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ENERGÍA SOLAR Y EÓLICA ANEXO B Dimensionado de una instalación de Energía Solar Térmica

Formação Aberta

ENERGÍA SOLAR Y EÓLICA

ÍNDICE DESARROLLO DE LOS CONTENIDOS ...................................................... 3

1. DIMENSIONADO BASICO ..........................................................4 1.1. Cálculo de la superficie colectora...................................................... 4 1.1.1. Cálculo del Consumo energético ................................................................... 5 1.1.1.1. Columna 1. Indice o porcentaje de ocupación. ................................. 6 1.1.1.2. Columna 2. Consumo mensual en m3. .............................................. 7 1.1.1.3. Columna 3. Temperatura de red....................................................... 9 1.1.1.4. Columna 4. Salto térmico ................................................................ 10 1.1.1.5. Columna 5. Necesidad al mes en termias ....................................... 10 1.1.1.6. Columna 6. Necesidad al mes en MJ ............................................... 11 1.1.1.7. Columna 7. Necesidad al día en MJ ................................................. 14 1.1.2. Cálculo de la energía aprovechable .............................................................. 15 1.1.2.1. Columna 8. Cálculo de H ................................................................ 17 1.1.2.2. Columna 9. Cálculo de Hcorregida ....................................................... 18 1.1.2.3. Columna 10. Factor de corrección, k, por inclinación de colectores ............................................................................................. 19 1.1.2.4. Columna 11. Energía total incidente................................................ 21 1.1.3. Cálculo de la intensidad útil .......................................................................... 23 1.1.3.1. Columna 12. Número medio de horas diarias de sol útiles ............ 24 1.1.3.2. Columna 13. Intensidad radiante ..................................................... 25 1.1.4. Determinación del rendimiento del colector ............................................... 26 1.1.4.1. Columna 14. Temperatura ambiente .............................................. 26 1.1.4.2. Columna 15. Rendimiento instantáneo del colector ....................... 27 1.1.5. Cálculo de la Energía útil y superficie necesaria ........................................... 30 1.1.5.1. Columna 16. Aportación solar por m2 ............................................. 30 1.1.5.2. Columna 17. Energía disponible al día por m2 ................................. 31 1.1.5.3. Columna 18. Energía disponible al mes por m2 ............................... 32 1.1.6. Cálculo del número de colectores ............................................................... 33 1.1.6.1. Columna 19. Energía solar total ...................................................... 34 1.1.6.2. Columna 20. Porcentaje de sustitución ........................................... 35 1.1.6.3. Columna 21. Déficit energético....................................................... 36 1.1.7. Resumen del proceso de cálculo .................................................................. 37

1.2. Cálculo del volumen de acumulación necesario .............................. 38 2. DIMENSIONADO RESTO COMPONENTES.............................41 2.1. Cálculo del intercambiador exterior................................................ 41 2.2. Cálculo de los diámetros de las tuberías.......................................... 42 2.2.1. Tramo 0-1..................................................................................................... 45 2.2.2. Tramo 1-2..................................................................................................... 46 2.2.3. Tramo 2-3..................................................................................................... 47 2.2.4. Tramo 3-4..................................................................................................... 48 2.2.5. Tramo 4-5..................................................................................................... 49 2.2.6. Tramo 6-7..................................................................................................... 50

Anexo B

Dimensionado de una instalación de Energía Solar Térmica

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ENERGÍA SOLAR Y EÓLICA

2.2.7. Tramo 7-8..................................................................................................... 50 2.2.8. Tramo 8-9..................................................................................................... 50 2.2.9. Tramo 9-10................................................................................................... 50

2.3. Cálculo de la distancia entre baterías de colectores.........................52 2.4. Cálculo de aislamientos....................................................................53 2.5. Cálculo de la bomba de circulación..................................................55 2.6. Dimensionado del vaso de expansión ..............................................60

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Anexo B

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ENERGÍA SOLAR Y EÓLICA

DESARROLLO DE LOS CONTENIDOS Vamos a ver en este anexo el proceso para el dimensionado básico de una instalación de energía solar térmica, es decir, calcular los metros cuadrados de superficie colectora y el volumen de acumulación necesario para satisfacer unas determinadas necesidades de consumo de ACS. También procederemos a seleccionar el resto de componentes de que consta una típica instalación de este tipo (electrocirculadores, vaso de expansión, diámetros de tuberías, intercambiador exterior, espesores de aislamientos, etc.).

Anexo B

Dimensionado de una instalación de Energía Solar Térmica

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1. DIMENSIONADO BASICO Cuando un proyectista acomete el dimensionado básico de una instalación solar térmica para el aprovechamiento de ACS, tiene que realizar una serie de cálculos más o menos complejos y que ya vimos en la unidad 5 del curso. Como ya sabes, el dimensionado básico consiste en calcular la superficie de colectores y el volumen de acumulación necesarios para satisfacer unas determinades necesidades de ACS. A continuación, y dada su importancia, vamos a repasar nuevamente este proceso de cálculo y lo vamos a hacer a través de un ejemplo de aplicación. Se trata de satisfacer las necesidades energéticas de una clínica privada de 120 camas situada en la provincia de Madrid. Para la elección de todos los componentes necesarios para nuestra instalación contamos con el catálogo general de productos del fabricante DISOL. 1.1.

CÁLCULO DE LA SUPERFICIE COLECTORA

El criterio que vamos a elegir para dimensionar la superficie colectora es que el área de la misma sea tal que haga que la aportación solar total en el periodo que la instalación esté activa sea igual al consumo.

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Anexo B

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1.1.1. CÁLCULO DEL CONSUMO ENERGÉTICO Lógicamente, este es el primer paso. Seguramente te plantearán las necesidades energéticas de una vivienda unifamiliar, un bloque de viviendas, colegio, hotel, hospital, etc., en cuanto a necesidades de agua caliente sanitaria.

En este caso se trata de satisfacer las necesidades energéticas de ACS de una clínica.

Elegiremos como temperatura media a la que debe estar el agua para uso sanitario en el depósito de acumulación la de 45°C y la cantidad de calor necesaria será la que deberemos aportar para elevar la cantidad de agua a consumir desde la temperatura de la red hasta los 45°C. Esta temperatura variará en función del mes en que nos encontremos y se obtendrá a partir de la fórmula: Q = mce Δt º

Donde: P

Δt º es el salto térmico existente entre los 45°C y la temperatura

media del agua de la red de servicio. P

Q es la cantidad de calor expresada en kilocalorías o termias dependiendo de si m , masa de agua a calentar, se expresa en

kilogramos o en toneladas. Ese valor deberemos pasarlo a julios o mejor a megajulios para que se encuentre en la misma unidad que manejaremos en las tablas del Anexo A.

P

C e es el calor específico del agua que vale 1 kcal/kgºC o 1

termia/toneladaºC.

Anexo B

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ENERGÍA SOLAR Y EÓLICA

La densidad del agua ρ, es igual a 1 kg/l, por tanto, un litro de agua equivale a un kilogramo y 1000 litros de agua equivalen a una tonelada.

Vamos a explicar los pasos a seguir hasta obtener el consumo energético en el caso de nuestro ejemplo 1.1.1.1. COLUMNA 1. INDICE O PORCENTAJE DE OCUPACIÓN. En la unidad 5 nos indicaron que para el cálculo del aporte solar anual, se deben estimar las demandas mensuales tomando en consideración el número de unidades de consumo (personas, camas, servicios, etc.) correspondientes a la ocupación plena, salvo las instalaciones de uso turístico, en las que será necesario tener en cuenta el índice o porcentaje de ocupación. En nuestro caso, por tratarse de una clínica, tomaremos un índice o porcentaje de ocupación del 100% para todos los meses del año.

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Anexo B

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1.1.1.2. COLUMNA 2. CONSUMO MENSUAL EN M3. Para el cálculo de las demandas se tomarán los valores unitarios que aparecen en la Tabla 3.1. del apartado 3.1.1 de la Sección HE 4 del Documento Básico HE del Código Técnico de la Edificación (CTE).

Hay que tener en cuenta que los consumos unitarios medios de esta tabla están calculados tomando como referencia que queremos una temperatura final en el acumulador de 60ºC. En la Tabla 4 de la unidad 5 nos indican los consumos unitarios máximos de ACS a 45ºC en litros/día en función del criterio de consumo. Esta tabla es la misma que la que figura en el punto IV.2 del Anexo IV “Cálculo de demandas energéticas” del Pliego de Condiciones Técnicas de Instalaciones de Baja Temperatura del IDAE. Criterio de consumo

Litros/día

Viviendas unifamiliares

40 por persona

Viviendas multifamiliares

30 por persona

Hospitales y clínicas

80 por cama

Hoteles (4 estrellas)

100 por cama

Hoteles (3 estrellas)

80 por cama

Hoteles/Hostales (2 estrellas)

60 por cama

Campings

60 por emplazamiento

Hostales/Pensiones (1 estrella)

50 por cama

Residencias (ancianos, estudiantes, etc.)

80 por cama

Vestuarios/Duchas colectivas

Anexo B

20 por servicio

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Criterio de consumo

Litros/día

Escuelas

5 por alumno

Cuarteles

30 por persona

Fábricas y talleres

20 por persona

Oficinas

5 por persona

Gimnasios

30 a 40 por usuario

Lavanderías

5 a 7 por kilo de ropa

Restaurantes

8 a 15 por comida

Cafeterías

2 por almuerzo

Nosotros realizaremos nuestros cálculos para 45ºC ya que lo habitual es que el dimensionado de instalaciones de ACS se suela hacer para este valor de temperatura media en el acumulador según indicamos anteriormente. Por lo tanto elegiremos un consumo de ACS por cama y día de 80 litros al tratarse de una clínica. Con todos estos datos ya estamos en disposición de calcular el consumo mensual de ACS en m3 para cada uno de los meses del año. Por ejemplo el consumo mensual del mes de enero expresado en litros será:

Número de días del mes

Litros ACS por cama y día a 45ºC

1 x 31 x 120 x 80 = 297.600 l = 297,6 m3 Porcentaje de ocupación

8

Número de camas

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Realizando lo mismo para los restantes meses del año tendremos:

1.1.1.3. COLUMNA 3. TEMPERATURA DE RED Es la temperatura media diaria del agua de la red general. Este dato lo obtendremos de la Tabla 8 del Anexo A. Recuerda que este anexo te lo puedes descargar de la Zona Privada de Alumnos en la zona de descargas. En nuestro caso para Madrid tendremos:

Anexo B

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1.1.1.4. COLUMNA 4. SALTO TÉRMICO Diferencia entre la temperatura de uso, es decir, la temperatura final que queremos en el acumulador, 45ºC en nuestro caso, y la del agua de la red. Así para el mes de enero tendremos: 45ºC - 6ºC = 39ºC Temperatura final del agua en el acumulador

Temperatura del agua de la red

1.1.1.5. COLUMNA 5. NECESIDAD AL MES EN TERMIAS A partir de las temperaturas del agua de red, obtendremos para cada mes la energía necesaria para calentar el agua hasta la temperatura deseada, 45ºC en nuestro caso, mediante la fórmula: Q = m·ce·Δt Donde recuerda:

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P

m, masa de agua a calentar en kg o toneladas.

P

Ce, calor específico del agua, 1 kcal/kg.ºC o 1 termia/tonelada.ºC)

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Anexo B

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ENERGÍA SOLAR Y EÓLICA

P

P

Δt, salto térmico, diferencia entre 45ºC y la temperatura del agua de red. Q, valor de la energía necesaria a aportar en kilocalorías o termias.

Por ejemplo para el mes de enero tendremos: 297,6 x 1 x 39 = 11.606,4 termias

Masa de agua en toneladas

Calor específico del agua en termia/tonelada.ºC

Salto térmico

Haciendo lo mismo para cada uno de los meses del año tendremos:

1.1.1.6. COLUMNA 6. NECESIDAD AL MES EN MJ Pasar de termias a megajulios es muy sencillo, ya que 1 termia es igual a 4,184 MJ. De este modo obtendremos la columna 6 sin más que multiplicar la columna 5 por el factor 4,184

Anexo B

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ENERGÍA SOLAR Y EÓLICA

Por ejemplo para el mes de enero tendremos: 11.606,4 x 4,184 = 48.561,18 MJ Necesidad mensual en termias

Factor de conversión

La suma de todas las necesidades energéticas para cada uno de los meses del año será las necesidades energéticas anuales, en este caso 509.229,62 MJ. Llegados a este punto tenemos que considerar que porcentaje de estas necesidades energéticas anuales queremos cubrir mediante la energía solar aportada por nuestra instalación, es decir la fracción solar o aporte solar mínimo. Para ello deberemos cumplir las exigencias que nos indiquen las normativas que existan al respecto. En nuestro caso tendremos que cumplir tanto lo que nos indica la Ordenanza sobre Captación de Energía Solar Térmica para usos térmicos en el Municipio de Madrid como lo indicado en la Sección HE 4 del documento básico HE del Código Técnico de la Edificación (CTE). La Ordenanza en su Anexo I, apartado 1.2, nos da una tabla que nos indica la contribución solar mínima en función la demanda diaria total del edificio de agua caliente sanitaria a la temperatura de referencia de 60 ºC en litros.

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Anexo B

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ENERGÍA SOLAR Y EÓLICA

A esta temperatura de referencia, la demanda diaria total de agua caliente sanitaria es: 55 x 120 = 6.600 l

La demanda de agua caliente sanitaria de referencia a 60º para el caso de residencias es de 55 litros por cama y día.

Por tanto la contribución solar mínima será del 75% para el caso general, es decir, suponiendo que la fuente energética de apoyo sea gasóleo, gas natural, propano u otros. Por lo que respecta al CTE en el apartado 2 punto 2.1 nos indican la contribución solar mínima anual para cada zona climática y diferentes niveles de demanda de agua caliente sanitaria (ACS). Nos quedaremos con la tabla mostrada a continuación ya que supondremos que la fuente energética de apoyo o auxiliar será gasóleo, propano, gas natural u otras fuentes distintas de electricidad mediante efecto Joule.

Anexo B

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Las zonas se definen teniendo en cuenta la Radiación Solar Global media diaria anual sobre superficie horizontal (H), tomando los intervalos que se relacionan para cada una de las zonas, como se indica en la siguiente tabla:

En nuestro caso concreto la demanda total de ACS del edificio se encuentra en el intervalo 6.000-7.000 l/d y Madrid está situada en la zona climática IV (esto lo podemos ver en la Tabla 3.3 de la Sección HE 4 del Documento Básico HE del CTE). Por tanto la contribución solar mínima deberá ser del 70%. Teniendo en cuenta tanto la Ordenanza como el CTE atenderemos al criterio de contribución solar mínima más restrictivo, en este caso el de la Ordenanza. Dimensionaremos la superficie colectora para cubrir el 75% de nuestras necesidades energéticas anuales. En este caso la energía aportada por la instalación solar deberá ser: 0,75 x 509.229,62 = 381.922,21 MJ 1.1.1.7. COLUMNA 7. NECESIDAD AL DÍA EN MJ La necesidad energética diaria en MJ para cada uno de los meses del año se obtendrá dividiendo la necesidad energética mensual por el número de días del mes correspondiente.

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Como puedes ver, no es demasiado complicado.

1.1.2. CÁLCULO DE LA ENERGÍA APROVECHABLE La energía aprovechable E que incide en un día medio de cada mes sobre cada m2 de superficie de colectores es el dato imprescindible al que tenemos que llegar al final de esta apartado. El primer paso necesario para poder calcular E es conocer la irradiación H que incide sobre un metro cuadrado de superficie horizontal en un día medio de cada mes en un lugar determinado, dato que obtendremos de la tabla 5 del Anexo A. El valor de H deberá ser corregido si nos encontramos en alguno de los siguientes casos: P

P

Si la ubicación es en una zona de alta montaña o monte de cierta altitud, donde la atmósfera es limpia, multiplicaremos la irradiación H encontrada en la tabla por 1,05. Si la ubicación es en una ciudad o en zonas con fuertes índices de polución, la irradiación H obtenida en la tabla debe multiplicarse por un coeficiente de 0,95.

Anexo B

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ENERGÍA SOLAR Y EÓLICA

P

Es necesario por último, tener en cuenta posibles obstáculos que puedan interferir en la energía captada por los colectores en el lugar de la instalación, así como nieblas constantes, vientos fríos, lluvias, etc., que pueden reducir también el valor de H. En definitiva, conviene realizar un estudio previo del lugar donde vaya a estar ubicada la instalación para tener en cuenta las posibles pérdidas por orientación, inclinación y sombras.

Una vez calculada H, y modificada en función de lo explicado anteriormente, es necesario tener en cuenta la inclinación que se ha dado a los colectores solares, ya que H se refiere a una superficie horizontal y los colectores, como sabemos, deben inclinarse con respecto a la horizontal en función de la latitud del lugar y del período de utilización. Por lo tanto, para calcular E tendremos que multiplicar H por un factor de corrección k, que es función de la latitud del lugar y de la inclinación del colector. Dicho factor lo podemos obtener, para cada mes del año, de la tabla 9 del Anexo A. Si la inclinación y latitud no corresponde exactamente con la reflejada en las tablas, tomaremos la más cercana. El valor E = kH obtenido hasta ahora es la energía total teórica que incide sobre cada metro cuadrado de colector inclinado. No obstante, en el cálculo de la energía realmente aprovechable, debemos tener en cuenta un dato más. Como sabemos, las instalaciones solares térmicas existe un fluido en circulación. En el caso de sistemas con termosifón, la circulación del fluido se mueve por convección natural y en los sistemas forzados la circulación se produce con la ayuda de un electrocirculador. Esta circulación sólo se producirá cuando exista una diferencia de temperatura entre el fluido caloportador a la salida de los colectores y el agua sanitaria acumulada en la parte baja del depósito. Durante el día hay una serie de horas, en concreto al amanecer y al anochecer, en las cuales la radiación del Sol no es suficiente para calentar el fluido caloportador lo suficiente como para que este comience a circular. Definiremos lo que se llama radiación umbral, cuyo valor en base a la experiencia es de unos 200W/m2, por debajo de la cual no es recomendable poner en marcha la instalación. Por lo tanto será necesario, únicamente para sistemas de aprovechamiento solar térmico, introducir un nuevo factor de corrección que tenga en cuenta las pérdidas de energía debidas a aquellos momentos del día en que

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Anexo B

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ENERGÍA SOLAR Y EÓLICA

tenemos intensidades por debajo de la umbral. Estas pérdidas se suelen estimar en un 6%, por lo que multiplicares la cantidad E antes calculada por 0,94 para tenerlas en cuenta. Así pues, la fórmula definitiva para el cálculo de la energía solar aprovechable, E, será: E = 0,94 k·H Con todo esto veamos como queda nuestro ejemplo. 1.1.2.1. COLUMNA 8. CÁLCULO DE H Hasta ahora hemos calculado las necesidades energéticas que tenemos que cubrir con nuestra instalación solar. A continuación vamos a realizar una serie de cálculos hasta llegar a la energía neta disponible por m2 para el consumo que nos puede aportar nuestra superficie colectora. El primer paso será ver cual es la energía en megajulios que incide sobre un metro cuadrado de superficie horizontal en un día medio de cada mes en la localidad de Madrid, que es donde se encuentra situada nuestra instalación. Este dato lo podremos extraer de la Tabla 5 del anexo A, que recuerda te puedes descargar de la ZPA. Para cada uno de los meses del año tendremos:

Anexo B

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ENERGÍA SOLAR Y EÓLICA

Tienes que tener en cuenta que si la instalación va a estar más de un mes inactiva, anulándose totalmente (por ejemplo cubriendo los colectores con una funda opaca) será preciso asignar un valor igual a cero a H en los correspondientes meses.

1.1.2.2. COLUMNA 9. CÁLCULO DE HCORREGIDA El valor de H deberá ser corregido si nos encontramos en alguno de los siguientes casos: P

P

P

Si la ubicación es en una zona de alta montaña o monte de cierta altitud, donde la atmósfera es limpia, multiplicaremos la irradiación H por el factor 1,05. Si la ubicación es en una ciudad o en zonas con fuertes índices de polución, la irradiación H deberá multiplicarse por un coeficiente de 0,95. Es necesario por último, tener en cuenta posibles obstáculos que puedan interferir en la energía captada por los colectores en el lugar de la instalación, así como nieblas constantes, vientos fríos, lluvias, etc., que pueden reducir también el valor de H. En definitiva, conviene realizar un estudio previo del lugar donde vaya a estar ubicada la instalación para tener en cuenta las posibles pérdidas por orientación, inclinación y sombras.

En resumen, Hcorregida coincide con el valor de H multiplicado por un coeficiente de corrección función del lugar donde se encuentre ubicada nuestra instalación (1,05, lugar limpio de polución, 1, caso normal o 0,95 lugar con polución). Si se aplica factor de corrección o no queda a criterio del instalador. En nuestro caso, al estar situada nuestra instalación en Madrid, una ciudad, optaremos por aplicar el correspondiente factor de corrección, 0,95.

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Anexo B

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ENERGÍA SOLAR Y EÓLICA

1.1.2.3. COLUMNA 10. FACTOR DE CORRECCIÓN, K, INCLINACIÓN DE COLECTORES

POR

Una vez calculada H y corregida, deberemos tener en cuenta que nuestro campo colector va ha estar inclinado con respecto a la horizontal, ya que H se refiere a irradiación sobre superficie horizontal y los colectores, como sabemos, deben inclinarse en función de la latitud del lugar y del período de utilización. Deberemos por tanto multiplicar Hcorregida por un factor de corrección k, que será función de la latitud del lugar y de la inclinación de los colectores. Dicho factor lo podemos obtener, para cada mes del año, a partir la tabla 9 del Anexo A, que te puedes descargar de la ZPA. Si la inclinación y latitud no corresponde exactamente con la reflejada en las tablas, tomaremos la más cercana. En la unidad 3 del curso, vimos en la Tabla 2, las inclinaciones orientativas que se suelen dar a los colectores, según el período de utilización de la instalación. Perído de utilización

Ángulo de inclinación

Anual con consumo constante

Latitud del lugar

Consumo preferente en invierno

Latitud del lugar +10°

Consumo preferente en verano

Latitud del lugar – 10º°

Anexo B

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Como el período de utilización de nuestra instalación va a ser anual, el ángulo de inclinación será igual a la latitud del lugar. La latitud del lugar la obtendremos a partir de la Tabla 1 del Anexo A.

En este caso la latitud de Madrid vemos que es de 40,4º. Conocidas la latitud donde se encuentra ubicada nuestra instalación y el ángulo de inclinación de los colectores, podremos obtener de la Tabla 9, para la latitud e inclinación más cercanas, 40º para ambas, los valores de k para cada uno de los meses del año.

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Anexo B

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1.1.2.4. COLUMNA 11. ENERGÍA TOTAL INCIDENTE Sabemos que la irradiación diaria incidente total teórica, E, por m2 de superficie colectora, teniendo en cuenta que los colectores están inclinados, viene dada por la expresión: E = k·Hcorregida

Anexo B

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ENERGÍA SOLAR Y EÓLICA

Como sabemos, en las instalaciones solares térmicas existe un fluido en circulación. En el caso de sistemas con termosifón, la circulación del fluido es por convección natural y en los sistemas forzados la circulación se produce con la ayuda de un electrocirculador. Esta circulación sólo se producirá cuando exista una diferencia de temperatura entre el fluido caloportador a la salida de los colectores y el agua sanitaria acumulada en la parte baja del depósito. Durante el día hay una serie de horas, en concreto al amanecer y al anochecer, en las cuales la radiación del Sol no es suficiente para calentar el fluido caloportador lo suficiente como para que este comience a circular. Definiremos lo que se llama radiación umbral, cuyo valor en base a la experiencia es de unos 200W/m2. Intensidades por debajo de este valor no son aprovechables y por lo tanto no serán tenidas en cuenta. Por lo tanto será necesario, únicamente para sistemas de aprovechamiento solar térmico, introducir un nuevo factor de corrección que tenga en cuenta las pérdidas de energía debidas a aquellos momentos del día en que tenemos intensidades por debajo de la umbral. Estas pérdidas se suelen estimar en un 6%, por lo que multiplicaremos la cantidad E antes calculada por 0,94 para tenerlas en cuenta. Con todo esto la energía solar incidente aprovechable por m2 de superficie colectora inclinada será: E = 0,94·k·Hcorregida Por ejemplo para el mes de enero tendremos: 0,94 x 1,39 x 6,37 = 8,32 MJ/m2 Factor de corrección por radiación umbral

Factor de corrección por inclinación de colectores

Energía por m2 de superficie horizontal corregida

Realizando la misma operación para cada uno de los meses del año tendremos:

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ENERGÍA SOLAR Y EÓLICA

Para los cálculos del factor de corrección k, hay que tener en cuenta que para instalaciones situadas en el hemisferio Sur el mes de Enero se corresponde con el de Julio, Febrero con el de Agosto, y así sucesivamente, para cálculos de k.

1.1.3. CÁLCULO DE LA INTENSIDAD ÚTIL Continuamos con el difícil y tortuoso camino de la energía incidente en un colector solar añadiendo una baja más. Como ya sabemos, la radiación sobre la superficie de los colectores variará a lo largo del día. A efectos de cálculos, podemos definir una intensidad media útil como el cociente entre la energía útil incidente dividido por las horas útiles que el sol se encuentra en el horizonte, descontando las horas por debajo de la intensidad umbral anteriormente definida.

Las horas de sol útiles pueden obtenerse a partir de la siguiente tabla.

Anexo B

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Tabla 1. Número medio de horas diarias de sol útiles (intensidad por encima de la de umbral) LATITUD

ENE

FEB

MAR

ABR

MAY

JUN

JUL

AGO

SEP

OCT

NOV

DIC

De + 25° a + 45° (Hemisf. Norte)

8

9

9

9,5

9,5

9,5

9,5

9,5

9

9

8

7,5

De –25° a +25° (Zona Ecuatorial)

8,75

9,25

9,5

9,25

9,75

8,5

8,75

9,25

9,5

9,25

8,75

8,5

De –25° a –45° (Hemisf. Sur)

9,5

9,5

9

9

8

7,5

8

9

9

9,5

9,5

9,5

Para obtener la intensidad en W/m2, será necesario en pasar las horas a segundos y los Megajulios a Julios. Continuemos con nuestro ejemplo. 1.1.3.1. COLUMNA 12. NÚMERO MEDIO DE HORAS DIARIAS DE SOL ÚTILES Conocida la energía solar media diaria incidente aprovechable por m2 de superficie colectora inclinada, para el cálculo de la intensidad media diaria incidente, deberemos tener en cuenta el número medio de hora diarias de sol útiles, es decir, con intensidades por encima del valor umbral. Este dato, que es función de la latitud, lo podremos obtener a partir de la Tabla 5 de la unidad 5 del curso. LATITUD

ENE

FEB

MAR

ABR

MAY

JUN

JUL

AGO

SEP

OCT

DIC

De + 25° a + 45° (Hemisf. Norte)

8

9

9

9,5

9,5

9,5

9,5

9,5

9

9

8

7,5

De –25° a +25° (Zona Ecuatorial)

8,75

9,25

9,5

9,25

9,75

8,5

8,75

9,25

9,5

9,25

8,75

8,5

De –25° a –45° (Hemisf. Sur)

9,5

9,5

9

9

8

7,5

8

9

9

9,5

9,5

9,5

Para nuestro ejercicio tendremos:

24

NOV

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Anexo B

Formação Aberta

ENERGÍA SOLAR Y EÓLICA

1.1.3.2. COLUMNA 13. INTENSIDAD RADIANTE La intensidad incidente sobre una superficie varía a lo largo del día. Por lo tanto para efectuar los cálculos de dimensionado, trabajaremos con un valor medio diario que será el cociente entre la energía solar incidente aprovechable a lo largo del día por m2 y las horas de sol útiles, es decir el cociente entre las columnas 11 y 12. La intensidad radiante deberá estar expresada en W/m2. Por lo tanto, la energía que está expresada en MJ deberemos pasarla a J sin más que multiplicar por 106. El tiempo que está expresado en horas deberemos pasarlo a segundos multiplicando por 3600. De esta forma para el mes de enero tendremos: I=

E 8,32 x10 6 = = 288,77W / m 2 t 8 x3.600

Realizando la misma operación para cada uno de los restantes meses del año, obtendremos las intensidades medias diarias de la radiación:

Anexo B

Dimensionado de una instalación de Energía Solar Térmica

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ENERGÍA SOLAR Y EÓLICA

1.1.4. DETERMINACIÓN DEL RENDIMIENTO DEL COLECTOR El rendimiento de un colector es el último escollo que encuentra la radiación incidente y es un dato que nos da el fabricante en las hojas de características del mismo. Suele venir dado por una expresión del tipo: η = a − b(

t º m −t º a ) I

Donde: P

La constante a, es el rendimiento óptico o factor de ganacia del colector.

P

La constante b, es el coeficiente de pérdidas o factor de pérdidas.

P

tº m , es la temperatura media del ACS en el acumulador y que si no

nos indican lo contrario siempre será de 45°. P

tº a , es el valor de la temperatura ambiente media diaria durante las

horas de sol para cada uno de los meses del año y cada localidad.

Puedes obtener toa a partir de la tabla 7 del Anexo A..

Apliquemos esto a nuestro ejemplo. 1.1.4.1. COLUMNA 14. TEMPERATURA AMBIENTE Este dato será necesario para poder calcular el rendimiento medio teórico diario de nuestro colector.

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Anexo B

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Lo podemos obtener de la Tabla 7 del Anexo A, que nos da la temperatura ambiente media diaria durante las horas de sol y te puedes descargar de la ZPA. De este modo para la localidad de Madrid tendremos:

1.1.4.2. COLUMNA COLECTOR

15.

RENDIMIENTO

INSTANTÁNEO

DEL

Se ha elegido el colector del fabricante Disol modelo Magnum 25L.

Las principales características técnicas de este colector se muestran a continuación:

Anexo B

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La curva de rendimiento instantáneo de nuestro colector viene dada por la expresión: ⎛ (t − t )2 ⎛ tm − ta ⎞ ⎟ -0,009· ⎜⎜ m a G ⎝ G ⎠ ⎝

η = 0,803-3,492 ⋅ ⎜

⎞ ⎟ ⎟ ⎠

Como temperatura media del fluido caloportador en el interior del colector, tm, para ACS siempre elegiremos un valor de 45ºC. Tenemos que tener en cuenta que la curva de rendimiento se obtiene suponiendo que los rayos inciden perpendicularmente al colector. En la realidad esto no es así, ya que los rayos solares a lo largo del día forman un ángulo variable con los colectores. Además la suciedad y el envejecimiento de la cubierta del colector hacen que su coeficiente de transmisión, τ, disminuya. Para tener en cuenta estos factores y obtener una curva de rendimiento instantáneo de un colector de placa plana más real introduciremos un factor de corrección que multiplicará siempre al término de ganancias o factor óptico de la misma (primer término de la ecuación), y que será 0,94.

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Anexo B

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Nos quedará: ⎛ (t m − t a )2 ⎛ tm − ta ⎞ η = 0,94·0,803-3,492· ⎜ ⎟ -0,009· ⎜⎜ I I ⎝ ⎠ ⎝

⎞ ⎟ ⎟ ⎠

Por ejemplo el rendimiento medio diario de nuestro colector para el mes de enero será:

⎛ (45 − 6)2 ⎛ 45 − 6 ⎞ ⋅⎜ ⎟ − 0,009 ⋅ ⎜⎜ ⎝ 288,77 ⎠ ⎝ 288,77

η = (0,94·0,803)3,492 ⎞ ⎛ 39 2 ⎞ 39 ⎞ ⎟ = 0,75482 − 3,492 ⋅ ⎛⎜ ⎜⎜ ⎟⎟ = 0,2358 − 0 , 009 ⋅ ⎟ ⎟ ⎝ 288,77 ⎠ ⎝ 288,77 ⎠ ⎠

El rendimiento medio diario del colector en el mes de enero es del 23,58%. Realizando la misma operación para cada uno de los meses del año obtenemos:

Anexo B

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El término 0,94 que multiplica al factor de ganancia de nuestro colector se introduce, según vimos en la unidad 5, para tener en cuenta que los rayos solares no inciden siempre perpendiculares a la superficie colectora y que la cubierta transparente puede estar sucia o deteriora.

1.1.5. CÁLCULO DE NECESARIA

LA

ENERGÍA

ÚTIL

Y

SUPERFICIE

Tras calcular el rendimiento, ya estamos en disposición de determinar la energía útil que podremos extraer de la superficie colectora y que será la que utilizaremos para calentar el agua de consumo almacenada en nuestro acumulador. El producto ηE , lógicamente expresando el valor del rendimiento en tanto por uno, será la energía media diaria útil por metro cuadrado de colector que podremos obtener en un determinado mes. Calcularemos los metros cuadrados necesarios de superficie colectora para cubrir las necesidades energéticas anuales, dividiendo éstas últimas por la suma de la energía util por metro cuadrado de superficie que obtenemos en cada uno de los meses del año. Veámoslo en nuestro ejemplo. 1.1.5.1. COLUMNA 16. APORTACIÓN SOLAR POR M2 Ya podemos calcular la energía solar aportada por m2 de superficie colectora, o energía útil que realmente de la total incidente se va a emplear en calentar el fluido caloportador que circula por el interior del colector. Vendrá dada por la expresión: Eutil = η·E

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Anexo B

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Por ejemplo para el mes de enero tendremos: 0,2358 x 8,32 = 1,96 MJ/m2 Realizando la misma operación para cada uno de los meses del año:

1.1.5.2. COLUMNA 17. ENERGÍA DISPONIBLE AL DÍA POR M2 La energía diaria que aportan los colectores no coincide con la disponible para el consumo ya que en todos los elementos de la instalación se producen pérdidas, principalmente en el acumulador. Estas pérdidas, a falta de datos, se suelen estimar en un 15 o un 20% y por tanto la energía acumulada disponible para el consumo será igual a: Eneta= (0,8 o 0,85)·η·Eutil En nuestro caso vamos a estimar estas pérdidas en un 15% con lo que por ejemplo para el mes de enero tendremos: 0,85 x 0,2358 x 8,32 = 1,67

Anexo B

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1.1.5.3. COLUMNA 18. ENERGÍA DISPONIBLE AL MES POR M2 Será el producto de la energía disponible al día por m2 por el número de días del mes. Para el mes de enero tendremos: 1,67 x 31 = 51,77 MJ/m2

Podemos obtener la energía anual disponible que nos va a proporcionar nuestra instalación solar sin más que sumar las energías disponibles de cada uno de los meses del año. En nuestro ejemplo será de 2.489,11 MJ/m2. Conocido este dato ya podremos calcular los m2 necesarios para cubrir el 75% de nuestras necesidades energéticas.

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Anexo B

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Tendremos: m2 de superficie colectora =

0,75 x509.229,62 = 153,44m 2 2.489,11

1.1.6. CÁLCULO DEL NÚMERO DE COLECTORES Es el dato más importante y final de todo este proceso de cálculo. Para saber el número total de colectores a instalar debemos dividir el número de m2 de superficie colectora necesaria por la superficie de abertura de uno cualquiera de los colectores. De las características de nuestro colector Disol modelo Mágnum 25L vemos que la superficie de apertura es de 2,42 m2. El número de colectores será: Nº de colectores =

153,44 = 63,4 → 64 2,42

La sección HE 4 del Documento Básico HE del CTE nos dice en su punto 3.3.2.2 en relación con el conexionado de los colectores, que estos se dispondrán en filas o baterías constituidas por el mismo número de colectores. Dentro de cada fila y para aplicaciones de ACS los colectores se conectarán en paralelo y a su vez las filas también se conectarán entre sí en paralelo. El número de colectores que se conectan en paralelo tendrá en cuenta las limitaciones del fabricante. En concreto el fabricante DISOL nos indica que el máximo de captadores conectados en paralelo para este modelo no debe ser superior a 8 para un caudal nominal de 40 l/h·m2. La conexión entre colectores y entre filas o baterías se realizará de manera que el circuito resulte equilibrado hidráulicamente. Para poder cumplir con todas estas especificaciones nuestro campo colector estará formado por 64 colectores dispuestos en 8 baterías conectadas en paralelo de 8 colectores cada una conectados también en paralelo tal y como se muestra en la siguiente figura:

Anexo B

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6

6'

2'

2

7

7'

3'

3

8

8'

4

4'

9

9'

5

5'

10

10'

1

1'

0

0'

1.1.6.1. COLUMNA 19. ENERGÍA SOLAR TOTAL Una vez que sabemos el número total de colectores que vamos a instalar obtendremos el número real de m2 útiles de superficie colectora sin más que multiplicar este por la superficie de apertura de uno cualquiera de los colectores. En nuestro caso tendremos: m2 de superficie colectora = 64 x 2,42 = 154,88 m2 A partir de este dato y el la energía neta disponible para el consumo que suministra cada m2 de superficie colectora, podemos obtener para cada uno de los meses del año la energía neta disponible para el consumo que suministra la instalación. Por ejemplo para el mes de enero: 154,88 x 51,77 = 8.010,14 MJ

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Anexo B

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ENERGÍA SOLAR Y EÓLICA

Realizando la misma operación para cada uno de los meses del año:

1.1.6.2. COLUMNA 20. PORCENTAJE DE SUSTITUCIÓN Representa que fracción del consumo energético se satisface mediante energía solar. En los meses en los que la aportación solar sea superior al consumo dicho porcentaje será, lógicamente, igual al 100%. Por ejemplo para el mes de enero tendremos: Aporte solar

% sustitución =

8.018,14 = 0,1651 → 16,51% 48.561,18

Necesidades energéticas

Anexo B

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Realizando esta misma operación para cada uno de los meses del año tendremos:

1.1.6.3. COLUMNA 21. DÉFICIT ENERGÉTICO Representa la energía auxiliar que hay que aportar en los meses en que la energía solar no es suficiente por sí sola para cubrir el 100% de las necesidades. Lógicamente el déficit energético será nulo en aquellos meses en los que con nuestra instalación solar cubramos el 100% de nuestras necesidades. Por ejemplo para el mes de enero tendremos: 8.018,14 – 48.561,18 = -40543,04 MJ Aporte solar

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Necesidades energéticas

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Anexo B

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Es posible que algún dato de los realizados manualmente en el ejemplo difiera ligeramente de los que se han realizado con la ayuda de la hoja Excel que aparece en las figuras. Esto es debido a que los cálculos con la Excel se han hecho redondeando a dos decimales.

1.1.7. RESUMEN DEL PROCESO DE CÁLCULO A continuación resumimos el proceso para el cálculo de la superficie de colectores necesaria para satisfacer unas determinadas necesidades de consumo de agua caliente sanitaria. CALCULAR EL CONSUMO MENSUAL EN MEGAJULIOS Y LA SUMA, QUE SERÁ EL CONSUMO ANUAL

CALCULAR LA H SEGÚN LA TABLA 5 DE ANEXO C

CORREGIR H EN FUNCIÓN DE LA LOCALIZACIÓN DEL COLECTOR

CON LA Tª AMBIENTE OBTENEMOS EL RENDIMIENTO

DEFINIMOS CON EL DATO ANTERIOR LA ENERGÍA NETA DISPONIBLE AL MES Y LA TOTAL

DIVIDIENDO LA ENERGÍA TOTAL NECESARIA POR LA ENERGÍA NETA DISPONIBLE TENEMOS LOS METROS CUADRADOS DE COLECTOR

BUSCAR k EN LA TABLA 9 Y CALCULAR E CON LA FÓRMULA E=0,94kH

CON LAS HORAS ÚTILES Y E CALCULAMOS LA INTENSIDAD UTIL I

Anexo B

SE DETERMINA LA SUSTITUCIÓN APORTADA POR LA ENERGÍA SOLAR Y EL PORCENTAJE

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1.2.

CÁLCULO DEL NECESARIO

VOLUMEN

DE

ACUMULACIÓN

La Sección HE 4 del Documento Básico HE del CTE, en el punto 3.3.3.1 nos indica que para la aplicación de ACS, el área total de los colectores tendrá un valor tal que se cumpla la condición: 50 < V/A