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UNIVERSIDAD CARLOS III DE MADRIDDEPARTAMENTO DE INGENIERA TRMICA Y DE FLUIDOS REA DE INGENIERA TRMICA

INGENIERA INDUSTRIAL

PROYECTO FIN DE CARRERA

DISEO DE UNA INSTALACIN SOLAR TRMICA MULTIPROPSITO PARA UN EDIFICIO DE VIVIENDAS EN GRANADA

AUTORA: ANA CRIADO GONZLEZ TUTOR: PEDRO A. RODRGUEZ AUMENTE

Universidad Carlos III de Madrid NOMENCLATURA

Diseo de una instalacin solar trmica multipropsito para un edificio de viviendas en Granada

NDICENOMENCLATURA.......................................................................................................... 7 MEMORIA..................................................................................................................... 16 1 INTRODUCCIN................................................................................................... 17 1.1 Origen de la energa solar .............................................................................. 17 1.2 Caractersticas de la energa solar ................................................................. 17 1.3 Obtencin de la energa solar ........................................................................ 18 1.4 Ventajas e inconvenientes de la energa solar ............................................... 19 1.5 Futuro de la energa solar .............................................................................. 20 1.6 Marco actual en Espaa ................................................................................. 21

2

OBJETIVO Y JUSTIFICACIN ............................................................................. 24 2.1 Objetivo .......................................................................................................... 24 2.2 Justificacin .................................................................................................... 24

3

NORMATIVA ......................................................................................................... 26 3.1 Cdigo Tcnico de la edificacin (CTE) ......................................................... 26 3.2 Reglamento de las Instalaciones Trmicas de los edificios (RITE) ................ 26 3.3 Pliego de Condiciones Tcnicas de Instalaciones Solares de Baja Temperatura ................................................................................................... 27 3.4 Documentos Tcnicos de Instalaciones en la Edificacin (DTIE) .................. 27

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PLANTEAMIENTO DEL PROYECTO ................................................................... 28 4.1 Descripcin del edificio .................................................................................. 28 4.2 Descripcin de las viviendas .......................................................................... 32 4.3 Habitabilidad del edificio ................................................................................. 33 4.4 Descripcin de la zona comercial ................................................................... 34

5

DEMANDA DE AGUA CALIENTE SANITARIA ..................................................... 38

1



6

DESCRIPCIN DEL EMPLAZAMIENTO .............................................................. 44 6.1 Caracterizacin del emplazamiento ............................................................... 44 6.2 Radiacin solar ............................................................................................... 47

7

CARGAS TRMICAS ............................................................................................ 54 7.1 Condiciones de diseo ................................................................................... 54 7.1.1 Calefaccin en invierno ........................................................................ 54 7.1.2 Climatizacin en verano ....................................................................... 55 7.2 Clculo de cargas trmicas ............................................................................ 58 7.2.1 Cargas por transmisin ........................................................................ 58 7.2.2 Cargas por radiacin ............................................................................ 67 7.2.3 Cargas trmicas internas ...................................................................... 68 7.2.4 Cargas trmicas debidas a ventilacin ................................................. 71 7.2.5 Cargas trmicas debidas a infiltraciones .............................................. 74 7.2.6 Cargas trmicas debidas a la instalacin ............................................. 76 7.2.7 Coeficiente de seguridad ...................................................................... 77 7.2.8 Resumen de las cargas trmicas ......................................................... 78

8

SISTEMA DE CAPTACIN SOLAR...................................................................... 80 8.1 Principio de funcionamiento del colector ........................................................ 80 8.2 Componentes principales del colector............................................................ 81 8.3 Mezcla de anticongelante ............................................................................... 85 8.4 Prdidas en el colector solar plano ................................................................ 90 8.4.1 Clculo de las resistencias trmicas .................................................... 91 8.4.2 Resumen de resistencias trmicas ..................................................... 101 8.4.3 Clculo de las prdidas mediante las resistencias trmicas .............. 102 8.4.4 Clculo del calor til mediante las resistencias trmicas.................... 104 8.4.5 Complejidad del clculo ...................................................................... 105 8.4.6 Clculo de las prdidas mediante las curvas del fabricante ............... 108 8.4.7 Comparacin de resultados ................................................................ 109

2



8.5 Seleccin del caudal..................................................................................... 110

9

INSTALACIN DE AGUA CALIENTE SANITARIA (ACS) ................................. 113 9.1 Componentes principales de la instalacin de ACS ..................................... 113 9.2 Clculo de la instalacin ............................................................................... 113 9.3 Procedimiento de clculo ............................................................................. 121 9.3.1 Clculos anuales ................................................................................ 122 9.3.2 Clculos mensuales ........................................................................... 123 9.4 Anlisis de resultados................................................................................... 124

10 INSTALACIN DE ACS, CALEFACCIN Y CLIMATIZACIN .......................... 131

10.1 Cumplimiento del Cdigo Tcnico de la Edificacin ..................................... 131 10.2 Determinacin del nmero mximo de colectores ....................................... 131 10.2.1Descripcin de la cubierta del edificio ................................................ 131 10.2.2Determinacin de sombras ................................................................. 132 10.3 Justificacin de la instalacin de ACS, calefaccin y climatizacin ............. 136

11 SISTEMA DE CALEFACCIN ............................................................................ 139 11.1 Sistema de calefaccin por suelo radiante ................................................... 139 11.2 Comparacin del suelo radiante con el sistema de calefaccin tradicional . 139 11.3 Componentes principales del sistema de suelo radiante ............................. 140 11.4 Ventajas del suelo radiante .......................................................................... 141 11.5 Clculo del sistema de ACS y calefaccin ................................................... 144 11.6 Anlisis de resultados................................................................................... 156 11.7 Dimensionado del sistema de calefaccin por suelo radiante ...................... 165

12 SISTEMA DE CLIMATIZACIN .......................................................................... 169 12.1 Sistema de climatizacin mediante mquina de absorcin .......................... 169 12.2 Comparacin del ciclo de absorcin con el ciclo de compresin mecnica . 169 12.3 Componentes principales de la mquina de absorcin ................................ 174

3



12.4 Fluidos de trabajo ......................................................................................... 175 12.5 Ventajas de la mquina de absorcin .......................................................... 178 12.6 Clculo del sistema de ACS y climatizacin................................................. 179 12.7 Anlisis de resultados................................................................................... 192 12.8 Dimensionado del sistema de climatizacin mediante mquina de absorcin .. ...................................................................................................................... 201

13 DISTRIBUCIN DE ENERGA SOLAR .............................................................. 203 13.1 Distribucin de energa solar ........................................................................ 203 13.2 Distribucin de energa solar en los meses con demanda de calefaccin ... 204 13.2.1Anlisis de resultados ......................................................................... 206 13.3 Distribucin de energa solar en los meses con demanda de climatizacin 209 13.3.1Anlisis de resultados ......................................................................... 212 13.3.2Dimensionamiento del disipador ........................................................ 214 13.4 Distribucin de energa solar en los meses frontera .................................... 214 13.5 Resumen de resultados................................................................................ 217 13.5.1Calor til y demanda ........................................................................... 219 13.5.2Distribucin final de energa solar ...................................................... 219

14 SISTEMA DE ACUMULACIN ........................................................................... 222 14.1 Descripcin del sistema de acumulacin ..................................................... 222 14.2 Dimensionado del tanque ACS .................................................................... 223 14.3 Dimensionado del tanque solar .................................................................... 229

15 SISTEMA DE INTERCAMBIO ............................................................................. 230 15.1 Descripcin del sistema de intercambio ....................................................... 230 15.2 Componentes de un intercambiador de calor de placas .............................. 230 15.3 Funcionamiento de los intercambiadores de placas .................................... 233 15.4 Tipos de intercambiadores de placas ........................................................... 234 15.5 Ventajas y limitaciones de los intercambiadores de placas ......................... 236 15.6 Dimensionamiento del sistema de intercambio ............................................ 2384



15.6.1Mtodo de la diferencia efectiva de temperaturas .............................. 238 15.6.2Mtodo de la efectividad y el nmero de unidades de transmisin .... 240 15.6.3Clculo del nmero de placas ............................................................ 241 15.7 Resumen de resultados................................................................................ 242

16 SISTEMA DE DISTRIBUCIN ............................................................................ 246 16.1 Descripcin del sistema de distribucin ....................................................... 246 16.2 Componentes del sistema de distribucin .................................................... 247 16.3 Tuberas ....................................................................................................... 247 16.3.1Caractersticas generales de las tuberas .......................................... 247 16.3.2Dimensionamiento de las tuberas ..................................................... 248 16.4 Aislante de tuberas ...................................................................................... 250 16.4.1Caractersticas generales del aislante de tuberas ............................ 250 16.4.2Dimensionamiento del aislante de tuberas ........................................ 250 16.5 Bombas ........................................................................................................ 251 16.5.1Caractersticas generales ................................................................... 251 16.5.2Clculo de las prdidas de carga ....................................................... 252 16.5.3Seleccin de las bombas de circulacin ............................................. 259 16.6 Vasos de expansin ..................................................................................... 262 16.7 Vlvulas ........................................................................................................ 266

17 SISTEMA AUXILIAR DE ENERGA .................................................................... 267 17.1 Descripcin del sistema auxiliar de energa ................................................. 267 17.2 Tipos de configuracin ................................................................................. 267 17.3 Dimensionamiento del sistema auxiliar de energa ...................................... 269

18 MANTENIMIENTO DE LA INSTALACIN .......................................................... 272 18.1 Plan de vigilancia.......................................................................................... 273 18.2 Plan de mantenimiento preventivo ............................................................... 274

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19 ANLISIS MEDIOAMBIENTAL ........................................................................... 275 19.1 Introduccin .................................................................................................. 275 19.2 Demanda de energa y energa aportada por la instalacin solar ................ 275 19.3 Instalaciones a comparar ............................................................................. 277 19.3.1Instalacin solar .................................................................................. 277 19.3.2Instalacin convencional 1 ................................................................. 278 19.3.3Instalacin convencional 2 ................................................................. 278 19.4 Potencial de emisiones de CO2 ................................................................... 279 19.5 Previsin de impacto ambiental.................................................................... 280 19.5.1Instalacin solar .................................................................................. 281 19.5.2Instalacin convencional 1 ................................................................. 281 19.5.3Instalacin convencional 2 ................................................................. 282 19.6 Comparacin de instalaciones ..................................................................... 283

20 ANLISIS ECONMICO ..................................................................................... 286 20.1 Introduccin .................................................................................................. 286 20.2 Presupuesto ................................................................................................. 286 20.3 Subvenciones ............................................................................................... 289 20.4 Viabilidad econmica.................................................................................... 290 20.5 Viabilidad econmica respecto a la instalacin convencional del tipo 1 ...... 293 20.6 Viabilidad econmica respecto a la instalacin convencional del tipo 2 ...... 298

21 RESUMEN Y CONCLUSIONES ......................................................................... 303 21.1 Resumen ...................................................................................................... 303 21.2 Conclusiones ................................................................................................ 311

22 REFERENCIAS ................................................................................................... 314 PROGRAMACIN EN MATHCAD ............................................................................. 317 PLANOS ..................................................................................................................... 325 HOJAS DE CARACTERSTICAS ............................................................................... 334

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NOMENCLATURA

7



General A rea, m2 Caudal mximo horario, l/h Coeficiente de operacin de la mquina de absorcin Calor especfico a presin constante, J/kgK Dimetro, m Dimetro hidrulico, m Distancia, m Energa, J Grado de estratificacin del tanque Espesor, m Factor de forma Factor de mezcla Factor de friccin Aceleracin de la gravedad m/s2 Altura, m Coeficiente de transferencia de calor por conveccin, W/m2K Calor latente de evaporacin, J/kg Humedad relativa Intensidad media til sobre plano horizontal, W/m2 Intensidad media til sobre plano inclinado, W/m2 Conductividad trmica, W/mK

C maxCOP Cp D Dh d E

ETe

ff

fm

f SFg H h

h fgHR I IT k

8



L

Longitud, m Longitud caracterstica, m Nmero de viviendas estndar Nmero de unidades de transferencia Permetro Caudal a bombear por la bomba l/h Consumo diario, l Consumo mximo diario, l Resistencia trmica, K/ W Seccin, m2 Temperatura, K C; Periodo punta, h Coeficiente global de transferencia de calor, W/m2K Volumen, m3 Vivienda estndar Permeabilidad, m3/m2 h Velocidad, m/s

lcNVE

NTUP

QBombaQdiario QdiarioR S T U V VE

V*v

Letras griegas

ngulo de azimut, rad ; Difusividad, m2/s ngulo de inclinacin rad; Coeficiente volumtrico de expansin trmica, 1/K Eficiencia; Emisividad Porcentaje de propilenglicol Rendimiento

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Conductividad trmica, W/mK Viscosidad dinmica, kg/ms Viscosidad cinemtica del aire, m2/s Volumen especfico, m3/kg Densidad de masa, kg/m3 Constante de Stefan-Boltzmann, W/m2K4 Coeficiente de simultaneidad Relacin de humedad, kg(agua)/kg(aire) Variacin de la demanda de ACS Prdida de carga, Pa

ACSP

Nmero adimensionales Gr Nu Pr Ra Re Nmero de Grashof Nmero de Nusselt Nmero de Prandtl Nmero de Rayleigh Nmero de Reynolds

Colector solar plano

0a1 a2

Rendimiento ptico del colector Coeficiente de la curva de rendimiento, W/m2K Coeficiente de la curva de rendimiento, W/m2K2 Calor til obtenido del colector, W Prdidas pticas en el colector, W

qtilq pticas

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qsupq inf

Prdidas trmicas en el colector por la parte superior, W Prdidas trmicas en el colector por la parte inferior, W Prdidas trmicas totales, W

qp

Resistencias trmicas del colector K/ W

Rconv Rcaja Raislante R fluido Rtubo R placa RradI RconvI Rcristal RconvE R radE

Resistencia de conveccin forzada en la parte trasera de los colectores Resistencia de conduccin en la caja Resistencia de conduccin en el aislante Resistencia de conveccin en el interior de los tubos del colector Resistencia de conduccin en el tubo Resistencia de conduccin en la placa absorbedora Resistencia de radiacin entre el absorbedor y el cristal del colector Resistencia de conveccin entre la placa absorbedora y el cristal de la cubierta Resistencia de conduccin en el cristal de la cubierta Resistencia de conveccin sobre el cristal de la cubierta Resistencia de radiacin en el exterior del cristal de la cubierta

Resistencias trmicas del suelo radiante, K/W

Ragua Rtubo Rcontacto

Resistencia de conveccin del agua que circula por el interior de las tuberas Resistencia de conduccin de las tuberas de polietileno Resistencia trmica de contacto existente entre el material de las tuberas y el cemento

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Rcemento R pavimento Raire RTotal

Resistencia de conduccin del mortero de cemento Resistencia de conduccin del pavimento Resistencia de conveccin del aire del local Resistencia trmica total del suelo radiante

Caudales, l/h

m1

Caudal en el circuito primario Caudal en el circuito secundario Caudal de fluido del circuito de agua caliente sanitaria Caudal de fluido del circuito de consumo Caudal de fluido que circula por el sistema de calefaccin Caudal de fluido que circula por el sistema de climatizacin

m2

macs

mcons

mcale

mc lim

Temperaturas, K

T0

Temperatura ambiente Temperatura seca exterior Temperatura seca del local Temperatura del cielo Temperatura del cristal de la cubierta del colector Temperatura de la superficie interior del cristal de la cubierta

TSE TSL

Tcielo Tcristal Tcristalabajo

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Tplaca Tconfort Tci Tco Tice Tics Tico Tici Tet Tst Tacse Tacss Tacsr Tcons Tgene Tgens Tt1 Tt 2 Tsum

Temperatura de la placa absorbedora Temperatura de confort Temperatura de entrada a colectores Temperatura de salida de colectores Temperatura de entrada al intercambiador de calor solar Temperatura de salida del intercambiador de calor solar Temperatura de entrada al tanque solar (lado primario) Temperatura de salida del tanque solar (lado primario) Temperatura de entrada al tanque solar (lado consumo) Temperatura de salida del tanque solar (lado consumo) Temperatura de entrada al tanque ACS Temperatura de salida del tanque ACS Temperatura de retorno del intercambiador de ACS Temperatura de salida del tanque de ACS a consumo Temperatura de entrada al sistema de calefaccin/climatizacin Temperatura de salida al sistema de calefaccin/climatizacin Temperatura media del tanque solar Temperatura media del tanque ACS Temperatura de suministro al consumidor

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Calores, kW

qtil 90 qtil 78

Calor til que proporciona la instalacin multipropsito diseada con 90 colectores Calor til que proporciona la instalacin multipropsito diseada con 78 colectores Prdidas en el conjunto de todos los colectores Prdida de calor en la tubera de bajada Prdida de calor en la tubera de subida Calor demandado para la produccin de ACS Carga trmica de calefaccin, calor demandado para satisfacer la demanda de calefaccin Carga trmica de climatizacin, calor demandado para satisfacer la demanda de climatizacin Potencia del suelo radiante Potencia de la mquina de absorcin Calor procedente de la instalacin solar destinado a la produccin de ACS Calor procedente de la instalacin solar destinado a satisfacer la demanda de calefaccin Calor procedente de la instalacin solar destinado a satisfacer la demanda de climatizacin Calor excedente

Q PC q p _ bajada q p _ subida qacs qcaleqlim

q SRq MA

qacs _ solar qcale _ solar qc lim_ solar qexcedente

Fracciones solares

f min

Fraccin solar mnima (para ACS) Fraccin solar para ACS

f acs

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f cale f c lim

Fraccin solar para calefaccin Fraccin solar para climatizacin

Variables econmicas

A I inicial Cmtoc

Ahorro de combustible Inversin inicial Coste de mantenimiento Incremento del precio del combustible Tasa de inters Valor de la inflacin

i f

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Universidad Carlos III de Madrid MEMORIA


MEMORIA

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Universidad Carlos III de Madrid Captulo 1 - INTRODUCCIN


1 1.1

INTRODUCCIN Origen de la energa solar

En la dcada de 1970, cuando los pases productores de petrleo elevaron su valor a cifras nunca previstas, los pases consumidores de petrleo comprendieron que era de vital importancia buscar fuentes de energa alternativas a aquellas que se extinguirn eventualmente, las no renovables. Asimismo se comenz a hacer hincapi en un mejor aprovechamiento de la energa, mediante el uso racional y cuidadoso de la misma. De esta forma, se lleg a la conclusin de que la energa obtenida directamente del Sol era la que presentaba mayores posibilidades de aprovechamiento de entre todas las energas renovables.

1.2

Caractersticas de la energa solar

La energa solar es un tipo de energa renovable y limpia, perteneciente al grupo de energas consideradas verdes, las cuales provienen de fuentes respetuosas con el medio ambiente, ya que no inciden sobre l de manera negativa. La potencia de la radiacin solar vara de acuerdo al momento del da, las condiciones atmosfricas y la latitud. La radiacin solar nunca ser igual a lo largo de un ao, ya que muy probablemente disminuir durante el invierno (que es la poca del ao en la cual solemos requerir la mayor cantidad de energa). De modo que ha de tenerse en cuenta que esta energa est sometida a permanentes fluctuaciones. La radiacin solar puede ser aplicada principalmente de dos maneras:

A travs de tecnologas (obteniendo de este modo energa trmica y elctrica). En forma directa, ya sea a travs del viento, las olas o la fotosntesis (combinadas con el uso de tecnologas, se conseguir energa trmica y elctrica).

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Dentro de estos dos grupos de aprovechamiento de energa solar pueden encontrarse, entre muchos otros, los siguientes tipos de energa: energa solar pasiva, que aprovecha el calor del Sol sin la necesidad de un sistema mecnico. energa solar hbrida, que combina este tipo de energa con el uso de combustibles. energa elico solar, que funciona con el aire calentado por el Sol. 1.3 Obtencin de la energa solar

Captando de forma adecuada la radiacin solar puede obtenerse calor y electricidad. El calor se logra mediante los captadores o colectores trmicos, y la electricidad, a travs de los denominados mdulos fotovoltaicos. Ambos procesos nada tienen que ver entre s, ni en cuanto a su tecnologa ni en su aplicacin. Sistemas de aprovechamiento trmico El calor recogido en los colectores puede destinarse a satisfacer numerosas necesidades. Por ejemplo, se puede obtener agua caliente para consumo domstico o industrial, o bien para dar calefaccin a las viviendas, hoteles, colegios, fbricas, etc. Incluso se pueden climatizar las piscinas y permitir el bao durante gran parte del ao. Otra de las ms prometedoras aplicaciones del calor solar es la refrigeracin durante las pocas clidas. En efecto, la obtencin de fro requiere una fuente de calor, la cual puede perfectamente tener su origen en unos colectores solares instalados en el tejado o azotea. Las aplicaciones agrcolas son muy amplias. Con invernaderos solares pueden obtenerse mayores y ms tempranas cosechas; los secaderos agrcolas consumen mucha menos energa si se combinan con un sistema solar. Otro ejemplo son las plantas de purificacin o desalinizacin de aguas que pueden funcionar sin consumir ningn tipo de combustible.

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Sistemas de aprovechamiento elctrico Actualmente los paneles solares se perfilan como la solucin definitiva al problema de la electrificacin rural, con clara ventaja sobre otras alternativas, puesto que los paneles que carecen de partes mviles, resultan totalmente inalterables al paso del tiempo, no contaminan ni producen ningn ruido en absoluto y no consumen combustible. Adems, y aunque con menos rendimiento, funcionan tambin en das nublados, puesto que captan la luz que se filtra a travs de las nubes. La electricidad que as se obtiene puede usarse de manera directa (por ejemplo para sacar agua de un pozo o para regar, mediante un motor elctrico), o bien puede ser almacenada en acumuladores para usarse en las horas nocturnas. Tambin es posible inyectar la electricidad generada en la red general, obteniendo un importante beneficio. Si se consigue que el precio de las clulas solares siga disminuyendo, inicindose su fabricacin a gran escala, es muy probable que, para la segunda dcada del siglo, una buena parte de la electricidad consumida en los pases ricos en sol tenga su origen en la conversin fotovoltaica.

1.4

Ventajas e inconvenientes de la energa solar

Pueden enumerarse las siguientes ventajas de la energa solar frente a otras no renovables: Es energa no contaminante. No hay emisin de dixido de carbono a la atmsfera y los impactos ambientales por la contaminacin de aire y agua son bajos. Proviene de una fuente de energa inagotable. El Sol 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. Es un sistema de aprovechamiento de energa idneo para zonas donde el tendido elctrico no llega (campo, islas), o es dificultoso y costoso su traslado. La tecnologa est bien desarrollada y puede instalarse con rapidez.

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El coste de dichos sistemas disminuye a medida que la tecnologa se desarrolla, mientras que el coste de los combustibles aumenta con el paso del tiempo porque las reservas tienden a agotarse dado el ritmo de consumo actual. La utilizacin de la energa solar no est exenta de desventajas, tales como las que se enumeran a continuacin: El nivel de radiacin flucta de una zona a otra y de una estacin del ao a otra. La radiacin solar es menor en invierno, precisamente cuando ms se suele necesitar. Para recolectar energa solar a gran escala se requieren grandes extensiones de terreno. Requiere gran inversin inicial, de modo que los costes iniciales pueden desalentar a los compradores. Se debe complementar este mtodo de convertir energa con otros. La energa solar puede ser complementada con otras energas convencionales, para evitar la necesidad de grandes y costosos sistemas de acumulacin. Los lugares donde hay mayor radiacin, son lugares desrticos y alejados, en los que la energa no se aprovecha para desarrollar actividad agrcola o industrial, etc. 1.5 Futuro de la energa solar

El futuro de la energa solar reside en ver a la energa fotovoltaica como una solucin viable al reemplazo de los combustibles fsiles. La energa solar es la que ayudar a las naciones ms pobres a vivir dignamente, pues el Sol es una fuente de energa gratuita para todos los habitantes del planeta y la clave est en saber aprovecharla. Los proyectos para promulgar un excelente y eficiente futuro de la energa solar tendrn lugar en algunos lugares europeos pero ocuparn mayormente las reas pobres. Pese a que el Sol s es una fuente de energa gratuita, las energas elctrica y trmica derivadas tecnolgicamente de l no lo son debido a las costosas instalaciones que han de amortizarse y mantenerse. Por ello ser necesario que los

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gobiernos fomenten el plan de subvenciones y crditos para la comercializacin de los paneles fotovoltaicos. Por otro lado, se pedir a la gente que deje algunos prejuicios de lado ya que la energa elctrica convencional no brinda mejores resultados que la que se obtiene a partir de la radiacin solar. La manera de eliminar dichos prejuicios es disear instalaciones eficientes y operativas que, aunque parcialmente basadas en energas renovables, proporcionen un servicio de calidad similar a las actuales. Ello pasa por la integracin de las energas renovables en sistemas hbridos que, mediante el apoyo parcial en tecnologas convencionales alcancen los siguientes objetivos: La reduccin en el consumo de energa primaria. La reduccin de emisiones contaminantes a la atmsfera. La estabilidad del suministro elctrico. En definitiva, no bastar con disminuir el consumo el consumo de energa primaria. Dicha disminucin deber ir acompaada de un cambio en las polticas energticas, apostando fuerte por recursos energticos inagotables e inocuos como la energa solar.

1.6

Marco actual en Espaa

El Plan de Energas Renovables en Espaa (PER) 2005-2010 constituye la revisin del Plan de Fomento de las energas Renovables en Espaa 2000-2010 hasta ahora vigente, y trata de mantener el compromiso de cubrir con fuentes renovables al menos el 12% del consumo total de energa en 2010. En Espaa, la creciente y excesiva dependencia energtica exterior -alrededor de un 80% en los ltimos aos- y la necesidad de preservar el medio ambiente, obligan al fomento de frmulas eficaces para un uso eficiente de la energa y la utilizacin de fuentes limpias. Por tanto, el crecimiento sustancial de las fuentes renovables, junto con una importante mejora de la eficiencia energtica, responde a motivos de estrategia econmica, social y medioambiental.

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El sol es una fuente de energa abundante y con amplias posibilidades, que est llamada a jugar un papel mucho ms importante en nuestro pas que el que actualmente desempea. Espaa, por su privilegiada situacin y climatologa, se ve particularmente favorecida respecto al resto de los pases de Europa, ya que sobre cada metro cuadrado de su suelo inciden al ao unos 1.500 Kwh de energa. La aplicacin de la energa solar trmica asociada a la aprobacin del Cdigo Tcnico de la Edificacin puede presentar un gran desarrollo en Espaa debido a las siguientes razones: Existencia de recursos solares muy favorables para el desarrollo de esta tecnologa. Adecuacin tcnica y econmica de la energa solar trmica al sector de nuevas viviendas con grandes perspectivas de desarrollo en los prximos aos. Oportunidad para que una gran parte de la sociedad participe directamente en el desarrollo de las energas renovables. Las medidas planteadas en el PER estn dirigidas a salvar las barreras de carcter econmico, tecnolgico y social existentes. El xito de los importantes objetivos de crecimiento est ligado a salvar dichas barreras. Se plantean las siguientes lneas de innovacin tecnolgica durante el horizonte del Plan:

Desarrollo de nuevos captadores Para aplicaciones a temperatura del rango del agua caliente puede ser interesante en Espaa el desarrollo de captadores de bajo coste, basados en la aplicacin de nuevos materiales u otros conceptos.

Procesos de fabricacin Se hace necesaria una apreciable innovacin en los procesos de fabricacin, comenzando por la automatizacin de los mismos e implementando nuevas lneas con tecnologas avanzadas y nuevos productos.22



Nuevas aplicaciones La refrigeracin con energa solar es una aplicacin muy prometedora con un alto potencial para la energa solar trmica ya que la demanda de refrigeracin en edificios est creciendo y dando lugar a un incremento de consumo de energa elctrica y de problemas de abastecimiento. En muchos de los procesos industriales, una parte de la demanda de calor podra ser cubierta con energa solar. La desalinizacin solar es una aplicacin que podra desarrollarse como solucin en situaciones especficas.

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Universidad Carlos III de Madrid


Captulo 2 - OBJETIVO Y JUSTIFICACIN

2 2.1

OBJETIVO Y JUSTIFICACIN Objetivo

El objetivo del presente proyecto es el diseo de una instalacin solar trmica de baja temperatura para el suministro de agua caliente sanitaria (ACS) de un edificio de viviendas y para la calefaccin y climatizacin de la zona comercial situada en la planta baja de dicho edificio. Para ello se realizar un estudio detallado de la demanda de ACS y de las cargas trmicas de calefaccin y climatizacin, disendose para tales condiciones la instalacin ms apropiada. Asimismo se realizar un estudio de impacto ambiental en el que se calcular la reduccin de las emisiones de gases contaminantes, tales como el CO2, a la atmsfera. Por ltimo resulta imprescindible una valoracin econmica de la instalacin, ya que, para que resulte una alternativa atractiva para los consumidores, no se debe incurrir en mayores costes que los que suponen los sistemas tradicionales.

2.2

Justificacin

El mundo basa su constante desarrollo en el creciente consumo de energa en alguna de sus variantes: petrleo, gas, carbn, electricidad, etc. Tanto es as que la riqueza y la calidad de vida de las diferentes regiones est directamente relacionada con el uso de los recursos energticos. El consumo de energa se ha tomado como indicador del desarrollo industrial: a ms consumo, ms desarrollo. De la necesidad de cambiar este concepto y de generar un

cambio en los hbitos de consumo energtico actuales, surge el desarrollo de este proyecto. Al mismo tiempo se afronta el problema de la escasez de combustibles fsiles y se pretende reducir las emisiones de gases de efecto invernadero a la atmsfera. No sera racional no intentar aprovechar, por todos los medios tcnicamente posibles, la energa proveniente del Sol, fuente energtica gratuita, limpia e inagotable, que disminuye dependencia del petrleo o de otras alternativas poco seguras, contaminantes o, simplemente, agotables.

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Captulo 2 - OBJETIVO Y JUSTIFICACIN

La realizacin de este proyecto tiene en cuenta las ventajas que lleva consigo una instalacin con colectores solares:Reduccin de la emisin de gases de efecto invernadero a la atmsfera y contribucin al cumplimiento de los compromisos establecidos en el Protocolo de Kyoto. Utilizacin de una fuente de energa renovable e inagotable. Contribucin a la diversificacin energtica lo que implica la disminucin del grado de dependencia de recursos fsiles. Desarrollo de actividades econmicas e industriales, con efectos positivos sobre la economa. Reduccin de las prdidas en el transporte de la energa, pues se produce en el mismo lugar que se consume, lo que supone un aumento de la eficiencia energtica.

25

Universidad Carlos III de Madrid Captulo 3 - NORMATIVA


3

NORMATIVA

El presente proyecto se ha desarrollado considerando las especificaciones indicadas en la normativa que se comenta a continuacin: 3.1 Cdigo Tcnico de la edificacin (CTE)

Es el marco normativo por el que se regulan las exigencias bsicas de calidad que deben cumplir los edificios, incluidas sus instalaciones, para satisfacer los requisitos bsicos de seguridad y habitabilidad. El CTE establece dichas exigencias bsicas para cada uno de los requisitos bsicos de seguridad estructural, seguridad en caso de incendio, seguridad de utilizacin, higiene, salud y proteccin del medio ambiente, proteccin contra el ruido y ahorro de energa y aislamiento trmico. stas deben cumplirse tanto en el proyecto, como en la construccin, el mantenimiento y la conservacin de los edificios y sus instalaciones. En la seccin HE 1 de este documento, se hace referencia a la limitacin de demanda energtica, agrupando las caractersticas con las que limitar adecuadamente la demanda de energa en el edificio para alcanzar el bienestar trmico, en funcin del clima de la localidad, del uso del edificio, de la estacin

3.2

Reglamento de las Instalaciones Trmicas de los edificios (RITE)

Constituye el marco normativo bsico en el que se regulan las exigencias de eficiencia energtica y de seguridad que deben cumplir las instalaciones trmicas en los edificios para atender la demanda de bienestar e higiene de las personas. Se desarrolla con un enfoque basado en prestaciones u objetivos, es decir, expresando los requisitos que deben satisfacer las instalaciones trmicas sin obligar al uso de una determinada tcnica o material ni impidiendo la introduccin de nuevas tecnologas y conceptos en cuanto al diseo. Este enfoque se contrapone al enfoque tradicional de especificaciones tcnicas detalladas que limitan la gama de soluciones aceptables e impiden el uso de nuevos productos y de tcnicas innovadoras.

26

Universidad Carlos III de Madrid Captulo 3 - NORMATIVA


3.3

Pliego de Condiciones Tcnicas de Instalaciones Solares de Baja Temperatura

El objeto de este documento es fijar las condiciones tcnicas mnimas que deben cumplir las instalaciones solares trmicas para calentamiento de lquido, especificando los requisitos de durabilidad, fiabilidad y seguridad.

3.4

Documentos Tcnicos de Instalaciones en la Edificacin (DTIE)

En la realizacin de este proyecto se ha tenido en cuenta el volumen DTIE 1.01 sobre la preparacin de agua caliente para usos sanitarios y el volumen DTIE 8.03 que se refiere a las instalaciones solares trmicas para produccin de agua caliente sanitaria.

27



Captulo 4 - PLANTEAMIENTO DEL PROYECTO

4 4.1

PLANTEAMIENTO DEL PROYECTO Descripcin del edificio

El edificio en el que se basa la realizacin de este proyecto es un bloque de viviendas que consta de garaje, zona comercial, siete plantas de viviendas, tico y cubierta, localizado en la provincia de Granada.

Figura 4.1- Mapa de Espaa (FUENTE: www.educacion.es)

La seccin transversal del edificio objeto de estudio es la que se muestra a continuacin:

28




Figura 4.2 - Seccin del edificio (FUENTE: Dpto. Ingeniera Trmica y Fluidos. Universidad Carlos III Madrid)

Stanos de garajes Existen cuatro plantas subterrneas dedicadas al aparcamiento de los vehculos de los propietarios de las viviendas. En total hay cabida para 129 coches. El acceso a las viviendas puede realizarse directamente desde cada una de estas plantas a travs de dos ascensores y una escalera por cada portal. La distribucin de cada uno de los stanos es la siguiente: Planta del stano 4: consta de 34 plazas de aparcamiento.

Figura 4.3 - Planta del stano 4 (FUENTE: Dpto. Ingeniera Trmica y Fluidos. Universidad Carlos III Madrid)

29




Planta del stano 3: consta de 33 plazas de aparcamiento.






30




Planta baja La planta baja consta de dos portales, una amplia zona comercial, dos zonas de trasteros comunitarios y dos zonas de instalaciones. A los ascensores y las escaleras mencionadas anteriormente hay que aadir un nuevo acceso a las viviendas mediante escaleras desde la planta baja en cada uno de los portales.

Figura 4.7 - Planta baja (FUENTE: Dpto. Ingeniera Trmica y Fluidos. Universidad Carlos III Madrid)

Asimismo es posible apreciar la rampa de acceso al garaje. Planta tipo El edificio de viviendas objeto de estudio consta de siete pisos. A uno de los portales le corresponden ocho viviendas de un dormitorio por piso. Al otro, le corresponden dos viviendas de tres dormitorios, cinco viviendas de dos dormitorios y una de un dormitorio, por piso. La distribucin de todas las viviendas es la que se muestra a continuacin.

Figura 4.8 - Planta tipo (FUENTE: Dpto. Ingeniera Trmica y Fluidos. Universidad Carlos III Madrid)

31




tico El edificio presenta un ltimo piso acondicionado para viviendas. La planta del tico es la siguiente:

Figura 4.9 - Planta tico (FUENTE: Dpto. Ingeniera Trmica y Fluidos. Universidad Carlos III Madrid)

El tico consta de ocho viviendas, cuatro correspondientes a cada portal, de un dormitorio cada una de ellas.

4.2

Descripcin de las viviendas

Existen tres tipos de viviendas estndar en el edificio. Las viviendas estndar de un dormitorio presentan un cuarto de bao con baera, saln comedor y cocina. Tienen una superficie habitable de aproximadamente 52 m2, salvo las localizadas en el tico que tienen unos 40 m2. Las viviendas estndar de dos dormitorios tienen una superficie habitable de unos 76 m2. Presentan un cuarto de bao con baera, un aseo con plato de ducha, saln comedor y cocina. Las viviendas estndar de tres dormitorios tienen las mismas caractersticas que las de dos, pero con una habitacin ms.

32




4.3

Habitabilidad del edificio

La estimacin del nmero de personas que habitan el edificio objeto de estudio se realiza a partir de una asignacin de personas por vivienda siguiendo las indicaciones dadas en el Cdigo Tcnico de la Edificacin. En la seccin HE 4 de dicho documento se hace referencia a la contribucin mnima de agua caliente sanitaria. Atendiendo al uso residencial de las viviendas, el nmero mnimo de personas por cada una de ellas es el que se muestra en la siguiente tabla.Nmero de dormitorios Nmero de personas

1

2

3

4

5

6

7

Ms de 7

1.5

3

4

6

7

8

9

N de dormitorios

Con los datos anteriores es posible estimar el nmero de habitantes en una planta tipo como sigue a continuacin:

1.5 personas 3 personas 4 personas 9VE (1D) + 5VE (2 D) + 2VE (3D) = 36.5 personas VE (1D) VE (2 D) VE (3D)

Como existen 7 pisos en el edificio con las mismas caractersticas, es preciso multiplicar el resultado anterior por siete, lo que da lugar a 255.5 personas.

Asimismo hay que aadir el nmero de personas que pueden habitar el tico:

1.5 personas 8VE (1D) = 12 personas VE (1D)Por lo tanto el nmero mnimo de habitantes en el edificio es de 267.5. Dado que los valores que se reflejan en la exigencia bsica utilizada son mnimos, de aqu en adelante se considerar que la ocupacin del edificio a estudiar es de 268 habitantes.

33




4.4

Descripcin de la zona comercial

La zona comercial de la planta baja del edificio es un local de aproximadamente 282 m2 destinado a la ubicacin de un gimnasio.

ALOCAL = 30.3m(3.4 + 6.2)m 5.4m1.7m = 281.7m 2

Figura 4.10 - Detalle zona comercial (planta) (FUENTE: Elaboracin propia)

A continuacin se detallan las dimensiones de cada una de las paredes del local comercial segn su orientacin. Cara norte Corresponde con la parte trasera del local. Se distinguen en ella tres zonas, una contigua a la zona de instalaciones y el porche de uno de los portales del edificio, otra contigua a la zona de instalaciones y el porche del otro portal y una tercera parte que comunica con un patio de luces. Tiene ventanas que facilitan la ventilacin, de las siguientes dimensiones:

Figura 4.11- Detalle zona comercial (cara norte) (FUENTE: Elaboracin propia)

34



Captulo 4 - PLANTEAMIENTO DEL PROYECTONORTE AVENTANAS = 2(0.35m3.5m) + 3(0.35m4m) = 6.65m 2

NORTE NORTE APARED = 3.1m(11.8m + 1.7 m + 5.4m + 1.7m + 13.1m) AVENTANAS = 97.82m 2

Cara este Se trata de una pared contigua al trastero comunitario y a la zona de escaleras y ascensores de uno de los dos portales del edificio. Desde el interior del gimnasio la cara este del local presenta las dimensiones que se muestran a continuacin.

Figura 4.12 - Detalle zona comercial (cara este)

(FUENTE: Elaboracin propia)ESTE APARED = 3.1m(3.4m + 6.2m) = 29.76m 2

Cara sur Corresponde con la parte delantera del local. Se trata de una pared contigua a la calle y que consta de dos puertas de idnticas dimensiones que se identifican como la puerta principal del establecimiento y una puerta secundaria utilizable en caso de emergencias. Asimismo esta cara del local presenta cinco ventanas de las mismas caractersticas que las de la cara norte.

Figura 4.13 - Detalle zona comercial (cara sur) (FUENTE: Elaboracin propia)

35



Captulo 4 - PLANTEAMIENTO DEL PROYECTOSUR AVENTANAS = 50.35m4m = 7m 2SUR APUERTA PRINCIPAL = 2.8m2.5m = 7m 2

SUR APUERTA EMERGENCIA = 2.8m2.5m = 7 m 2

SUR SUR SUR SUR APARED = 3.1m30.3m AVENTANAS APUERTA PRINCIPAL APUERTA EMERGENCIA = 72.93m 2

Cara oeste Se trata de una pared contigua al trastero comunitario y al descansillo de las escaleras y ascensores de uno de los dos portales del edificio. Desde el interior del gimnasio la cara oeste del local presenta las dimensiones que se muestran a continuacin.

Figura 4.14 - Detalle zona comercial (cara oeste) (FUENTE: Elaboracin propia)

OESTE APARED = 3.1m(6.2m + 3.4m) = 29.76m 2

Continuando el estudio de la zona comercial, para determinar la ocupacin del gimnasio y poder calcular posteriormente la demanda de agua caliente sanitaria correspondiente a este tipo de establecimiento, se debe tener en cuenta el carcter simultneo o alternativo del recinto, considerando el rgimen de actividad y de uso previsto. El Cdigo Tcnico de la Edificacin recoge las exigencias bsicas de seguridad en caso de incendios. En la seccin SI 3, que hace referencia a la evacuacin de ocupantes, se indica la densidad de ocupacin en funcin de la superficie til del recinto.

36




Uso previsto

Ocupacin Zona, tipo de actividad (m2/persona) 10

Conjunto de la planta o del edificio Locales diferentes de aulas, como laboratorios, talleres, gimnasios, salas de dibujo, etc. Docente Aulas (excepto de escuelas infantiles) Aulas de escuelas infantiles y salas de lectura de bibliotecas

5 1.5

2

Por lo tanto, dada la superficie til del local y los datos de la tabla anterior, puede calcularse la densidad de ocupacin del gimnasio como sigue a continuacin:

1 persona 282m 2 = 56.4 personas 5m 2El local utilizado como gimnasio puede dar servicio, cumpliendo las exigencias de evacuacin en caso de incendio, a 56 usuarios.

37



Captulo 5 - DEMANDA DE AGUA CALIENTE SANITARIA

5

DEMANDA DE AGUA CALIENTE SANITARIA

El clculo de la demanda de agua caliente sanitaria depende del consumo que se realice en las viviendas as como de la demanda de ACS del local comercial de la planta baja, en este caso, los litros de ACS que demanda el gimnasio. En el artculo 7 de la ordenanza municipal sobre captacin solar trmica en el municipio de Granada se recoge una tabla con los siguientes parmetros para la baremacin del consumo de ACS.

Tipo Viviendas Hospitales y clnicas (*) Residencias geritricas (*) Hoteles Camping Gimnasios y vestuarios deportivos Fbricas y talleres Cuarteles (*) (*) Sin considerar el consumo de comedores

Consumo diario 40 l/persona 60 l/cama 40 l/persona 100 l/habitacin 60 l/emplazamiento 30 a 40 l/usuario 20 l/persona 30 l/persona y lavanderas.

La temperatura del agua caliente se establece en 45 C, sin embargo, en el Documento Tcnico de Instalaciones en la Edificacin (DTIE 1.01), que versa sobre la preparacin de agua caliente para usos sanitarios, se indica que para edificios destinados a uso residencial con sistemas dotados de acumulacin el ACS se preparar a la temperatura de 60 C, en cumplimiento de las recomendaciones de la norma UNE 1000.030.38




El problema de la legionela requiere preparar el agua a 60 C, por lo menos para instalaciones centralizadas con acumulacin. Los brotes de legionelosis aparecen cuando las personas inhalan aerosoles que contienen agua (por ejemplo, los procedentes de las torres de agua para refrigeracin de aire acondicionado, fuentes, aspersores de riego, duchas, etc.) contaminados con la bacteria de la legionela Los organismos de la legionela se pueden encontrar en diversos tipos de sistemas de agua. No obstante, la bacteria se reproduce en grandes cantidades en las aguas calientes y estancadas (32-40C), como las de ciertos sistemas de conduccin de agua y tanques de agua caliente, torres de refrigeracin y condensadores evaporativos de grandes sistemas de aire acondicionado y en los remolinos de agua de los balnearios.

Los fundamentos de la prevencin de la legionelosis son el diseo y mantenimiento mejorados de las torres de refrigeracin y los sistemas de conduccin de agua (especialmente del agua caliente sanitaria, para limitar el crecimiento y expansin de los microorganismos de la legionela. Es evidente que las razones sanitarias deben prevalecer sobre cualquier otra consideracin.

Por lo anteriormente indicado sobre la legionela, la demanda de agua caliente sanitaria se calcula a partir de la informacin de la seccin HE 4 del Cdigo Tcnico de la Edificacin, del que se extrae la siguiente tabla detallada sobre la demanda de ACS a 60.

39




Criterio de demanda Viviendas unifamiliares Viviendas multifamiliares Hospitales y clnicas Hotel **** Hotel ** Hotel/Hostal ** Camping Hostal/Pensin * Residencia etc.) (ancianos, 30 22 55 70 55 40 40 35 estudiantes, 55

Litros ACS/da a 60C Por persona Por persona Por cama Por cama Por cama Por cama Por emplazamiento Por cama Por cama

Vestuarios/Duchas colectivas Escuelas Cuarteles Fbricas y talleres Administrativos Gimnasios Lavanderas Restaurantes Cafeteras

15 3 20 15 3 20 a 25 3a5 5 a 10 1

Por servicio Por alumno Por persona Por persona Por persona Por usuario Por kilo de ropa Por comida Por almuerzo

La demanda de ACS de todo el edificio se estima teniendo en cuenta la demanda de las viviendas y la del gimnasio de la zona comercial de la planta baja, tal y como se muestra a continuacin:40




V ACS = V VIVIENDAS + V GIMNASIO = 268 personas

22 litros ACS persona y dia

+ 56 usuarios

25 litros ACS usuario y dia

V ACS = V VIVIENDAS + V GIMNASIO =

5896 litros ACS dia

+

1400 litros ACS dia

V ACS =

7296 litros ACS dia

Hay que tener en cuenta que la demanda de ACS vara a lo largo del ao debido principalmente a dos factores: La temperatura del agua de la red de abastecimiento cambia a lo largo del ao. La temperatura a la que se demanda el agua en verano es menor.

Estadsticamente est demostrado que la demanda de ACS flucta en funcin de la poca del ao. En el documento DTIE 1.01 sobre la preparacin de agua caliente para usos sanitarios, se recoge la siguiente grfica que representa la variacin media del consumo mensual.

41




Variacin media del consumo mensual (% )15 10 5 0 -5 -10 -15 -20 -25 Ene Feb Mar Abr May Jun Jul Ago Sep Oct Nov Dic

Se aprecia que durante los meses de verano la demanda de ACS disminuye notablemente. Por tanto, la grfica anterior puede interpretarse como un factor de correccin del consumo mes a mes, que se muestra en la siguiente tabla:ENE 1.12 FEB 1.08 MAR 1.03 ABR 1.09 MAY 1.04 JUN 1.02 JUL 0.90 AGO 0.79 SEP 0.91 OCT 0.94 NOV 1.02 DIC 1.08

Por otra parte la instalacin slo es capaz de funcionar durante las horas en las que hay aporte solar, de modo que hay que considerar las horas de sol propias de cada mes. Con todo ello, el consumo medio mensual se calcula como se indica a continuacin:

l kg da ACS agua l kg m = h s s HorasSol 3600 h da

V

ACS

42




La demanda energtica de ACS se calcula considerando la temperatura de preparacin o suministro 60C, por los problemas derivados de la bacteria legionela que se comentaron anteriormente y mediante la siguiente expresin: kg J QACS [W ] = m Cp (TSUM TRED ) [K ] s kgK

La demanda energtica mensual de ACS, teniendo en cuenta las horas de sol al da y la variacin de la demanda a lo largo de ao, da como resultado los datos que se recogen en la siguiente tabla:Demanda MES Variacin demanda Horas de Sol

TSUM

TRED

Consumo

QACS

(l

da )

( C ) ( C )60 60 60 60 60 60 60 60 60 60 60 60 6 7 8 11 12 13 14 13 12 11 9 6

(kg s )0.282 0.242 0.231 0.231 0.221 0.217 0.191 0.168 0.204 0.211 0.257 0.290

(kW )64.64 54.38 50.88 48.07 44.93 43.15 37.26 33.42 41.50 43.76 55.60 66.49

ENE FEB MAR ABR MAY JUN JUL AGO SEP OCT NOV DIC

7296 7296 7296 7296 7296 7296 7296 7296 7296 7296 7296 7296

1.12 1.08 1.03 1.09 1.04 1.02 0.9 0.79 0.91 0.94 1.02 1.08

8 9 9 9.5 9.5 9.5 9.5 9.5 9 9 8 7.5

43



Captulo 6 - DESCRIPCIN DEL EMPLAZAMIENTO

6 6.1

DESCRIPCIN DEL EMPLAZAMIENTO Caracterizacin del emplazamiento

La zona climtica en la que se encuentra el edifico es un factor a considerar en la realizacin de un proyecto de estas caractersticas pues influye en parmetros como la temperatura de suministro o la fraccin de aporte solar (factor f). En la seccin HE 4 del Cdigo Tcnico de la Edificacin se incluye el siguiente mapa de la pennsula Ibrica dividida en distintas regiones segn las condiciones climticas.

Figura 6.1 - Mapa de distribucin de las zonas climticas (FUENTE: Cdigo Tcnico de la Edificacin)

GRANADA

Almuecar Baza Granada Guadix Loja Motril

IV V IV IV IV V44




El edificio objeto de estudio en este proyecto se encuentra localizado en Granada capital, ciudad encuadrada en la zona climtica IV. La contribucin solar mnima anual es la fraccin entre los valores anuales de la energa solar aportada exigida y la demanda energtica anual, obtenidos a partir de los valores mensuales. En el caso general en el que la fuente energtica de apoyo sea gasleo, propano, gas natural u otras, la contribucin solar mnima anual para cada zona climtica se indica en la siguiente tabla extrada del CTE.

En este caso, para la zona climtica IV, una demanda de ACS de 7296 litros /da y a una temperatura de suministro de 60C, la contribucin solar mnima anual es de 70, es decir, que la fraccin de aporte solar, f, es un 70%. El emplazamiento del edificio define el valor de ciertos parmetros como la temperatura media del agua de la red general, la temperatura media ambiente durante las horas de sol, la temperatura mnima histrica (la ms baja que se haya medido desde el primer ao que se conservan registros de datos), as como la altitud, la latitud, y la longitud. Estos datos se obtienen del Pliego de Condiciones Tcnicas de Instalaciones de Baja Temperatura.

45




TRED ( C )ENE FEB MAR ABR MAY JUN JUL AGO SEP OCT NOV DIC 6 7 9 11 12 13 14 13 12 11 9 6 AO 10.3

T0 ( C )ENE FEB MAR ABR MAY JUN JUL AGO SEP OCT NOV DIC 9 10 13 16 18 24 27 27 24 18 13 9 AO 17.3

ALTITUD(m) GRANADA 775

LATITUD () 37.2

LONGITUD() 3.7 W

TMIN HISTRICA-13 C

Los datos de la humedad relativa exterior

pueden obtenerse de la pgina de

Meteored, de la que se han obtenido los siguientes valores:

ENE HREXT(%) 82

FEB 79

MAR 72

ABR 67

MAY 59

JUN 50

JUL 40

AGO 48

SEP 58

OCT 68

NOV 81

DIC 81

46




6.2

Radiacin solar

La radiacin solar es el flujo de energa que se recibe del Sol en forma de ondas electromagnticas de diferentes frecuencias (luz visible, infrarroja y ultravioleta). Aproximadamente la mitad de ellas, comprendidas entre 0.4 m y 0.7 m, pueden ser detectadas por el ojo humano, constituyendo lo que se denomina como luz visible. De la otra mitad, la mayor parte se sita en la parte infrarroja y una pequea parte en el ultravioleta. Existen tres tipos de radiaciones que alcanzan la superficie de la Tierra: Radiacin directa: llega a la Tierra en lnea recta desde el crculo solar, sin haber sufrido cambio alguno en su direccin. Este tipo de radiacin se caracteriza por proyectar una sombra definida de los objetos opacos que interceptan. Radiacin difusa: se difunde y dispersa al chocar con la atmsfera. Va en todas direcciones como consecuencia de las reflexiones y absorciones tanto de las nubes como de las partculas de polvo atmosfrico, montaas, rboles, edificios, el propio suelo, etc. Radiacin de albedo: procede de cuerpos cercanos. La cantidad de radiacin de este tipo depende del coeficiente de reflexin de la superficie, denominado albedo. Generalmente no se considera a efectos de clculo debido a las dificultades para determinar su valor, pues depende de los objetos visibles por los captadores solares por encima de la lnea del horizonte. La suma de estos tres tipos de radiacin se denomina radiacin global. La radiacin suele referirse a un plano horizontal, pues los instrumentos de medida y valoracin se posicionan horizontalmente. El dato de la energa por radiacin incidente se relaciona con la cantidad de energa que se puede obtener de la instalacin y es imprescindible para calcular el nmero de colectores necesarios con los que elevar la temperatura del agua de red hasta la de suministro.

47




La energa que incide en Granada capital sobre un metro cuadrado se superficie horizontal en un da medio de cada mes se recoge en la siguiente tabla extrada de Censolar.

IMJ

ENE

FEB

MAR

ABR

MAY

JUN

JUL

AGO

SEP

OCT

NOV

DIC

AO

m2

7.8

10.8

15.2

18.5

21.9

24.8

26.7

23.6

18.8

12.9

9.6

7.1

16.5

De la misma referencia se obtiene la Intensidad media til sobre horizontal, en un da medio de cada mes medida en W/m2. En los siguientes valores ya se ha tenido en cuenta el periodo til del da en cuanto a la posibilidad de aprovechamiento de energa solar, es decir, se ha deducido la energa incidente en los primeros y ltimos momentos del da, en que la oblicuidad de los rayos es muy grande y no se aprovecha dicha energa.

IW

ENE

FEB

MAR

ABR

MAY

JUN

JUL

AGO

SEP

OCT

NOV

DIC

AO

m2

255

314

441

508

603

682

733

649

546

375

313

246

472.1

I (W/m2) 800 700 600 500 400 300 200 100 0 Ene Feb Mar Abr May Jun Jul Ago Sep Oct Nov Dic

48




Los colectores solares deben tener una orientacin e inclinacin adecuada para poder recibir los rayos solares en forma perpendicular. En el anexo V del Cdigo Tcnico se recoge la forma de determinar los lmites en la inclinacin y orientacin de los colectores de acuerdo a las prdidas mximas permisibles. Las prdidas por este concepto se calculan en funcin de: ngulo de inclinacin, , definido como el ngulo que forma la superficie de los colectores con el plano horizontal.

Figura 6.2 - Detalle ngulo de inclinacin (FUENTE: Pliego de Condiciones Tcnicas de Instalaciones de Baja temperatura)

ngulo de acimut, , definido como el ngulo entre la proyeccin sobre el plano horizontal de la normal a la superficie del colector y el meridiano del lugar. La inclinacin vara segn la latitud del lugar y la poca del ao. La inclinacin ptima es igual a la latitud del lugar menos la declinacin. Como sta ltima es variable a lo largo del ao en un intervalo de 23.5, la inclinacin tambin lo es. En instalaciones de energa solar trmica no es una prctica frecuente modificar la inclinacin de los colectores. Dado que se pretende dejar fijos los colectores en la azotea del edificio a lo largo de todo el ao, es comn multiplicar la latitud del lugar por un factor de 0.9 para determinar la inclinacin idnea de los colectores.

= 37.20.9 = 33.48 34

En cuanto a la orientacin, por encontrarse localizado el edificio en el hemisferio Norte, los colectores debern orientarse hacia el Sur, pues es ms favorable y permite colocar mayor nmero de ellos minimizando zonas de sombras, de modo que el ngulo de acimut es nulo ( = 0 ).49




Figura 6.3 - Orientacin del edificio de inclinacin (FUENTE: Elaboracin propia)

Conocido el ngulo de acimut del captador solar, se determinan las prdidas mximas para la inclinacin en el caso = 41, dependiendo del caso en el que se encuentren los captadores. Caso General Superposicin arquitectnica Integracin arquitectnica Prdidas mximas por orientacin e inclinacin 10% 20% 30%

Superposicin arquitectnica: los captadores estn colocados paralelos a la envolvente del edificio, de manera que su inclinacin coincide con la del tejado, no aceptndose en este concepto la disposicin horizontal con el objetivo de favorecer la autolimpieza del colector. Integracin arquitectnica: los captadores cumplen una doble funcin energtica y arquitectnica, y adems sustituyen elementos constructivos convencionales arquitectnica. Caso general.: lo constituyen el resto de posibilidades50

o

son

elementos

constituyentes

de

la

composicin




En este caso, la azotea horizontal del bloque de viviendas a estudiar ha permitido elegir un ngulo de inclinacin adecuado, luego es un caso general y las prdidas por orientacin e inclinacin no deben superar el 10%. A continuacin se tratar de evaluar si las prdidas por orientacin e inclinacin del captador estn dentro de los lmites permitidos para una instalacin en la azotea de un edificio en la que los captadores se orientan hacia el Sur (acimut = 0 ) y con una inclinacin de 33.48 respecto a la horizontal, en Granada capital cuya latitud es de 37.2. Conocido el acimut, cuyo valor, como se indic anteriormente, es cero, se determinan los lmites para la inclinacin para el caso de = 41. Los puntos de interseccin del lmite de prdidas del 10% (borde exterior de la regin 90%-95%), con la recta de acimut nos proporcionan los valores (ver figura): Inclinacin mxima = 60 Inclinacin mnima = 7

Figura 6.4 - Prdidas mximas segn ngulo de inclinacin (FUENTE: Pliego de Condiciones Tcnicas de Instalaciones de Baja temperatura)

51




Los lmites de inclinacin aceptables se corrigen en funcin de la diferencia entre la latitud del lugar en cuestin y la de 41, de acuerdo con las siguientes frmulas: Inclinacin mx = Inclinacin mx ( = 41) (41 latitud) Inclinacin min = Inclinacin min ( = 41) (41 latitud) De manera que corregido para la latitud de Granada capital: Inclinacin mx = 60 (41 37.2) = 56.2 Inclinacin min = 7 (41 37.2) = 3.2

Por tanto, esta instalacin, de inclinacin 33.48, cumple los requisitos de prdidas por orientacin e inclinacin. Tras comprobar que no existen problemas de prdidas debido a la disposicin de los captadores en la azotea ni en la orientacin del edificio, se plantea el factor de correccin k para superficies inclinadas. Dicho factor representa el cociente entre la energa total incidente en un da sobre una superficie orientada hacia el ecuador e inclinada un determinado ngulo, y otra horizontal.

LATITUD 37 35 ENE FEB 1.33 1.24 MAR 1.14 ABR MAY JUN 1.03 0.96 JUL AGO SEP OCT NOV 1.04 1.17 1.32 1.42 DIC 1.41

0.93 0.96

Por lo tanto, aplicando la siguiente expresin en la que se multiplica el valor de la energa por radiacin solar incidente sobre superficie horizontal por el factor de correccin k, se obtiene el valor de la radiacin incidente sobre los colectores de la instalacin solar mes a mes:

W W I T 2 = k I 2 m m

52




IT

ENE

FEB

MAR

ABR

MAY

JUN

JUL

AGO

SEP

OCT

NOV

DIC

AO

W m2

339

389

503

523

579

634

704

675

639

495

444

347

523

IT (W/m2) 800 700 600 500 400 300 200 100 0 Ene Feb Mar Abr May Jun Jul Ago Sep Oct Nov Dic

53

Universidad Carlos III de Madrid Captulo 7 - CARGAS TRMICAS


7 7.1

CARGAS TRMICAS Condiciones de diseo Calefaccin en invierno

7.1.1

En calefaccin, hay que tener en cuenta que las cargas son prdidas de calor, puesto que la temperatura del ambiente exterior es inferior a la temperatura interior del local a calefactar. Condiciones de diseo en el ambiente trmico interior El Reglamento de Instalaciones Trmicas en los Edificios (RITE) establece que la exigencia de calidad trmica del ambiente se considera satisfecha en el diseo y dimensionado de la instalacin trmica, si los parmetros que definen el bienestar trmico, como la temperatura seca del aire, la humedad relativa o la velocidad media del aire en la zona ocupada se mantienen dentro de ciertos valores. De dicho reglamento se extrae la siguiente tabla en la que se recogen las condiciones interiores de diseo de la temperatura operativa y la humedad relativa: Estacin Temperatura interior (C) Humedad relativa (%) Invierno 2123 4050

Por lo tanto para el invierno se han establecido los siguientes valores:

TSL = 21 C HRint = 40%Condiciones de diseo en el ambiente trmico exterior El ambiente exterior de una localidad viene definido por la temperatura seca, la temperatura hmeda, la velocidad y direccin del viento, as como la radiacin solar. Estas magnitudes no son constantes ni a lo largo del da ni a lo largo del ao, por lo que generalmente se recurre a la asignacin de valores tpicos para cada mes y cada localidad.

54



El sistema de calefaccin por suelo radiante, el ms adecuado para instalaciones solares, resulta ms eficaz si trabaja durante todo el da. Por este motivo, para el dimensionamiento de la instalacin es conveniente tomar la temperatura exterior media diaria, en lugar de la media de las temperaturas mnimas exteriores como cabra pensar inicialmente. Para los meses en los que presumiblemente se utilice el sistema de calefaccin se tomarn los siguientes valores: ENE FEB MAR NOV DIC

TSE ( C )

9

10

13

13

9

Otro parmetro que caracteriza las condiciones exteriores de diseo es la velocidad del viento. Meteored proporciona una base de datos registrados en la estacin meteorolgica del aeropuerto de Granada desde el ao 1929. Para posteriores clculos que requieran datos de la velocidad del viento se tomarn vlidos los siguientes valores:v viento

ENE 5.06

FEB 6.55

MAR 7.95

ABR 9.19

MAY 9.03

JUN 9.10

JUL 8.94

AGO 8.27

SEP 7.26

OCT 6.36

NOV 5.32

DIC 4.96

Km/h

Los valores recogidos en la tabla anterior corresponden a la media de la velocidad del viento media mensual desde el ao 1978 hasta el ao 2008.

7.1.2

Climatizacin en verano

El sistema de climatizacin se disea para mantener el ambiente interior del gimnasio localizado en la planta baja del edificio a una temperatura adecuada e inferior a la del ambiente exterior, que se sita por encima de los lmites de confort.

55



Condiciones de diseo en el ambiente trmico interior El Reglamento de Instalaciones Trmicas en los Edificios (RITE) establece que la exigencia de calidad trmica del ambiente se considera satisfecha en el diseo y dimensionado de la instalacin trmica, si los parmetros que definen el bienestar trmico, como la temperatura seca del aire, la humedad relativa o la velocidad media del aire en la zona ocupada se mantienen dentro de ciertos valores. De dicho reglamento se extrae la siguiente tabla en la que se recogen las condiciones interiores de diseo de la temperatura operativa y la humedad relativa: Estacin Temperatura interior (C) Humedad relativa (%) Verano 2325 4560

Por lo tanto para el verano se han establecido los siguientes valores:

TSL = 24 C HRint = 55%Condiciones de diseo en el ambiente trmico exterior El ambiente exterior de una localidad viene definido por la temperatura seca, la temperatura hmeda, la velocidad y direccin del viento, as como la radiacin solar. Estas magnitudes no son constantes a lo largo del da ni del ao, por lo que generalmente se asignan valores tpicos para cada mes y cada localidad. Atendiendo a los datos recogidos en el Pliego de Condiciones Tcnicas de Instalaciones de Baja Temperatura, para los meses en los que presumiblemente se utilice el sistema de climatizacin deberan tomarse los siguientes valores:

JUN JUL AGO SEP

TSE ( C )

24

27

27

24

56



Sin embargo, si se empleasen estas temperaturas para el diseo del aire acondicionado, no sera necesario climatizacin en Junio ni en Septiembre, lo cual no se corresponde con la realidad en Granada. La razn estriba en que el intervalo horario durante el que se emplea el aire acondicionado suele restringirse a las horas de ms calor mientras que las temperaturas proporcionadas anteriormente hacen referencia a la temperatura media diaria, considerando las 24 horas del da.

El diseo correcto del aire acondicionado requiere considerar una temperatura exterior mayor. La base de datos de Meteored recopila datos tomados desde 1929 en la estacin meteorolgica del aeropuerto de Granada. La temperatura mxima que se presenta en la siguiente tabla es la media de la temperatura mxima de los meses de verano desde 1988 hasta 2008.

MAY JUN

JUL 41.8

AGO SEP 41.5 36.9

TSE max ( C )

34.8

39.2

Cabe destacar que tambin se ha considerado el mes de mayo para el diseo del aire acondicionado puesto que en Granada, buena parte de los das de este mes superan los 24C. A falta de una informacin ms precisa, se opta por emplear la media entre la temperatura mxima y la media en cada uno de los meses de verano, es decir:

MAY JUN

JUL 34.4

AGO SEP 34.2 30.5

TSE ( C )

26.4

31.6

57



7.2

Clculo de cargas trmicas

La carga trmica es la potencia de refrigeracin o calefaccin que requiere una instalacin, en un determinado instante, para mantener unas condiciones interiores dadas. El diseo de una instalacin trmica requiere determinar del modo ms preciso posible la potencia trmica (o frigorfica) necesaria para cubrir la demanda motivo de la instalacin. Bajo el concepto de carga trmica se engloba todo fenmeno que tiende a modificar la temperatura y la humedad (o cantidad de vapor de agua existente) en el local. Si slo se modifica la temperatura seca del aire, se trata de una carga sensible. Si se modifica la cantidad de vapor de agua, de una carga latente. El clculo de las cargas trmicas consiste en efectuar ganancias de calor, tanto sensibles, como latentes. un balance de prdidas y

El objetivo de este apartado es calcular las cargas trmicas de la zona comercial de la planta baja del edificio objeto de estudio en este proyecto, que es la que se pretende calefactar y climatizar mediante la energa obtenida con los captadores solares.

7.2.1

Cargas por transmisin

Las cargas trmicas de transmisin son cargas sensibles que se calculan mediante la siguiente expresin:

QTransmisin = U At eSiendo

U Coeficiente global de transmisin de calor (W/m2C)

A Superficie del cerramiento a travs del cual se produce la transferencia de calor(m2)

t e Diferencia de temperatura equivalenteLa diferencia de temperatura equivalente se define de forma distinta en cada uno de los siguientes casos:58



Pared, puerta o zona acristalada dando al exterior: Techo o pared dando a otro local no acondicionado: Donde:

t e = TSE TSLt e = TSE + TSL TSL 2

TSE Temperatura seca exterior de proyecto (C) TSL Temperatura seca del local (C) TOtroLocal Temperatura seca del local acondicionado contiguo (C)El local comercial objeto de estudio se encuentra bajo una planta de viviendas, que tambin se encuentra a la temperatura de confort, por lo que no existir carga trmica de transmisin a travs del techo. Para calcular la potencia trmica transmitida a travs del suelo, es preciso estimar la temperatura del garaje. Se opta por utilizar la siguiente estimacin, que permite obtener unas temperaturas suavizadas respecto a la temperatura ambiente, algo superiores en invierno y algo inferiores en verano:

TGARAJE = TRED + 7 CLa diferencia de temperatura equivalente utilizada para calcular la transferencia de calor por transmisin a travs del suelo viene dad por la expresin:

te =

TGARAJE + TSL TSL 2

El coeficiente global de transmisin de calor es funcin de las resistencias trmicas y de los coeficientes de conveccin interior y exterior. Por lo tanto se tienen cinco valores de U, relativos a las paredes y muros exteriores del local, al techo, al suelo, a las ventanas y a la puerta. Dicho coeficiente se calcula mediante la siguiente expresin:

U=

1 1 1 e + + i hext hint i i

W m2 K

59



Donde

W hext Coeficiente de conveccin del aire exterior 2 m K W hint Coeficiente de conveccin del aire interior del local 2 m K ei Espesor de la capa de material tipo i [m]

i Conductividad trmica del material tipo i Paredes y muros exteriores

W mK

Material

Espesor e (cm)

e/2

(W/mC) (m C/W)

Revestimiento mortero cemento

de de

2.5

1.40

0.018

Ladrillo perforado Pantalla antivapor de aluminio Aislante, lana de vidrio Tipo V Ladrillo doble hueco

25 0.4

0.76 240

0.329 0.000

5

0.033

1.515

10

0.49

0.204Figura 7.1 - Seccin transversal de pared y muro exterior (FUENTE: Elaboracin propia)

Revestimiento mortero cemento

de de

2.5

1.40

0.018

Enlucido de yeso

2

0.30

0.067 2.151

60



El valor de los coeficientes de conveccin para cerramientos verticales y flujo de calor horizontal se encuentra especificado en la seccin HE 1 del Cdigo Tcnico, relativa a la limitacin de demanda energtica:

1 m2 K = 0.04 hext W 1 m2 K = 0.13 hint WCon los datos anteriores, el coeficiente global de transferencia de calor resulta ser:

U PARED EXT = 0.431

W m2 K

Particiones interiores Se considera una composicin similar a la de los muros que dan al exterior del edificio, de forma que la diferencia reside en el valor de los coeficientes de conveccin que ahora corresponden a particiones interiores verticales:

1 m2 K = 0.13 hext W 1 m2 K = 0.13 hint W

El coeficiente global de transferencia de calor es:

U PARED PORCHE = 0.415

W m2 K

61



Techo

Figura 7.2 - Seccin transversal del techo (FUENTE: Elaboracin propia)

Espesor e Material (cm) Lmina bituminosa Mortero de cemento Lmina de lana de vidrio (tipo VI) Hormign Bovedilla de cermica de 25cm de altura (vigueta 22cm) Enlucido de yeso 3 0.6 10 4 4

(W/mC) 0.19 1.40 0.036 1.63

e/ (m2C/W) 0.032 0.071 1.111 0.025 0.25

0.30

0.001 1.49

Los coeficientes de conveccin para particiones interiores horizontales y flujo de calor ascendente son:

62



1 m2 K = 0.10 hext W 1 m2 K = 0.10 hint WEl coeficiente global de transferencia de calor es:

U TECHO = 0.592

W m2 K

Suelo

Figura 7.3 - Seccin transversal del suelo (FUENTE: Elaboracin propia)

Espesor e Material (mm) Gres Mortero de cemento Panel portatubos Hormign con rido ligeros Enfoscado de cemento 15 50 25 50 20

(W/mC) 1 1.40 0.031 0.33 0.26

e/ (m2C/W) 0.015 0.036 0.806 0.152 0.077 1.086

63



Los coeficientes de conveccin para particiones interiores horizontales y flujo de calor descendente son:

1 m2 K = 0.17 hext W 1 m2 K = 0.17 hint WEl coeficiente global de transferencia de calor es:

U SUELO = 0.701

W m2 K

Ventanas En el documento NB-CT-79 se recogen los valores de los coeficientes de transmisin trmica de los distintos tipos de ventanas. Considerando que la superficie acristalada de la ventana corresponde al 0.8 del hueco en carpintera metlica, con un tipo de acristalamiento doble y cmara de aire de 6mm, se tiene el siguiente valor del coeficiente de transmisin trmica:

U VENTANAS = 4

W m2 K

Figura 7.4 - Seccin transversal de ventana (FUENTE: Elaboracin propia)

64



Puertas En el documento NB-CT-79 tambin se recogen los valores de los coeficientes de transmisin trmica de los distintos tipos de puerta que forman parte de cerramientos con el exterior o con locales no calefactados. La puerta principal del establecimiento es metlica con doble acristalamiento y cmara de aire de 6mm. Adems, la zona acristalada ocupa una superficie mayor del 30% por lo que segn el documento anterior el valor del coeficiente de transmisin trmica es:

U PUERTA PRINCIPAL = 4.8

W m2 K

La puerta de emergencia es metlica opaca y su coeficiente de transmisin trmica correspondiente es:

U PUERTA EMERGENCIA = 5.8

W m2 K

En la siguiente tabla se