Instalaciones solares para edificios.

TEMA 4

“INSTALACIONES SOLARES

TÉRMICAS EN EDIFICIOS”

Estefanía Caamaño Martín Profesor Titular de Universidad INSTITUTO DE ENERGÍA SOLAR

Graciela

Nota

Accepted definida por Graciela

ÍNDICE

[4A]1. Introducción2. Producción de Agua Caliente Sanitaria3. Calefacción solar4. Conexionado de colectores5. Dimensionado: sistemas de ACS

[4B]6. Condicionantes legales7. Mercado solar térmico

[4C, 4D]8. Integración arquitectónica

3

1. INTRODUCCIÓN – Sistemas de Baja y Media Temperatura

DIAGRAMA DE BLOQUES

Generador solar térmico: Colectores solares (planos, de vacío, de aire), Estructura de soporte

Generador auxiliar: Calentador de fuel, gas o eléctrico

Acondicionamiento: Intercambiador, Bombas, Equipos de regulación y control

Acumulación: Depósito (agua, lecho de grava, masa térmica)

Cargas: Puntos de consumo de ACS (grifos, equipos), espacios

Generador solar térmico

Generador auxiliar

Acumulación

Acondicionamiento Cargas

4

2. PRODUCCIÓN DE AGUA CALIENTE SANITARIA

2.1 SISTEMAS DE CIRCULACIÓN NATURAL

A Colectores solaresB Circuito primarioC Depósito de acumulaciónD Calentador auxiliarF Agua fría para ser calentadaG Parte calentada por los colectores solares

Efecto “termosifón” : ↑T ⇒ ↓δ (densidad), ↓p (presión)

Δp = h × g × [ δ(T1)–δ(T2) ] ,, T2>T1

Flujo “auto-realimentado”Deseable: estratificación del depósito

VENTAJAS: Simple, Fiable, Bajo coste

INCONVENIENTES: Necesidad controlar situaciones extremas (↓↓T; ↑↑G)Escasa flexibilidad (diseño, integración arquitectónica)Difícil estratificación del depósito

T1

T2

C

Mínimo:30-70 cm.

A

D

G

F

B

A.C.S.

5

2. Producción de A.C.S.

Variantes, sistemas de circulación natural:

A Colectores solaresB Circuito primarioC Depósito de acumulaciónD Calentador auxiliarF Agua fría para ser calentadaG Parte calentada por los colectores solares

Circuitos separados

A

C D

F

G

Minimo:30-70 cm.

B

A.C.S.

Depósito separado

A

C D

F

G

Mínimo:30-70 cm.

B

A.C.S.

6

EJEMPLO: Colector solar termosifónico “Chromagen”:

Colector solarCon superficie de absorción selectiva altamente eficiente, caja de aluminio o acero galvanizado, vidrio solar templado.Area neta: 1.9 , 2.17 , 2.56 m2.

Termotanque solarHecho de acero de 3 mm., recubrimiento interior de esmalte, cubierta exterior de poliéster, aislamiento de poliuretanoApoyo eléctrico auxiliar, con o sin intercambiador de calor de "doble camisa“.Capacidad de 150 a 300 litros.

Kit de conexionIncluye accesorios, válvulas y tuberías con protección U.V.

SoporteEn hierro galvanizado recubierto de poliéster. La configuración de "perfil bajo" se adapta tanto para techos inclinados como planos.

7


2.2 SISTEMAS DE CIRCULACIÓN FORZADA

Aplicación: lugares con variaciones de radiación, instalaciones medianas - grandes

AV PurgadorT Sensor de temperaturaE Vaso de expansiónEV Válvula de sobrepresiónFV Válvulas de llenado/vaciadoM ManómetroP BombaLV Válvula de cierreRV Válvula antirretorno

T1

T2

Sistema con intercambiador en circuito primario, interno al depósito

T1 > T2 ⇒ Bomba P “on”

T1 < T2 ⇒ Bomba P “off”

8Sistema con intercambiador en circuito primario, externo al depósito

A Colectores solaresB Circuito primarioC Depósito de acumulación solarD Calentador auxiliarE Circuito secundario


F Agua fría para ser calentadaG Intercambiador de calorR ControladorL1, L2 Bombas de circulación (del Cto. Primario e Intercambiador)M Parte calentada por calentador auxiliar

D

L1

C

L2M

T1

K

AG

T2B

A.C.S.

EF

T1 > Tmin ⇒ Bomba L1 “on”T1 > T2 ⇒ Bomba L2 “on”T1 < T2 ⇒ Bomba L2 “off”

9


Sistema con intercambiador en circuito primario, externo al depósito

10

2.3 DEPÓSITO ACUMULADOR SOLAR


Ub, Ut : Pérdidas

MATERIALES:Tanque de acero:

Con revestimiento interior esmaltado(hasta 1000 l. típicamente)Con revestimiento interior galvanizado/resinas epoxy(para grandes volúmenes)Acero inoxidable (80-1000 l., máxima calidad)

Aislamiento térmico : conductividad térmica de referencia de 0,04 W/mK, A 20 ºC)Conexiones (juntas, tuberías, sensores)

IMPORTANTE: Buen aislamientoCapacidad de estratificaciónEvitar fenómenos de corrosión

↔ Materiales, Relación de aspecto (Altura > 1,5·Anchura)

11


Tomas típicas:

Elección del volumen de acumulación (recomendación IDAE):

2,1)(

)(8,0

aconsumo_di

acum_solar ≤≤lV

lV

Conexionado de depósitos:En serie invertida

En paralelo: sólo si circuitos primario y secundario equilibrados

12


con 2 intercambiadores

Inyección directa de ACS en la parte superior

Variantes, depósitos de acumulación:

13


EJEMPLO: Depósitos “Conus 501” /“Cubus 1000”

Capacidad: 490 / 950 litrosPeso en vacío: 68 / 106 kg

Dimensiones:Altura: 187 cm (+ 8 para montaje) / 210 cm (+3 para montaje)Anchura: 94 / 106 cm

Aislamiento:Superior: 15 / 15 cmLateral: 7-13 / 10 cmInferior: 7 / 8 cm

Temperatura máxima de acumulación:90 ºC

Area típica de colectores asociada:5 – 10 / 8 – 16 m2

(viviendas unifamiliares y adosados)

14


ACUMULACIÓN CENTRALIZADA VS. INDIVIDUAL (Múltiples usuarios)

* CentralizadaVentajas:Más económico; Mayor eficiencia

Inconvenientes:Necesidad de contadores ACS individuales; Acumulador más pesado

* Individual

Ventajas:No precisa contadores individuales; Acumuladores más pequeños

Inconvenientes:Necesidad de integrar numerosos acumuladores; Mayor coste en depósitos y sistema de circulación

2.4 SISTEMA DE ENERGÍA AUXILIAR


* Sistema centralizadoPotencia suficiente para cubrir la totalidad del consumo de la instalaciónAcumulador asociado al sistema auxiliar: de acero con tratamiento interiorConectado en serie con el Acumulador solar (recomendación: línea de

intercambio de calor entre ambos)

* Sistema individualPotencia suficiente para cubrir la totalidad del consumo de la viviendaCalentador preparado para aplicaciones solares (prioridad aprovechamiento

solar, regulación de potencia)

16

TIPOS DE SISTEMAS DE ENERGÍA AUXILIAR


* Centralizado con acumulaciónVentajas:Disponibilidad ACS inmediata; Regulación de caudales individuales independiente

Inconvenientes:Necesidad espacio centralizado;Necesidad contadores individuales de ACS

Ventajas:No precisa contadores ACS individuales;Disponibilidad ACS inmediata; Regulación de caudales individuales independiente

* Individual con acumulación

Inconvenientes:Necesidad de integrar numerosos acumuladores;Caudal continuo limitado

17


* Individual en línea, sin acumulación

Ventajas:Caudal continuo ilimitado;Menor necesidad de espacio;No precisa contadores ACS individuales

Inconvenientes:Regulación de temperatura (no modulantes y semimodulantes);Inercia en el arranque

TIPOS DE CALENTADORES:

No modulante (instantáneo) no permite aprovechar agua precalentada solar. Se conecta en paralelo con el cto. secundario de la instalación.

Semimodulante regulación manual de la entrada de gas (aprovecha agua precalentada solar). Se conecta en serie con el cto. secundario.

Modulante regulación automática de entrada de gas (aprovecha agua precalentada solar). Se conecta en serie con el cto. secundario.

18


2.5 CIRCUITO HIDRÁULICO

Flujos típicos:

Sistemas pequeños: 10 – 15 kg/m2.h

Sistemas grandes: 30 – 60 kg/m2.h

Especificaciones generales:

Tramos cortos y rectilíneos en la medida de lo posible

Circuitos hidráulicamente equilibrados (válvulas)

Tramos horizontales: pendiente mínima del 1% (sentido circulación)

Sección de tuberías tal que la velocidad del fluido es <1,6–2 m/s (flujo laminar, ausencia de ruidos)

Pérdidas de presión: aumentan con 1/v2 (v=velocidad del fluido) y determinan la potencia eléctrica de las bombas de impulsión. Influencia del trazado de la red de tuberías (codos, bifurcaciones,…)

19


Materiales:

Circuito primario: cobre o acero inoxidable+ protección exterior anticorrosiva (temperatura máxima de funcionamiento: 120 ºC)

Circuitos secundarios o de distribución de ACS: cobre, acero inoxidable o materiales plásticos (e.g. polipropileno, polibutileno) (temperatura máxima de funcionamiento: 110 ºC)

Evitar trabajar con distintos materiales en un mismo circuito (o incorporar protecciones frente a pares galvánicos en caso contrario)

Aislamiento, protección y soporte:

Pérdidas globales de red de tuberías < 4% potencia transportada

Conductividad térmica de referencia: 0,04 W/mK a 20 ºC

Espesor de aislamiento variable según el diámetro de la tubería (mayor si recorrido exterior)

Soportes y anclajes adecuados de tuberías para evitar tensiones excesivas (pandeos)

20


Circuito primario:

Agua de red, agua desmineralizada o agua con aditivos (tratamiento o no en función del pH, salinidad y contenido de CO2)

Agua con aditivos (propilenglicol): % de aditivo en función de la temperatura extrema local (mínima histórica – 5ºC)

2.6 FLUIDOS CALOPORTADORES DEL SISTEMA

Circuito secundario/de consumo:

Sin aditivos ni productos químicos

Evitar riesgo de entrada de agua del circuito primario (válvulas antirretorno, presión 2ario > 1ario)

Madrid

Sevilla

21

2.7 PARÁMETROS CARACTERÍSTICOS. FRACCIÓN SOLAR

Rendimiento instantáneo del colector (ηc):

ηC=f(colector)

Rendimiento global del sistema (ηS):incidente

utilS E

E=η

ηS=f(componentes, emplazamiento, consumo)

Zona

ABC

Gda (kWh/m2.dia)

2,4 – 3,43,4 – 4,44,4 – 5,4

ηS (%)

34 – 3632 – 3431 – 33

0

0,5

1

0,05 0,1 Ti –Ta

G(ºC.m2/W)

SS-Vacío

SN-0P SN-1P SN-2P

SS-1P

ηc

Tm–Ta

Gó

⎥⎦⎤

⎢⎣⎡

⎟⎠⎞

⎜⎝⎛ −⋅−α⋅τ⋅=η

GTTUF ai

LRC GTTa ai

0−⋅−η=


22

Fracción Solar: Consumo,,100(%) util =×= LL

EFS

Periodo de referencia típico: 1 mes, 1 añoValores típicos anuales en Europa: FS hasta 90% (<100% !) (Sur)

FS = 30 – 60% (Centro, Norte)


Polideportivos (ACS): Eutil,año (kWh/m2.año)= 500 – 700

Instalación doméstica típica (ACS):

Localización

Area de colector (m2)Capacidad del depósito (l)

Eutil,año (kWh/m2.año)

Europa: Norte

4 – 6 200 – 300

[∼ 50 l/m2]

300 – 450

Centro

3 – 5 200 – 300

[∼ 60 l/m2]

400 – 550

Sur

2 – 4 100 – 200

[∼ 50 l/m2]

500 – 650

Termosifón: <80 l/m2

[l acumulador/m2 colector]

23


2.8 EJEMPLOS

Sistema con acumulación solar y calentadores de apoyo individuales con acumulación

No requiere de contadores de agua individuales (cada vivienda aporta agua a su sistema de ACS)

Sistema con acumulación solar centralizada y calentadores de apoyo individuales

No requiere de contadores de agua individuales (cada vivienda aporta agua a su sistema de ACS)

Sistema con acumulación solar y calentador de apoyo centralizado

Requiere la instalación de contadores de energía exclusivos a la entrada de cada vivienda (producción de ACS centralizada requiere repartir gastos de agua y gas)

24

Acumulación solar y calentadores de apoyo individuales con acumulación

[Fuente: Gas Natural, Guía Técnica de Instalaciones Solares Térmicas, 2007]

25[Fuente: Gas Natural, Guía Técnica de Instalaciones Solares Térmicas, 2007]

26

>


27

Acumulación solar centralizada y calentadores de apoyo individuales


29

>


30

Acumulación solar y caldera centralizada


32

>


33


2.9 CERTIFICACIÓN Y HOMOLOGACIÓN

Colectores solares térmicos de calentamiento de líquidos:UNE-EN 12975-1:2006. Sistemas solares térmicos y componentes. Captadores solares. Parte 1: Requisitos generalesUNE-EN 12975-2:2006. Sistemas solares térmicos y componentes. Captadores solares. Parte 2: Métodos de ensayo

Sistemas prefabricados:UNE-EN 12976-1:2006. Sistemas solares térmicos y sus componentes. Sistemas prefabricados. Parte 1: Requisitos generalesUNE-EN 12976-2:2006. Sistemas solares térmicos y componentes. Sistemas prefabricados. Parte 2: Métodos de ensayo

Cumplimiento integral obligatorio de estas normas desde febrero de 2008

34

3. CALEFACCIÓN SOLAR

3.1 GENERALIDADES

HISTORIA

1930–50: Estudios sobre soleamiento en edificios1938–58: 4 Casas experimentales (Instituto Tecnológico de Massachusetts, MIT)Años 50: Edificios experimentales: Laboratorio E. Solar (Universidad Arizona, ‘55),

Oficinas (Nuevo Mexico, ‘56), Concurso “Vivienda con calefacción solar” (‘57),Laboratorio E. Solar (New Jersey, ‘59: integración arquitectónica)

Congresos y reuniones: Phoenix ’55, Roma ’61 (”Nuevas fuentes de Energía”)

CALEFACCIÓN CON ENERGÍA SOLAR ACTIVA

Principio: Circulación de fluido calo-portador por conductos

Elementos: Colectores, depósito acumulación, unidad de impulsión, red de distribución,unidad de control, calentador auxiliar convencional

Sistemas: De agua (como ACS por circulación forzada)

De aire (acumulación en lecho de grava; mayores volúmenes y E. auxiliar; modos de funcionamiento excluyentes: acumulación o calefacción)

35

3. Calefacción solar

3.2 (PRE)CALENTAMIENTO DE ESPACIO

Instalaciones de pequeño-mediano tamaño, de apoyo a calefacción convencional en viviendas o bloques de viviendas

Generalmente sistemas de agua ⇒ suelen combinar con ACS

Fracción Solar típica: FS = 10–20%

Importante: aislamiento de edificios (↑aislamiento, ↑FS)

A Colectores solaresB Regulador y bomba de circulaciónC Intercambiador de calorD Depósito de acumulaciónE Calentador auxiliarF Agua fría para ser calentadaG Radiadores

Ejemplo: Agua del intercambiador a 30ºCC G

CF

50ºC40ºC30ºC20ºC

AB

E

D

36


Suministro ACS

Entrada agua fría Agua fríaentrada a Colectores

Calentador auxiliar

Selección variable del nivel de entrada de agua caliente al depósito, procedente de los colectores

Sistema con depósito integrado ACS + Calefacción:

Agua caliente salida de Colectores

37


Consumo: ACSIntercambiador exterior

(suministro ACS)

Bomba Circuito Secundario (ACS)

Consumo: Calefacción (radiadores)

Consumo: Calefacción

(suelo radiante)

Salida a Calefacción

Entrada de retorno calefacción

(función de la Tª)

Bombas Circuito Secundario (radiadores)

Válvula mezcladora

Sist. Auxiliar

Colectores

Bomba Circuito Primario

Entrada de colectores(estratific. interna)

Acumulador

Sistema combinado ACS + Calefacción, con caldera en acumulador solar:

38


[Sistema combinado ACS + Calefacción, con caldera en acumulador solar]

Carga solar del acumulador

Carga auxiliar del acumulador

39


[Sistema combinado ACS + Calefacción, con caldera en acumulador solar]

Suministro de ACS

Suministro de calefacción

Perfil de consumo de ACS casi constante a lo largo del añoPerfil de consumo de calefacción fuertemente estacionalSuperficie de colectores < 12 m2

Volúmenes de acumulación < 1500 litros

40


3.3 CALEFACCIÓN DE DISTRITO

Instalaciones de gran tamaño (1000 – 8000 m2 de colectores), de apoyo a sistemas de calefacción centralizada en barrios residenciales (precalentamiento de agua)

Aplicaciones: centro y norte de Europa (Suecia, Dinamarca, Alemania, Austria)

Acumulación:

A corto plazo (“diaria”): Capacidad ∼ 50 l/m2 de colector; FS=10–20%

A largo plazo (“estacional”): Capacidad ∼ 2.000 l/m2 de colector;

FS=50–80% (Sobreproducción en verano: se almacena para uso en invierno)

41


Almacenamiento diario

Suministro a 20-30 viviendas:

42


Almacenamiento diario

Suministro a >30 viviendas:

[Fuente: Ursula Eicker, Solar Technologies for Buildings, 2003]

43


Almacenamiento estacional

[Fuente: Ursula Eicker, Solar Technologies for Buildings, 2003]

44

3.4 SISTEMAS BASADOS EN COLECTORES DE AIRE

Sistemas de diseño sencillo (sin problemas de congelación o sobrecalentamiento)

Colectores de fácil integración arquitectónica como revestimientoAcumulación: en depósitos de grava o la masa térmica del edificioAplicaciones:

Precalentamiento de aire fresco (60 m3/m2.h)Calentamiento directo de aire (20-40 m3/m2.h)Calentamiento indirecto con hipocausto (inyección de aire en muros o techo)


absorbedor muro murocubiertaabsorbedor

45

4.1 CAUDAL DE TRABAJO DEL GENERADOR

FLUJO ALTO vs. FLUJO BAJO

Salto de temperatura en un colector solar, en función del caudal(mezcla agua-glicol, Tentrada=15ºC; G=1000 W/m2; ηC=0,7):

4. CONEXIONADO DE COLECTORES

Tsalida- Tentrada(ºC)132652

Régimen de flujoAlto

MedioBajo

Flujo / Sc(kg/h.m2)

50 25

12,5

Tsalida(ºC)28 4167

Sistemas solares con flujo alto:Mayor rendimiento de colectores ηC, pero menor salto térmico

(riesgo rotura estratificación del depósito ⇒ aumento de Tentrada ⇒ contrarresta la mejora)

Sistemas solares con flujo bajo y depósitos estratificados:Suministran ACS desde bajos niveles de radiación ⇒ mayor cobertura solar, menores diámetros de tuberías y potencia de bombas

46

Sistemas grandes: Posibilidad de trabajar a caudal variable (ajuste de Tsalida,colector a Tentrada,acumulador)

Caudal global del generador:Parámetro libre de diseño

Caudal de trabajo de 1 colector: limitado por sus características constructivas

Cada fabricante especifica un caudal recomendado (diseño optimizado)

Generador

GeneradorS

colector

colectorS

FlujoNS

Flujo ⋅=

NS :Nº colectores en serie

Flujos (kg/h) ; Superficies (m2)

Ajuste del caudal global en un generador solar térmico:

47

4.2 CONEXIÓN EN SERIEDefinido por el salto de temperatura máximo que se desea obtenerEl sistema funciona como un colector intermedio (ηC intermedio)

Límite máximo: 4 típicamente (ver recomendación del fabricante)

4.3 CONEXIÓN EN PARALELO

El sistema funciona como si se tratase de un único colector (mismo ηC), con volumen de ACS mayor:

Límite máximo: 4 - 7 típicamente (ver recomendación del fabricante)

48

Conexión en paralelo con tubo de distribución interno:

Importancia de mantener la distribución de flujo homogénea:

Flujo de retorno invertido

Circuito con válvulas de compensación del caudal

49

5. DIMENSIONADO: SISTEMAS DE ACS

5.1 PROCEDIMIENTOS DE DIMENSIONADO

Detallados: simulación horariaModelado de componentes del sistema (radiación, colector, acumulador, consumo)Ejemplos: TRNSYS (Universidad Winsconsin-Madison), TRANSOL (Aiguasol)

Balances energéticos horarios (generación–almacenamiento–consumo)

Resultados: tamaños de componentes; valores mensuales de Energía captada, pérdidas del sistema y energía auxiliar consumida ⇒ Fracción Solar

Requiere el uso de ordenador

Generalizados

Cálculos anuales: INTASOL-D (curvas de fracción solar), “Indice Solar”(Censolar)

Cálculos mensuales: “f-chart”(Klein, Duffie & Beckman)

Comparación generación–demanda

Resultados: tamaños de componentes, Fracción Solar (mensual, anual)

Base teórico-empírica (simulaciones). Ofrecen tablas y ecuaciones

5.2 MÉTODO PROPUESTO

Método sencillo de dimensionado de los principales elementos (generador y acumulador solar): “F-Chart”

Validez bajo ciertas hipótesis de diseño: Acumulación solar centralizadaUbicación colectores: α=0±10º, β=(Latitud+15º)±15º

Datos de partida:Consumo de agua por persona y díaTemperatura de utilización final de agua (30–70 ºC)Emplazamiento: ubicación de colectores, irradiación media mensual,

temperatura ambiente, temperatura del agua de suministroCaracterísticas de los colectores

Cálculo de la carga térmicaCálculo de la energía solar disponible (promedios diarios mensuales)Cálculo de las fracciones solares y rendimientos globales del sistemaElección del acumulador solar

50

5. Dimensionado: Sistemas de ACS

51

DATOS DE PARTIDA

Consumos ACS: tabla CTE-HE4

Datos geográficos: Tema4_apéndiceIrradiación media mensual, Temperatura ambiente, Temperatura del agua de suministro

52

md,reda,ACSpdACS,m )(cal)( NTTCVkL ⋅−⋅⋅⋅= ρVACS,d (l): Consumo diario de Agua Caliente Sanitaria

Cp : Calor específico del agua (=1 kcal/kg.ºC)

ρ : Densidad del agua (=1 kg/l)

Nd,m : Nº de días del mes

Wh/kcal1,163kcal)(Wh)( mm ×= LL [Código Técnico de la Edificación, HE4]

Cálculo de la carga térmica mensual:

53

Cálculo de la carga energía solar disponible (del tema 3, Radiación solar):

Datos de partida: promedios horarios sobre superficie horizontal, 12 x Gdm(0)

Elección de orientación e inclinación de colectores (α, β)

Cálculo de las componentes de la irradiación horizontal, a partir del índice de claridad y la fracción de difusa: Gdm(0) = Bdm(0) + Ddm(0)

Descomposición de los valores diarios en sus componentes horarias, a partir de los factores rd y rg :

Cálculo de las componentes horarias sobre superficie inclinada (hipótesis: irradiancias solares constantes en cada hora)

(0)/(0) = ; (0)/(0) = dmhmgdmhmd GGrDDr

G (α,β) = Ghm(α,β)

)( )()()( αβαβαβαβ ,R + , D + , B = ,G directa difusa reflejada⇒

)( )()()( dmdmdmdm αβαβαβαβ ,R + , D + , B = , G

;)()(5,7

5,7hmdm , B= , B

h∑

−=

αβαβ ;)()(5,7

5,7hmdm , D= , D

h∑

−=

αβαβ ;)()(5,7

5,7hmdm , R= , R

h∑

−=

αβαβ

54

Cálculo de la fracción solar mensual:

322

mensual

mensualutil,m 0215,00018,0245,0065,0029,1 YXYXY

LE

f ⋅+⋅+⋅−⋅−⋅==

donde:

m

md,dm'

RC ),()( térmicaCarga

útil incidentesolar EnergíaL

NGFSY

⋅⋅⋅⋅==

βατα

SC (m2): Área del campo de colectores

Gdm (α,β) (kWh/m2): Irradiancia diaria incidente (promedio mensual)

Nd,m : Nº de días del mes

Lm (kWh): Carga térmica mensual

]30[ << Y

Modificador del Ángulo de Incidencia del colector(cubierta sencilla: 0,96; cubierta doble: 0,94)

(ver información de catálogo)

95,0)( 0adorintercambi-colector0'R ⋅⋅η≈⋅⋅η=τα⋅ MAIFCMAIF

Eficiencia ópticadel colector

(dato de catálogo)

55

m

mh,dmamb,L'

RC )100()( térmicaCarga

colectoresen PérdidasL

NTUFSX

⋅−⋅⋅⋅==

95,0)( LRadorintercambi-colectorLRL'R ⋅⋅≈⋅⋅=⋅ UFFCUFUF

Coeficiente global de pérdidas del colector (datos de catálogo)

Tamb,dm (ºC): Temperatura ambiente media diurna (promedio mensual)

Nh,m : Nº de horas del mesLm (Wh): Carga térmica mensual

]180[ << X

Correcciones al parámetro X:

)25,0(

2Csolar acumulador

acum l/m75/

−

⎥⎦

⎤⎢⎣

⎡= SVFC ]l/m300l/m5,37[ 2

C

solar acum2 <<S

VPor la elección del volumen del acumulador:

Sustituir X por XC = (X · FCacum · FCACS) en la ecuación de fm

dmamb,

dmamb,reda,ACSACS -100

32,286,318,16,11T

TTTFC

⋅−⋅+⋅+=

TACS (ºC): Temperatura de suministro del ACS

Instalación sólo para ACS:

Ta,red (ºC): Temperatura del agua procedente de la red de suministro

56

Cálculo del rendimiento global del sistema mensual:

Cdmmd,

mm

Cm

mm

mensualincidente,

mensualutil,mS, ),(),( SGN

fLSG

fLE

E⋅⋅

⋅=⋅

⋅==βαβα

η

Cálculo de la fracción solar y rendimiento global del sistema anual:

Fracción solar:

∑

∑

=

=

⋅== 12

1mm

12

1mm

anual

anualutil,a

L

fL

LE

fm

Rendimiento global del sistema:

Ca

12

1mmm

anualincidente,

anualutil,aS, ),( SG

fL

EE

⋅

⋅==∑

=

βαη

57


5.3 EJEMPLOBloque de 50 viviendas en Sevilla (φ=37,4º); 3 personas / viviendaSuministro de Agua Caliente Sanitaria a 60ºC

Datos de partida:

Hipótesis de consumo (IDAE): 22 litros/persona.día (constante todo el año)

Temperatura de utilización final: Tf=60ºCOrientación de colectores: Sur (α=0); Inclinación: β=50ºRadiación media diaria sobre superficie horizontal) (CENSOLAR):

Mes123

Gdm(0)(MJ/m2)7,310,914,4

Mes456

Gdm(0)19,222,424,3

Mes789

Gdm(0)24,923

17,9

Mes101112

Gdm(0)12,38,86,9

Mes123

Gdm(0)(Wh/m2)202830284000

Mes456

Gdm(0)533362226750

Mes789

Gdm(0)691763894972

Mes101112

Gdm(0)341724441917

58

GTT

GTTa aiai

0 37,3854,0 −×−=−⋅−=⇒ ηη

Temperatura ambiente media diurna (CENSOLAR):

Colectores solares a emplear:

Temperatura de suministro del agua de la red (CENSOLAR):

Mes123

Ta,red(ºC)8911

Mes456

Ta,red

131415

Mes789

Ta,red

161514

Mes101112

Ta,red

13118

Colector: EURO - C20-AREficiencia óptica:Coef. Global pérdidas (W/m2.ºC):Superficie útil (m2): 2,39

0,8543,37

Mes123

Tamb,dm(ºC)111314

Mes456

Tamb,dm

172125

Mes789

Tamb,dm

292924

Mes101112

Tamb,dm

201612

MES DIAS Ta,red Lm Lm(ºC) (kcal x 1000) (kWh)

E 31 8 5.320 6.187F 28 9 4.712 5.481M 31 11 5.013 5.830A 30 13 4.653 5.411M 31 14 4.706 5.473J 30 15 4.455 5.181J 31 16 4.501 5.235A 31 15 4.604 5.354S 30 14 4.554 5.296O 31 13 4.808 5.592N 30 11 4.851 5.642D 31 8 5.320 6.187

Año 365 57.496 66.868 60


Cálculo de la carga térmica:Número de viviendas: 50Consumo agua diario (l/persona): 22Número de habitantes por vivienda: 3Número de habitantes totales: 150Temperatura ACS (ºC): 60Consumo diario máximo total (l/dia): 3300

Gdm(0) Bodm(0) Ddm(0) Bdm(0) Bdm(A,B) Ddm(A,B) Rdm(A,B) Gdm(A,B)MES Dia (Wh/m2) (Wh/m2) (Wh/m2) (Wh/m2) (Wh/m2) (Wh/m2) (Wh/m2) (Wh/m2)Ene 17 2.028 4.669 1.033 995 2.099 1.137 72 3.308Feb 46 3.028 6.053 1.316 1.712 2.867 1.403 107 4.378Mar 75 4.000 7.945 1.724 2.276 2.923 1.654 142 4.719Abr 105 5.333 9.804 2.055 3.278 3.190 1.792 189 5.171May 135 6.222 11.075 2.272 3.950 3.082 1.838 222 5.143Jun 161 6.750 11.570 2.300 4.450 3.126 1.784 241 5.151Jul 198 6.917 11.306 2.135 4.782 3.509 1.677 247 5.433Ago 228 6.389 10.276 1.900 4.489 3.966 1.617 227 5.810Sep 258 4.972 8.602 1.725 3.247 3.740 1.641 176 5.557Oct 289 3.417 6.576 1.411 2.006 3.068 1.462 120 4.651Nov 319 2.444 4.959 1.083 1.361 2.727 1.248 87 4.062Dic 345 1.917 4.256 941 976 2.231 1.092 68 3.392

Gda(0) (Wh/m2): 4.458 Gda(A,B) (Wh/m2): 4.731 Ga(0) (kWh/m2): 1.627 Ga(A,B) (kWh/m2): 1.727

61


Cálculo de la energía solar disponible:

Promedio diario anual:Valor anual:

LATITUD (º) = 37,4BETA (º)= 50ALFA (º) = 0Rho = 0,2

62


m

mh,dmamb,L'

R

C

)100()(L

NTUFSX ⋅−⋅⋅

=

Cálculo de la fracción solar mensual y anual:

m

md,dm'

R

C

),()(L

NGFSY ⋅⋅⋅

=βατα

MES Nd,m Nh,m Tamb,dm 100-Tamb,dm Lm X/Sc Gdm Y/Sc(h) (ºC) (ºC) (kWh) (1/m2) (kWh/m2) (1/m2)

E 31 744 11 89 5.259 0,0403 3,308 0,0152F 28 672 13 87 4.658 0,0402 4,378 0,0205M 31 744 14 86 4.955 0,0413 4,719 0,0230A 30 720 17 83 4.600 0,0416 5,171 0,0263M 31 744 21 79 4.652 0,0405 5,143 0,0267J 30 720 25 75 4.404 0,0393 5,151 0,0273J 31 744 29 71 4.450 0,0380 5,433 0,0295A 31 744 29 71 4.551 0,0372 5,810 0,0308S 30 720 24 76 4.502 0,0389 5,557 0,0288O 31 744 20 80 4.753 0,0401 4,651 0,0236N 30 720 16 84 4.795 0,0404 4,062 0,0198D 31 744 12 88 5.259 0,0399 3,392 0,0156

Año 56.838 1.727

Eutil Rto_globalX FC_acum FC_acs Xc/X Xc Y fm (kWh) (%)

1,64 1,1067 0,9861 1,09 1,79 0,62 0,436 2.699 55,1%1,63 1,1067 0,9998 1,11 1,81 0,83 0,588 3.222 55,0%1,68 1,1067 1,0742 1,19 2,00 0,92 0,632 3.686 53,6%1,69 1,1067 1,1222 1,24 2,10 1,07 0,717 3.879 52,3%1,64 1,1067 1,1104 1,23 2,02 1,08 0,731 4.002 52,5%1,59 1,1067 1,0973 1,21 1,94 1,11 0,751 3.890 52,7%1,54 1,1067 1,0828 1,20 1,85 1,20 0,804 4.208 52,3%1,51 1,1067 1,0285 1,14 1,72 1,25 0,840 4.499 52,3%1,58 1,1067 1,0626 1,18 1,86 1,17 0,789 4.180 52,5%1,63 1,1067 1,0773 1,19 1,94 0,96 0,662 3.699 53,7%1,64 1,1067 1,0445 1,16 1,90 0,80 0,563 3.178 54,6%1,62 1,1067 0,9709 1,07 1,74 0,63 0,451 2.789 55,5%

0,657 43.931 53,3%

63dmamb,

dmamb,reda,ACSACS -100

32,286,318,16,11T

TTTFC

⋅−⋅+⋅+=

ACSacum FCFC ⋅=)25,0(

2Csolaracumulador

acuml/m75

/−

⎥⎥⎦

⎤

⎢⎢⎣

⎡=

SVFC

Diseño del Generador solar: Nº colectores: 20 (SC = 20*2,39=47,8 m2)V acumulador solar / SC = 50 l/m2 [>37,5;<300]

)/( CC SXSX ⋅=

Fracción solar anual

MES

EFMAMJJASOND

Año

Supondría conectar más de 2 acumuladores en serie invertida (capacidad máx., 1000 l. típicamente)

⇒

Elección del acumulador:

Nº colectores: 20 ⇒ SC = 20*2,39=47,8 m2

Vacum solar / SC = 50 l/m2

⇒ Vacum solar = 50 l/m2 * 47,8 m2 = 2390 l

Recomendación IDAE: 2,1)(

)(8,0

aconsumo_di

acum_solar ≤≤lV

lV

⇒ 2640 ≤ Vacum solar (l) ≤ 3960 l

Por ejemplo: Vacum solar = 3000 l , ⇒ Vacum solar / SC = 3000 l / 47,8 m2 ∼ 63 l/m2

[método F-Chart: >37,5 ; <300]

Elección de un acumulador comercial:

3 depósitos ECObasic 1000 conectados en serie invertida


1,64 1,0446 0,9861 1,03 1,69 0,62 0,442 2735 55,8%1,63 1,0446 0,9998 1,04 1,70 0,83 0,594 3254 55,5%1,68 1,0446 1,0742 1,12 1,88 0,93 0,649 3783 54,1%1,69 1,0446 1,1222 1,17 1,98 1,07 0,724 3915 52,8%1,64 1,0446 1,1104 1,16 1,91 1,08 0,738 4038 53,0%1,59 1,0446 1,0973 1,15 1,83 1,11 0,757 3923 53,1%1,54 1,0446 1,0828 1,13 1,75 1,20 0,810 4240 52,7%1,51 1,0446 1,0285 1,07 1,62 1,25 0,846 4529 52,6%1,58 1,0446 1,0626 1,11 1,75 1,17 0,795 4213 52,9%1,63 1,0446 1,0773 1,13 1,83 0,96 0,668 3735 54,2%1,64 1,0446 1,0445 1,09 1,79 0,80 0,570 3213 55,2%1,62 1,0446 0,9709 1,01 1,64 0,63 0,456 2824 56,2%

0,664 44403 53,8%

66

Corrección de resultados: Nº colectores: 20 (SC = 47,8 m2)V acum solar / SC = 63 l/m2 [>37,5; <300]


MES

EFMAMJJASOND

Año

)25,0(

2Csolaracumulador

acuml/m75

/−

⎥⎥⎦

⎤

⎢⎢⎣

⎡=

SVFC ACSacum FCFC ⋅=

67

Resultados para distintas superficies de generador:

nº Colect.20

25

30

(α=0º ; β=50º)

Fracción Solar MENSUAL

0%

25%

50%

75%

100%

125%

1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12

Mes

48

60

72

Area (m2)

(Vacum solar / Sc = 63 l/m2)

Fracción Solar ANUAL

20%

40%

60%

80%

100%

40 50 60 70 80 90

Area (m2)

68

Rendimiento Global Sistema, ANUAL

20%

40%

60%

80%

100%

40 50 60 70 80 90

Area (m2)

nº Colect.20

25

30

(α=0º ; β=50º)

(Vacum solar / Sc = 63 l/m2)Rendimiento Global del Sistema

40%

45%

50%

55%

60%

1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12

Mes

48

60

72

Area (m2)


0%

25%

50%

75%

100%

125%

1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12

Mes

486072

Area (m2)

69

Resultados para distintos ángulos de inclinación de colectores:

(α=0º ; β=50º) (α=0º ; β=20º)


0%

25%

50%

75%

100%

125%

1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12

Mes

Rendimiento Global del Sistema

40%

45%

50%

55%

60%

1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12

Mes

48

60

72

Area (m2)


40%

45%

50%

55%

60%

1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12

Mes

FSa (20 colectores) = 66,4% FSa (20 colectores) = 67%

ηS,a (20 colectores) = 53,8% ηS,a (20 colectores) = 52,5%

(Vacum solar / Sc = 63 l/m2)

70

Resultados para distintas temperaturas de suministro de ACS: (α=0º ; β=50º)

(TACS=60º) (TACS=45º)


0%

25%

50%

75%

100%

125%

1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12

Mes

486072

Area (m2)


40%

45%

50%

55%

60%

1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12

Mes

48

60

72

Area (m2)


0%

25%

50%

75%

100%

125%

150%

1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12

Mes

A


30%

35%

40%

45%

50%

55%

60%

1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12

Mes

FSa (20 colectores) = 66,4% FSa (20 colectores) = 87,7%

ηS,a (20 colectores) = 53,8% ηS,a (20 colectores) = 48,7%

Dimensionado más realista de la carga térmica:

Factor de centralización (edificios residenciales) [ASIT, 2009]:

N N≤3 4≤N≤10 11≤N≤20 21≤N≤50 51≤N≤75 76≤N≤100 N≥101Fcentralización 1 0,95 0,9 0,85 0,8 0,75 0,70

(reducción del 15%)

MES DIAS Ta,red Lm Lm FC Lm * FC(ºC) (kcal x 1000) (kWh) (-) (kWh)

E 31 8 5.320 6.187 0,85 5.259F 28 9 4.712 5.481 0,85 4.658M 31 11 5.013 5.830 0,85 4.955A 30 13 4.653 5.411 0,85 4.600M 31 14 4.706 5.473 0,85 4.652J 30 15 4.455 5.181 0,85 4.404J 31 16 4.501 5.235 0,85 4.450A 31 15 4.604 5.354 0,85 4.551S 30 14 4.554 5.296 0,85 4.502O 31 13 4.808 5.592 0,85 4.753N 30 11 4.851 5.642 0,85 4.795D 31 8 5.320 6.187 0,85 5.259

Año 365 57.496 66.868 56.838

72

Resultados para: Nº colectores: 20; V acum solar / SC = 63 l/m2 [>37,5; <300]

TACS = 60 ºCFactor de centralización = 0,85


MES

EFMAMJJASOND

Año

(α=0º ; β=50º)


1,93 1,0446 0,9861 1,03 1,98 0,73 0,504 2651 54,1%1,92 1,0446 0,9998 1,04 2,01 0,98 0,670 3121 53,3%1,98 1,0446 1,0742 1,12 2,22 1,10 0,728 3609 51,6%1,99 1,0446 1,1222 1,17 2,33 1,26 0,807 3710 50,0%1,93 1,0446 1,1104 1,16 2,24 1,28 0,822 3824 50,2%1,88 1,0446 1,0973 1,15 2,15 1,31 0,843 3711 50,2%1,82 1,0446 1,0828 1,13 2,05 1,41 0,898 3995 49,6%1,78 1,0446 1,0285 1,07 1,91 1,47 0,936 4258 49,5%1,86 1,0446 1,0626 1,11 2,06 1,38 0,883 3974 49,9%1,92 1,0446 1,0773 1,13 2,16 1,13 0,749 3559 51,6%1,93 1,0446 1,0445 1,09 2,11 0,95 0,643 3086 53,0%1,91 1,0446 0,9709 1,01 1,93 0,74 0,520 2735 54,4%

0,743 42231 51,2%


0%

25%

50%

75%

100%

125%

1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12

Mes

486072

Area (m2)


30%

35%

40%

45%

50%

55%

60%

1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12

Mes

486072

Area (m2)

FSa (20 colectores) = 74,3%

ηS,a (20 colectores) = 51,2%

Nº colectores: 20α=0º; β=50ºV acum solar / SC = 63 l/m2

TACS = 60 ºCFFactor de centralización=0,85

74


5.4 CONSIDERACIONES MEDIOAMBIENTALESAhorro de emisiones de CO2 : estimaciones de la Asociación de la Industria Solar Térmica (www.asit-solar.com), en 2009:

Hipótesis basada en el uso de distintas fuentes para obtener 1 kWh térmico:Electricidad: 40%; Gas Natural: 40%; Gasóleo: 15%; GLP: 5%

1 kWh térmico ↔ 0,268 kg-CO2

Ejemplo, ahorro anual:

Eutil,anual = 42.178 kWh ↔ Ahorro de 11.304 kg-CO2 ↔ 11,3 ton-CO2

Instalaciones solares para edificios.

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