Manual de Solar Térmica para Grandes Edificios y Piscinas Cubiertas
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UNIVERSIDAD DE EXTREMADURA
ESCUELA DE INGENIERAS INDUSTRIALES
Manual de Diseo y Clculo de Instalaciones Solares Trmicas segn
DB HE 4 del C.T.E.
PROYECTO PRESENTADO PARA OPTAR AL TITULO DEL
MSTER UNIVERSITARIO EN INVESTIGACIN EN ARQUITECTURA E INGENIERA INDUSTRIAL
POR
AXEL COTN GUTIRREZ
BADAJOZ, SEPTIEMBRE DE 2013
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PROYECTO FIN DE MSTER
Autor:
AXEL COTN GUTIRREZ
Director o Directores:
ANTONIO RUIZ CELMA Y FERNANDO LPEZ RODRGUEZ
Tribunal de evaluacin:
FRANCISCO CUADROS BLQUEZ
AWF AL-KASSIR ABDULLA
ALFONSO MARCOS HERNNDEZ
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Dedico el presenta manual a todos aquellos compaeros ingenieros y arquitectos que me han ayudado tanto en mi etapa profesional como en la realizacin de este manual.
En especial a:
Mara Beln Trenado Nez
Alicia Jimnez Garca
Laura Fernndez Ruz
Francisco Javier Hernndez Plaza
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NDICE: BLOQUE I RADIACIN SOLAR. .................................................................... 181. INTRODUCCIN Y CONCEPTOS FUNDAMENTALES. ...................... 191.1. INTRODUCCIN..................................................................................... 191.2. EL SOL Y LA ENERGA SOLAR. ............................................................ 201.3. MAGNITUDES Y UNIDADES FSICAS. ................................................. 211.3.1. Conceptos fundamentales de las magnitudes ms importantes. ............ 231.3.2. Sistema Internacional de Unidades y conversin de unidades. .............. 251.3.3. Magnitudes relacionadas con la energa solar. ....................................... 272. MOVIMIENTO APARENTE DEL SOL. .................................................. 292.1. MOVIMIENTO DE TRASLACIN. .......................................................... 292.2. MOVIMIENTO DE ROTACIN. .............................................................. 312.3. SOLSTICIOS Y EQUINOCCIOS. ............................................................ 322.4. CONCEPTOS BSICOS. ........................................................................ 362.5. SISTEMA DE COORDENADAS GEOGRFICAS. ................................. 422.6. ECUACIN DEL TIEMPO. TIEMPO SOLAR VERDADERO. ................. 443. ENERGTICA SOLAR. .......................................................................... 473.1. CONSTANTE SOLAR. ............................................................................ 473.2. DISTRIBUCIN DE LA RADIACIN. ..................................................... 483.3. MASA DE AIRE. ...................................................................................... 503.4. RECURSOS DISPONIBLES. .................................................................. 523.5. DISPERSIN E INTERMITENCIA. ......................................................... 554. ENERGA SOLAR TRMICA. ................................................................ 574.1. CONCEPTO Y TIPOS DE ENERGA SOLAR TRMICA. ...................... 574.2. APROVECHAMIENTO TRMICO EN BAJA TEMPERATURA. ............. 584.3. CAPTACIN TRMICA Y PRDIDAS. .................................................. 594.3.1. Irradiacin incidente sobre una superficie inclinada. .............................. 604.3.2. Prdidas por orientacin e inclinacin. .................................................... 614.3.3. Prdidas por sombras. ............................................................................ 675. INSTALACIONES SOLARES TRMICAS EN BAJA
TEMPERATURA. .................................................................................... 755.1. FUNDAMENTOS DE LA INSTALACIN. ............................................... 75
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5.2. SISTEMA DE CAPTACIN SOLAR. ...................................................... 775.3. CLASIFICACIN DE INSTALACIONES SOLARES TRMICAS
PARA A.C.S. ........................................................................................... 785.3.1. Segn el principio de circulacin. ............................................................ 785.3.2. Segn el sistema de intercambio de calor. ............................................. 815.3.3. Segn el sistema de expansin. ............................................................. 855.3.4. Segn el sistema de almacenamiento. ................................................... 855.3.5. Segn el sistema auxiliar. ....................................................................... 855.3.6. Segn el sistema de control. ................................................................... 86BLOQUE II CIRCUITO PRIMARIO. ................................................................. 876. COLECTORES SOLARES. .................................................................... 896.1. EFECTO INVERNADERO. ..................................................................... 896.2. CAPTADOR SOLAR. CLASIFICACIN. ................................................. 916.2.1. Captador solar sin cubierta. .................................................................... 916.2.2. Captador solar plano. .............................................................................. 926.2.3. Captador de tubo de vaco. ..................................................................... 936.3. COMPONENTES DE UN CAPTADOR SOLAR. ..................................... 946.3.1. Cubiertas transparentes. Tipos y propiedades. ....................................... 946.3.2. Absorbedor: materiales, tipos, caractersticas y revestimientos. .......... 1006.3.3. Aislamiento posterior. ............................................................................ 1136.3.4. Juntas de estanqueidad. ....................................................................... 1156.3.5. Carcasa. ................................................................................................ 1156.4. TIPOS DE TUBOS DE VACO. ............................................................. 1176.4.1. Tubos de vaco de flujo directo. ............................................................ 1176.4.2. Tubos de vaco tipo Heat-Pipe. ............................................................. 1186.4.3. Tubos de vaco tipo Sydney. ................................................................. 1206.5. CARACTERSTICAS DE LOS COLECTORES. .................................... 1216.5.1. Temperatura de estancamiento. ........................................................... 1216.5.2. reas de un captador. ........................................................................... 1226.6. CURVA DE RENDIMIENTO DE UN CAPTADOR SOLAR. .................. 1256.7. LEGISLACIN SOBRE COLECTORES SOLARES. ............................ 1307. FLUIDO CALOPORTADOR. ................................................................ 1337.1. LEGISLACIN....................................................................................... 1337.2. CARACTERSTICAS GENERALES. ..................................................... 134
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7.3. TIPOS DE FLUIDO CALOPORTADOR. ............................................... 1347.3.1. Agua natural. ......................................................................................... 1347.3.2. Agua con adicin de anticongelante. .................................................... 1357.3.3. Fluidos orgnicos. ................................................................................. 1367.3.4. Aceites siliconas. ................................................................................... 1377.4. CLCULO DE LA MEZCLA. ................................................................. 1378. ACUMULADORES-INTERCAMBIADORES DE CALOR. ................... 1498.1. LEGISLACIN DE ACUMULADORES. ................................................ 1498.2. LEGISLACIN DE INTERCAMBIADORES DE CALOR....................... 1538.3. FUNCIONES Y REQUISITOS DE LOS ACUMULADORES
SOLARES. ............................................................................................ 1548.4. TIPOS DE ACUMULADORES DE A.C.S. ............................................. 1558.4.1. Acumuladores de acero vitrificado. ....................................................... 1558.4.2. Acumuladores de acero revestido de plstico. ...................................... 1558.4.3. Acumuladores de acero inoxidable. ...................................................... 1568.5. ACUMULADORES DE INERCIA Y TIPOS. .......................................... 1568.5.1. Acumuladores de inercia a ligera sobrepresin. ................................... 1568.5.2. Acumuladores de inercia abiertos. ........................................................ 1578.5.3. Acumuladores combinados. .................................................................. 1578.6. EL FENMENO DE LA ESTRATIFICACIN DE LA
TEMPERATURA. .................................................................................. 1588.7. PROCESOS DE CARGA Y DESCARGA DE LOS
ACUMULADORES. ............................................................................... 1598.7.1. Proceso de carga. ................................................................................. 1598.7.2. Descarga. .............................................................................................. 1638.8. INTERCONEXIN DE ACUMULADORES. .......................................... 1658.9. AISLAMIENTO DEL ACUMULADOR. ................................................... 1678.10. FUNCIN Y REQUISITOS DE LOS INTERCAMBIADORES. .............. 1688.11. CARACTERSTICA DE LOS INTERCAMBIADORES DE CALOR. ...... 1698.12. TIPOS DE INTERCAMBIADORES DE CALOR. ................................... 1738.12.1. Intercambiadores de calor de serpentn. ............................................... 1738.12.2. Intercambiadores de doble envolvente. ................................................ 1768.12.3. Intercambiadores de calor externos. ..................................................... 1779. BOMBAS HIDRULICAS. ................................................................... 183
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9.1. LEGISLACIN SOBRE BOMBAS HIDRULICAS. .............................. 1839.2. FUNCIN Y REQUISITOS. .................................................................. 1849.3. TIPOS DE BOMBAS MS USADOS. ................................................... 1859.3.1. Rotor sumergido. ................................................................................... 1879.3.2. Monobloc. .............................................................................................. 1899.3.3. Motor-Electrocirculador. ........................................................................ 1899.4. CURVAS CARACTERSTICAS. ............................................................ 1909.5. DIMENSIONAMIENTO. ......................................................................... 19510. VASO DE EXPANSIN. ....................................................................... 20310.1. LEGISLACIN SOBRE VASOS DE EXPANSIN. .............................. 20310.2. CARACTERSTICAS DE LOS VASOS DE EXPANSIN. .................... 20410.2.1. Circuitos abiertos. .................................................................................. 20510.2.2. Circuitos cerrados. ................................................................................ 20510.3. DIMENSIONADO DE VASOS DE EXPANSIN. .................................. 20810.3.1. Instalaciones medianas y grandes. ....................................................... 20810.3.2. Instalaciones de pequeo tamao. ....................................................... 21310.4. INSTALACIN DEL VASO DE EXPANSIN. ...................................... 21310.5. VASO TAMPN. ................................................................................... 21411. CIRCUITO HIDRULICO. .................................................................... 21711.1. TUBERAS. ............................................................................................ 21711.1.1. Legislacin............................................................................................. 21711.1.2. Requisitos. ............................................................................................. 21811.1.3. Caractersticas y propiedades de las tuberas de cobre. ...................... 21911.1.4. Caractersticas y propiedades de las tuberas del acero inoxidable. .... 22611.2. VLVULAS Y ACCESORIOS. .............................................................. 22811.2.1. Legislacin de vlvulas. ........................................................................ 22811.2.2. Caractersticas y tipos de vlvulas. ....................................................... 22911.2.3. Racores, manguitos, codos, reducciones y tapones. ............................ 24011.3. PRDIDA DE CARGA. .......................................................................... 24211.3.1. Generalidades. ...................................................................................... 24211.3.2. Clculo de prdidas de carga lineales. ................................................. 24211.3.3. Clculo de prdidas de carga singulares. ............................................. 25711.3.4. Clculo de la prdida de carga total en el circuito primario. ................. 270
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11.4. VOLUMEN DEL CIRCUITO PRIMARIO. .............................................. 27111.5. AISLAMIENTO TRMICO. .................................................................... 27411.5.1. Legislacin: I.T. 1.2.4.2 Redes de tuberas y conductos. ..................... 27411.5.2. Procedimiento simplificado. ................................................................... 27611.5.3. Procedimiento alternativo. ..................................................................... 28012. CONDICIONES DE TRABAJO EN PRIMARIO. .................................. 28512.1. TEMPERATURAS DE TRABAJO. ........................................................ 28512.2. PRESIONES DE TRABAJO. ................................................................. 28712.3. PROCESO DE VAPORIZACIN. ......................................................... 28912.4. COMPORTAMIENTO RESPECTO A LA EBULLICIN DE LOS
SISTEMAS POR TERMOSIFN. ......................................................... 29212.5. CONEXIONADO DE CAPTADORES. ................................................... 29412.5.1. Instalaciones pequeas de conexionado en paralelo. .......................... 29412.5.2. Instalaciones en Paralelo con Retorno Invertido. .................................. 29512.5.3. Alternativas al Retorno Invertido en un Conexionado en Paralelo. ....... 29712.5.4. Instalaciones pequeas de conexionado en serie. ............................... 29912.5.5. Conexionado en serie de captadores de gran tamao. ........................ 30012.5.6. Conexionado en serie de los captadores pequeos. ............................ 30112.5.7. Conexionado de campos solares grandes con retorno invertido. ......... 30212.5.8. Alternativas al conexionado de campos solares grandes con retorno
invertido. conexiones mixtas serie-paralelo. ......................................... 30312.6. MODOS DE FLUJOS EN EL CIRCUITO PRIMARIO. .......................... 30412.6.1. Flujo normal (High-Flow). ...................................................................... 30412.6.2. Flujo bajo (Low-Flow). ........................................................................... 30512.6.3. Flujo ajustado (Matched-Flow). ............................................................. 30812.7. LEGISLACIN SOBRE CONDICIONES DE TRABAJO. ...................... 30813. SISTEMA DE CONTROL. .................................................................... 31113.1. LEGISLACIN SOBRE EL SISTEMA DE CONTROL. ......................... 31113.2. FUNCIONES Y CARACTERSTICAS. .................................................. 31313.3. MTODOS DE CONTROL DE CARGA. ............................................... 31413.3.1. Control de carga de un acumulador con intercambiador interno. ......... 31513.3.2. Control de carga de un acumulador con intercambiador externo. ........ 32013.3.3. Control de carga optimizado para alcanzar altas temperaturas o una
temperatura objetivo en el acumulador. ................................................ 323
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13.3.4. Control de carga del acumulador con conexiones a diferentes alturas. .................................................................................................. 324
13.4. MTODOS DE CONTROL DE DESCARGA. ....................................... 32713.4.1. Control de descarga del acumulador de inercia mediante
acumulador de A.C.S. de precalentamiento solar. ............................... 32713.4.2. Control de descarga del acumulador de inercia mediante
acumulador de A.C.S. bivalente. .......................................................... 33213.4.3. Control de descarga del acumulador de inercia mediante
calentamiento instantneo. ................................................................... 33313.5. RECOMENDACIONES PARA LA PRCTICA. ..................................... 33614. ELEMENTOS AUXILIARES. ................................................................ 34114.1. ELEMENTOS DE MEDIDA. .................................................................. 34114.1.1. Legislacin del sistema de medida. ...................................................... 34114.1.2. Manmetro e hidrmetro. ...................................................................... 34114.1.3. Sondas/Sensores de temperatura. ........................................................ 34214.1.4. Caudalmetro. ........................................................................................ 34714.1.5. Contadores de energa trmica. ............................................................ 35014.1.6. Contadores de agua. ............................................................................. 35614.2. PURGADORES Y DESAIREADORES. ................................................ 35814.2.1. Legislacin sobre purga de aire. ........................................................... 35814.2.2. Caractersticas y funcionamiento. ......................................................... 35914.2.3. Dimensionado........................................................................................ 36714.3. SISTEMA DE LLENADO. ...................................................................... 36814.3.1. Legislacin sobre el sistema de llenado. ............................................... 36814.3.2. Sistemas de llenado automticos. ......................................................... 36814.4. DISIPADORES DE CALOR Y AEROTERMOS. ................................... 36914.4.1. Disipadores de calor. ............................................................................. 37014.4.2. Aerotermos. ........................................................................................... 37114.5. SISTEMA ANTILEGIONELA. ................................................................ 37314.5.1. Legislacin sobre prevencin y control de la Legionelosis. .................. 37314.5.2. Sistemas empleados. ............................................................................ 37614.6. FILTROS Y DESCALCIFICADORES. ................................................... 37715. ESTRUCTURA SOPORTE. .................................................................. 37915.1. LEGISLACIN SOBRE LA ESTRUCTURA SOPORTE. ...................... 379
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15.2. MONTAJE DE COLECTORES. ............................................................ 37915.2.1. Montaje en el suelo o en prgolas. ....................................................... 38315.2.2. Montaje en cubierta inclinada. ............................................................... 38315.2.3. Integracin en cubierta inclinada. .......................................................... 38515.2.4. Montaje en cubierta plana. .................................................................... 38715.2.5. Montaje en fachada. .............................................................................. 38915.2.6. Montaje de los sistemas por termosifn prefabricados. ........................ 39015.3. CLCULO BSICO DE LA FUERZA DEL VIENTO. ............................. 39316. CONFIGURACIONES DEL CIRCUITO. ............................................... 39716.1. CONFIGURACIN POR TERMOSIFN. ............................................. 39816.2. CONFIGURACIN DE INSTALACIONES DE A.C.S. PEQUEAS
DE CIRCULACIN FORZADA. ............................................................ 40016.3. CONFIGURACIN DE INSTALACIONES DE A.C.S. MEDIANAS Y
GRANDES CON ACUMULADORES DE AGUA SANITARIA............... 40416.4. CONFIGURACIN DE INSTALACIONES DE A.C.S. MEDIANAS Y
GRANDES CON ACUMULADORES DE INERCIA. ............................. 40716.5. CONFIGURACIONES PARA VIVIENDAS MULTIFAMILIARES. .......... 41016.5.1. Configuracin con acumulador solar centralizado. ............................... 41016.5.2. Configuracin con acumulador solar centralizado e intercambiadores
de calor en cada vivienda. .................................................................... 41216.5.3. Configuracin con acumuladores individuales en cada vivienda. ......... 41416.6. CONFIGURACIONES PARA INTERCONEXIN DE
ACUMULADORES. ............................................................................... 41716.6.1. Interconexin de acumuladores en serie invertida. ............................... 41716.6.2. Interconexin de acumuladores en paralelo. ........................................ 418BLOQUE III DIMENSIONADO DE INSTALACIONES DE A.C.S. ................. 42117. LEGISLACIN ACERCA DEL DIMENSIONADO. .............................. 42317.1. CONDICIONES GENERALES DE DISEO. ........................................ 42317.1.1. Definiciones. .......................................................................................... 42317.1.2. Objetivo y condiciones generales. ......................................................... 42417.1.3. Proteccin contra heladas. .................................................................... 42517.1.4. Proteccin contra sobrecalentamientos. ............................................... 42517.1.5. Proteccin contra quemaduras. ............................................................ 42617.1.6. Proteccin de materiales contra altas temperaturas. ............................ 42617.1.7. Resistencia a presin. ........................................................................... 426
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17.1.8. Prevencin de flujo inverso. .................................................................. 42717.2. DIMENSIONAMIENTO BSICO. .......................................................... 42717.2.1. Fundamentos......................................................................................... 42717.2.2. Contribucin solar mnima. .................................................................... 42817.2.3. Orientacin e inclinacin. ...................................................................... 43017.2.4. Clculo de la demanda. ......................................................................... 43117.2.5. Zonas climticas. ................................................................................... 43818. PRECLCULO DE LA SUPERFICIE COLECTORA. .......................... 44318.1. AZIMUT. (C1) ......................................................................................... 44618.2. CONSUMO TERICO DEL EDIFICIO (L/DA). (C2) ............................. 44618.2.1. Viviendas unifamiliares. ......................................................................... 44718.2.2. Viviendas multifamiliares. ...................................................................... 45118.2.3. Hospitales y Clnicas. ............................................................................ 45318.2.4. Hoteles y Hostales. ............................................................................... 45618.2.5. Campings. ............................................................................................. 45818.2.6. Residencias (ancianos, estudiantes, etc.). ............................................ 45918.2.7. Vestuarios/Duchas Colectivas. .............................................................. 46018.2.8. Escuelas. ............................................................................................... 46318.2.9. Cuarteles. .............................................................................................. 46418.2.10. Fbricas y Talleres. ......................................................................... 46418.2.11. Edificios administrativos. ................................................................. 46618.2.12. Gimnasios. ...................................................................................... 46718.2.13. Lavanderas. .................................................................................... 47018.2.14. Restaurante y Cafeteras. ............................................................... 47118.3. CONSUMO REAL DEL EDIFICIO (M3/MES). (C3 C7) ........................ 47318.3.1. Consumo terico del edificio (m3/da). (C3) ........................................... 47318.3.2. Das del mes. (C4) ................................................................................. 47318.3.3. Consumo terico del edificio (m3/mes). (C5) ......................................... 47418.3.4. Porcentaje de ocupacin. (C6)............................................................... 47418.3.5. Consumo real del edificio (m/mes). (C7) .............................................. 47418.4. DEMANDA ENERGTICA DEL EDIFICIO (MJ/MES). (C8 C12) ......... 47818.4.1. Temperatura de red o temperatura del agua fra (C). (C8) .................. 47918.4.2. Temperatura de acumulacin (C). (C9) ................................................ 479
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18.4.3. Incremento de temperaturas (C). (C10) ................................................ 47918.4.4. Demanda energtica (MJ/mes). (C11) ................................................... 47918.4.5. Demanda energtica diaria (MJ/da). (C12) ........................................... 48218.5. INTENSIDAD TIL (W/M2). (C13 C19) ................................................. 48218.5.1. Radiacin horizontal incidente (MJ/mda). (C13) .................................. 48318.5.2. Radiacin horizontal incidente corregida (MJ/mda). (C14) .................. 48318.5.3. Factor de correccin por inclinacin (K). (C15) ...................................... 48518.5.4. Energa neta incidente (MJ/mda). (C16) .............................................. 48618.5.5. Energa neta incidente corregida (MJ/mda). (C17) .............................. 48718.5.6. Nmero de horas de sol til. (C18) ......................................................... 48718.5.7. Intensidad til (W/m2). (C19) .................................................................. 48718.6. ENERGA NETA DEL COLECTOR (MJ/MMES). (C20 C27) .............. 48818.6.1. Temperatura ambiente media durante las horas de sol (C). (C20) ....... 49018.6.2. Rendimiento ptico del captador 0. (C21) ............................................. 49118.6.3. Parmetro T* (Cm2/W). (C22) .............................................................. 49218.6.4. Parmetro ec. (C23) ............................................................................... 49318.6.5. Rendimiento del colector elegido (%). (C24) ....................................... 49418.6.6. Aportacin solar terica del colector por m (MJ/mda). (C25) .............. 49518.6.7. Energa neta del colector por m (MJ/mda). (C26) ............................... 49618.6.8. Energa neta del colector por m (MJ/mmes). (C27) ............................. 49718.7. SUPERFICIE COLECTORA TERICA. ............................................... 50018.7.1. Nmero mximo terico de colectores. ................................................. 50018.7.2. Restricciones. ........................................................................................ 50018.7.3. Superficie colectora terica de la instalacin. ....................................... 50219. COBERTURA SOLAR ANUAL (F-CHART). ....................................... 50319.1. PARMETRO D1. (C28 C33) ................................................................ 50519.1.1. Carga calorfica mensual (KJ/mes). (C28) .............................................. 50519.1.2. Radiacin diaria media mensual incidente sobre la superficie de
captacin por unidad de rea (R1) (KJ/m2da). (C29) ............................ 50619.1.3. Superficie colectora de clculo de la instalacin (Sc) (m2). (C30) .......... 50619.1.4. Parmetro ()/()n. (C31) .................................................................... 50719.1.5. Parmetro F'r/Fr. (C32) .......................................................................... 50719.1.6. Parmetro D1. (C33) .............................................................................. 50719.2. PARMETRO D2. (C34 C38) ................................................................ 509
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19.2.1. Factor F'rUL. (C34) .................................................................................. 50919.2.2. Tiempo mensual (s). (C35) ..................................................................... 51019.2.3. Factor de correccin por almacenamiento (k1). (C36) ............................ 51019.2.4. Factor de correccin por temperaturas (k2). (C37) ................................. 51119.2.5. Parmetro D2. (C38) ............................................................................... 51219.3. COBERTURA SOLAR ANUAL. (C39 C40) ........................................... 51319.3.1. Cobertura solar mensual, factor f. (C39) ................................................ 51319.3.2. Energa solar aportada (kJ/mes). (C40) ................................................. 51419.3.3. Cobertura solar anual. ........................................................................... 515BLOQUE IV DIMENSIONADO DE PISCINAS CLIMATIZADAS. ................. 51920. GENERALIDADES SOBRE PISCINAS CLIMATIZADAS. .................. 52120.1. NORMATIVA. ........................................................................................ 52120.2. CONDICIONES GENERALES. ............................................................. 52220.2.1. Fluido de trabajo. ................................................................................... 52220.2.2. Prevencin de Legionelosis. ................................................................. 52220.2.3. Configuracin bsica. ............................................................................ 52220.2.4. Temperatura de los vasos de la piscina. ............................................... 52420.2.5. Datos bsicos para el clculo. ............................................................... 52621. DIMENSIONADO PARA PISCINAS CLIMATIZADAS. ....................... 53121.1. MTODO SIMPLIFICADO DE IDAE. .................................................... 53121.1.1. Clculo en piscinas cubiertas. ............................................................... 53121.1.2. Clculo en piscinas al aire libre. ............................................................ 53221.2. MTODO EXHAUSTIVO. ..................................................................... 53321.2.1. Generalidades. ...................................................................................... 53321.2.2. Prdidas de calor. ................................................................................. 53521.2.3. Balance energtico. ............................................................................... 53621.2.4. Prdidas trmicas por evaporacin. ...................................................... 53721.2.5. Prdidas trmicas por radiacin. ........................................................... 54021.2.6. Prdidas trmicas por conveccin. ....................................................... 54321.2.7. Prdidas trmicas por conduccin. ....................................................... 54521.2.8. Prdidas trmicas por renovacin de agua. .......................................... 54621.2.9. Prdidas trmicas totales. ..................................................................... 54821.2.10. Deshumectacin de la piscina......................................................... 549
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21.3. DEMANDA ENERGTICA. ................................................................... 551BLOQUE V CONOCIMIENTOS COMPLEMENTARIOS. .............................. 55322. UNIN Y SOLDADURA DE TUBERAS. ............................................. 55522.1. SOLDADURA HETEROGNEA Y AUTGENA. .................................. 55522.2. MATERIALES A USAR EN TUBERAS EN A.C.S. ............................... 55722.3. COBRE. ................................................................................................. 55822.3.1. Introduccin. .......................................................................................... 55822.3.2. Accesorios. ............................................................................................ 55922.3.3. Uniones sin Accesorio. .......................................................................... 57522.3.4. Decapantes. .......................................................................................... 57922.3.5. Material de aporte. ................................................................................ 57922.3.6. Clculo de la longitud del material de aporte necesario. ...................... 58622.4. PLSTICO. ............................................................................................ 58822.5. HERRAMIENTAS DE APRETADO Y DE CORTE. ............................... 59222.5.1. Herramientas de apretado. .................................................................... 59222.5.2. Herramientas de corte. .......................................................................... 59422.6. HERRAMIENTAS PARA SOLDAR. ...................................................... 59522.7. PROCESO DE SOLDADURA. .............................................................. 60122.7.1. Fenmeno de capilaridad. ..................................................................... 60122.7.2. Soldadura blanda. ................................................................................. 60722.7.3. Soldadura heterognea fuerte. .............................................................. 61522.7.4. Soldadura fuerte. ................................................................................... 61922.7.5. Soldadura por arco. ............................................................................... 62122.7.6. La Soldadura M.I.G. .............................................................................. 62922.7.7. La Soldadura autgena: Oxiacetilnica. ................................................ 63122.7.8. La Seguridad en la soldadura con arco. ................................................ 63622.8. CURVADO, DILATACIONES Y SOPORTES DE COBRE. ................... 64322.8.1. Curvado del tubo de cobre. ................................................................... 64322.8.2. Dilataciones. .......................................................................................... 64722.8.3. Soportes. ............................................................................................... 65723. CIRCUITO DE CONSUMO DE A.C.S. (HS 4). ..................................... 66123.1. GENERALIDADES. ............................................................................... 66123.2. CALCULO DE LA DEMANDA EN EL CIRCUITO DE CONSUMO. ...... 661
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23.2.1. Caudal instantneo mnimo segn HS 4. .............................................. 66123.2.2. Caudal total terico. .............................................................................. 66223.2.3. Caudal punta medio segn frmula francesa. ....................................... 66423.2.4. Caudal de red segn frmula francesa. ................................................ 66523.2.5. Caudal de red segn norma DIN 1988 (UNE 149201) ......................... 66723.3. DIMETROS DE TUBERAS EN EL CIRCUITO DE CONSUMO. ....... 67023.4. CONSIDERACIONES LEGISLATIVAS DE LA INSTALACIN DE
A.C.S. EN EL CIRCUITO DE CONSUMO ............................................ 67123.4.1. Temperatura de utilizacin. ................................................................... 67123.4.2. Redes de tuberas del circuito de consumo. ......................................... 67823.4.3. Red de retorno. ..................................................................................... 67923.4.4. Bombas de circulacin. ......................................................................... 68123.4.5. Dilatacin de las conducciones. ............................................................ 68123.4.6. Aislamiento trmico. .............................................................................. 68223.4.7. Regulacin y control. ............................................................................. 68223.4.8. Pruebas particulares de las instalaciones de A.C.S.............................. 68224. CONEXIONADO AL CIRCUITO DE CONSUMO. ................................ 68524.1. CALENTADORES ELCTRICOS. ........................................................ 68524.1.1. Calentador elctrico de acumulacin. ................................................... 68524.1.2. Calentador elctrico instantneo. .......................................................... 68624.2. TIPOS DE CALDERAS. ........................................................................ 68624.2.1. Clasificacin por el tipo de combustible. ............................................... 68724.2.2. Clasificacin segn la Directiva Europea 92/42/CEE. .......................... 68724.2.3. Clasificacin segn la forma de combustin. ........................................ 68924.2.4. Clasificacin por la toma de aire de combustin. .................................. 69024.2.5. Clasificacin por la forma de evacuacin de humos. ............................ 69024.2.6. Clasificacin por los servicios cubiertos. ............................................... 69124.2.7. Clasificacin UNE-CEN/TR 1749 IN. .................................................... 69324.2.8. Clasificacin de los aparatos de gas en el mercado actual. ................. 70324.3. CONEXIONADO DE CALDERAS. ........................................................ 70524.3.1. Calderas que soportan altas temperaturas. .......................................... 70524.3.2. Calderas que no soportan altas temperaturas. ..................................... 70524.3.3. Calderas puenteadas. ........................................................................... 70624.4. CONFIGURACIONES DE CONEXIN. ................................................ 707
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24.4.1. Configuracin con acumulacin solar centralizada. .............................. 70724.4.2. Configuracin con acumulacin solar individual. .................................. 70824.4.3. Instalaciones forzadas de viviendas unifamiliares. ............................... 70924.4.4. Instalaciones por termosifn de viviendas unifamiliares. ...................... 70925. MEMORIA TCNICA O PROYECTO TCNICO. ................................ 71125.1. LEGISLACIN....................................................................................... 71125.2. GENERALIDADES. ............................................................................... 71325.3. MEMORIA DESCRIPTIVA. ................................................................... 71425.3.1. Contenido de la Memoria Descriptiva. .................................................. 71425.3.2. Especificaciones referentes a los colectores. ....................................... 71525.3.3. Especificaciones referentes a los acumuladores. ................................. 71625.3.4. Especificaciones referentes a las bombas de circulacin. .................... 71625.3.5. Especificaciones referentes a otros equipos. ........................................ 71725.4. MEMORIA JUSTIFICATIVA (CLCULOS). .......................................... 71725.5. PLANOS. ............................................................................................... 71925.5.1. Generalidades. ...................................................................................... 71925.5.2. Plegado de Planos. ............................................................................... 71925.5.3. Escalas normalizadas. .......................................................................... 73225.5.4. Lneas normalizadas. ............................................................................ 73325.5.5. Rotulacin. ............................................................................................. 73525.5.6. Contenido. ............................................................................................. 73625.5.7. Simbologa. ............................................................................................ 73625.6. MEDICIONES Y PRESUPUESTO. ....................................................... 73825.6.1. Introduccin y definiciones. ................................................................... 73825.6.2. Unidades de obra. ................................................................................. 74025.6.3. Estado de las mediciones. .................................................................... 74225.6.4. Organizacin del presupuesto. .............................................................. 74325.6.5. Documentos que influyen en el presupuesto de una pequea
instalacin. ............................................................................................ 74425.7. PLIEGO DE CONDICIONES. ................................................................ 74725.7.1. Definicin y objeto del pliego de condiciones. ...................................... 74725.7.2. Partes del pliego de condiciones y contenido. ...................................... 74725.8. ESTUDIO BSICO DE SEGURIDAD Y SALUD. .................................. 76726. MANTENIMIENTO. ............................................................................... 771
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26.1. INTRODUCCIN................................................................................... 77126.2. LEGISLACIN CTE DB HE 4. .............................................................. 77226.2.1. Plan de vigilancia. ................................................................................. 77226.2.2. Plan de mantenimiento. ......................................................................... 77326.3. LEGIONELA (RD 865/2003). ................................................................ 77526.3.1. Legionela. .............................................................................................. 77526.3.2. mbito de aplicacin del RD 865/2003. ................................................ 77626.3.3. Registro de operaciones de mantenimiento. ......................................... 77726.3.4. Medidas preventivas. ............................................................................ 77926.3.5. Programas de mantenimiento en las instalaciones. .............................. 78226.3.6. Actuaciones y mtodos de tratamiento en las instalaciones. ................ 78326.3.7. Mantenimiento de instalaciones interiores de agua caliente sanitaria
y agua fra de consumo humano. ......................................................... 78526.3.8. Mantenimiento de baeras y piscinas de hidromasaje de uso
colectivo. ............................................................................................... 79026.4. OPERACIONES A REALIZAR POR EL USUARIO. ............................. 79026.5. MANTENIMIENTO A REALIZAR POR PERSONAL
ESPECIALIZADO.................................................................................. 79126.5.1. Operaciones imprescindibles de mantenimiento. .................................. 79126.5.2. Operaciones de limpieza o mantenimiento no regulares. ..................... 79426.5.3. La Corrosin y su prevencin. ............................................................... 79526.5.4. Incrustaciones calcreas. ...................................................................... 80226.6. LOCALIZACIN Y REPARACIN DE AVERAS. ................................ 80326.6.1. Mantenimiento correctivo. ..................................................................... 80326.6.2. Averas ms frecuentes en los sistemas solares de baja
temperatura. .......................................................................................... 80326.6.3. Operaciones de revisin de componentes del circuito. ......................... 80926.7. GARANTA. ........................................................................................... 811BIBLIOGRAFA. ................................................................................................ 813ANEXO I TABLAS DE RADIACIN Y TEMPERATURA. ............................. 823ANEXO II PLANOS EJEMPLOS DEL CAPTULO 11. .................................. 835ANEXO III TABLAS NORMA UNE 149201. .................................................. 838
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BLOQUE I.
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BLOQUE I RADIACIN SOLAR.
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1. Introduccin y Conceptos Fundamentales.
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1. INTRODUCCIN Y CONCEPTOS FUNDAMENTALES.
1.1. INTRODUCCIN. Las instalaciones solares trmicas en baja temperatura, son sin duda unas
de las ms difciles de disear, y de instalar. Es por ello que la mayora de las instalaciones existente o estn mal diseadas, o mal instaladas. Esto se debe a que la fuente de energa no es constante, ya que la radiacin solar depender no solo del ngulo de nuestros colectores, sino adems de otros factores como la Latitud o la altura respecto del mar.
Es por ello que a diferencia de una instalacin de A.C.S. normal, una
instalacin solar trmica puede ser vlida para Madrid, pero la misma no ser vlida para lava o Badajoz, para el mismo consumo familiar. Es por ello que dedicaremos parte del proyecto a todo lo relativo a la radiacin solar y a cmo aprovecharla.
Dentro de los sistemas domsticos nos centraremos en los dedicados a
las instalaciones de A.C.S. (Agua Caliente Sanitaria), y concretamente en las forzadas (con uso de un electrocirculador, y por consiguiente de energa elctrica). Este tipo de instalaciones se comenzaron a introducir en nuestro pas en los aos 70, si bien no fue hasta los 90, con los programas de ayuda PROSOL (Andaluca) e IDAE (a nivel nacional), cuando se produjo un crecimiento exponencial en el uso de estas instalaciones. Finalmente y a partir de una normativa europea, en el 2006 se aprob en Cdigo Tcnico de la Edificacin (C.T.E.) y en concreto el Documento Bsico de Ahorro de Energa Parte 4: Energa Solar Trmica. La cual es una normativa de obligado cumplimiento a nivel nacional, para toda edificacin de nueva construccin, o para aquellos que cambian de uso, o sufren una reforma superior al 25%. Por lo que el uso de estas instalaciones se generaliz.
En la situacin de crisis actual, prcticamente todas las ayudas a las
energa renovables han sido suprimidas o reducidas a la mnima expresin. No obstante, las instalaciones solares trmicas en baja temperatura para A.C.S.; si bien ya no reciben subvenciones, son obligatorias, por lo que se seguirn instalando en los edificios de nueva construccin. A pesar de que tambin ha bajado el ritmo de construccin, podemos decir que estas instalaciones son las nicas (actualmente de las renovables) en las que se prev un futuro alentador.
Estas instalaciones tienen innumerables componentes que hay que
dimensionar de forma adecuada, nos centraremos en los ms importantes, y fundamentalmente en el Circuito Primario (C.P.), dedicando una parte importante al final para los Sistemas de Control, pues son el corazn de la instalacin, sin los cuales la mayora de las grandes instalaciones para edificios no funcionaran. De hecho en la mayora de las instalaciones la parte elctrica y electrnica es sin duda una de las ms importantes. Comenzaremos la primera parte
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explicando los conceptos fundamentales, y todo lo relativo al Sol y a la radiacin solar.
1.2. EL SOL Y LA ENERGA SOLAR.
Cada segundo el Sol irradia en todas direcciones una energa de 41026
julios, que equivale a 10.000 veces el consumo mundial de energa. Es una de las innumerables estrellas de nuestra galaxia, formada por diferentes elementos en estado gaseoso, principalmente Hidrgeno. Su radio es de 700.000 km. Su masa es 300.000 veces la del planeta Tierra. El origen de la energa que produce e irradia est en las reacciones nucleares que se producen en su interior. Debido a ellas el Sol emite luz y calor.
Este astro (el Sol) es como una gran estrella corriente, capaz de hacer
llegar hasta nosotros grandes cantidades de energa radiante. Se encuentra a una distancia de unos 150 millones de kilmetros de la Tierra y la radiacin que emite tarda algo ms de ocho minutos en alcanzar nuestro planeta, a una velocidad de 300.000 km/s. Desde el punto de vista cuantitativo se puede decir que solo la mitad de la radiacin solar, llega a la superficie de la Tierra. La restante se pierde por reflexin y absorcin en las capas de la atmsfera. Por lo tanto debemos intentar aprovechar toda esta energa.
El Sol, fuente de vida y origen de las dems formas de energa que el
hombre ha utilizado desde los albores de la historia, puede satisfacer todas nuestras necesidades, si aprendemos cmo aprovechar de forma racional la radiacin que continuamente derrama sobre el planeta. Ha brillado en el cielo desde hace unos cinco mil millones de aos, y se calcula que todava no ha llegado ni a la mitad de su existencia.
A lo largo de la historia, el ser humano ha usado la energa del sol para
hacer sus hogares ms luminosos y calientes. Hoy, un equipamiento especial aplicado a las viviendas y diseados especficamente, puede hacer ms efectiva la captacin de la energa solar para dar luz y calor. Usando la energa solar podemos hacer que nuestras viviendas sean ms confortables.
Adems hemos de tener en cuenta las muchas ventajas que tiene el uso
de la energa del Sol, tales como:
Disminuir la dependencia de combustibles fsiles. Mejorar la calidad del medio ambiente. Disminuir las emisiones de gases de efecto invernadero.
El aprovechamiento activo de la energa solar se puede regir bajo dos
puntos de vista bien diferenciados:
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La conversin trmica o aprovechamiento del calor contenido en la radiacin solar.
La conversin elctrica o aprovechamiento de la energa luminosa (fotones), para generar directamente energa elctrica (efecto fotovoltaico).
Las dos tecnologas ms populares para usar la energa solar son los
Captadores Solares Trmicos y los Mdulos Solares Fotovoltaicos. La produccin y el mantenimiento de los sistemas de energa solar tanto
trmica, como fotovoltaica, estimula nuevos sectores de trabajo y el desarrollo de empresas. 1.3. MAGNITUDES Y UNIDADES FSICAS.
Para el correcto entendimiento de los Sistemas Solares Trmicos en baja
temperatura, ser necesario en muchas ocasiones, efectuar mediciones o clculos de diversas magnitudes, tales como longitudes, superficies, temperaturas, presiones, etc. Por ello tendremos que conocer con precisin las unidades en que expresaremos estas magnitudes y su significado fsico.
En fsica existen muchas magnitudes diferentes, es decir, se refieren a
fenmenos de distinta naturaleza. No obstante la mayora de ellas se pueden expresar en funcin de unas pocas a las que llamamos Magnitudes Fundamentales. Se necesitan muy pocas magnitudes fundamentales para poder definir todas las dems magnitudes como combinacin de ellas. Por convenio se eligen como magnitudes fundamentales las siguientes:
Tabla 1.1. Magnitudes Fundamentales en el Sistema Internacional.
MAGNITUD UNIDAD SMBOLO
Longitud Metro m
Masa Kilogramo kg
Tiempo Segundo s
Intensidad de corriente elctrica Amperio A
Temperatura termodinmica Kelvin K
Intensidad luminosa Candela cd
Cantidad de Sustancia Mol mol Cualquier otra magnitud es simplemente el resultado de combinar,
multiplicando y dividiendo entre s, estas magnitudes fundamentales.
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As por ejemplo la velocidad de un automvil es igual al espacio que
recorre dividido por el tiempo que tarda en recorrer ese espacio; por tanto decimos que la velocidad no es una magnitud fundamental sino una Magnitud Derivada. Existen infinitud de magnitudes derivadas, para nuestro caso las ms importantes sern:
Tabla 1.2. Magnitudes Derivadas en el Sistema Internacional.
MAGNITUD UNIDAD SMBOLO
ngulo plano Radin rad
ngulo slido Estereorradin kg
Superficie Metro cuadrado m2
Volumen Metro cbico m3
Frecuencia Hertz Hz
Densidad Kilogramo por metro cbico kg/m3
Velocidad Metro por segundo m/s
Velocidad angular Radin por segundo rad/s
Aceleracin Metro por segundo cuadrado m/s2
Aceleracin angular Radin por segundo cuadrado rad/s2
Fuerza Newton N
Presin Pascal Pa Viscosidad cinemtica Metro cuadrado por segundo m
2/s
Viscosidad dinmica Pascal por segundo Pas
Trabajo/Energa Julio J
Potencia Vatio W Cantidad
Electricidad Culombio C
Tensin Elctrica Voltio V Resistencia
Elctrica Ohmio Calor Calora cal
Para poder comparar los fenmenos fsicos observables de una misma
magnitud, elegimos uno en concreto, al que llamamos Unidad, y lo comparamos
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con todos los dems. Podemos ver las distintas unidades de las magnitudes en las tablas anteriores.
En el Sistema Internacional de Unidades, las unidades derivadas se
obtienen formando combinaciones de las unidades fundamentales en la relacin 1 a 1. Ello simplifica notablemente los clculos, pero a veces conduce a unidades muy grandes o muy pequeas. En estos casos de debe anteponer un prefijo. Los prefijos normalizados aumentan o disminuyen generalmente de 3 en 3 rdenes de magnitud, siendo los ms usuales los siguientes:
Tabla 1.3. Mltiplos y submltiplos en el Sistema Internacional.
MLTIPLO PREFIJO SMBOLO
1012
Tera T
109 Giga G
106 Mega M
103 kilo k
102 hecto h
101 deca da
10-1
deci d
10-2
centi c
10-3
mili m
10-6
micro 10
-9 nano n
10-12
pico p
Usaremos los prefijos cuando el valor de la unidad de medida sea excesivamente grande o pequeo, procurando elegir siempre los prefijos normalizados, de forma que el valor numrico tenga el menor nmero posible de dgitos.
1.3.1. Conceptos fundamentales de las magnitudes ms importantes.
Vamos a ver a continuacin las magnitudes ms usadas en el mundo de la
Energa Solar Trmica:
Longitud: expresa la distancia entre dos puntos. Se mide en m = L. Masa: mide la cantidad de materia de un cuerpo. Se mide en kg = M.
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Tiempo: mide la duracin o separacin de acontecimientos sujetos a cambio, de los sistemas sujetos a observacin. Su unidad es el s = T.
Temperatura: referida a las nociones comunes de calor o fro. Su unidad es K.
Velocidad: expresa la variacin de posicin de un objeto en funcin del tiempo, o la distancia recorrida por el objeto por unidad de tiempo. Su unidad es el m/s = L/T = LT1.
Aceleracin: el ritmo o tasa con que aumenta o disminuye la velocidad de un mvil en funcin del tiempo. Su unidad es el m/s2 = L/T2 = LT-2.
Fuerza: magnitud capaz de deformar los cuerpos, modificar su velocidad y ponerlos en movimiento si estaban inmviles. Es el producto de una masa por una aceleracin. Su unidad es el Newton = kgm/s2 = MLT-2.
Peso: A la fuerza con que la Tierra atrae gravitatoriamente a los objetos que tienen masa. Por lo tanto es una Fuerza: P = mg. Su unidad es tambin el Newton. g = aceleracin de la gravedad 9,8 m/s2.Llamamos Kilopondio a aquella fuerza que imparte una aceleracin gravitatoria normal/estndar a la masa de un kilogramo. 1 kP = kilopondio = 9,8 N.
Energa/Trabajo: La Energa es la capacidad de un cuerpo o de un sistema para producir trabajo mecnico. El trabajo mecnico realizado por una fuerza que acta sobre un cuerpo se define como el producto de dicha fuerza por la distancia recorrida por el cuerpo en la direccin de la fuerza. T = Fe. Su unidad es el Julio J = Nm = kgm2/s2 = ML2T2.
Potencia: Cantidad de trabajo efectuado por unidad de tiempo. P = T/t. Su unidad es el Vatio = W = J/s = kgm2/s3 = ML2T-3.
Presin: Mide la fuerza por unidad de superficie. P = F/A. Su unidad es el Pascal = Pa = N/m2 = kg/ms2 = ML-1T-2. A = rea o Superficie en m2.
Calor Especfico: Cantidad de energa necesaria para elevar en 1 K la temperatura de 1 kg de masa del cuerpo o elemento. Se mide en J/kg K. Segn del material del que se trate, tendremos un calor especfico distinto:
Tabla 1.4. Calor especfico del agua, cobre y acero.
CALOR ESPECFICO (caloras/gramoC)
Agua 1,000
Cobre 0,217
Acero Inoxidable 0,109
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1.3.2. Sistema Internacional de Unidades y conversin de unidades.
El Sistema Internacional de Unidades (SI), tambin llamado Sistema Internacional de Medidas, es el sistema de unidades que se usa en la mayora de los pases. El SI tambin es conocido como Sistema Mtrico.
Fue creado en 1960 por la Conferencia General de Pesos y Medidas. Las
unidades del SI son la referencia internacional de las indicaciones de los instrumentos de medida y a las que estn referidas a travs de una cadena ininterrumpida de calibraciones o comparaciones.
Esto permite alcanzar la equivalencia de las medidas realizadas por
instrumentos similares, utilizados y calibrados en lugares apartados y asegurar, sin la necesidad de ensayos y mediciones, el cumplimiento de las caractersticas de los objetos que circulan en el comercio internacional y su intercambiabilidad.
Es imprescindible saber pasar correctamente del valor de una magnitud
expresada en unas determinadas unidades a su valor en otras unidades diferentes, ya que estos cambios se emplean con frecuencia en la prctica. Por ejemplo:
La velocidad de un automvil se suele expresar en kilmetros por hora (km/h) y no en metros por segundo (m/s).
Las tuberas se miden en pulgadas o en milmetros en lugar de en metros.
Para la correcta conversin se suelen usar tablas de conversin:
Tabla 1.5. Tabla de conversin de temperatura.
TEMPERATURA
Temperatura (C) = 5/9 (Temperatura (F) 32)
Temperatura (F) = 9/5 Temperatura (C) + 32
Temperatura (K) = Temperatura (C) + 273,15
Temperatura (C) = Temperatura en grados Celsius
Temperatura (F) = Temperatura en grados Fahrenheit
Temperatura (K) = Temperatura en Kelvin
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Tabla 1.6. Tabla de conversin de longitud.
LONGITUD
1 metro = 30,7 pulgadas
1 pulgada = 1 = 0,0254 m
Tabla 1.7. Tabla de conversin de presin.
PRESIN
Pascal = N/m2
kp/cm2 atm mm c.d.a.
Pascal = N/m2 1 1,0210
-59,8710
-6 0,102
kp/cm2 9,810
4 1 0,968 10
4
atm 1,01105 1,033 1 10330
mm c.d.a. 9,8 10-4
9,67810-5
1
1 bar = 105 Pascales = 1,0197 kg/cm
2 = 0,9869 atm
atm = atmsfera = equivale a la presin de la atmsfera terrestre sobre el nivel del mar. Es utilizada para medir presiones elevadas como la de los gases comprimido. mm c.d.a. = milmetro de columna de agua = equivale a la presin ejercida por una columna de agua pura de un milmetro de altura.
Tabla 1.8. Tabla de conversin de energa.
ENERGA
Julio kgm kcal kWh Julio 1 0,102 2,3910
-4 2,77810
-7
kgm 9,8 1 2,3410-3
2,72410-6
kcal 4190 427 1 1,16310
-3
kWh 3,6106 3,6710
5 860 1
kcal = kilocalora Calora como la cantidad de energa calorfica necesaria para elevar la temperatura de un gramo de agua destilada de 14,5C a 15,5C a una presin estndar de una atmsfera. kWh = Kilovatio-hora = energa desarrollada por una potencia de un kilovatio (kW) durante una hora.
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1. Introduccin y Conceptos Fundamentales.
Axel Cotn Gutirrez Pgina 27
Tabla 1.9. Tabla de conversin de potencia.
POTENCIA
kW kgm/s CV kcal/h
kW 1 102 1,36 860
kgm/s 9,8110-3
1 1,3310-2
8,4337
CV 0,736 75 1 632,52
kcal/h 1,1610-3
0,1186 1,5810-3
1 CV = Caballo de Vapor = Potencia necesaria para elevar verticalmente un peso de 75 kg-fuerza (kilopondios) a la velocidad de 1 m/s. Esta unidad se llama as porque se supona que era la potencia que desarrolla un caballo. En ingls HP
1.3.3. Magnitudes relacionadas con la energa solar.
Existen una serie de conceptos y magnitudes muy relacionas con el tema que estamos tratando en este manual, que conviene tener claros antes de continuar. Estos conceptos son:
Radiacin Solar: es el flujo de energa que recibimos del Sol en forma de ondas electromagnticas (luz visible, infrarroja y ultravioleta). La radiacin solar se mide en varias unidades fsicas concretas.
Irradiancia: Potencia de la radiacin solar por unidad de rea. Su unidad es el vatio dividido por metro cuadrado (W/m2).
Irradiacin: Energa por unidad de rea. Su unidad en el SI es el Julio, J, dividido por metro cuadrado (J/m2) o sus mltiplos (normalmente el Megajulios, MJ). 1 kWh = 3,6 MJ.
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Manual de Diseo y Clculo de Instalaciones Solares Trmicas segn DB HE 4 del C.T.E.
1. Introduccin y Conceptos Fundamentales.
Axel Cotn Gutirrez Pgina 28
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Manual de Diseo y Clculo de Instalaciones Solares Trmicas segn DB HE 4 del C.T.E.
2. Movimiento Aparente del Sol.
Axel Cotn Gutirrez Pgina 29
2. MOVIMIENTO APARENTE DEL SOL.
2.1. MOVIMIENTO DE TRASLACIN. El movimiento de traslacin de la Tierra es el movimiento de este planeta
alrededor del Sol, estrella central del Sistema Solar. Es un movimiento anual. La Tierra describe a su alrededor una rbita elptica.
El perodo orbital de la Tierra o intervalo de tiempo que transcurre entre dos pasos consecutivos por el mismo punto de la rbita, define el denominado Ao Sidreo y tiene una duracin de 365 das, 6 horas, 9 minutos y 9,54 segundos.
Tomando como referencia el lapso transcurrido entre un inicio de la primavera y otro, el llamado Ao Trpico dura 365 das 5 horas 48 minutos y 46 segundos. Este es el ao utilizado para realizar los calendarios.
El movimiento orbital de la Tierra viene determinado por la Segunda Ley de Kepler o ley de las reas, segn la cual el radio vector que une el sol con un planeta, barre reas iguales en tiempos iguales. Resulta por tanto que la distancia Tierra-Sol es variable en un margen de variacin de 1,7% sobre la distancia media de 150 106 km.
Esta distancia para un da cualquiera del ao puede determinarse a partir de la ecuacin de Duffie y Beckman (2.1):
. (2.1)
Donde:
d: distancia Tierra-Sol el da n del ao a partir del 1 de Enero. d0: distancia media Tierra-Sol (150 106 km). = (d0/d)2: Factor de correccin de la distancia Tierra Sol. n (da Juliano): nmero de orden del da en el ao a partir del 1 de
Enero, su valor vara entre 1 y 365, no tenindose en cuenta los aos bisiestos.
El ngulo diario, relativo a la posicin de la Tierra en el plano de la
eclptica, expresado en radianes viene determinado por la ecuacin (2.2):
(2.2)
-
Manual Solares
Axel Co
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2. Movimie
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Pgina 30
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Manual Solares
Axel Co
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Fuente
ones T.E.
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e: Wikimedia
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Commons.
2. Movimie
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nte del Sol.
Pgina 31
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Manual Solares
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2.3.
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de Diseo s Trmicas s
otn Gutirr
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EquinoccduracinhemisferAutumnael Equino
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rez
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o de estosuna duracdos veces
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de InstalacioHE 4 del C.T
Y EQUIN
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Fuente
ones T.E.
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Commons.
2. Movimie
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nte del Sol.
Pgina 32
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Manual de Diseo y Clculo de Instalaciones Solares Trmicas segn DB HE 4 del C.T.E.
2. Movimiento Aparente del Sol.
Axel Cotn Gutirrez Pgina 33
El segundo momento es el Solsticio, que el momento del ao en los que el Sol alcanza su mxima posicin meridional o boreal.
En el solsticio de verano del hemisferio Norte el Sol alcanza el cenit al
medioda sobre el Trpico de Cncer. En el Solsticio de invierno alcanza el cenit al medioda sobre el Trpico de Capricornio.
Los solsticios son los dos puntos de la esfera celeste en la que el Sol
alcanza su mxima Declinacin Norte (+23 27') y su mxima Declinacin Sur ( 23 27') con respecto al ecuador celeste.
La existencia de los solsticios est provocada, como ya hemos comentado
por la Inclinacin Axial del eje de la Tierra. En los das de solsticio, la longitud del da y la altura del Sol al medioda son mximas (en el solsticio de verano) y mnimas (en el solsticio de invierno) comparadas con cualquier otro da del ao.
Las fechas del solsticio de invierno y del solsticio de verano estn
cambiadas para ambos hemisferios.
Solsticio de Junio: Ocurre regularmente alrededor del 21 de junio y es llamado de verano en el Hemisferio Norte o de invierno en el Hemisferio Sur. El da del solsticio de Junio es el da ms largo del ao en el hemisferio norte, y el ms corto en el hemisferio sur. En el Polo Norte el sol circula el cielo a una altitud constante de 23. En el Crculo Polar rtico el centro del Sol solamente toca el horizonte del Norte sin ponerse. El sol culmina al Sur, donde alcanza su altitud mxima de 47. Es el nico da en que el sol se mantiene sobre el horizonte durante 24 horas. En el Trpico de Cncer el sol sale 27 Norte del Este. Culmina al cenit, y se pone 27 Norte del Oeste. El sol est sobre el horizonte durante 13,4 horas. En el Ecuador el sol sale 23 Norte del Este. Culmina al Norte, donde alcanza su altitud mxima de 67. Se pone 23 Norte del Oeste. El sol est sobre el horizonte durante 12 horas. En el Trpico de Capricornio el sol sale 27 Norte del Este. Culmina al Norte, donde alcanza su altitud mxima de 43,12. Se pone 27 Norte del Oeste. El sol est sobre el horizonte durante 10,6 horas. En el Crculo Polar Antrtico el centro del Sol solamente toca el horizonte del Norte sin salir. Es el nico da en que el sol se mantiene abajo del horizonte durante 24 horas. En el Polo Sur el sol nunca sale, siempre se mantiene 23 abajo del horizonte.
-
Manual Solares
Axel Co
de Diseo s Trmicas s
otn Gutirr
Figu
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de InstalacioHE 4 del C.T
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ones T.E.
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: Wikimedia
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2. Movimie
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nte del Sol.
Pgina 34
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Manual Solares
Axel Co
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ones T.E.
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2. Movimie
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nte del Sol.
Pgina 35
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-
Manual Solares
Axel Co
2.4.
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de Diseo s Trmicas s
otn Gutirr
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CEPTOS
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de InstalacioHE 4 del C.T
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Fuente
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ones T.E.
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2. Movimie
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Pgina 36
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de Diseo s Trmicas s
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Fuente
ones T.E.
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: Wikimedia
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: Wikimedia
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nte del Sol.
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de Diseo s Trmicas s
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de InstalacioHE 4 del C.T
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Fuente
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Fuente
ones T.E.
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: Wikimedia
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e: Wikimedia
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Commons.
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Commons.
2. Movimie
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Fuente
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Fuente
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ones T.E.
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: Wikimedia
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: Wikimedia
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Commons.
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Commons.
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2. Movimie
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co.
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os principd 66 33'
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nte del Sol.
Pgina 39
errestres.
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Manual Solares
Axel Co
de Diseo s Trmicas s
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Polo SurTierra in
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de InstalacioHE 4 del C.T
ico uno decon su sup
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0. El plaginaria situ40.075,00
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Figur
Fuente
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ones T.E.
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ndicular acuador div
y el hemano del Euada a la04 km.
cal contadmenor o visible (e
s decir si ales, sien
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: Wikimedia
medido son vertical
sur elores (en yeccin vulo mximordenada
mismo astrdas horizo
puntos does el opues
al eje de rvide la suisferio sucuador comitad exa
do desde igual que
es decir sest bajo do la otra
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Commons.
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vertical enmo que paas que dero en un ontales p
2. Movimie
onde el ejsto al Polo
otacin deuperficie dr. La latituorta la supacta de los
el horizone 90 y, poi est sobel horizon el Azimu
rizonte qusobre el hdo: Surde: Sur 0ntendemosa por el
ependen dmismo mor diferen
iento Apare
je de rotaco Norte.
e un plandel planetud del Ecperficie des polos. E
nte hasta eor convenbre el honte). Es u
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ue formanhorizonte
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momento sntes obse
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Pgina 40
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El ecuador
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una de lasut.
n el punto. Se mideorteEste,90, Nortete con elastro. La
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Manual Solares
Axel Co
de Diseo s Trmicas s
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situadoscoordena
Declinaclas dos coordenalatitud gterrestreceleste yuna decdeclinacdeclinacigual a la
Ascensiutilizan plongitud partir desegundoest en vernal. S
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s en puntadas son
cin ngucoordenaada es laeogrfica
e. Se midey negativa
clinacin din de +in de 9a latitud d
n Rectapara localterrestre
el punto veos hacia ela posici
Su smbolo
Fig
de InstalacioHE 4 del C.T
tos diferelocales.
lo que foradas del sa ascensi, la diferee en grada si est de 0. Un 90. Un
90. Un asel observa
: Es unaizar los a(coordenaernal en hel Este a n del Soo es .
gura 2.15. De
Fuente
ones T.E.
entes de
rma el Sosistema dn recta. encia es dos y es al sur. U objeto soobjeto so
stro que eador.
a de las astros sobada geoghoras (unlo largo d
ol en el eq
eclinacin y
: Wikimedia
la Tierra.
ol con el ede coorde
La declique sta positiva sn objeto obre el Pobre el Pest en el
coordenabre la esferfica). Laa hora igdel ecuadquinoccio
y Ascensin
Commons.
2. Movimie
Esto sig
ecuador cenadas ecnacin esse mide
si est al en el ecuolo Norte
Polo Sur cenit, tien
adas astrera celestea ascensiual a 15 g
dor celestede prima
Recta.
iento Apare
gnifica qu
celeste. Ecuatoriales compar
e sobre elnorte de
uador celee celeste
celeste tne una de
ronmicaste, equivan recta sgrados), mte. El punavera o e
nte del Sol.
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ue dichas
Es una des, la otra
rable a lal ecuadorl ecuadoreste tienetiene unatiene unaeclinacin
s que selente a lase mide aminutos y
nto Vernalquinoccio
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-
Manual de Diseo y Clculo de Instalaciones Solares Trmicas segn DB HE 4 del C.T.E.
2. Movimiento Aparente del Sol.
Axel Cotn Gutirrez Pgina 42
2.5. SISTEMA DE COORDENADAS GEOGRFICAS.