ESCUELA SUPERIOR DE INGENIEROS UNIVERSIDAD DE SEVILLA

PROYECTO FIN DE CARRERA

DISEÑO DE INSTALACIONES SOLARES TÉRMICAS PARA LA PRODUCCIÓN DE AGUA CALIENTE SANITARIA. APLICACIÓN A UN EDIFICIO DE VIVIENDAS.

AUTOR: D. Juan Ramón de la Cuesta Corado TUTOR: D. Luis Pérez-Lombard Martín de Oliva

ÍNDICE

ANTECEDENTES ……….……………………………………………………… iii OBJETIVOS ……………….……………………………………………………. iii ALCANCE. ……………….……………………………………………………… iii CONTENIDO ………….……………………………………………………..…. iii BIBLIOGRAFÍA ……………………………………………………………...… iv PARTE I. DESCRIPCIÓN DE LAS INSTALACIONES SOLARES TÉRMICAS PARA LA PRODUCCIÓN DE AGUA CALIENTE SANITARIA

I.1. LA ENERGÍA ……………………………………………………………….. 2 I.1.1. Introducción I.1.2. Energías disponibles I.2. LA ENERGÍA SOLAR ……………………………………………………… 4 I.2.1. Introducción. I.2.2. Sistemas activos. I.3. LA ENERGÍA SOLAR TÉRMICA …………….…………………………… 6 I.3.1. Introducción I.3.2. Sistemas de baja temperatura. I.4. LA ENERGÍA SOLAR TÉRMICA PARA A.C.S. ………………………… 8 I.4.1. Introducción I.4.2. Instalaciones I.4.3. Sistemas y Equipos I.4.4 Captadores I.4.5. Acumulación e intercambio I.4.6. Sistema hidráulico I.4.7. Regulación y control

PARTE II. METODOLOGÍA DE DISEÑO, SELECCIÓN Y CÁLCULO DE INSTALACIONES Y EQUIPOS

II.1. PROCEDIMIENTO DE CÁLCULO ............................................................... 19 II.1.1. Objeto del proyecto II.1.2. Normativa aplicable II.1.3. Esquema de principio II.1.4. Tipo de captador II.1.5. Volumen de acumulación II.1.6. Superficie de captación II.1.7. Captadores II.1.8. Estructuras II.1.9. Acumulador e intercambio II.1.10. Circuito primario II.1.11. Circuito secundario II.1.12. Electricidad y control II.2. ANEXO: CÁLCULO DE LA SUPERFICIE DE CAPTACIÓN ……..…….. 32 II.2.1. Introducción II.2.2. Métodos de simulación II.2.3. Métodos de cálculo simplificados (F-CHART)

i

PARTE III. “PROYECTO DE INSTALACIÓN SOLAR TÉRMICA PARA LA PRODUCCIÓN DE AGUA CALIENTE SANITARIA EN UN EDIFICIO DE VIVIENDAS EN GINES (SEVILLA).”

III.1. MEMORIA …………………………………………………..........……….. 37 III.1.1. Objeto del proyecto III.1.2. Normativa aplicable III.1.3. Esquema de principio III.1.4. Tipo de captador III.1.5. Volumen de acumulación III.1.6. Superficie de captación III.1.7. Captadores III.1.8. Estructuras III.1.9. Acumulador e intercambio III.1.10. Circuito primario III.1.11. Circuito secundario III.1.12. Electricidad y control III.2. PLIEGO DE CONDICIONES ……………………….........……………… 65 III.2.1. Disposiciones preliminares III.2.2. Condiciones de materiales y equipos III.2.3. Puesta en marcha de las instalaciones III.3. PRESUPUESTO ………..………………………………………………… 70 III.3.1. Precios unitarios III.3.2. Presupuesto III.4. PLANOS ………………………………………………………………….. 75 III.4.1. Localización III.4.2. Planta y Alzado III.4.3. Esquema de principio III.4.4. Esquema de detalle III.4.5. Esquema de estructuras III.4.6. Esquema de captación en cubierta bloque 4 III.4.7. Esquema de captación en cubierta bloque 3 III.4.8. Esquema de distribución en planta tipo III.4.9. Esquema de distribución en planta primera III.4.10. Esquema de distribución en planta baja III.4.11. Esquema hidráulico de captación III.4.12. Esquema hidráulico de distribución III.4.13. Esquema eléctrico y de control

ii

ANTECEDENTES El mercado de la energía solar irrumpió en España con fuerza en la década de los 80, sin embargo, su desarrollo no fue el esperado, pues un gran número de estaciones construidas en esa época se encuentran fuera de servicio debido a un incorrecto diseño. En estos días se ha producido un nuevo impuso de la energía solar, pero en esta ocasión parece ser que se está produciendo un desarrollo apropiado para el diseño, construcción y mantenimiento de estas instalaciones. Este proyecto surge de la necesidad de calcular de forma metódica y sencilla, instalaciones solares térmicas para la edificación.

OBJETIVOS El objeto de este Proyecto Fin de Carrera es la obtención de una guía de cálculo para este tipo de instalaciones. Esta guía viene apoyada por un ejemplo de aplicación práctica. Se prevé también el cumplimiento de nuevos códigos que han surgido o se han renovado como consecuencia de este nuevo impulso, como es el caso del Código Técnico de la Edificación y el Reglamento de Instalaciones Térmicas en los Edificios (RITE).

ALCANCE Esta guía comprende el dimensionado de instalaciones solares activas térmicas de baja temperatura para la producción de agua caliente sanitaria en viviendas multifamiliares. Así mismo, el desarrollo de esta guía sería similar para otras aplicaciones como hoteles, residencias, hospitales, escuelas, talleres, gimnasios, lavanderías, restaurantes, cafeterías, etc.

CONTENIDO El texto se divide en tres partes: -

Parte I. Tras una breve introducción al contexto tecnológico solar, se describen las instalaciones solares térmicas para agua caliente sanitaria.

-

Parte II. Se tipifica una metodología a seguir para su aplicación a proyectos reales, y se anexa un método de cálculo para la superficie de captación óptima.

-

Parte III. Es un proyecto de ingeniería realista en el que se emplean los conocimientos adquiridos en el apartado anterior.

iii

BIBLIOGRAFÍA

Textos de referencia [1]

Energía Solar Térmica en la Edificación. Fernández, J.; Gallardo, V. AMV Ediciones

[2]

Sistemas Solares Térmicos. Diseño e Instalación. F. A. Peuser; K.-H. Remmers; M. Schnauss. Progensa - Solarpraxis

[3]

Electricidad Solar Fotovoltaica - Vol. I : Sobre El Papel De La Energía En La Historia.Lorenzo, E. Progensa - Solarpraxis.

[4]

Fotovoltaica para Profesionales. F. Antony , C. Dürschner , K. Remmers, E Progensa

[5]

Instalaciones Solares Térmicas : Manual para Uso de Instaladores, Fabricantes, Proyectistas e Ingenieros, Instituciones de enseñanza y de Investigación. G. López, Bernd-Rainer K., Bernhard Weyre-Borchert. SODEAN

[6]

La Energía Solar, Aplicaciones Prácticas. CENSOLAR – PROGENSA..

[7]

Curso de Instalador de Sistemas de Energía Solar Térmica. Centro de Tecnología Educativa.

Catálogos comerciales [8]

Catálogo de Lapesa en http://www.lapesa.es/

[9]

Catálogo de Wilo en http://www.wilo.es/

[10]

Catálogo de Ibaiondo en http://www.ibaiondo.com/

[11]

Manual Técnico de Termicol en http://www.termicol.es/

[12]

Manual de Instalación de Isofotón en http://www.isofoton.com/

[13]

Manual Técnico de Salvador Escoda en http://www.salvadorescoda.com/

iv

Proyectos fin de carrera Todos los proyectos fin de carrera han sido obtenidos de la base de datos electrónica de la Biblioteca de la Escuela Superior de Ingenieros de Sevilla: http://bibpc03.us.es/BIBcgi/proyectos/busqproy.html [14] “Diseño de Equipo Solar Térmico para Vivienda Unifamiliar.” L. Martínez [15] “Optimización De La Deshidratación de Fangos Mediante Calentamiento Con Energía Solar.” L. M. Oterino. [16] “Estudio Paramétrico de Instalaciones de Energía Solar para Producción de Agua Caliente Sanitaria.” J.D. Carrero [17] “Estudio de Viabilidad Técnico Económico y Proyecto De Ejecución de Instalación Centralizada de Producción y Almacenamiento de A.C.S. mediante Energía Solar Térmica en Residencia Geriátrica en Régimen de Venta de Energía” V. Moñino

Proyectos [18] “Proyecto Básico y Proyecto de Ejecución de 218 Viviendas.” Promotor: Emvisesa Autores: J.C. Cordero / C. Albalá [19] “Instalación de Energía Solar para Proyecto de Ejecución de Residencia para Estudiantes, Profesores y PAS en la Parcela Heliópolis de La Universidad De Sevilla, Sevilla.” Promotor: Viturse SL Autores: J. Izquierdo / J. A. García / E. Murillo

Referencias Web [20]

http://www.censolar.edu/fchart.htm

[21]

http://www.agenciaandaluzadelaenergia.es

[22]

http://www.iea.org/

[23]

http://www.codigotecnico.org/

[24]

http://www.termicol.es/

[25]

http://www.ez2c.de/ml/solar_land_area/

v

PARTE I DESCRIPCIÓN DE LAS INSTALACIONES SOLARES TÉRMICAS PARA LA PRODUCCIÓN DE AGUA CALIENTE SANITARIA

DISEÑO DE INSTALACIONES SOLARES TÉRMICAS PARA LA PRODUCCIÓN DE AGUA CALIENTE SANITARIA. APLICACIÓN A UN EDIFICIO DE VIVIENDAS.

1

I.1. LA ENERGÍA I.1.1. INTRODUCCIÓN. La vida es un proceso continuo de conversión y transformación de energía. Los logros de la civilización se han basado en gran medida en la capacidad para acceder a diferentes tipos de energía desarrollando las técnicas para un aprovechamiento y transformación cada vez más eficientes. La energía resulta indispensable para el desarrollo de la humanidad y el crecimiento económico. La disponibilidad de energía de características adecuadas y a precios asequibles es esencial para la reubicación de la pobreza, incrementar el bienestar y elevar los niveles de vida en el mundo. Pero la producción, transformación y uso energía genera siempre subproductos y emisiones indeseables, aunque sea como mínimo en forma de disipación de calor, pues la energía sólo se transforma, no se crea ni se destruye. Además, numerosos estudios demuestran que el paradigma energético actual no es capaz de mantener un abastecimiento indefinido. Multitud de organismos internacionales trabajan para minimizar estos problemas, sobre todo desde el punto de vista de su generación. Hasta finales de siglo XVIII, el mundo vivió en la llamada “Era de la Madera”, pues ésta era la principal fuente energética utilizada. A llegar al siglo XIX, la invención de la máquina de vapor hace que el carbón sustituya a la madera como combustible y se entra en la “Era del Carbón”, que durará hasta principios del siglo XX. En este momento, una nueva fuente energética hace su aparición en escena, el petróleo, que inició una rápida carrera ascendente.

Figura 1. Evolución histórica del consumo de energía en uno de los escenarios de evolución que supone la previsión más optimista para el medio ambiente según [22].

A mediados del siglo XX el consumo de petróleo aumentó vertiginosamente, superando al carbón y entrando la Humanidad en la “Era del Petróleo”. Toda esta situación se truncó en el año 1973, cuando los países productores de petróleo decidieron aumentar enormemente el precio del crudo. Desde entonces, el mundo empezó a pensar en otras energías alternativas provenientes de ciclos naturales, evitando el problema de depender de reservas energéticas no renovables a corto plazo. Entre ellas, la energía solar se plantea como una solución óptima. Esta nueva situación quizá sea la más propicia para que la Humanidad termine de una manera definitiva con el problema y, al fin, dar paso a la que probablemente será definida en el futuro como la “Era Solar”.

DISEÑO DE INSTALACIONES SOLARES TÉRMICAS PARA LA PRODUCCIÓN DE AGUA CALIENTE SANITARIA. APLICACIÓN A UN EDIFICIO DE VIVIENDAS.

2

I.1.2. ENERGÍAS DISPONIBLES. El por qué elegir este tipo de energía alternativa como principal, es debido a que, en realidad, todos los tipos de energía utilizables provienen directa o indirectamente del Sol, así que la forma más asequible de obtener su energía es captar la radiación que incide en la Tierra. De hecho, muchas de las energías conocidas hoy, tales como la biomasa, los combustible fósiles, la hidráulica y la eólica, vienen en parte derivadas de la energía radiante del Sol. Las alternativas serían: La energía fósil es la que se obtiene de la combustión de ciertas sustancias (carbón, petróleo y gas natural) que se produjeron en el subsuelo a partir de la acumulación de grandes cantidades de residuos orgánicos, hace millones de años. La energía nuclear se obtiene de la modificación de los núcleos de algunos átomos, transformando su masa en energía. Por tanto, no involucra combustión, pero sí produce otros subproductos agresivos para el ambiente. La energía geotérmica consiste en extraer calor del magma incandescente de la tierra por medio de vapor. Mediante procesos térmicos es posible generar electricidad, en las plantas llamadas geotérmicas. Nótese que el aprovechamiento de la energía geotérmica no implica combustión alguna.

La energía de la biomasa es la forma más antigua de aprovechamiento de la energía solar, y proviene de la captación (bastante ineficiente) de la radiación solar como carbono fijo por medio de fotosíntesis. Principalmente, consiste en cultivar especies vegetales que pueden servir como combustible, aunque también podemos aprovechar como biomasa algunos residuos, tanto urbanos como ganaderos. Asimismo, mediante procesos biológicos, se pueden producir fermentaciones para obtener biocombustibles. La energía hidráulica también deriva de la energía solar, pues es el Sol quien provee la fuerza impulsora al ciclo hidrológico. Se obtiene a partir de caídas de agua, artificiales o naturales. Así, si un río atraviesa un desnivel, es posible su explotación bien sea a caudal directo, bien mediante la construcción de la presa y embalse el agua. Además, estos embalses pueden servir como acumuladores de energía sobrante mediante bombeo. La energía eólica viene derivada de la solar porque los movimientos de la atmósfera se deben, aparte del efecto de rotación y atracción lunar, al calentamiento causado por la radiación solar. La utilización racional de este tipo energía se lleva a cabo con aerogeneradores o molinos de viento. A su vez, existen otras energías que intentan aprovechar la energía proveniente de los mares y océanos. Éstas son, la energía undimotriz (energía de las olas), la mareomotriz (energía las mareas), OTEC (diferencia temperatura oceánica) y la energía azul (diferencia de concentración salina en desembocaduras).

DISEÑO DE INSTALACIONES SOLARES TÉRMICAS PARA LA PRODUCCIÓN DE AGUA CALIENTE SANITARIA. APLICACIÓN A UN EDIFICIO DE VIVIENDAS.

3

I.2. LA ENERGÍA SOLAR I.2.1. INTRODUCCIÓN. La energía solar es la fuente de energía más abundante de la Tierra. Además de renovable, disponible y gratuita, está en cantidad muy superior a las necesidades energéticas de la población mundial. Durante el año, el sol arroja sobre la tierra cuatro mil veces más energía que la que vamos a consumir. Hoy en día utilizamos solo una pequeña parte de la enorme cantidad de energía que nos llega del sol, por lo que el camino a recorrer es todavía largo para poder aprovechar la energía solar a gran escala.

Figura 2. Los puntos indican el área de captación necesaria para cubrir la demanda energética global según se argumenta en [25].

Los sistemas solares se pueden clasificar en dos grupos: Sistemas pasivos: Aprovechan el calor y la luz del sol sin necesidad de sistemas mecánicos ni aporte externo de energía. Incluye sistemas para el calentamiento de espacios, sistemas de calentamiento de agua basados en termosifón, invernaderos, el uso de materiales para suavizar las oscilaciones de la temperatura del aire y chimeneas solares para mejorar la ventilación natural. Las tecnologías solares pasivas ofrecen importantes ahorros, sobre todo en lo que respecta a la calefacción de espacios. Sistemas activos: Permiten la captación y acumulación de calor, así como la generación de electricidad. La captación se realiza mediante módulos que pueden ser planos o con algún sistema de concentración de radiación. La mayoría de los módulos solares suelen situarse sobre soportes fijos, pero si se le añade un sistema de seguimiento solar aumentan su rendimiento, como es el caso de las centrales térmicas solares.

Figura 3. Ejemplos de arquitectura bioclimática.

DISEÑO DE INSTALACIONES SOLARES TÉRMICAS PARA LA PRODUCCIÓN DE AGUA CALIENTE SANITARIA. APLICACIÓN A UN EDIFICIO DE VIVIENDAS.

4

I.2.2. SISTEMAS ACTIVOS. Existen tres tipos de aprovechamiento de la energía solar mediantes sistemas activos: Energía solar fototérmica: Consiste en el aprovechamiento de la energía del Sol para producir calor que puede usarse para procesos industriales (destilación, secado, agua caliente de proceso…), hornos solares, cocinar alimentos, desinfectar y desalar agua, producir agua caliente para viviendas (ya sea agua caliente sanitaria o agua para calefacción y climatización) y para producción de energía mecánica, y a partir de ella, de energía eléctrica. Energía solar fotovoltaica: Produce electricidad mediante placas de semiconductores que se excitan con la radiación solar. El acoplamiento en serie de varios de estos semiconductores permite alimentar a pequeños dispositivos electrónicos. A mayor escala, la corriente eléctrica continua que proporcionan los paneles fotovoltaicos se puede transformar en corriente alterna y ser utilizada para un uso aislado o ser inyectada en la red eléctrica. Energía solar fotoquímica: Se refiere a una serie de procesos en que es posible aprovechar la energía solar para producir una reacción química en una forma similar a la fotosíntesis en las plantas, pero sin utilizar organismos vivos. Aún son procesos experimentales, pero ya existen algunos enfoques prometedores como es dividir el agua en sus componentes para obtener hidrógeno, un vector energético en desarrollo. También es posible utilizar la luz solar para conducir las reacciones químicas industriales sin necesidad de combustibles fósiles. Energía solar híbrida: Que combina las anteriores con la combustión de biomasa y combustibles fósiles, la energía eólica o cualquier otra energía alternativa.

Figura 4. Usos de la energía solar: a) Paneles fotovoltaicos y fototérmicos; b) Aeronave Helios, propulsada por energía solar; c) Cocina solar; d) Reactor solar.

DISEÑO DE INSTALACIONES SOLARES TÉRMICAS PARA LA PRODUCCIÓN DE AGUA CALIENTE SANITARIA. APLICACIÓN A UN EDIFICIO DE VIVIENDAS.

5

I.3. LA ENERGÍA SOLAR TÉRMICA I.3.1. INTRODUCCIÓN. Una clasificación de este tipo de sistemas solares activos, puede ser en función del nivel de temperaturas de funcionamiento: Sistemas de alta temperatura: Con temperaturas superiores a los 800ºC, mediante sistemas de receptor central (centrales de torre) y discos parabólicos, son utilizados en centrales termosolares. Las centrales de torre se caracterizan porque el sistema colector está compuesto por un grupo de concentradores individuales llamados helióstatos que dirigen la radiación solar concentrada hacia un receptor central, normalmente situado a una cierta altura en una torre. Los discos parabólicos se componen de un reflector con forma de paraboloide de revolución, un receptor situado en el foco de dicho paraboloide y un sistema de generación eléctrica compacto (motor o turbina más alternador), que suele formar un solo bloque con el receptor. La radiación solar concentrada por el paraboloide incide sobre el receptor, donde se convierte en energía térmica que permite generar electricidad en el sistema generador.

Figura 5: Central de torre y colectores de disco. Sistemas de media temperatura: En este tipo de sistemas, el rango de temperatura máximo está cercano a los 300ºC. Están asociados a procesos industriales y se utilizan cilindros parabólicos, que están compuestos de un espejo cilindro-parabólico que refleja la radiación solar directa concentrándola sobre un tubo receptor colocado en la línea focal de la parábola. La radiación solar concentrada produce el calentamiento del fluido que circula por el interior del tubo receptor. Sistemas de baja temperatura: El rango de temperatura de funcionamiento, se encuentra por debajo de los 90ºC. Este tipo de instalaciones utilizan colectores planos y se localizan en edificios de viviendas y del sector terciario, como hoteles y oficinas.

Figura 6: Colectores cilindro-parabólicos y colectores planos.

DISEÑO DE INSTALACIONES SOLARES TÉRMICAS PARA LA PRODUCCIÓN DE AGUA CALIENTE SANITARIA. APLICACIÓN A UN EDIFICIO DE VIVIENDAS.

6

I.3.2. SISTEMAS DE BAJA TEMPERATURA. Las aplicaciones más comunes de los sistemas solares activos térmicos de baja temperatura son: Agua caliente sanitaria (ACS). Es el uso más extendido y se trata de calentar el agua que utilizamos para el uso doméstico: ducharnos, bañarnos, grifos de fregaderos, etc. Agua de proceso para industria. Se utiliza para precalentar el agua a la entrada de calderas con combustibles fósiles. Es válido para muchos procesos industriales como generación de vapor, lavado, secado, destilación, esterilización, pasteurización, etc. Las industrias más adecuadas son la papelera, la alimentaria, la textil y la química.

Calefacción. Se puede utilizar el agua calentada para que circule por el sistema de calefacción o bien ceda calor a una piscina. Normalmente las instalaciones son mixtas, es decir, producen ACS y apoyo a la calefacción. Puede ser utilizado para la calefacción por suelo radiante, radiadores o fan-coils, dotando de un gran ahorro en el gasto de combustible de la vivienda. Climatización. Tanto el sistema de refrigeración por compresión como el de absorción pueden ser adaptados para que funcionan con energía solar, pero el segundo no implica conversiones de un tipo de energía a otra así que se presenta como la solución más económica y eficiente. Esta aplicación es una de las más interesantes debido a que las demandas de refrigeración más altas del año coinciden con el momento de mayor insolación, justo al revés que la calefacción.

DISEÑO DE INSTALACIONES SOLARES TÉRMICAS PARA LA PRODUCCIÓN DE AGUA CALIENTE SANITARIA. APLICACIÓN A UN EDIFICIO DE VIVIENDAS.

7

I.4. ENERGÍA SOLAR TÉRMICA PARA A.C.S. I.4.1. INTRODUCCIÓN. La instalación tradicional para generar el agua caliente sanitaria se basaba únicamente en hacer pasar el agua fría por un sistema tradicional de calentamiento (termo eléctrico, caldera, calentador modulante a gas…). Al incorporar el sistema de energía solar térmica, hacemos que una parte de la energía necesaria para el calentamiento sea la energía solar, convirtiendo el sistema tradicional de calentamiento en la energía de apoyo que garantiza la temperatura final del agua en caso de no contar con suficiente radiación solar.

Figura 7: Comparativa entre instalación tradicional e instalación solar

I.4.2. INSTALACIONES. En general, las instalaciones pueden ser clasificadas según el sistema de circulación (forzada y termosifón) y la configuración básica (centralizada y distribuida). Según el sistema de circulación, las instalaciones pueden ser clasificadas como: Sistemas naturales (termosifón). La circulación en el circuito primario solar se efectúa por convección natural. El fluido en el captador asciende a medida que se calienta a consecuencia de la radicación solar y, al alcanzar el acumulador colocado por encima del captador, transfiere su calor y vuelve enfriado hacia el captador. Funcionan sin bombas o controles, por ello, requieren un diseño y montaje muy cuidadoso que minimice las pérdidas de carga. Se tratan de sistemas prefabricados que suelen suministrar en una unidad completa que consta de uno o dos captadores, un acumulador y los accesorios correspondientes, con lo cual tienen un coste menor que otros equipos. Ellos directamente se regulan, en función de la radiación incidente, así que son equipos automáticos que no precisan de energía exterior. Sistemas forzados. En estos sistemas, una bomba impulsa el agua a través de los captadores. Las bombas se activan en función de la temperatura que dispongamos en los acumuladores, con lo cual estos sistemas llevan un sistema de regulación, que hace que tengamos un control preciso del sistema. En función de la temperatura del depósito y de los captadores, el sistema de bombas entrará en funcionamiento. Debido a que no es necesario tener ubicados los acumuladores muy próximos a los captadores, se tiene una mejor integración arquitectónica del sistema. Por el contrario, este tipo de instalaciones tiene un mayor coste de montaje, funcionamiento y de mantenimiento. Hoy en día existen equipos integrados en los que el acumulador incorpora un sistema de impulsión-regulación, con lo que se ahorra espacio.

DISEÑO DE INSTALACIONES SOLARES TÉRMICAS PARA LA PRODUCCIÓN DE AGUA CALIENTE SANITARIA. APLICACIÓN A UN EDIFICIO DE VIVIENDAS.

8

Figura 8: Sistema forzado integrado y sistema natural por efecto termosifón Por su configuración podemos distinguir dos tipos principalmente: Acumulación centralizada: En esta configuración, existe un campo solar, que calienta el fluido caloportador. Posteriormente, se transfiere la energía a un acumulador central mediante los intercambiadores. Desde este depósito central se distribuye a cada una de las viviendas mediante una red de distribución que se encuentra circulando en permanentemente en circuito de recirculación a fin de lograr que la temperatura disponible a la entrada de cada vivienda sea la máxima posible. En cada una de las viviendas, se dispone de un sistema de apoyo convencional. Al diseñar el circuito de distribución se han de tener en cuenta los coeficientes de simultaneidad de los consumos en las viviendas. El caudal de recirculación debe ser tal que la energía aportada a la red de distribución sea suficiente para compensar las pérdidas térmicas de la misma. Acumulación distribuida: La variante consiste en disponer de un acumulador individual en cada vivienda. Este tipo de configuración se elige cuando se presentan problemas de espacio para ubicar un acumulador central o cuando se entienda que el usuario final va a valorar favorablemente el tener un acumulador en su propia vivienda. El calor generado por el campo de captadores se transfiere mediante un intercambiador al circuito de distribución, por el cual llega hasta los interacumuladores en cada vivienda. Este tipo de configuración resulta algo más cara que las descritas anteriormente, debido a que en los acumuladores individuales, las pérdidas resultan más elevadas, aunque esta configuración ofrece una seguridad frente a la legionelosis y bastante facilidad de manteniendo.

Figura 9: Acumulación centralizada y acumulación distribuida

DISEÑO DE INSTALACIONES SOLARES TÉRMICAS PARA LA PRODUCCIÓN DE AGUA CALIENTE SANITARIA. APLICACIÓN A UN EDIFICIO DE VIVIENDAS.

9

I.4.3. SISTEMAS Y EQUIPOS. Se puede considerar que, mediante una serie de sistemas que componen la instalación, se produce un juego de diferentes tipos de energía para conseguir que la energía del Sol se transforme en agua caliente. El sistema de captación, compuesto de captadores solares, recibe la energía radiante y la transmite al fluido caloportador en forma de energía térmica, que es transportada hasta los elementos de intercambio y acumulación. El sistema de acumulación es necesario debido a la existencia de un desfase horario entre la producción y el consumo de energía, con lo que dispondremos de un depósito encargado de acumular la energía térmica. El sistema de circulación transforma la energía eléctrica en energía mecánica para transportar el fluido de los captadores al acumulador a través de tuberías y accesorios mediante una bomba. El sistema auxiliar conecta el depósito acumulador con el consumo y le aporta la energía térmica necesaria para alcanzar la demanda energética deseada. Si se realiza mediante una caldera de gas, se hace mediante energía química y si se utiliza un termo eléctrico se utiliza energía eléctrica . El sistema de control es el encargado de dosificar todas estas energías mediante sondas, termostatos y relés.

Figura 10: Flujo de energía entre los sistemas y equipos de una instalación solar.

DISEÑO DE INSTALACIONES SOLARES TÉRMICAS PARA LA PRODUCCIÓN DE AGUA CALIENTE SANITARIA. APLICACIÓN A UN EDIFICIO DE VIVIENDAS.

10

I.4.4. CAPTADORES. El captador representa la fuerza motriz de la instalación. Todos los diseños tienen el objetivo común de convertir con el mayor rendimiento posible la radiación solar en calor, para después suministrar eficientemente éste al consumo. Los diseños de los captadores varían considerablemente en cuanto a calidad, rendimiento, construcción y coste. Características Las características generales que debe reunir un captador solar térmico son: Resistente a las condiciones exteriores Resistencia a temperaturas altas y bajas Estable y duradero Fácil de montar Eficiente conversión de energía

Componentes Un captador solar térmico, está formado por los siguientes elementos: Placa absorbedora., Donde se produce la conversión de la radiación en energía interna del fluido en el interior de la placa absorbedora. Normalmente construida de metal cubierta de pintura o tratamiento negro que tenga una alta absortividad a la radiación solar. Si tiene una superficie selectiva, al mismo tiempo, posee una baja emisividad en longitudes de onda larga. Cubierta transparente. Es donde se produce el efecto invernadero sobre la placa absorbedora, dejando pasar en su mayor parte (alta transmitancia) la radiación solar incidente e impidiendo la salida (baja transmitancia) de la radiación infrarroja. Aislamiento térmico. Sirve para disminuir las pérdidas térmicas por la cara posterior y los laterales del captador. Carcasa. Es la caja que contiene a todos los elementos del captador y sirve para protegerlo del exterior. Existe una gran variedad de tipos y materiales. Junta de estanqueidad. Es un material elástico cuya función principal es mantener la estanqueidad del captador impidiendo la entrada de agua cuando hay lluvia.

Se diferencia los siguientes términos relativos a la superficie del captador: Área total: es el área máxima proyectada por el captador completo. Área de apertura: área proyectada máxima a través de la cual penetra la radiación. Área del absorbedor: área máxima de la proyección del absorbedor (área útil).

DISEÑO DE INSTALACIONES SOLARES TÉRMICAS PARA LA PRODUCCIÓN DE AGUA CALIENTE SANITARIA. APLICACIÓN A UN EDIFICIO DE VIVIENDAS.

11

Tipos Hay dos tipos de captadores principalmente: Captador plano estándar. Es el tipo de captador más extendido porque tiene una estructura robusta y sencilla y una relación favorable entre el precio y el rendimiento. Captador de tubos de vacío. Este tipo de captador está diseñado para reducir las pérdidas térmicas por conducción y convección entre el absorbedor y la cubierta de vidrio, eliminando en el aire. Son capaces de alcanzar temperaturas considerablemente superiores a las de los captadores planos y sus pérdidas térmicas son reducidas, pero tienen un coste superior.

Figura 11: Captador plano estándar y captador de tubos de vacío

Curva de rendimiento El principal parámetro que caracteriza la eficiencia de cualquier captador solar es la curva de rendimiento. En general, se define el rendimiento de un captador (η) como la relación entre el flujo energético que le llega (es decir, la radiación solar) y la energía útil que se transmite al fluido. Así, el rendimiento instantáneo de un captador varía en función de la insolación, la temperatura del agua que entra al captador, la temperatura ambiente, la temperatura de la placa y los materiales utilizados en la fabricación del captador. Por este motivo, se facilitan las curvas de rendimiento que permiten evaluar la variación de la eficiencia de cada captador en función de las condiciones anteriormente nombradas. A medida que crece la temperatura media o baja la temperatura ambiente, el rendimiento disminuye, ya que se emite más energía por parte del captador.

DISEÑO DE INSTALACIONES SOLARES TÉRMICAS PARA LA PRODUCCIÓN DE AGUA CALIENTE SANITARIA. APLICACIÓN A UN EDIFICIO DE VIVIENDAS.

12

I.4.5. ACUMULACIÓN E INTERCAMBIO. Los acumuladores cumplen la función de una batería que permite independizar el suministro de calor solar del consumo, puesto que el perfil temporal de la entrada de energía no sólo corresponderse con el consumo energético. El periodo el tiempo de acumulación varía entre unas pocas horas, días un caso del acumulador estacional, hasta meses, y depende en gran parte de la aplicación, y además, de la fracción solar deseada.

Características Los requisitos que se le exige a un acumulador son los siguientes: Alto poder específico del medio de acumulación Pérdidas térmicas bajas Buena estratificación de temperaturas Vida útil mayor de 20 años Bajos costes Buenas propiedades higiénicas Resistencia a la presión

Tipos Hay varios tipos de acumuladores en el mercado: Acumuladores de inercia. Se utilizan en grandes sistemas solares destinados al calentamiento de agua sanitaria o apoyo calefacción. Como requieren grandes volúmenes de acumulación, se suelen separar del medio de acumulación de agua sanitaria, por motivos de higiene. Tienen un coste reducido debido a que la presión de diseño es mucho menor y a que no necesitan revestimientos sanitarios. Acumuladores de agua caliente sanitaria. Deben cumplir las normas de higiene exigidas por las normativas vigentes y debe ser resistente a la corrosión, dada la presencia de oxígeno en el agua potable

Figura 12: Acumuladores de ACS y acumulador de inercia

DISEÑO DE INSTALACIONES SOLARES TÉRMICAS PARA LA PRODUCCIÓN DE AGUA CALIENTE SANITARIA. APLICACIÓN A UN EDIFICIO DE VIVIENDAS.

13

Intercambio

Los intercambiadores de calor sirven para transferir la energía térmica entre diferentes fluidos, sin contacto directo entre los mismos. Se utilizan en instalaciones donde se debe transferir el calor de la mezcla de agua y anticongelante del circuito primario al agua caliente sanitaria o al agua proveniente del acumulador de inercia. Los intercambiadores de calor pueden ser interiores y exteriores. Los intercambiadores interiores, se encuentran dentro del depósito de acumulación en forma de serpentín.

Figura 13: Intercambiador interior tipo serpentín y tipos de intercambiadores exteriores.

Legionelosis Los requisitos relativos a una mayor higiene con el agua sanitaria se cumplen mejor si se logra almacenar la menor cantidad de agua posible para evitar largos tiempos de retención. En caso de que se almacene agua sanitaria a temperaturas de 30° a 50 °C durante periodos de tiempo de mayor duración de un día, se deberá prestar especial atención a la higiene del agua, en vista de que los más altos índices de reproducción de las bacterias tiene lugar en ese rango de temperaturas como puede ser el caso de la legionella. La legionella pneumophilla es una bacteria que está presente en pequeñas cantidades por todo el agua y que podría reproducirse velozmente en el agua caliente si se dieran temperaturas favorables de unos 35°. Aunque esta bacteria no constituye ningún riesgo para los seres humanos en el sistema gastrointestinal, pueden introducirse en los pulmones a quedarse en forma de gotas diminutas, por ejemplo durante la ducha, y suelen provocar síntomas clínicos parecidos a la pulmonía, o incluso puede ser letal. Por lo tanto, las instalaciones de agua caliente sanitaria deben cumplir unos requisitos mínimos con el fin de prevenir la proliferación de esta bacteria. En el acumulador final, antes de la distribución hacia el consumo, se ha de asegurar que se alcance la temperatura de 60 grados.

DISEÑO DE INSTALACIONES SOLARES TÉRMICAS PARA LA PRODUCCIÓN DE AGUA CALIENTE SANITARIA. APLICACIÓN A UN EDIFICIO DE VIVIENDAS.

14

I.4.6. SISTEMA HIDRÁULICO. El circuito hidráulico de una instalación solar está constituido por el conjunto de tuberías, bombas, válvulas y accesorios que se encargan de conectar los principales componentes de la instalación solar entre sí. El circuito primario de captación es el que trasporta el fluido de trabajo desde los captadores solares hasta la transferencia al acumulador. El circuito secundario de distribución es el que transporta agua sanitaria a la vivienda. Sus componentes son: Tuberías Para la selección del material utilizado en las tuberías se han de considerar los siguientes aspectos: Compatibilidad con el tipo de fluido empleado Comportamiento dentro de los rangos de presiones Temperaturas de trabajos Resistencia frente a la corrosión Estabilidad respecto a tensiones mecánicas y térmicas Facilidad de instalación Durabilidad Las tuberías que contienen agua caliente destinada al consumo humano han de ser de cobre, de acero inoxidable o de material plástico de calidad alimentaria. En caso de transportar otros fluidos utilizados en las instalaciones solares se emplea normalmente cobre, acero inoxidable o acero negro.

Aislamiento Las tuberías se han de aislar adecuadamente para reducir las pérdidas térmicas a través de las mismas. Entre las propiedades que se han de solicitar al aislante seleccionado destacan: Bajo coeficiente de conductividad térmica Adecuado comportamiento frente al fuego Buena resistencia al envejecimiento, putrefacción y otros materiales Estar constituido por materiales libres de elementos nocivos para el medioambiente Bajo coste Los materiales habitualmente empelados son las espumas elastoméricas.

Bomba Una bomba de circulación es el dispositivo electromecánico encargado de hacer circular el fluido de trabajo a través del circuito hidráulico. Es uno de los componentes principales del circuito hidráulico de una instalación solar de circulación forzada. Los parámetros fundamentales a considerar en el proceso de selección de la bomba a emplear en una instalación son el caudal de circulación y la diferencia de presiones que ha de superar.

DISEÑO DE INSTALACIONES SOLARES TÉRMICAS PARA LA PRODUCCIÓN DE AGUA CALIENTE SANITARIA. APLICACIÓN A UN EDIFICIO DE VIVIENDAS.

15

Vaso de expansión El vaso de expansión se utiliza para absorber las dilataciones y contracción que experimente el fluido contenido en un circuito cerrado con las variaciones de temperatura. Mediante la utilización de este elemento se evita la pérdida de fluido que tendría lugar al activarse la válvula de seguridad al alcanzarse presiones elevadas en el circuito durante los periodos de alta radiación solar. Consisten en depósitos metálicos dividíos en el interior en dos partes a través de una membrana elástica impermeable. Cada una de las parte contiene un fluido diferente: aire o gas inerte a la presión de trabajo, situado por debajo de la membrana y el fluido de trabajo o líquido caloportador térmico, situado por encima de la membrana, que penetra en el vaso de expansión al aumentar su temperatura y presión.

Sistema de purga, llenado y vaciado En una instalación solar es el dispositivo o conjunto de elementos que se encarga de extraer el aire contenido en el circuito solar tanto durante el proceso e llenado como durante el funcionamiento habitual de la instalación. Los sistemas de purga deben ser resistentes a temperaturas elevadas ya que en los puntos más altos de la instalación pueden llegar a estar expuestos a temperaturas en torno a 150º C. también han de trabajar correctamente con fluidos anticongelantes recomendándose el empleo de componentes metálicos que se comporten adecuadamente y tengan mayor durabilidad. Cualquier circuito de una instalación ha de incorporar un sistema de llenado que permita la entrada del fluido de trabajo y mantener presurizado el circuito en caso de que se produzcan fugas de fluido. El sistema de llenado de una instalación puede ser manual o automático. Para facilitar la salida al exterior del posible aire acumulado se recomienda realizar el llenado del circuito por la parte inferior del mismo. Para facilitar el vaciado total o parcial de una instalación solar normalmente se instalan en los puntos más bajos tuberías de drenaje a través de las cuales se puede realizar el vaciado mediante la apretura de una válvula de corte colocada en esta tubería.

DISEÑO DE INSTALACIONES SOLARES TÉRMICAS PARA LA PRODUCCIÓN DE AGUA CALIENTE SANITARIA. APLICACIÓN A UN EDIFICIO DE VIVIENDAS.

16

I.4.7. REGULACIÓN Y CONTROL. Elementos Existen diversos elementos para realizar estas funciones: Sensores. Consisten en sondas que detectan la temperatura del fluido. Controladores. Su misión es mantener o controlar una temperatura o una diferencia de temperaturas prefijadas. El control parte de la información que le da el sensor y activará o desactivará un relé, contactor o cualquier otro dispositivo que haga funcionar una bomba, resistencia eléctrica, válvula, etc. Actuadores. Accionan dispositivos de potencia elevada (bombas, resistencias eléctricas y válvulas), o sirven de intermediarios entre el regulador electrónico y los dispositivos que éste controla. Los más usados son los relés y los contactores. Esquemas Los esquemas típicos de control son: Distribuido. En cada circuito, el control se realiza por un sistema distinto.

Centralizado. Todos los sensores están conectados a una centralita de control que rastrea todos los sensores digitalizando su señal, ejecuta el programa de actuación y convierte la señal en analógica distribuyéndola entre los diferentes elementos actuadores.

DISEÑO DE INSTALACIONES SOLARES TÉRMICAS PARA LA PRODUCCIÓN DE AGUA CALIENTE SANITARIA. APLICACIÓN A UN EDIFICIO DE VIVIENDAS.

17

PARTE II

METODOLOGÍA DE DISEÑO, SELECCIÓN Y CÁLCULO DE INSTALACIONES Y EQUIPOS

II.1. PROCEDIMIENTO DE CÁLCULO Se describirán a continuación los pasos a seguir para la realización de un proyecto de energía solar térmica para agua caliente sanitaria. Se recomienda ir contrastando estos apartados con su homólogo en la parte III del documento. Diseño de la instalación 1. Objeto del proyecto. 2. Normativa aplicable 3. Esquema de principio 4. Tipo de captador 5. Volumen de acumulación 6. Superficie de captación Diseño de los equipos 7. Captadores 8. Estructuras 9. Circuito primario 10. Circuito secundario 11. Acumulador e intercambio 12. Electricidad y control

II.1.1. OBJETO DEL PROYECTO Se definen los límites del proyecto y se detallan, al menos, ciertos datos de partida que describan aspectos sobre: El emplazamiento de la instalación: su latitud, la localidad, y su orientación. Los planos mínimos necesarios serán las plantas, la cubierta, y sombras de edificios. Información sobre las viviendas: número y disposición por plantas, cantidad de dormitorios por vivienda, porcentaje de ocupación (que será del 100% si es una residencia de uso permanente).

II.1.2. NORMATIVA APLICABLE - Código técnico de la edificación (CTE). HE-4 ”Contribución solar mínima de ACS” (ver [23]).

“En los edificios, con previsión de demanda de agua caliente sanitaria o de climatización de piscina cubierta, en los que así se establezca en este CTE, una parte de las necesidades energéticas térmicas derivadas de esa demanda se cubrirá mediante la incorporación en los mismos de sistemas de captación, almacenamiento y utilización de energía solar de baja temperatura, adecuada a la radiación solar global de su emplazamiento y a la demanda de agua caliente del edificio.” - Reglamento de instalaciones térmicas en los edificios (RITE). “Los edificios dispondrán de instalaciones térmicas apropiadas destinadas a proporcionar el bienestar térmico de sus ocupantes, regulando el rendimiento de las mismas y de sus equipos. Esta exigencia se desarrolla actualmente en el vigente Reglamento de Instalaciones Térmicas en los Edificios, RITE, y su aplicación quedará definida en el proyecto del edificio.” - Ordenanzas solares municipales. En todas las ordenanzas se disponen obligaciones añadidas para cubrir una fracción solar determinada, calcular la demanda con un número de personas establecido incluir un actor de simultaneidad, entre otros detalles.

DISEÑO DE INSTALACIONES SOLARES TÉRMICAS PARA LA PRODUCCIÓN DE AGUA CALIENTE SANITARIA. APLICACIÓN A UN EDIFICIO DE VIVIENDAS.

19

II.1.3. ESQUEMA DE PRINCIPIO Existen muchos tipos de configuraciones posibles, pero normalmente se elegirá entre dos esquemas de principio: el centralizado y el distribuido. En el centralizado necesitamos menos depósitos de (es más económico) y la acumulación está centralizada en un único punto del edificio, pero son necesarios contadores de agua caliente para conocer el consumo de cada usuario. En el distribuido los depósitos de acumulación son más pequeños, pero es necesario encontrar espacio para el depósito dentro de la vivienda y hay un mayor coste en depósitos y tuberías.

Figura 14: Acumulación solar centralizada con energía auxiliar distribuida (FUENTE: [11]).

Figura 15: Acumulación solar distribuida con intercambio intermedio (FUENTE: [11]).

DISEÑO DE INSTALACIONES SOLARES TÉRMICAS PARA LA PRODUCCIÓN DE AGUA CALIENTE SANITARIA. APLICACIÓN A UN EDIFICIO DE VIVIENDAS.

20

II.1. 4. TIPO DE CAPTADOR Se selecciona el tipo de captador a utilizar. Se tomarán los datos necesarios posteriormente, que serán: Dimensiones: superficie de apertura, largo, ancho, capacidad… Rendimiento: rendimiento óptico, factor de pérdidas lineal, factor de pérdidas cuadrático Otros: Pérdida de carga, capacidad volumétrica…

II.1.5. VOLUMEN DE ACUMULACIÓN Este apartado está tomado de la página “HE4-4” del Código Técnico de la Edificación. A partir de un criterio de demanda, según el tipo de instalación en “litros/usuario·día”, y sabiendo el número de usuarios de la instalación, podremos calcular el consumo diario y así elegir el volumen de acumulación más conveniente. Los pasos para calcularlo son:

Criterio de demanda. (D60ºC en litros/usuario·día) Para valorar las demandas se tomarán los valores unitarios que aparecen en la siguiente tabla:

Criterio de demanda

Litros ACS/día a 60ºC

Viviendas Unifamiliares

30

por persona

Viviendas Multifamiliares

22

por persona

Hospitales y Clínicas

55

por cama

Hotel ****

70

por cama

Hotel ***

55

por cama

Hotel/Hostal**

40

por cama

Camping

40

por emplazamiento

Hostal/Pensión*

35

por cama

Residencia (ancianos,estudiantes,etc)

55

por cama

Vestuarios/Duchas colectivas

15

por servicio

Escuelas

3

por alumno

Cuarteles

20

por persona

Fábricas y talleres

15

por persona

Administrativos

3

por persona

20 a 25

por usuario

Gimnasios Lavanderías

3a5

por kilo de ropa

Restaurantes

5 a10

por comida

Cafeterías

1

por almuerzo

DISEÑO DE INSTALACIONES SOLARES TÉRMICAS PARA LA PRODUCCIÓN DE AGUA CALIENTE SANITARIA. APLICACIÓN A UN EDIFICIO DE VIVIENDAS.

21

Consumo unitario (D en litros/usuario·día). Para el caso de que se elija una temperatura en el acumulador final diferente de 60ºC, se deberá alcanzar la contribución solar mínima correspondiente a la demanda obtenida con las demandas de referencia a 60 ºC. No obstante, la demanda a considerar a efectos de cálculo, según la temperatura elegida, será la que se obtenga a partir de la siguiente expresión: 12

D(T )

Di (T )

Di (T )

60 Ti T Ti

Di (60º C )

1

siendo: D (T) Di (T) Di 60ºC) T Ti

Demanda de ACS anual a la temperatura T elegida Demanda de ACS para el mes i a la temperatura T elegida Demanda de ACS para el mes i a la temperatura de 60 ºC Temperatura del acumulador final Temperatura media del agua fría en el mes i

Número de usuarios (P). En caso de desconocerse, en las viviendas de uso residencial, el cálculo de número de personas por vivienda deberá hacerse utilizando los valores que se relacionan a continuación: Nº de dormitorios Nº de personas

1 1,5

2 3

3 4

4 6

5 7

6 8

7 9

más de 7 Nº de dormitorios

Factor de simultaneidad (fs). Aunque en algunas ordenanzas solares su uso es obligatorio, en general no será así, pero es muy conveniente para reducir el volumen de acumulación si éste es alto: f s= 1 f s=1.2 – (0.02 · n) f s= 0.7

si n < 10 viviendas si 10 < n < 25 viviendas si n > 25 viviendas

Consumo diario (M en litros/día). Se calculará como el consumo unitario por el factor de simultaneidad y por el número de usuarios:

M = D ·fs· P

Volumen de acumulación (V en litros). Por lo general, se suele recomendar, al menos, un volumen que se aproxime al consumo de un día:

V≈M

DISEÑO DE INSTALACIONES SOLARES TÉRMICAS PARA LA PRODUCCIÓN DE AGUA CALIENTE SANITARIA. APLICACIÓN A UN EDIFICIO DE VIVIENDAS.

22

II.1.6. SUPERFICIE DE CAPTACIÓN Este apartado está basado en las páginas “HE4-2” en adelante, del Código Técnico de la Edificación. Se escogerá un número de captadores, de forma que se cumplan ciertos requisitos: la fracción solar está acotada inferiormente se deben respetar los excesos máximos permitidos el rendimiento solar deberá superar un mínimo permitido la relación V/A debe esta acotada entre dos valores Este procedimiento puede hacerse mediante programas especializados o manualmente. En el anejo II.2., este tema se describe con mayor detenimiento. Los pasos para calcular la superficie son:

Zona climática. Las zonas se definen teniendo en cuenta la Radiación Solar Global media diaria anual sobre superficie horizontal, tomando los intervalos que se relacionan para cada una de las zonas. En el CTE existe una lista de donde podremos conocer la zona climática (numeradas de I a V) escogiendo la localidad más cercana a la nuestra.

Energía de apoyo. Se contemplan dos casos diferenciados: o Caso general: la fuente energética de apoyo es gasóleo, propano, gas natural, u otras. Por lo general suelen ser calderas o calentadores modulantes. o Efecto Joule: la fuente energética de apoyo es electricidad mediante efecto Joule, es decir, el uso de termos eléctricos. Demanda de referencia (Mref en litros/día). Se calculará como el consumo unitario por el número de usuarios: Mref = D60ºC · P

DISEÑO DE INSTALACIONES SOLARES TÉRMICAS PARA LA PRODUCCIÓN DE AGUA CALIENTE SANITARIA. APLICACIÓN A UN EDIFICIO DE VIVIENDAS.

23

Fracción solar mínima (FSmin). Con la demanda de referencia, el tipo de energía de apoyo y la zona climática, averiguamos la contribución solar mínima: Contribución solar mínima en %. Caso general Demanda total de ACS del edificio (l/d) 50-5,000 5,000-6,000 6,000-7,000 7,000-8,000 8,000-9,000 9,000-10,000 10,000-12,500 12,500-15,000 15,000-17,500 17,500-20,000 >20,000

Contribución solar mínima en %. Caso apoyo eléctrico

I

II

III

IV

V

30 30 30 30 30 30 30 30 35 45 52

30 30 35 45 52 55 65 70 70 70 70

50 50 61 63 65 70 70 70 70 70 70

60 65 70 70 70 70 70 70 70 70 70

70 70 70 70 70 70 70 70 70 70 70

Demanda total de ACS del edificio (l/d) 50-1,000 1,000-2,000 2,000-3,000 3,000-4,000 4,000-5,000 5,000-6,000 >6,000

I

II

III

IV

V

50 50 50 51 58 62 70

60 63 66 69 70 70 70

70 70 70 70 70 70 70

70 70 70 70 70 70 70

70 70 70 70 70 70 70

Orientación e inclinación ( y ). Se considera la dirección Sur ( =0) como orientación óptima y la mejor orientación (β=βOPTIMA) como la latitud en caso de viviendas permanentes. Número de captadores (N). Se escogerá un número de captadores realista y lo utilizaremos como primera aproximación en un proceso de prueba y error que tratará de cumplir ciertos requisitos expuestos anteriormente. Superficie de captación (A). Será calculada como el número de captadores por su área unidad.

A = N · Ai Fracción solar (FS). Mediante el método del F-Chart (ver el anexo II.2.), calcularemos la cobertura solar del área de captación. Para la automatización de este procedimiento, existen multitud de programas de cálculo (y entre ellos existe uno online en [20]). Excesos (FSi). El dimensionado básico de la instalación deberá realizarse de forma que en ningún mes del año la energía producida por la instalación solar supere el 110 % de la demanda de consumo y no más de tres meses seguidos el 100 %. Rendimiento (R). Se deberá cumplir que el rendimiento medio dentro del periodo al año en el que se utilice la instalación, deberá ser mayor que el 20 %. Éste se calcula según la siguiente fórmula (la nomenclatura puede consultarse en el anejo II.2.):

R= 100

Li /

HT Nd A

Relación (V/A). Siendo V el volumen de acumulación y A el área de captación, se cumplirá la condición: 180 > V/A > 50 (litros/m²)

DISEÑO DE INSTALACIONES SOLARES TÉRMICAS PARA LA PRODUCCIÓN DE AGUA CALIENTE SANITARIA. APLICACIÓN A UN EDIFICIO DE VIVIENDAS.

24

II.1.7. CAPTADORES Situación en cubierta Se recomienda que los captadores que integren la instalación sean del mismo modelo, tanto por criterios energéticos como por criterios constructivos. Los captadores se dispondrán en filas constituidas, preferentemente, por el mismo número de elementos. Las filas de captadores se pueden conectar entre sí en paralelo o en serie: El acoplamiento en serie de los colectores tiene como consecuencia un aumento de la temperatura del agua, a costa de disminuir el rendimiento de la instalación, debido que al ir pasando el fluido de un colector a otro la temperatura de entrada en cada uno va aumentando y por lo tanto disminuyendo la eficacia global de sistema. Lo más habitual es disponer los colectores acoplados en paralelo, o en caso de disponerse en varias filas colocarse éstas también en paralelo, de cualquier forma éstas deberán tener el mismo número de unidades y estar colocadas paralelas, horizontales y bien alineados entre sí.

Conexión en serie

Conexión en paralelo

Perdidas por sombras, orientación e inclinación Este apartado está basado en las páginas “HE4-19” en adelante, del Código Técnico de la Edificación. Se han de cumplir tres condiciones: pérdidas por orientación e inclinación, pérdidas por sombreado y pérdidas totales inferiores a los límites estipulados respecto a los valores obtenidos con orientación e inclinación óptimos y sin sombra alguna. La orientación e inclinación del sistema generador y las posibles sombras sobre el mismo serán tales que las pérdidas sean inferiores a los límites de la tabla:

Se considera que existe integración arquitectónica cuando los módulos cumplen una doble función energética y arquitectónica. Se considera que existe superposición arquitectónica cuando la colocación de los captadores se realiza paralela a la envolvente del edificio.

DISEÑO DE INSTALACIONES SOLARES TÉRMICAS PARA LA PRODUCCIÓN DE AGUA CALIENTE SANITARIA. APLICACIÓN A UN EDIFICIO DE VIVIENDAS.

25

Las pérdidas por orientación e inclinación se calcularán en función de: ángulo de inclinación, β definido como el ángulo que forma la superficie de los módulos con el plano horizontal. Su valor es 0 para módulos horizontales y 90º para verticales. ángulo de acimut, α definido como el ángulo entre la proyección sobre el plano horizontal de la normal a la superficie del módulo y el meridiano del lugar. Valores típicos son 0º para módulos orientados al sur, -90º para módulos orientados al este y +90º para módulos orientados al oeste.

Se considera la dirección sur como orientación óptima (αopt=0) y la mejor inclinación como la latitud geográfica (βopt= ). Si no se pudieran seguir estos ángulos, las pérdidas se calcularían con el siguiente gráfico:

o con la siguiente fórmula: 2

2

15° < β < 90°  Pérdidas (%) = 100·[1,2·10−4·(β − βopt) + 3,5·10−5 ·α ] 15° > β

2

 Pérdidas (%) = 100·[1,2·10−4·(β − βopt) ]

DISEÑO DE INSTALACIONES SOLARES TÉRMICAS PARA LA PRODUCCIÓN DE AGUA CALIENTE SANITARIA. APLICACIÓN A UN EDIFICIO DE VIVIENDAS.

26

Las pérdidas por sombras pueden venir de dos tipos de obstáculos: de elementos que obstruyen el horizonte (montañas, edificios,...) y entre captadores del mismo campo. El Código Técnico proporciona un método para calcular las pérdidas por obstáculos remotos y fija la distancia mínima entre filas de captadores para reducir las sombras propias del campo. Las pérdidas por obstáculos remotos se calculan comparando el perfil de obstáculos que afecta a la superficie de estudio con el diagrama de trayectorias del sol. Se localizan los principales obstáculos que afectan a la superficie de captación, en términos de sus coordenadas de posición acimut (ángulo de desviación con respecto a la dirección sur) y elevación (ángulo de inclinación con respecto al plano horizontal), y se representa su perfil en el diagrama siguiente:

En unas tablas contenidas en los anejos del CTE podremos convertir pada porción oculta por el perfil, por un porcentaje de pérdida y se han de sumar todas las contribuciones para hallar la pérdida total por sombras.

Las pérdidas por sombras entre elementos interiores del edificio, se ha de respetar una distancia mínima, que se calcula multiplicando la altura del obstáculo por un coeficiente “k” que depende de la latitud geográfica. d=k·h Latitud

k

29

1,600

36

2,165

37

2,246

38

2,361

40

2,611

41

2,747

43

3,078

44

3,152

DISEÑO DE INSTALACIONES SOLARES TÉRMICAS PARA LA PRODUCCIÓN DE AGUA CALIENTE SANITARIA. APLICACIÓN A UN EDIFICIO DE VIVIENDAS.

27

II.1.8. ESTRUCTURAS Las principales características de la estructura son: El diseño y construcción de la estructura y el sistema de fijación de los captadores permitirá las necesarias dilataciones térmicas sin transmitir cargas que puedan afectar a la integridad de los captadores o el circuito hidráulico. La estructura se protegerá superficialmente contra la acción de los agentes ambientales. Las estructuras de acero podrán protegerse mediante galvanizado por inmersión, pinturas orgánicas de zinc o tratamientos anticorrosivos equivalentes El diseño de la estructura tendrá en cuenta el ángulo de inclinación especificado para el captador, su orientación y la facilidad de montaje, desmontaje y acceso de los captadores. La estructura se diseñará y construirá de forma que los apoyos de sujeción del captador sean suficientes en número y tengan el área de apoyo y posición relativa adecuada de forma que no se produzcan flexiones del captador superior a las permitidas por el fabricante. El conjunto de la estructura se diseñará para que su peso por m2 de superficie proyectada en el plano horizontal no supere 100 Kg./m2. La realización de taladros en la estructura se llevará a cabo antes de proceder al galvanizado o protección de la estructura. Los topes de sujeción de los captadores y la propia estructura no arrojarán sombra sobre los captadores de filas traseras.

II.1.9. ACUMULADOR E INTERCAMBIO Las principales características del acumulador son: Preferentemente, los acumuladores serán de configuración vertical y se ubicarán en zonas interiores. Para aplicaciones combinadas con acumulación centralizada es obligatoria la configuración vertical del depósito, debiéndose además cumplir que la relación altura/diámetro del mismo sea mayor de dos. El sistema deberá ser capaz de elevar la temperatura del acumulador a 60º C y hasta 70º C con objeto de prevenir la Legionelosis. Si el sistema de energía auxiliar no está incorporado en el acumulador solar, es necesario realizar un conexionado entre el sistema auxiliar y el solar de forma que se pueda calentar este último con el auxiliar, para poder cumplir con las medidas de prevención de la Legionella. Cuando sea necesario que el sistema de acumulación solar esté formado por más de un depósito, éstos se conectarán en serie invertida en el circuito de consumo, o en paralelo con los circuitos primarios y secundarios equilibrados. La conexión de los acumuladores permitirá la desconexión individual de los mismos sin interrumpir el funcionamiento de la instalación.

DISEÑO DE INSTALACIONES SOLARES TÉRMICAS PARA LA PRODUCCIÓN DE AGUA CALIENTE SANITARIA. APLICACIÓN A UN EDIFICIO DE VIVIENDAS.

28

Dependiendo de cómo se realice el intercambio tendremos que: El intercambiador independiente será de placas de acero inoxidable o cobre y deberá soportar las temperaturas y presiones máximas de trabajo de la instalación. La potencia mínima de diseño del intercambiador independiente P, en W, en función del 2 área de captadores A, en m , cumplirá la condición: P ≥ 500 A

El intercambiador por incorporado al acumulador solar estará situado en la parte inferior de este último y podrá ser de tipo sumergido o de doble envolvente. El intercambiador sumergido podrá ser de serpentín o de haz tubular. La relación entre la superficie útil de intercambio del intercambiador incorporado y la superficie total de captación cumplirá la condición: S ≥ 0,15 · A

II.1.10. CIRCUITO PRIMARIO Esquema hidráulico La colocación del campo de colectores debe asegurar que el recorrido hidráulico sea el mismo para todos los colectores, de no ser así, los saltos térmicos de los colectores serían diferentes de unos a otros, reduciendo sea el rendimiento global del instalación. A fin de garantizar el equilibrio hidráulico es necesario disponer las conexiones de los colectores entre sí de forma que se realice el llamado retorno invertido.

Figura 16: Esquema de conexionado conocido como retorno invertido La longitud del circuito debe ser la más reducida posible para paliar las posibles pérdidas hidráulicas y de calor en el mismo, además de intentar disminuir las pérdidas de calor e hidráulicas en todos los accesorios añadidos al circuito. El caudal de circulación en el circuito primario se determinará en función de la superficie de captadores instalados. Para aplicaciones de ACS se aconseja un parámetro de diseño de 40 l/h 2 por cada m de captador. Los caudales de circulación en los circuitos primario y secundario han de ser del mismo orden para asegurar una buena transmisión de calor. La velocidad de circulación del fluido será en todo caso inferior a 2 m/s. Las pérdidas de carga por metro de tubería han de ser en todos los tramos menores que 40 mmca/m. Debe concebirse en fase de diseño un circuito hidráulico de por sí equilibrado. Si no fuera posible, el flujo debe ser controlado por válvulas de equilibrado.

DISEÑO DE INSTALACIONES SOLARES TÉRMICAS PARA LA PRODUCCIÓN DE AGUA CALIENTE SANITARIA. APLICACIÓN A UN EDIFICIO DE VIVIENDAS.

29

Tuberías Con objeto de evitar pérdidas térmicas, la longitud de tuberías del sistema deberá ser tan corta como sea posible, evitando al máximo los codos y pérdidas de carga en general. Las tuberías y accesorios se aislarán y protegerán con materiales adecuados para ello. El cálculo de su diámetro puede ser obtenido mediante aplicaciones de cálculo de pérdidas hidráulicas (buscar en [21]). Fluido caloportador El fluido se seleccionará de acuerdo con las especificaciones del fabricante de los captadores. Pueden utilizarse como fluidos en el circuito primario agua de la red, agua desmineralizada o agua con aditivos, según las características climatológicas del lugar de instalación y de la calidad del agua empleada. En caso de utilización de otros fluidos térmicos se incluirán en el proyecto su composición y su calor especifico.

Bombas Siempre que sea posible, las bombas en línea se montarán en las zonas más frías del circuito, teniendo en cuenta que no se produzca ningún tipo de cavitación y siempre con el eje de rotación en posición horizontal. Las bombas se seleccionarán de forma que el caudal y la pérdida de carga de diseño se encuentren dentro de la zona de rendimiento óptimo especificada por el fabricante. 2

En instalaciones con superficies de captación superiores a 50 m se montarán dos bombas idénticas en paralelo, dejando una de reserva, tanto en el circuito primario como en el secundario. En este caso se establecerá el funcionamiento alternativo de las mismas, de forma manual o automática.

Vasos de expansión El diseño de la instalación deberá prever un sistema que absorba la dilatación del fluido y asegure un valor mínimo de la presión en el circuito. Los vasos de expansión preferentemente se conectarán en la aspiración de la bomba. El cálculo del volumen de expansión puede ser obtenido mediante aplicaciones de cálculo de expansiones volumétricas en circuitos hidráulicos (buscar en [21]). La tubería de conexión del vaso de expansión cerrado no se aislará térmicamente y tendrá volumen suficiente para enfriar el fluido antes de alcanzar el vaso.

Accesorios Para evitar la circulación inversa se colocarán válvulas antirretorno en los circuitos primario y secundario, así como en la entrada de agua fría del acumulador solar. Se montarán válvulas de corte para facilitar la sustitución o reparación de componentes sin necesidad de realizar el vaciado completo de la instalación. En este sentido, se procurará aislar hidráulicamente los sistemas de captación (baterías de captadores), circulación (bomba), intercambio y acumulación.

DISEÑO DE INSTALACIONES SOLARES TÉRMICAS PARA LA PRODUCCIÓN DE AGUA CALIENTE SANITARIA. APLICACIÓN A UN EDIFICIO DE VIVIENDAS.

30

II.1.11. CIRCUITO SECUNDARIO Se procede de la misma manera en que se hizo para el circuito primario.

II.1..12. ELECTRICIDAD Y CONTROL

Sistema de control

El diseño del sistema de control asegurará el correcto funcionamiento de las instalaciones, procurando obtener un buen aprovechamiento de la energía solar captada y asegurando un uso adecuado de la energía auxiliar. El sistema de regulación y control comprende los siguientes sistemas: Control de funcionamiento del circuito primario y secundario (si existe) Sistemas de protección y seguridad contra sobrecalentamientos, heladas, etc. El sistema de control asegurará que en ningún caso se alcancen temperaturas superiores a las máximas soportadas por los materiales, componentes y tratamientos de los circuitos. De la misma manera, asegurará que en ningún punto la temperatura del fluido de trabajo descienda por debajo de una temperatura tres grados superior a la de congelación del fluido. Con independencia de que realice otras funciones, el sistema de control se realizará por control diferencial de temperaturas, mediante un dispositivo electrónico que ha de tener como mínimo: Dos sondas de temperatura. Una colocada en la parte superior de los captadores y otra en la zona inferior del depósito de acumulación. Una salida de relé, hacia la bomba (o bombas) de circulación.

Sistema de potencia

La instalación eléctrica debe dar servicio a todos los elementos del sistema que lo necesiten, es decir a las válvulas motorizadas, las bombas de circulación, la centralita de control, los termostatos diferenciales y las protecciones catódicas. Además en el sistema auxiliar deberá dar alimentación a los circuitos electrónicos de la caldera, o bien, a la resistencia eléctrica sumergida en el acumulador auxiliar. Todos los elementos que necesiten la energía eléctrica para su funcionamiento dispondrán de una línea de alimentación debidamente dimensionada y protegida, con sus correspondientes protecciones magnetotérmicas y diferenciales que se situarán en el cuadro eléctrico correspondiente.

DISEÑO DE INSTALACIONES SOLARES TÉRMICAS PARA LA PRODUCCIÓN DE AGUA CALIENTE SANITARIA. APLICACIÓN A UN EDIFICIO DE VIVIENDAS.

31

II.2. ANEXO: CÁLCULO DE LA SUPERFICIE DE CAPTACIÓN II.2.1. INTRODUCCIÓN. El cálculo más importante del diseño de una instalación solar reside en hallar la superficie de captación solar necesaria para que la instalación funcione correctamente. Un buen indicador de la eficacia de la instalación es la fracción solar (FS), que es la cantidad de energía solar obtenida dividida por el total de la energía requerida. Si se quisiera determinar el área que necesita nuestra instalación, deberíamos obtener la fracción solar que obtenemos mediante diferentes áreas de colector, y una vez calculadas, se representarían gráficamente para obtener el máximo de esa curva.

Se puede observar que la función no tiene un máximo, pues se sigue la ley de rendimientos decrecientes, es decir, los primeros metros cuadrados de colector provocan un incremento considerable del rendimiento, pero a medida que seguimos aumentando la superficie, el beneficio que se obtiene es cada vez menor. Así, sería técnicamente posible seguir aumentando el área del colector hasta conseguir una instalación que no se necesitase una fuente de energía auxiliar, pues toda la energía podría ser producida por la instalación solar, aunque este sistema estaría diseñado para ser capaz de suministrar toda la energía demandada para el mes más frío, es decir, un sistema sobredimensionado para el resto de los meses del año, lo que produciría un gran despilfarro económico puesto que los captadores solares son caros, y además, se sometería la instalación a sobrecalentamientos innecesarios que disminuirían su vida útil. El problema del proyectista es seleccionar la superficie que satisfaga las necesidades totales de energía al menor coste. Actualmente existe una gran variedad de programas comerciales que permiten dimensionar instalaciones solares. La gran mayoría de los programas de cálculo no requieren un gran conocimiento de las instalaciones por parte del usuario y aportan resultados aproximados usando métodos simplificados. Cuando se necesitan resultados más detallados se emplean programas de simulación que normalmente requieren mayor cantidad de datos de entrada y un nivel notable de conocimientos técnicos por parte del usuario.

DISEÑO DE INSTALACIONES SOLARES TÉRMICAS PARA LA PRODUCCIÓN DE AGUA CALIENTE SANITARIA. APLICACIÓN A UN EDIFICIO DE VIVIENDAS.

32

II.2.2. PROGRAMAS DE SIMULACIÓN Los sistemas solares se caracterizan por la transitoriedad de algunos fenómenos físicos determinantes, como son la radiación solar, la temperatura o el consumo. Debido a esto, un cálculo que no contemple la influencia de la variabilidad de estos fenómenos sobre el funcionamiento del sistema, generará siempre un error. La simulación dinámica contempla esta fenomenología, pero requieren una preparación y conocimiento en la materia, que no son necesarios en los métodos de cálculo simplificado. Se distinguen programas como el TRNSYS, que simulan el comportamiento de una instalación a partir de los modelos matemáticos establecidos para cada componente. Los programas de simulación permiten realizar evaluaciones en diferentes periodos de tiempo mediante la resolución de las ecuaciones características de los distintos componentes de una instalación.

Figura 17: Programa de simulación ACSOL basado en TRNSYS (puede ser obtenido en [21]).

II.2.3. MÉTODOS DE CÁLCULOS SIMPLIFICADOS (F-CHART) Son programas simples que consideran condiciones estacionarias. A partir del tipo de captador solar, de la inclinación, orientación y superficie de captación , del volumen de acumulación y del consumo de agua caliente, se calculan las producciones medias mensuales energéticas de la instalación.

DISEÑO DE INSTALACIONES SOLARES TÉRMICAS PARA LA PRODUCCIÓN DE AGUA CALIENTE SANITARIA. APLICACIÓN A UN EDIFICIO DE VIVIENDAS.

33

Figura 18: Programa de cálculo SOLTERMIA basado en F-CHART(puede ser obtenido en [24]).

El método F-CHART es un programa muy extendido y usado en instalaciones solares térmicas destinadas a la producción de agua caliente sanitaria y calefacción. Está basado en correlaciones obtenidas de múltiples datos experimentales. Se suele usar para aplicaciones residenciales de configuraciones de baja complejidad. El resultado de la correlación será “f”, la fracción solar mensual. Este factor se obtendrá como función de dos parámetros adimensionales. Uno relaciona las pérdidas de energía (X) y el otro relaciona las ganancias de energía (Y). A continuación se muestra un ábaco para la obtención de la fracción solar a partir de los parámetros:

DISEÑO DE INSTALACIONES SOLARES TÉRMICAS PARA LA PRODUCCIÓN DE AGUA CALIENTE SANITARIA. APLICACIÓN A UN EDIFICIO DE VIVIENDAS.

34

La relación que se presenta en forma gráfica puede también expresar en forma de ecuación:

f = 1,029Y - 0,065X - 0.245Y2 + 0,0018X2 + 0,0215Y3

(para 0