobacin de la normativa que se realiza, debiendo guiarse el diseador por el gradode cobertura anual de la demanda.

La hoja Datos y resultados incluye el anlisis de la rentabilidad econmica con diferenteshiptesis de clculo en funcin del tipo de instalacin con la que se compare y del preciodel combustible. Para realizar este estudio se parte de un coste de la instalacin solar pormetro cuadrado de captador. Como valor indicativo se puede utilizar en edificios con insta-laciones auxiliares centralizadas un coste medio de 450 /m2 captador.

En la hoja se realizan tres clculos de rentabilidad econmica. El primer caso es la compa-racin con el edificio dotado de calderas individuales de gas, el segundo es un clculo librede comparacin y el ltimo se realiza con una instalacin individual totalmente elctrica.

En la figura 5.4 se muestra un ejemplo con coste de la instalacin solar trmica de 27.000 ,tenindose para el caso primero un precio del combustible (IVA incluido) de 0,038 /kWhcon un rendimiento de las calderas de un 85%, obtenindose como resultado un periodo derecuperacin de la inversin de 14,9 aos, con un ahorro anual de combustible propiciadopor la instalacin solar de 1.818 /ao.



Figura 5.2Comprobacincumplimiento de losapartados del RITEque afectan a lasinstalaciones solaresen la hoja Datos yresultados.

Figura 5.3Coste de la instala-cin por unidad desuperficie captadoraen la hoja Datos yresultados.

Coste instalacin(euros/m2 captacin)



Los resultados mensuales de la demanda energtica y de la energa producida por los cap-tadores se muestran en la figura 5.5.

La aplicacin no determina el sombreamiento sobre los captadores por obstculos exter-nos o propios, pero se permite calcular la radiacin incidente por unidad de superficie conotras herramientas e introducirla en la hoja Datos y resultados.

Si se tiene un sombreamiento externo producido por un perfil de horizonte se puede em-plear la aplicacin Clculos_Radiacin_Solar_Horarios e incorporar la radiacin incidentea la hoja Datos y resultados. Con la aplicacin Radiacin_Solar_Horaria_enVentanas_y_Captadores se puede obtener el sombreamiento producido entre los capta-dores y llevar de igual modo la radiacin minorada.

En la figura 5.6 se indica dnde se deben llevar los datos de radiacin incidente conside-rando el sombreamiento, calculando el Mtodo F-Chart con esta minoracin energtica.



Figura 5.4Anlisis de la rentabilidadeconmica incluida en lahoja Datos y resultados.

Figura 5.5Presentacin de lademanda energtica y laproduccin facilitada porla instalacin solar trmi-ca. La figura de la derechamuestra el grado decubrimiento mensual dela demanda mediante elaporte solar. Estos resulta-dos se han incluido en lahoja Datos y resultados.

Evolucin anual demanda y aportea la demanda por captadores

Figura 5.6Inclusin de radiacinincidente sobre superficiede captacin para teneren cuenta el sombrea-miento determinado conotras aplicaciones.

Introduccin datos radiacinincidente con sombreamiento

Evolucin anual del grado decobertura demanda captadores




El principal motor de la aplicacin es el clculo de la radiacin solar horaria que permite es-timar la energa que incide en los captadores. En el clculo de la radiacin solar se han apli-cado los modelos de Gopinathan K. K. y Soler A. (1995) y las correlaciones de transforma-cin de la radiacin media horaria de la radiacin de Liu B.Y. H. (1960) y Collares-PereiraM. (1979). Estos modelos se han implementado en las hojas ocultas 1 a 12.

En cuanto al mtodo de clculo de instalaciones solares trmicas se ha utilizado el anlisismedio mensual del Mtodo F-Chart desarrollado por Klein S.A., Duffie J.A. y Beckman W.A.,que a continuacin se describe.

Para el dimensionado de las instalaciones de energa solar trmica se sugiere el mtodosimplificado de las curvas f (F-Chart) que permite realizar el clculo de la cobertura de unsistema solar, siendo ampliamente aceptado como un proceso de clculo suficientementeexacto para largas estimaciones, no debiendo aplicarse para estimaciones de tipo semanalo diario.

Para desarrollarlo se utilizan datos mensuales medios meteorolgicos, siendo vlido para de-terminar el factor de cobertura solar en instalaciones trmicas de todo tipo de edificios.

Su aplicacin sistemtica consiste en identificar las variables adimensionales del sistema decaptacin solar y utilizar la simulacin para dimensionar las correlaciones entre estas varia-bles y el rendimiento medio del sistema para un dilatado periodo de tiempo.

El Mtodo F-Chart fue desarrollado en 1976 por los profesores Duffie y Beckman, que co-rrelacionaron cientos de resultados de simulaciones numricas y experimentales obtenidoscon mtodos de clculo dinmico, como podra ser TRNSYS. El Mtodo F-Chart fue desa-rrollado para tres sistemas bsicos: sistemas de calefaccin (aire o agua) y sistemas de aguacaliente sanitaria.

Este mtodo proporciona una estimacin del porcentaje de energa que es suministradopor la instalacin solar del total de las necesidades energticas. La variable principal de laque depender el grado de cobertura es el rea colectora. Las variables secundarias sernel tipo de colector, la capacidad de almacenamiento, los caudales de fluido, el tamao de losintercambiadores...

La configuracin bsica de un sistema de agua caliente sanitaria mediante captadores sola-res se muestra en la figura 6.1.



Mtodo de clculo F-Chart6

Calormetro

Anticongelante Agua red

Tuberasdisipacin

Figura 6.1Instalacin tpica deproduccin de ACScon acumulador ysistema auxiliar.

En la figura 6.1 se muestra una instalacin tpica de produccin de ACS con transferenciamediante un intercambiador de calor al tanque de precalentamiento, desde all pasa a con-sumo aportando energa auxiliar la caldera en caso de que no se alcanzara la temperaturade consumo por la instalacin de colectores. Una vlvula de mezcla mantendr la tempera-tura adecuada antes de la utilizacin del agua si se sobrepasa la temperatura mxima deconsumo final. Los cambios en la configuracin de este sistema no van a afectar de manerasignificativa a su funcionamiento.

Para sistemas con la configuracin mostrada en la figura 6.1, el grado de cobertura de lasnecesidades energticas mensuales sera:

[6.1]

Para calcular Qtil a travs del rendimiento instantneo, hay que conocer en cada momentola radiacin incidente, temperatura ambiente y las necesidades energticas, lo que dificultala simulacin del sistema.

Sin embargo, el Mtodo F-Chart obtiene el grado de cobertura mediante los parmetrosadimensionales X e Y sin tener que recurrir a determinar el rendimiento del captador encada instante. El grado de cobertura se puede obtener a travs de la ecuacin siguiente:

[6.2]

La secuencia que se puede seguir en el clculo es la siguiente: Determinacin de la carga energtica para el calentamiento de agua destinada a la

produccin de ACS o calefaccin. Clculo de la radiacin solar incidente en la superficie inclinada del captador o capta-

dores. Clculo del parmetro X. Clculo del parmetro Y. Obtencin de la cobertura solar mensual. Clculo de la cobertura solar anual.

6.1. CLCULO DE LAS NECESIDADES ENERGTICASCuando se disea una instalacin de colectores solares es fundamental una precisa deter-minacin de las necesidades energticas para las que se est dimensionando el sistema.Aunque se consiga un diseo correcto de la instalacin, si se ha partido, por ejemplo, deuna estimacin errnea del consumo de agua caliente, el grado de cobertura ser distintoal previsto.

Por tanto, se debe recopilar toda la informacin que sea posible relativa a los niveles de con-sumo de agua caliente. En caso de no poseer ningn dato se puede recurrir a la informa-cin facilitada por el IDAE.

No slo son importantes los valores absolutos, sino que tambin sern importantes las dis-tribuciones de esos consumos, sobretodo en situaciones atpicas. A igualdad de consumos,la distribucin de estos influir en los volmenes de acumulacin a instalar. Se colocar ma-yores volmenes si el consumo es estacional. De esta forma se almacenar energa en pe-riodos de bajo consumo para periodos de mayor consumo.



f = QtilQnec=

Qnec QauxQnec

f =1,029xY 0,065x X 0,245xY 2 + 0,0018 x X 2 + 0,0215xY 3

El consumo de ACS ser funcin de los hbitos de cada consumidor en particular y entranen juego factores socio-culturales que habr que tener presentes. En los casos normales sepuede considerar ms o menos distribuido a lo largo del da, con picos en la maana y lanoche. La correlacin del mtodo F-Chart est obtenida para el perfil de consumo de lafigura 4.4.

La energa mensual necesaria para calentar el agua desde la temperatura a la que la sumi-nistra la red hasta la de consumo, se determina mediante la siguiente expresin:

[6.3]Qa = Ce x C (tac tr) x n

Qa: Demanda energtica mensual de calentamiento ACS (J/mes). C: Consumo diario de ACS (l/d). Ce: Calor especfico. Para agua: 4.187 J/kg C. tac:Temperatura del agua caliente de acumulacin (C). tr:Temperatura del agua de red (C). n: Nmero de das.

En caso de que la instalacin facilite energa para calefactar el edificio, habr que incluircomo demanda aadida a la de ACS el consumo previsto mensual de calefaccin del edi-ficio (Qcalef). Esta energa se obtendr mediante simulacin con una herramienta de clcu-lo adecuada.

Tambin se debe incluir dentro de las necesidades energticas las prdidas que se produz-can en el sistema. Estas se localizarn principalmente en el depsito acumulador y en las tu-beras de los circuitos. En definitiva, las necesidades quedaran como:

[6.4]QNEC = Qa + Qcalef + Qperd

6.2. CLCULO DE RADIACIN SOLAR INCIDENTENormalmente se va a encontrar datos de radiacin mensuales sobre superficie horizontal.Para el clculo de las variables adimensionales se debe conocer la radiacin incidente sobreuna superficie con una inclinacin y orientacin dadas.

En la hoja de clculo se ha recurrido a usar los modelos de radiacin enunciados al co-mienzo del apartado 6.

6.3. CLCULO DE XEl parmetro X expresa la relacin entre las prdidas de energa en el captador para unadeterminada temperatura y la energa necesaria durante un mes:

[6.5]La energa perdida por el captador para produccin combinada de calefaccin y ACS vienedada por la siguiente expresin:

[6.6]Ep = Ac x FRUL x (100-ta) x t x K1



X =energa _ prdida _captadorenerga _ necesaria_ mensual

La energa perdida por el captador para produccin slo de ACS, viene dada por la siguienteexpresin:

[6.7]Ep = Ac x FRUL x (100-ta) x t x K1 x K2

Ac: Superficie del captador (m2). FR UL = FR UL (FR/ FR). FR UL: Pendiente de la curva caracterstica del captador (coeficiente global de pr-

didas del captador). ta:Temperatura media mensual del ambiente durante las horas de sol. t: Perodo de tiempo considerado en segundos (s). K1: Factor de correccin por almacenamiento. K2: Factor de correccin para ACS. Relaciona la temperatura mnima del ACS, la del

agua de red y la media mensual ambiente.

6.4. CLCULO DE FR ULEl factor de eficiencia global, FR, es un factor que se introduce para poder calcular la energatil de un colector en funcin de la temperatura del fluido, en lugar de la temperatura de laplaca absorbedora, difcil de obtener. La energa til se determina con la siguiente expresin:

[6.8]

Los valores de FR UL vienen dados por el fabricante del colector y se obtienen en los ensa-yos que se realizan para su homologacin.

En la mayora de las instalaciones se tiene dos circuitos, uno primario donde se capta la ra-diacin solar y otro secundario donde se extrae el agua de consumo. Esto implica que sedebe transferir el calor de uno a otro circuito a travs de un intercambiador. Este hecho re-presenta una penalizacin energtica respecto a lo que sera un circuito abierto del que seextrajese directamente agua para el consumo. Esta penalizacin la recoge el factor FR/FR, yse define como:

[6.9]

Si se desconocen las caractersticas del intercambiador, se recomienda tomar FR/FR = 0.95.

: Eficiencia del intercambiador

Para un intercambiador a contracorriente, la eficiencia del intercambiador () viene dada por:

[6.10]

[6.11]



uQ = cA RF [( )HG - LU (Tf - aT )]

FR

FR= 1+ Ac x FR x UL

mx Cp( )c

x

(m x Cp )cx min

1

1

(m x Cp )

=1eNTU (1C*)

1C*eNTU(1 c*)si C* 1

si C* = 1 = NTU1+ NTU

=Q

Qmax

NTU: Nmero de unidades de transferencia y viene dado por:

[6.12]

[6.13]

6.5. CLCULO DE K1 Y K2Existen dos factores que pueden modificar el valor del grado de cobertura anual en un sis-tema de calentamiento de ACS solar, stos son:

La capacidad del sistema de almacenamiento por unidad de superficie colectora ins-talada.

La relacin de la temperatura mnima de ACS, la del agua de red y la media mensualdel ambiente.

6.5.1. Capacidad de almacenamiento (K1)El comportamiento de un sistema de colectores solares para ACS es relativamente insensi-ble a la capacidad de almacenamiento cuando sta sobrepasa los 50 l/m2. La influencia es re-lativamente pequea sobre los resultados globales, y cuando los costes de almacenamientoson considerados, se alcanza el ptimo entre los 50 y 100 l/m2 de superficie colectora.

El mtodo F-Chart ha sido generado considerando una capacidad de almacenamiento de75 l/m2 de superficie colectora. Pero permite aumentar el rango de aplicacin introducien-do un coeficiente corrector que afecta al parmetro X:

37,5 < kg acumulacin/m2 captador < 300

6.5.2. Factor de correccin para ACS (K2)En los clculos del grado de cobertura con el Mtodo F-Chart, para sistemas slo de pre-paracin de ACS, se debe incluir un factor de correccin que tenga en cuenta los nivelesmedios de temperatura de funcionamiento de la instalacin. Este nuevo factor viene dadopor la siguiente expresin:

[6.14]

Tac:Temperatura de uso de ACS. Tr:Temperatura del agua en la red. Ta:Temperatura media mensual del ambiente.



NTU = (UA)(m x Cp )min

C* =(m x Cp )min(m x Cp )max

K1 =kg acumulacin

75 x AC( )-0,25

K2 =11,6 + 1,18 x tac + 3,86 x tr 2,32 x ta

100 ta

6.6. CLCULO DE YEl parmetro Y expresa la relacin entre la energa absorbida por la placa del captador so-lar y la energa necesaria total durante un mes.

[6.15]

La energa absorbida por el captador viene dada por la siguiente expresin:

[6.16]

AC: Superficie del captador (m2). HG: Radiacin diaria media mensual incidente sobre la superficie de captacin por

unidad de rea (kJ/m2 da). N: Nmero de das al mes. FR(): Factor adimensional, que viene dado por la siguiente expresin:

[6.17]FR () = FR ()n x (()/()n) x (FR/FR)

FR ()n: Factor de eficiencia ptica del captador. Corresponde a la ordenada en elorigen de la curva caracterstica del captador, obtenida de los ensayos delcolector.

(()/()n): Modificador del ngulo de incidencia. En general se puede tomar co-mo constante:

0,96 (superficie transparente sencilla, caso habitual). 0,94 (superficie transparente doble).

6.7. CLCULO DEL GRADO DE COBERTURA MENSUALPara las instalaciones solares trmicas que funcionan con fluido caloportador, la correlacinque indica el grado de cobertura mensual es:

[6.18]Para valores de X,Y comprendidos entre:

0

6.9. RESULTADOS OBTENIDOS CON EL MTODO F-CHARTHay que tener en cuenta que se han realizado una serie de suposiciones para desarrollar lacorrelacin que calcula el grado de cobertura.

Primera. Se supone una temperatura nica del agua en los depsitos acumuladores,no considerndose el fenmeno de estratificacin. Esto provoca estimaciones de fconservadoras, ya que sobreestima la temperatura de entrada al colector.

Segunda. Considera simtrico el da respecto el medioda, no considerando til laenerga que tiene el agua por encima de la temperatura de consumo.

Tercera. Considera que los sistemas estn bien construidos, con una distribucin delflujo uniforme. En sistemas de agua el caudal de fluido considerado en el colector esde 0,015 l/s m2. Prcticamente es aplicable a caudales diferentes ya que su incidenciaen el rendimiento es despreciable.

Para validar el Mtodo F-Chart, Duffie y Beckman usaron tres procedimientos. El primerofue la comparacin con simulaciones detalladas de mltiples localidades, simulaciones que yahaban sido comprobadas con medidas experimentales. El segundo mtodo de comproba-cin se hizo con medidas experimentales en laboratorio y el tercero con medidas de siste-mas en operacin real.

Los resultados anuales obtenidos, generalmente fueron satisfactorios, producindose discre-pancias inferiores al 3%, y en los peores casos del 11%. Los grados de cobertura mensualesno se ajustaban tan exactamente, por lo que el Mtodo F-Chart slo debera usarse parasimulaciones anuales.



f-chart

Documents

Transcript of f-chart