Máster Oficial Universitario en Energías Renovables                                  Trabajo T03_11E                      ...
de energía térmica procedente de fuente solar hacia los circuitos de calefacción seencuentra siempre supeditado a que exis...
temperatura de confort de 23 ºC de 28.820 kWh, valor totalmente compatible con elobtenido por nosotros. El resto de datos ...
Puesto que, además, por razones prácticas, conviene adoptar valores “redondos”,tomamos como inclinación de diseño 50º.6. D...
En el caso de Fcint ese valor es el recomendado por el pliego del IDAE.El valor de MAI, según indicaciones del CTE, debe e...
que exista intercambio debe haber un salto térmico de, por ejemplo, 10 ºC. En un sistemaperfecto, sin pérdidas, el agua, c...
11. Cálculo del número de captadores11.1 IntroducciónRepetimos aquí lo ya expuesto en el trabajo T02_11E sobre el programa...
significa que pérdida > aportación, lo que parece un sinsentido físico; iii) estacontradicción se debe a que el método f-c...
Con estos valores de entrada hemos obtenido los valores de Si/Sc, V/Sc, contribución solaranual de calefacción, contribuci...
d) En los meses en los que no se usa la calefacción la cobertura es superior al 100 %,pero, puesto que esta energía hay qu...
que anexamos como fichero Pdf titulado “Modelo de Meinel y Mainel de IrradianciaGlobal”.En la hoja de cálculo Excel anexa ...
Aunque este equipo tiene una potencia resultante que es sensiblemente superior a lanecesaria, hemos comprobado que sus car...
El volumen total del circuito primario será, por tanto: Vcp = 18,5 l + 45,3 l + 31,9 l = 95,7l.13.2. Circuito secundario d...
“Energía solar, térmica y pasiva” y del documento de FAQ), y Pi = 1,5 bar, como en elcaso del circuito primario. Por tanto...
b) Calculamos la pérdida de carga de los captadoresPuesto que el caudal de 1.176 l/h es la suma del correspondiente a los ...
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  1. 1. Máster Oficial Universitario en Energías Renovables Trabajo T03_11E PlanteamientoSe va a construir una vivienda unifamiliar situada en Ávila la cual tiene unasuperficie útil y calefactable de 150 m2, 5 habitaciones y los clientes son unafamilia compuesta por 5 personas. Se pretende realizar una instalación de energíasolar térmica para suplir la demanda de ACS y parte de la demanda decalefacción, para ello nos valemos del colector marca SAUNIER DUVAL modeloSCV 2.3 (ver archivo adjunto).Se pide:- Número de captadores por el método fchart.- Volumen del acumulador de ACS y Volumen del acumulador de inercia.- Vasos de expansión del circuito primario y de los dos circuitos secundarios.- Superficie y Potencia del intercambiador del depósito de inercia y comprobarque el depósito seleccionado lo cumple (en caso contrario buscar otro depósito).- Bomba del circuito primario (caudal y altura manométrica).- Potencia del aerodisipador para evitar los sobrecalentamientos en verano.NOTAS:- Coeficiente de dilatación Agua a 90ºC = 0,04.- Coeficiente de dilatación Agua+Glicol (45%) a 90ºC = 0,08.- Carga térmica del inmueble 75 W/m2.- Longitud de tuberías del circuito primario: mínimo 30 m, máximo 100 m.- De los resultados obtenidos hay que buscar los productos en catálogos defabricantes para dar un resultado comercial.1. IntroducciónSe trata de una instalación para suministrar agua caliente sanitaria (ACS) y cubrir parte dela demanda de calefacción. Estas aplicaciones no están recogidas en el CTE DB HEA, por loque no son de consideración obligatoria en la edificación. Sin embargo, se realizan enEspaña bastantes proyectos de instalaciones solares para suministro de ACS y apoyo acalefacción por suelo radiante, como suponemos que es el sistema de calefacción al quese refiere el enunciado de este trabajo.Estas instalaciones son siempre secundarias a las de suministro de ACS, y en ellas cuandose cubre la demanda de ACS se destina el excedente a calefacción. Por tanto, el suministroPedro Rodríguez Ramos 1/15
  2. 2. de energía térmica procedente de fuente solar hacia los circuitos de calefacción seencuentra siempre supeditado a que exista un excedente en el suministro de ACS. Esdecir, cuando la temperatura en el acumulador solar alcanza el valor de diseño es cuandose puede derivar energía hacia el sistema de calefacción.Este tipo de sistemas no ha sido tratado con detalle en el libro “Energía solar, térmica ypasiva”, por lo que para resolver el problema planteado seguiremos las indicaciones deldocumento de respuesta a las FAQ publicado para este trabajo.2. Demanda de agua caliente sanitaria (ACS)El consumo de ACS estimado se toma según el valor mínimo recomendado por el CTEpara vivienda unifamiliar, que es de 30 l por persona y día.Puesto que en la vivienda en cuestión residen 5 personas la demanda de ACS utilizada enel cálculo será de 150 l/día.3. Demanda de calefacciónTal como sugiere el documento de respuesta a las FAQ, para el cálculo de la demanda decalefacción utilizaremos el método simplificado basado en el dato de carga térmica de lavivienda (75 W/m2) y la superficie de la misma (150 m2).Nosotros, sin embargo, hemos complicado un poco el método, de la siguiente forma:a) Nos parece demasiado poco preciso considerar una carga térmica constante para todoel año. Por eso, hemos hecho una distribución de la carga térmica suponiendo que tienevalores diferentes a lo largo del año, siendo bastante mayor en invierno que en primaveray otoño.b) Para hacer esta distribución hemos tomado datos reales de proyectos similares paraviviendas de la misma zona.c) En los meses de junio, julio, agosto y septiembre no consideramos que existe demandatérmica de calefacción.d) Forzamos que la media de las cargas térmicas mensuales de la distribución del apartadoa), exceptuando las de los meses indicados en c), sea igual a la carga térmica delenunciado del trabajo, que es de 75 W/m2 x 150 m2 = 11,25 kW.e) Consideramos un uso de la instalación de 12 horas en enero, febrero y diciembre, de10 horas en marzo y noviembre y de 8 horas en abril, mayo y octubre.f) Como resultado de lo anterior se obtiene la demanda térmica de calefacción que seindica en la pestaña “Demanda Calefacción” de la hoja Excel de cálculo anexa.Hemos intentado comprobar que el dato obtenido por este procedimiento de demanda decalefacción (29.021 kWh al año) tiene un orden de magnitud razonable. Buscando eninternet hemos localizado el sitio web http://www.salvadorescoda.com, donde se ofrecegratuitamente un programa de cálculo en Excel denominado ESCOSOL_SF1_v.1.3 quepermite estimar las demandas de calefacción.Anexamos al trabajo esta hoja de cálculo particularizada para la localización de Ávila, lacual produce un resultado de demanda energética anual de calefacción para unaPedro Rodríguez Ramos 2/15
  3. 3. temperatura de confort de 23 ºC de 28.820 kWh, valor totalmente compatible con elobtenido por nosotros. El resto de datos proporcionados por este programa de cálculo nose usa en el trabajo.4. Contribución solar exigibleÁvila se encuentra en la zona climática IV.Puesto que no se indica nada en el enunciado del trabajo, podemos suponer que la fuentede energía auxiliar corresponde al caso general.Teniendo en cuenta esto y la demanda de ACS calculada en el punto 2., la cobertura solarmínima en el caso de Ávila debe ser de 60 %, con temperatura de referencia de 60 ºC.Sin embargo, ya hemos dicho en el punto 1. que este tipo de instalaciones no estánrecogidas en el CTE DB HEA, por lo que los requisitos indicados en el mismo para lacontribución solar no son de aplicación. En realidad, y tal como se dice en el documentode FAQ, la demanda de ACS se cubrirá siempre al 100 %, y sólo el exceso de energía solardespués de cubrir esa demanda se destinará al apoyo de la calefacción.Para ello la instalación dispondrá de la correspondiente válvula de tres vías que darápreferencia al suministro de ACS cuando el depósito de acumulación baje de latemperatura de consigna, aunque estará normalmente abierta para permitir el apoyo a lacalefacción.En nuestro cálculo vamos a considerar que pretendemos cubrir la demanda de calefacciónde modo que la contribución solar anual de calefacción sea al menos del 20 %, teniendoen cuenta que en este tipo de instalaciones son típicos valores de entre 10 % y 30 % paraese parámetro.Por otra parte, el rendimiento deberá ser al menos del 20 % en el período de uso de lacalefacción.5. Orientación e inclinación de los captadoresComo sabemos, en una instalación solar térmica o fotovoltaica de tipo fijo, como la quecorresponde a este trabajo, uno de los criterios aplicables para decidir la orientación einclinación de los captadores (térmicos o fotovoltaicos) es suponer que se obtiene lamáxima energía anual con orientación sur y una inclinación igual a la latitud del lugarmenos un valor que oscila entre 5º y 10º (página 110 del libro “Radiación y MedioAmbiente”).Podemos suponer que no existe ninguna restricción para conseguir estos valores óptimos,por lo que la orientación será sur en ambas viviendas.En cuanto a la inclinación, el documento de respuesta a las FAQ al que se refiere el punto1. sugiere favorecer el aporte a la calefacción en invierno, cuando es más necesaria, dandoa los captadores una inclinación igual a la latitud del lugar más 10º, en lugar de buscar lamáxima energía anual. Seguiremos este criterio en el trabajo.Ávila tiene una latitud muy próxima a 41º, por lo que la inclinación de los captadoresdebería ser de 51º.Pedro Rodríguez Ramos 3/15
  4. 4. Puesto que, además, por razones prácticas, conviene adoptar valores “redondos”,tomamos como inclinación de diseño 50º.6. Datos del captadorRepetimos aquí lo ya expuesto en el trabajo T02_11E.En el ejemplo citado de la página 173 del libro “Energía solar, térmica y pasiva” se utilizael área de apertura del captador.En este trabajo se utilizará también dicho valor de la superficie del captador. Igualmenteusaremos, en coherencia con este criterio, los datos de rendimiento óptico y decoeficientes lineal y cuadrático de pérdidas térmicas que el fabricante indica comocorrespondientes a la superficie de apertura, aunque los que figuran en el enunciado deltrabajo son los asociados a la superficie de absorción.Dichos parámetros tienen los siguientes valores para el captador solar marca SaunierDuval, modelo Helio Plan SCV 2.3:- Superficie de apertura: 2,352 m2- Rendimiento óptico: 0,729- Coeficiente lineal de pérdidas térmicas: 2,804 W/m2K- Coeficiente cuadrático de pérdidas térmicas: 0,055 W/m2K27. Temperatura de consigna del acumulador7.1. Acumulador de ACSEl diseño de esta instalación prevé la utilización de dos circuitos en paraleloindependientes, uno para ACS y otro para apoyo a calefacción. Cada uno de estoscircuitos tendrá un acumulador.En el caso de ACS, por tanto, podemos utilizar la temperatura de referencia definida porel CTE, es decir, 60ºC.7.2. Acumulador de apoyo a calefacciónLos sistemas de calefacción por suelo radiante son muy adecuados para combinarlos conel apoyo mediante energía solar, ya que estos sistemas demandan una temperatura delagua de unos 45 ºC, frente a otros sistemas como el de radiadores que la demandan aunos 70 ºC -80 ºC.Vamos a utilizar este valor de temperatura (45 ºC) como el de consigna del acumulador deapoyo a calefacción (llamado también acumulador de inercia).8. Valores de MAI y FcintRepetimos aquí lo ya expuesto en el trabajo T02_11E.Tomamos para ambos parámetros un valor de 0,95.Pedro Rodríguez Ramos 4/15
  5. 5. En el caso de Fcint ese valor es el recomendado por el pliego del IDAE.El valor de MAI, según indicaciones del CTE, debe estar entre 0,90 y 0,95, y según el IDAEentre 0,94 y 0,96. Hemos tomado el valor intermedio entre los definidos como extremospor el IDAE. Comentamos a este respecto que el programa de cálculo original sólopermitía fijar los valores 0,94 ó 0,96 para el MAI. Nosotros lo hemos modificado parapermitir también el valor de 0,95.9. Consideraciones sobre el coeficiente global de pérdidas del captadorRepetimos aquí lo ya expuesto en el trabajo T02_11E.El programa de cálculo mencionado en el punto 1. estaba desarrollado para utilizar unsolo coeficiente global de pérdidas térmicas del captador solar (celda C53 de la pestaña“Cálculo” de la hoja Excel).El captador utilizado en el trabajo no viene caracterizado por dicho coeficiente global depérdidas térmicas, sino por los coeficientes lineal y cuadrático de pérdidas térmicas.Nos ha parecido que el paso de los coeficientes lineal y cuadrático a un único coeficienteglobal de pérdidas es objeto de cierta discusión, no estando la situación totalmente clara.En los apartados que siguen incluimos una explicación de nuestro entendimiento alrespecto y de cómo hemos procedido en el cálculo:a) Muchos captadores solares en España están homologados conforme a la norma INTA-610001, que utiliza un único coeficiente de pérdidas térmicas para representar ladependencia del rendimiento con la diferencia de temperatura Tm - Ta (Tm = temperaturamedia del fluido en el captador; Ta = temperatura ambiente).b) Lo anterior supone que dicha dependencia es lineal, aunque se sabe que no es así, yaque tiene una pequeña componente cuadrática, cuyo peso en el valor del coeficienteglobal de pérdidas puede ser significativo para valores altos de Tm - Ta.c) La norma UNE-EN-12975, actualmente en vigor, parece que favorece unacaracterización del rendimiento mediante los coeficientes lineal y cuadrático, y esprevisible que, con el tiempo, se convierta en la única norma aplicable que acabe con estaconfusión.d) En el cálculo del parámetro D2 del método f-chart interviene el coeficiente global depérdidas, Aglobal, que, según se dice en la página 144 del libro “Energía solar, térmica ypasiva”, es el coeficiente obtenido de las curvas características del rendimiento enaproximación lineal del captador seleccionado. Habría que obtener este coeficiente únicoque define las pérdidas a partir de los dos coeficientes, lineal y cuadrático, del captadorespecificado en el trabajo.e) Pero, por otra parte, entendemos que no hay ningún inconveniente para utilizar unamejor aproximación a dicho coeficiente Aglobal, pudiendo usarse en el cálculo suexpresión correcta, que, según la página 65 del libro “Energía solar, térmica y pasiva” esla siguiente: Aglobal = a1 + a2 x (Tm - Ta).f) Una buena aproximación al valor de Tm es la temperatura de consigna del acumulador.Esta hipótesis la tomamos del documento de respuesta a las FAQ publicado para estetrabajo. Tm es la media entre la temperatura de entrada al captador y la temperatura desalida del captador. Si la temperatura de consigna en el depósito acumulador es Td, paraPedro Rodríguez Ramos 5/15
  6. 6. que exista intercambio debe haber un salto térmico de, por ejemplo, 10 ºC. En un sistemaperfecto, sin pérdidas, el agua, con ese sato térmico, entraría en el depósito a Td + (10/2)(temperatura a la que sale del captador), y saldría del mismo a Td - (10/2) (temperatura ala que entra al captador). Por tanto: Tm = (Td + (10/2) + Td - (10/2)) / 2 = Td.g) Hemos modificado el programa de cálculo en Excel utilizado para introducir un Aglobalpor cada mes, calculado según la fórmula de e) y la hipótesis de f). Los datos obtenidosestán en las celdas con fondo color amarillo en la pestaña “Cálculo_XXX” de la hoja Excel.Además, hemos hecho otro cálculo con un único Aglobal para todo el año, igual a lamedia de esos Aglobal mensuales. Los datos obtenidos están en las celdas con fondo colorazul en la pestaña “Cálculo_XXX” de la hoja Excel. Ambos cálculos producen resultadosmuy similares.h) En definitiva, lo expuesto en los apartados e), f) y g) resume el método que hemosseguido para pasar de dos coeficientes de pérdidas, lineal y cuadrático, a un únicocoeficiente global de pérdidas. En internet hemos leído muchos comentarios sobre esteasunto, y hemos podido percibir que hay cierta confusión al respecto. Se dan diferentesfórmulas para pasar de a1 y a2 a un Aglobal único. Nuestro procedimiento creemos quees al menos tan bueno como los que indican esos comentarios. Evidentemente, lasdistintas normas de homologación de colectores existentes no ayudan a resolver estacuestión.10. Volumen de los acumuladores10.1. Acumulador de ACSTeniendo en cuenta que este caso, al igual que el considerado en el trabajo T02_11E, setrata de una vivienda unifamiliar del mismo número de personas y situada en la mismazona climática (si escogemos el caso de Ciudad Real en el trabajo T02_11E), podríamosdar por bueno el dimensionamiento hecho en dicho trabajo, por lo que el acumulador deACS podría ser de 250 l, pudiendo valer perfectamente el modelo correspondiente de lagama Sanit 100-250 del fabricante Domusa, allí considerado.Sin embargo, para esta instalación de suministro de ACS y apoyo a calefacción, y con elánimo de ahorrar espacio y costes, hemos pensado que sería más recomendable instalarun acumulador del tipo combinado, con dos depósitos independientes en el mismoequipo, disponiendo cada uno de ellos de su intercambiador.El equipo seleccionado, según se explica en el punto 11.3. es el modelo AC-2000IICOMBI, del fabricante Trisolar. En el folleto adjunto de este fabricante podemos ver que elacumulador de ACS tiene un volumen de 205 l, que será el valor de diseño.Este volumen es sensiblemente superior al de la demanda diaria prevista (150 l), lo quecontribuye a mejorar el rendimiento, como ya comprobamos en los cálculos del trabajoT02_11E.10.2. Acumulador de calefacciónEl volumen de este depósito será determinado en el punto siguiente, junto con laestimación del número de captadores.Veremos que en el modelo de acumulador seleccionado en ese punto el depósito decalefacción tiene un volumen de 2.000 l, que será el valor de diseño.Pedro Rodríguez Ramos 6/15
  7. 7. 11. Cálculo del número de captadores11.1 IntroducciónRepetimos aquí lo ya expuesto en el trabajo T02_11E sobre el programa de cálculo.Para realizar los cálculos utilizamos el método f-chart, que es el explicado en el libro“Energía solar, térmica y pasiva”.Hemos buscado un programa de cálculo que utilice dicho método, de los que se ofrecengratuitamente en internet. El utilizado ha sido descargado del sitio webhttp://www.soloarquitectura.com, y lleva por nombre “DB-HE 4_Cálculo de la fracciónsolar de ACS por el método f-chart”.Se trata de una hoja de cálculo Excel en la que se dice que:a) El procedimiento, la formulación y la notación están obtenidas del libro de Pilar PeredaSuquet titulado “Proyecto y cálculo de instalaciones solares térmicas”. Ea! Ediciones deArquitectura. 2006.b) Los datos tabulados de radiaciones y temperaturas están obtenidos del libro anterior,cuyas tablas proceden del “Pliego de Condiciones Técnicas de Instalaciones de bajatemperatura”. IDAE. 2002. Dichos datos a su vez están tomados de CENSOLAR.c) Las casillas rojas contienen valores constantes en la versión actual de la hoja de cálculo.En versiones posteriores podrán introducirse como variables.En realidad la única celda de entrada de datos con fondo en color rojo en la pestaña“Cálculo_XXX” de la hoja Excel es la que define la temperatura de consigna delacumulador, que en el programa original estaba fijada a 60 ºC. Nosotros hemosmodificado el programa para permitir valores de esta temperatura desde 40 ºC hasta 60 ºC, en incrementos de 5 ºC. Igualmente hemos añadido al programa del cálculo laobtención de los valores corregidos de las demandas mensuales para temperaturas deconsigna del acumulador diferentes de la temperatura de referencia del CTE de 60 ºC, demodo que pueda variarse ese valor de consigna y se sigan manteniendo las demandasenergéticas de ACS para esa temperatura de referencia. No obstante, la celdacorrespondiente a la temperatura del acumulador se mantiene con fondo en color rojo.En los cálculos añadidos a la hoja Excel ya no mantenemos necesariamente la notación dellibro citado más arriba.Al utilizar el programa hemos comprobado que la tabla correspondiente al denominado“Factor k” no estaba completa para todas las latitudes. Nosotros no la hemos completadototalmente, aunque sí hemos añadido los datos necesarios para este trabajo.Hemos aplicado este programa al ejemplo de la página 173 del libro “Energía solar,térmica y pasiva”, y hemos comprobado que se obtenían idénticos resultados, condiferencias sólo de redondeos.Se anexa a este trabajo una hoja Excel con los cálculos realizados, particularizados paraÁvila, que se comentan en el punto 11.(Nota: Con relación a este cálculo el autor del programa hace una observación queestimamos interesante recoger aquí, al igual que hicimos en el trabajo T02_11E: i) resultadesconcertante que sistemáticamente D2 > D1; ii) si D1 refleja la relaciónaportación/demanda y D2 refleja la relación pérdida/demanda, el hecho de que D2 > D1Pedro Rodríguez Ramos 7/15
  8. 8. significa que pérdida > aportación, lo que parece un sinsentido físico; iii) estacontradicción se debe a que el método f-chart es puramente empírico).11.2 Cálculo para ACSEn la pestaña “Cálculo_ACS”, y a efectos casi puramente informativos, podemos ver elresultado correspondiente al caso de ACS únicamente, donde vemos que con un solocaptador y en las condiciones de temperatura de consigna del acumulador y de inclinaciónde los paneles no se cumpliría el requisito de contribución solar mínima, suponiendo quefuera aplicable.Ya hemos dicho en el punto 4. que en este caso no es aplicable dicho requisito, y que lademanda de ACS se cubrirá siempre al 100 %, y sólo el exceso de energía solar despuésde cubrir esa demanda se destinará al apoyo de la calefacción. No obstante, nos haparecido interesante incluir este cálculo para compararlo con los del trabajo T02_E11.Además, algunos de sus datos, concretamente los de demanda energética para ACS, losvamos a necesitar para los cálculos de calefacción.11.3 Cálculo para calefacciónEste es el cálculo esencial del trabajo, pues ya hemos establecido en el punto 4. quepretendemos diseñar el sistema de modo que la contribución solar anual de calefacción nosea inferior al 20 %.En la pestaña “Cálculo_Calefacción” se indica el cálculo realizado, que comentamos acontinuación:a) En la columna de demandas energéticas consideramos sólo las demandas decalefacción, y calculamos la correspondiente columna de valores de EU mensuales.b) A partir de la columna de valores de EU obtenemos otra columna que llamamos devalores EU’, siendo estos valores iguales a los EU menos la demanda energética de ACS.Con ello tenemos en cuenta que la energía solar útil será empleada en primer lugar paracubrir el 100 % de la demanda de ACS, como ya se ha explicado.c) A partir de los valores EU’ calculamos los porcentajes de contribución solar decalefacción, que llamamos f’, dividiendo dichos valores EU’ por los de demanda energéticade calefacción en el mes correspondiente.d) Como volumen de acumulación hemos considerado sólo el correspondiente alacumulador de inercia, ya que el acumulador de ACS es totalmente independiente y nocontribuye al rendimiento de la instalación de apoyo a calefacción.e) Como temperatura del acumulador hemos utilizado la de consigna de 45 ºC delacumulador de inercia indicada en el punto 7.2. Ello es así porque los captadores estaránla mayor parte del tiempo en que exista demanda de calefacción trabajando contra dichodepósito.Hemos confeccionado, como un añadido nuestro al programa de cálculo, una tabla dedos entradas correspondientes a las siguientes variables y valores de las mismas:1. Número de captadores: 8, 9 y 10.2. Volumen del acumulador: 1.000 l, 1.500 l, y 2.000 l.3. Superficie de intercambio del acumulador de calefacción.Pedro Rodríguez Ramos 8/15
  9. 9. Con estos valores de entrada hemos obtenido los valores de Si/Sc, V/Sc, contribución solaranual de calefacción, contribución solar total anual y rendimiento del sistema anual (estostres últimos parámetros calculados con los Aglobal mensuales y con el Aglobal único).Hemos utilizado los datos de la gama de acumuladores combinados AC-II COMBI, delfabricante Trisolar, que dispone de las tres capacidades del acumulador de inerciaindicadas. En los tres casos el acumulador de ACS tiene el mismo volumen de 205 l.Adjuntamos un folleto resumido con las características técnicas más importantes de losequipos de esta gama.Las celdas que definen los valores Si/Sc, V/Sc y contribución solar anual de calefaccióntienen fondo de color verde o rojo según sus valores, respectivamente, cumplan o no lassiguientes condiciones: i) sea mayor que 50 y menor que 180; iii) sea mayor o igual que0,15; iii) sea mayor o igual que 20 %.La primera condición es la asociada a la relación entre el volumen del acumulador y lasuperficie de captación. Aunque esta relación es la que el CTE define para el caso de ACS,la usaremos aquí para el acumulador de inercia como elemento más restrictivo de lainstalación, además de que, como ya se ha dicho, los captadores estarán la mayor partedel tiempo en que exista demanda de calefacción trabajando contra dicho depósito.La segunda condición se refiere a la relación entre la superficie de intercambio y la decaptación para el caso (como el que nos ocupa) de intercambiador incorporado alacumulador.Y la tercera es la que nos hemos impuesto, consistente en que la contribución solar anualde calefacción no sea inferior al 20 %.Podemos ver en la tabla que con los valores considerados de las variables de entrada sólohay una combinación válida (las tres celdas en color verde): 10 captadores y un depósitode 2.000 l, que corresponde al modelo AC-2000II COMBI, resultando una contribuciónsolar anual de calefacción de 20,96 %.Por eso hemos marcado con fondo de color azul en la tabla resumen las celdas de losvalores que corresponden a ese conjunto de variables, que serían las que tomaríamoscomo valores finales para la instalación, y son estos valores los que figuran en la pestaña“Cálculo_Calefacción” de la hoja Excel anexa.11.4 Cálculo para ACS + calefacciónEn la pestaña “Cálculo_ACS+Calefacción” se indica el cálculo realizado, que comentamosa continuación:a) En la columna de demandas energéticas consideramos las demandas, totales, sumandosimplemente las que corresponden a los dos cálculos anteriores.b) Como volumen de acumulación hemos considerado la suma de los volúmenes de losdos acumuladores.c) Como temperatura del acumulador hemos utilizado la de consigna de 45 ºC indicada enel punto 7.2. para el acumulador de inercia. Aparte de que el programa no permite otrasopciones, nos parece que es una solución correcta, ya que las demandas de ACS sí estáncalculadas con respecto a la temperatura de referencia de 60 ºC, y el acumulador deinercia es el elemento de acumulación principal de la instalación.Pedro Rodríguez Ramos 9/15
  10. 10. d) En los meses en los que no se usa la calefacción la cobertura es superior al 100 %,pero, puesto que esta energía hay que disiparla, forzamos en esos casos en las fórmulasde cálculo a que la cobertura sea igual al 100 %, para no desvirtuar el resultado.Podemos ver en la tabla resumen que para la solución adoptada la contribución solar totalanual es del 29,91 %, y el rendimiento anual del 24,84 %.En la pestaña “Cálculo_ACS+Calefacción” puede comprobarse que el rendimiento anuales bastante superior al 20 % en los meses en que se usa la calefacción, que era otra de lascondiciones que nos habíamos impuesto.12. Datos de los intercambiadores12.1. Intercambiador de calefacciónEn el catálogo adjunto puede verse que en el modelo seleccionado, AC-2000II COMBI, elintercambiador de apoyo a calefacción tiene una superficie de intercambio en el serpentínde calefacción de 3,6 m2. El volumen del intercambiador de calefacción en este equipo,según el catálogo adjunto, es de 23,7 l.12. 2. Intercambiador de ACSEn el catálogo adjunto puede verse que en el modelo seleccionado, AC-2000II COMBI, elintercambiador de ACS tiene una superficie de intercambio de 3,0 m2 y un volumen de19,8 l.La relación entre la superficie de intercambio y la de captación sería en este caso de 0,13,que, en principio, no cumple el requisito del CTE DB HE4. Sin embargo, en esta instalaciónla relación anterior sólo debe ser cumplida por el acumulador de inercia, que es el másrestrictivo. Además, también se puede decir que la superficie de captación asociada al ACSes una pequeña parte de la superficie total de captación.12.3. Disipador de energíaEste disipador será otro elemento del circuito primario, y puede considerarse como untercer intercambiador, necesario para disipar el excedente de energía que se producirá enlos meses en los que no hay demanda de calefacción, para que no se llegue a alcanzar enlos captadores la temperatura de estancamiento, ya que dichos captadores continuaránfuncionando a pesar de la falta de demanda.En un caso extremo, en el que no haya demanda de calefacción y tampoco de ACS, lo quefácilmente puede ocurrir en verano, donde el consumo de ACS es menor o incluso nulo,habría que disipar la potencia térmica máxima de nuestra instalación, que, segúnentendemos, será el producto de la irradiancia máxima, la superficie de captación y elrendimiento del captador. Multiplicamos también por el rendimiento ya que éste es elcociente entre la potencia útil transferida al fluido de trabajo y la irradiancia solarincidente, y la potencia que hay que disipar es la que realmente se transfiere al captador(potencia útil) y éste no puede utilizar.Para calcular la irradiancia máxima en los meses en que no hay calefacción hemosutilizado la expresión empírica propuesta por Meinel y Mainel, a la que se refiere la página101 del libro “Radiación y Medio Ambiente”. Para tener en cuenta la inclinación de loscaptadores utilizamos la forma completa de dicha expresión, según se describe en eldocumento adjunto (obtenido de “Revista Colombiana de Física”; vol. 38, Nº 3. 2006),Pedro Rodríguez Ramos 10/15
  11. 11. que anexamos como fichero Pdf titulado “Modelo de Meinel y Mainel de IrradianciaGlobal”.En la hoja de cálculo Excel anexa hemos añadido una pestaña denominada “IrradianciaMeilen y Mailen”, en la que hemos programado esta fórmula, calculando la irradiancia enlas condiciones de diseño del trabajo en los días que van del 01.06 al 30.09, ambosinclusive, en los que hemos considerado que no hay demanda de calefacción.En la tabla calculada puede verse que la máxima irradiancia es de 872,3 W/m2,correspondiente al día 20.09 (celdas marcadas con fondo en color azul).A modo de comparación, hemos incluido en la hoja de cálculo Excel anexa los datosobtenidos de la base de datos PVGIS, donde puede verse una buena correspondenciaentre dicha base de datos y el modelo de Meinel y Mainel. Para comparar ambas fuenteshemos tomado la media de los datos de irradiancia global de PVGIS en las horas solareslocales 11:52 y 12:07 (aunque en los meses considerados los respectivos valores soniguales a ambas horas), media que responde a la hora solar local, que es la usada en elcálculo según el modelo de Meinel y Mainel.Ahora debemos calcular el rendimiento de los captadores, utilizando la expresión siguiente(página 63 del libro “Energía solar, térmica y pasiva”):r = r0 - a1 x (Tm - Ta) / G - a2 x (Tm - Ta)2 / GComo Tm vamos a considerar el caso peor, correspondiente a la temperatura de consignadel acumulador de inercia, es decir, 45 ºC.Y como Ta consideramos la temperatura ambiente esperada en el momento en que debeproducirse la disipación, y que estimamos en 40 ºC.Con estos valores, el rendimiento del captador para una irradiancia de 872,3 W/m2 es de0,711 (hemos incluido también este cálculo en la hoja Excel (pestaña “RendimientoCaptador”).Por tanto, la potencia térmica máxima a disipar es de 872,3 W/m2 x 23,52 m2 x 0,711 =14,6 kW.Como aerodisipador hemos elegido el modelo de referencia SDNS035/1A4SH-6C-BLOWER(SOLA0001) del fabricante Stefani, que es el de menor potencia de esta gama,con una potencia nominal de 25,7 kW (adjuntamos un folleto con las característicastécnicas resumidas de este aerodisipador).Esta potencia está referida a una temperatura ambiente de 35 ºC, mientras que nosotrosestamos considerando una temperatura de 40 ºC. Consultando catálogos de otrosfabricantes de equipos similares (pues en el del equipo seleccionado no figura estainformación), podemos estimar que la reducción de la potencia para pasar de 35 ºC a 40ºC es de un 12 %, aproximadamente.Igualmente, la referida potencia nominal está referida a un porcentaje de glicol de 30 %,cuando en nuestra instalación dicho porcentaje es del 45 %. Consultando nuevamentecatálogos de otros fabricantes de equipos similares (pues en el del equipo seleccionado nofigura esta información), podemos estimar que la reducción de la potencia para pasar de30 % a 45 % en el porcentaje de glicol es de un 7 %, aproximadamente.Podemos concluir que la potencia nominal del aerodisipador seleccionado para lascondiciones de trabajo es de aproximadamente 25,7 x (1 - 0,12) x (1 - 0,07) = 21,0 kW.Pedro Rodríguez Ramos 11/15
  12. 12. Aunque este equipo tiene una potencia resultante que es sensiblemente superior a lanecesaria, hemos comprobado que sus características técnicas de potencia de motor, nivelde ruido y calidad en general son mejores que las de otros aerodisipadores que podrántener una potencia más adecuada a la de diseño.Según el fichero anexo que resume las características técnicas de este dispositivo elvolumen interior es de 1,8 l.13. Estimación de los volúmenes de los circuitos13.1. Circuito primario (Vcp)a) Volumen de los captadores (Vc)Según los datos del fabricante del captador utilizado el volumen de un captador es de1,85 l. Puesto que la instalación consta de 10 captadores, Vc = 10 x 1,85 l = 18,5 l.b) Volumen de los intercambiadores (Vi)Conforme a los datos indicados en el punto 12., Vi = 23,7 + 19,8 + 1,8 = 45,3 l.c) Volumen de las tuberías (Vt)En primer lugar debemos determinar el caudal del circuito primario. No hemos encontradoninguna recomendación de caudal en la documentación del fabricante del captador, asíque optamos por escoger un caudal de diseño de 50 l por hora y metro cuadrado desuperficie de captadores en paralelo, dentro del rango de valores de 43 - 72 l/hm2 del CTEy de 43 - 57 l/hm2 del RITE.El caudal de diseño será, pues, de 50 l/hm2 X 23,52 m2 = 1.176 l/h.En nuestro caso, las tuberías de todo el circuito serán de cobre. Calcularemos el diámetrode las conducciones (D) y la velocidad de circulación (v), a partir de la siguiente relación(página 161 del libro “Energía solar, térmica y pasiva”):v (m/s) = 0,354 x Q (l/h) / D2 (mm2)En el interior de locales habitados la velocidad de circulación está limitada a 1,5 m/s porcuestiones acústicas, y no debe ser inferior a 0,5 m/s para evitar sedimentaciones. Sitomamos un valor intermedio de 0,60 m/s, podemos calcular el diámetro de la tubería apartir de la expresión anterior, obteniéndose un valor de 26,34 mm. Podemos tomar unvalor normalizado de 25 mm (aproximadamente 1 pulgada) de diámetro interior, con loque la velocidad será de 0,67 m/s.A partir de estos datos podemos calcular la pérdida de carga con el ábaco de la página164 del libro “Energía solar, térmica y pasiva”, obteniéndose un valor de 20 mmca/m.El único dato que tenemos sobre la longitud de las tuberías del circuito primario es el delenunciado: mínimo 30 m, máximo 100 m. Creemos razonable tomar el valor medio deestos valores extremos, es decir, 65 m.El volumen de las tuberías del circuito primario será, por tanto, de: Vt = 65 m x π x (25mm/2)2 = 31,9 l.Pedro Rodríguez Ramos 12/15
  13. 13. El volumen total del circuito primario será, por tanto: Vcp = 18,5 l + 45,3 l + 31,9 l = 95,7l.13.2. Circuito secundario de ACS (Vcs1)El elemento principal de este circuito es el acumulador, cuyo volumen es de 205 l.Consideramos un 10 % adicional de este valor para tuberías y otros accesorios del mismo,por lo que el volumen estimado para este circuito es de: Vcs1 = 205 l x 1,20 = 226 l.13.3. Circuito secundario de calefacción (Vcs2)El elemento principal de este circuito es el acumulador, cuyo volumen es de 2.000 l.Consideramos un 10 % adicional de este valor tara tuberías y otros accesorios del mismo,por lo que el volumen estimado para este circuito es de: Vcs2 = 2.000 l x 1,10 = 2.200 l.14. Cálculo de los vasos de expansión14.1. Circuito primarioEn los vasos de expansión cerrados el volumen del vaso de expansión (Vvp) debe cumpliresta expresión:Vvp >= k1 x k2 x Vcp x Pf / (Pf - Pi)Donde:- k1 es el coeficiente de dilatación del fluido que circula por las tuberías, que en este caso(agua + glicol (45 %)) es de 0,08.- k2 es un coeficiente de seguridad recomendado por el CTE, que indica que el vaso deexpansión debe ser capaz de compensar la dilatación del volumen del circuito más un 10%; es decir, k2 = 1,10.- Vcp es el volumen del circuito primario, calculado en el punto 10.1., donde hemos obtenido para esta variable un valor de 95,7 l.- Pf es la presión absoluta final del vaso de expansión, que es la presión máxima que puede alcanzar el circuito primario. En sistemas pequeños como el considerado en el trabajo las válvulas de seguridad que se instalarán estarán taradas a 3 bar, y, como mucho, según el documento de FAQ publicado para este trabajo, habrá que sumar 1 bar más, con lo que podemos tomar Pf = 4 bar.- Pi es la presión inicial de llenado del circuito primario, que, conforme a lo sugerido en la página 167 del libro “Energía solar, térmica y pasiva”, tomamos igual a 1,5 bar.Por tanto, el vaso de expansión del circuito primario tendrá un volumen mínimo de:Vvp >= 0,08 x 1,1 x 95,7 x 4,0 / (4,0 - 1,5) = 13,5 l.14.2. Circuito secundario de ACSPara calcular el volumen del vaso de expansión del circuito secundario de ACS (Vvs1)aplicamos la misma fórmula del punto 14.1, siendo ahora k1 = 0,04 (pues en el circuitosecundario el fluido es agua), Pf = 6 bar (según recomendación de la página 167 del libroPedro Rodríguez Ramos 13/15
  14. 14. “Energía solar, térmica y pasiva” y del documento de FAQ), y Pi = 1,5 bar, como en elcaso del circuito primario. Por tanto:Vvs1 >= 0,04 X 1,10 x 226 x 6 / (6 - 1,5) = 13,3 l.14.3. Circuito secundario de calefacciónPara calcular el volumen del vaso de expansión del circuito secundario de calefacción(Vvs2) aplicamos la misma fórmula del punto 14.1, siendo ahora k1 = 0,04 (pues en elcircuito secundario ahora el fluido es agua), Pf = 6 bar (según recomendación de la página167 del libro “Energía solar, térmica y pasiva” y del documento de FAQ), y Pi = 1,5 bar,como en el caso del circuito primario. Por tanto:Vvs2 >= 0,04 X 1,10 x 2.200 x 6 / (6 - 1,5) = 129,1 l.Adjuntamos un folleto de la gama AMR-B de vasos de expansión distribuidos porAiguapress, en la que podríamos elegir el modelo 18 AMR-B 18 SMF, de 18 l decapacidad, para el circuito primario y el circuito secundario de ACS, y el modelo 150 AMR-B 150 SMR, de 150 l, para el circuito secundario de calefacción.14. Cálculo de la potencia de la bomba de circulación del circuito primarioLa potencia de la bomba es un dato que nos dará el fabricante a partir de nuestrasnecesidades de caudal y de pérdida de carga (altura manométrica).El caudal ya ha sido estimado en el punto 11.1, siendo de 1.176 l/h.La pérdida de carga total será la suma de la correspondiente a captadores, aintercambiadores y a tuberías y sus accesorios.Para calcular la pérdida de carga seguimos el procedimiento descrito en los puntossiguientes, que está resumido en la pestaña “Pérdidas de carga en primario” de la hojaExcel anexa.a) Calculamos la pérdida de carga de los intercambiadores y del aerodisipadorEn los folletos anexos no aparece este dato de los fabricantes seleccionados para losintercambiadores, por lo que hemos obtenido esta información de los fabricantes de otrosequipos similares, resultando lo siguiente:- Intercambiador de ACS: 340 mmca.- Intercambiador de calefacción: 630 mmca.La pérdida de carga del aerodisipador sí viene especificada en el folleto adjunto: 29 kPa,equivalentes a 2.957 mmca con agua con glicol. Puesto que después aplicaremos uncoeficiente a todas las pérdidas de carga calculadas con agua, reducimos ahora estapérdida en el mismo coeficiente, quedando en 2.275 mmca..La pérdida de carga (agua) asociada a los intercambiadores será, pues, de 340 + 630 +2.275 = 3.245 mmca.Pedro Rodríguez Ramos 14/15
  15. 15. b) Calculamos la pérdida de carga de los captadoresPuesto que el caudal de 1.176 l/h es la suma del correspondiente a los 10 captadoresconectados en paralelo, por cada captador circulará, suponiendo que haya un equilibriocorrecto del circuito hidráulico, un caudal de 117,6 l. Según los datos de fabricante delcaptador a ese caudal le corresponde una pérdida de carga de aproximadamente 135mbar ó 1.377 mmca.Puesto que los 10 captadores están conectados en paralelo, y dando por hecho elequilibrio del circuito hidráulico, la pérdida de carga será la correspondiente a uno solo deellos, es decir, 1.377 mmca.c) Calculamos la pérdida de carga de la tubería y accesoriosPara ello hemos incluido un pequeño cálculo en la hoja Excel adjunta (pestaña “Pérdidasde carga en primario”). Hemos incluido los elementos, que, aproximadamente,corresponden al esquema de la figura de la página 194 del libro “Energía solar, térmica ypasiva”, añadiendo un aerodisipador y algún elemento de medida y control, y asignandolongitudes equivalentes a cada elemento, conforme a los datos indicados en la página 162del mismo libro (en algún caso hemos interpolado entre las tuberías de diámetros 22 mmy 28 m para obtener el dato correspondiente a la tubería de 25 mm) y a otros datosobtenidos separadamente.La longitud equivalente del circuito primario y sus accesorios resulta ser de 94,8 m.Después hemos calculado la pérdida de carga unitaria conforme a la fórmula de la página163 del libro “Energía solar, térmica y pasiva”, para un caudal de 1.176 l/h y una tuberíade diámetro interior de 25 mm, resultando un valor de 20,4 mmca/m.Por tanto, la pérdida de la tubería y accesorios del circuito primario será de 94,8 x 20,4 =1.934 mmca.A esta pérdida de carga hemos de añadir la correspondiente a la válvula de tres vías, quees un elemento importante de la instalación. Escogemos la válvula SM-41 del fabricanteBaxiroca, que, según el folleto anexo, tiene una pérdida de carga de aproximadamente1.200 mmca al caudal de diseño.d) Calculamos la pérdida de carga total del circuito primario con agua como fluido detrabajoEsta pérdida de carga será la suma de los valores anteriores, es decir: 3.245 + 1.377 +1.934 + 1.200 = 7.756 mmca.e) El libro “Energía solar, térmica y pasiva” recomienda en su página 161 que se apliqueuna corrección a las pérdidas de un 30 % debido a la mayor viscosidad del fluido detrabajo, que en este caso no es agua pura, sino que incorpora glicol.Por tanto nuestra estimación final de pérdidas del circuito primario es de 7.756 x 1,3 =10.083 mmca.El punto de funcionamiento de la bomba, será, pues, muy aproximadamente, de 1,2 m3/h(1.176 l/h) de caudal y 10 mca (10.083 mmca) de altura manométrica.Una bomba adecuada será el modelo SC-65 (posición 1) del fabricante Baxiroca (página189 del fragmento anexo del catálogo de este fabricante).Pedro Rodríguez Ramos 15/15

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