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CASO PRÁCTICO: INSTALACIÓN SOLAR TÉRMICA PARA

CALEFACCIÓN

2 Instalación solar térmica para calefacción.

INDICE

1. PREMISAS DE TRABAJO 3

2. DATOS DE ENTRADA Y CONSIDERACIONES PREVIAS 4

3. ESTIMACION DE LA DEMANDA DE AGUA CALIENTE SANITA RIA 6

4. RADIACION SOLAR INCIDENTE EN EL PLANO DE CAPTADO RES 7

5. CALCULO DEL NUMERO DE CAPTADORES: METODO DE F-CH ART 8

5.1. Cálculo para un captador 9

5.2. Rendimiento de la instalación 10

5.3. Evolución mensual de la instalación 10

5.4. Disposición de los captadores 11

5.5. Perdidas por orientación e inclinación 11

5.6. Perdidas por sombreado 12

6. VOLUMEN DE ACUMULACION Y SUPERFICIE DE INTERCAMB IO 13

7. DISIPADOR DE ENERGIA 14

8. BIBLIOGRAFIA Y ENLACES WEB 15


1. PREMISAS DEL TRABAJO

En un chalet de 220 m2 en Boadilla del Monte vive una familia compuesta por 4 personas. Comprometidos con el medio ambiente han decidido contratar los servicios de una empresa fabricante de colectores solares para que le solucionen el problema del elevado consumo de gasoil para la calefacción de la vivienda en los meses fríos. La vivienda tiene radiadores de aluminio por lo que han de regularlos a 65ºC para mantener una temperatura de confort

La vivienda tiene dos plantas + buhardilla, de 2,2 metros de altura cada una. El cuarto de calderas se encuentran en la planta baja y los colectores se instalarían en el agua que se encuentra desviada +5º con respecto al sur. La inclinación del tejado es de 25º. La cubierta donde hay que incluir los captadores tiene una superficie de 9x5 = 45 m

El modelo de colector empleado presenta las siguientes características:

− Dimensiones: 1340 x 1800 mm − Superficie del absorbedor: 2,2 m2 − Curva de rendimiento:

Rendimiento optimo η0 0,790

Coeficiente a 1 3,756 W/m2K


− Volumen del fluido caloportador: 2,2 litros − Capacidad térmica: 7,4 kJ/m2K − Coeficiente de corrección del ángulo de incidencia: Kdir50º = 0,95


2. DATOS DE ENTRADA Y CONSIDERACIONES PREVIAS

La instalación solar térmica empleada será un sistema indirecto con conducción forzada impulsada por bombas eléctricas. Estará compuesta por un sistema de captación de captadores solares planos integrados arquitectónicamente en la cubierta del edificio, y un sistema de acumulación con intercambiador integrado en su interior. El sistema de acumulación estará situado en el cuarto de calderas de la planta primera.

El sistema de generación térmica auxiliar empleado será la caldera de gasoil ya existente en el edificio.

Únicamente tendremos en cuenta las pérdidas de radiación producidas por la variación de la inclinación y de la orientación. Las perdidas por sombras las consideraremos nulas puesto que no conocemos los elementos externos.

Datos de entrada:

− Localidad: Boadilla del Monte (Madrid) − Latitud: 40,5º − Zona Climática: Zona IV − Tipo de edificio: Vivienda unifamiliar − Nº de personas ocupantes: 4 personas − Tipo de integración de captadores: Integración arquitectónica − Sistema de energía auxiliar: Caldera de gasoil − Orientación del campo de captadores: +5º − Inclinación del campo de captadores: 25º − Condiciones del entorno: Sin sombras

A continuación detallaremos un esquema de la instalación y su ubicación dentro de la vivienda:



3. ESTIMACION DE LA DEMANDA DE AGUA CALIENTE SANITA RIA

Para poder realizar el dimensionamiento de la instalación debemos conocer cuál es la demanda energética que vamos a tener en nuestro edificio. Debido a la falta de datos en nuestro enunciado estimaremos una carga térmica media de 100 W/m2. El uso de la instalación será de 10 h en los meses de Invierno, y de 8 h en los meses finales de Otoño y principios de Primavera. En el resto de meses la instalación no se utilizara. Por lo tanto la demanda energética diaria será:

��ℎ/�� = 100� ��⁄ · 220�� · ℎ��

Los valores de la DEmes vienen recogidos en la siguiente tabla:

Mes Carga

Termica QT (W/m2)

Horas de empleo de la instalación Ddía,60º (m

3/ día)

Nº días mes

Demanda diaria DEdia (kWh/dia)

Demanda energética al mes

DEmes (kWh/mes)

ENE 100 10 31 220 6820

FEB 100 10 28 220 6160

MAR 100 8 31 176 5456

ABR 100 8 30 176 5280

MAY 0 0 31 0 0

JUN 0 0 30 0 0

JUL 0 0 31 0 0

AGO 0 0 31 0 0

SEP 100 8 30 176 5280

OCT 100 8 31 176 5456

NOV 100 8 30 176 5280

DIC 100 10 31 220 6820

TOTAL 365 DEaño = 46552


4. RADIACION SOLAR INCIDENTE EN EL PLANO DE CAPTADO RES

Antes de poder realizar el dimensionado de nuestra instalación, debemos conocer los datos de radiación solar incidente para la orientación e inclinación de nuestros captadores.

En este apartado también se deberá verificar que nuestro sistema se encuentra dentro de los límites establecidos por el CTE-HE4 para las pérdidas de orientación, inclinación y sombras. Este último, como ya se ha indicado anteriormente, lo consideraremos nulo, puesto que no conocemos los elementos externos que puedan producir dichas sombras.

Para poder determinar la radiación solar diaria que incide sobre un captador plano con inclinación de 25º y orientación de +5º, hemos empleado la base de datos de la pagina web de Photovoltaic Geographical Information System (PVGIS). Esta página la radiación solar de cualquier punto de Europa conociendo su latitud y longitud. Además nos ofrece una aplicación que nos permite transformarla para cualquier inclinación y orientación.

De esta base de datos hemos recogido la radiación solar horizontal Gdi(0º) y la radiación solar para nuestra inclinación y orientación Gdi(5º, 25º) de Boadilla del Monte (40,405N, -3,877E)

Mes Gdi (0º) Gdi (5º,25º) Energía solar

mensual incidente EImes,i (kWh/m 2mes)

ENE 1,99 3,04 94,24

FEB 2,70 3,64 101,92

MAR 4,48 5,52 171,12

ABR 5,10 5,51 165,30

MAY 6,48 6,50 201,50

JUN 7,24 7,01 210,30

JUL 7,36 7,25 224,75

AGO 6,46 6,85 212,35

SEP 4,96 5,84 175,20

OCT 3,37 4,43 137,33

NOV 2,12 3,09 92,70

DIC 1,60 2,41 74,71


5. CÁLCULO DEL NÚMERO DE CAPTADORES: METODO DE F-CH ART

Para llevar a cabo el método de f-Chart, además de los datos anteriormente calculados (Demanda energética mensual y Energía solar disponible), necesitamos conocer las características de la placa solar que vamos a emplear.

− Dimensiones: 1340 x 1800 mm − Superficie del absorbedor: 2,2 m2 − Curva de rendimiento:

Rendimiento optico η0 0,790



− Volumen del fluido caloportador: 2,2 litros − Capacidad térmica: 7,4 kJ/m2K − Coeficiente de corrección del ángulo de incidencia: Kdir50º = 0,95

En el método de f-Chart se emplean dos parámetros adimensionales D1 y D2. Estos parámetros nos van a permitir determinar la fracción solar mensual mediante la expresión:

�� = 1,029� − 0,065�� − 0,245� � + 0,0018�� + 0,0215� '

� = ��(�)*(��

= +, ∙ .) ∙ /01 ∙ 23�45 ∙ 6�� ∙ 7��,��

�� = �8�*��

= +, ∙ 9:;)(�; ∙ 23�45 ∙ �100 − <��(� ∙ 23�=>� ∙ 23?,@ ∙ 24 ∙ 7��,��

Donde:

− Gdm: irradiación solar diaria para nuestros captadores − Sc: superficie de nuestros captadores (área de apertura). Depende del

número de captadores. − MAI: Modificador del ángulo de incidencia de nuestros captadores. − η0: rendimiento óptico − FCint: factor de corrección del conjunto captador-intercambiador.

FCint = 0,95 − Kglobal: Coeficiente global de perdidas − FCacum: Factor de corrección del acumulador

23�=>� = AB�=>�C�);�*/+,75E/�� F

CG,�H 3<� 50E ��⁄ < B�=>�C�);�*

+,< 180 E ��⁄

− FCACS: Factor de corrección por temperatura del agua

23?,@ = 11,6 + 1,18 ∙ <?,@,��4 + 3,86 ∙ <*�� − 2,32 ∙ <��(100 − <��(

<?,@,��4 = 65℃

Una vez hayamos determinado la fracción solar mínima, la energía solar útil aportada vendrá dada por la siguiente ecuación:

�M�);�*,�� = �� ∙ ��


Tras varias correlaciones, a continuación se ha incluido los cálculos para el numero de captadores necesarios para el funcionamiento mínimo de la instalación.

5.1. CÁLCULO PARA OCHO CAPTADORES

A continuación vamos a realizar el cálculo para un captador. Los parámetros que vamos a emplear están recogidos en la siguiente tabla:

Rendimiento óptico η0 0,790

Área de absorvedor A A 2,2 m2

Numero de captadores 8

Coeficiente global de perdidas 3,7633 W/m2K

MAI 0,95

Relación V/S c 50< 56,81 <180 l/m2

FCacum 1,071

FCint 0,95

A continuación se recogen los valores de FCACS, D1 y D2, así como la fracción solar mensual. También se recoge la energía solar útil aportada:

Mes

Temperatura ambiente

Tamb (ºK)

Temperatura red

Tred (ºK)

Factor de corrección del

ACS

FCACS

D1 D2

Fracción solar

f(%)

Energía solar útil

EUsolar,mes

(kWh/mes)

ENE 279 279 1,0377 0,1734 0,7177 12,54 855,56

FEB 281 280 1,0517 0,2076 0,7119 15,79 972,71

MAR 284 282 1,0957 0,3936 0,8969 31,15 1699,48

ABR 286 284 1,1563 0,3928 0,9252 30,91 1632,24

MAY 291 285 1,1324 0 0 0 0

JUN 296 286 1,1055 0 0 0 0

JUL 301 287 1,0747 0 0 0 0

AGO 299 286 1,0562 0 0 0 0

SEP 294 285 1,0873 0,4164 0,7900 33,73 1780,95

OCT 288 284 1,1289 0,3158 0,8825 24,53 1338,25

NOV 284 282 1,0957 0,2203 0,8969 15,82 835,23

DIC 280 279 1,0239 0,1375 0,7006 9,22 628,94

TOTAL 288,60 283,30 9743,35

Las comprobaciónes del correcto dimensionamiento de la instalación

− Comprobación de la fracción solar anual

� = ∑ �M�);�* � ∑ ��

De estos datos recogidos anteriormente se deduce que el empleo de captadores (Sc = 17,6 m2) es válido y aceptable.

5.2. RENDIMIENTO DE LA INSTALACION

El rendimiento medio anual de la instalación es:

.��5�� = ∑ �M�);�* � ∑ += ∙ � 6��

Se obtiene un rendimiento por encima del

5.3. EVOLUCION MENSUAL DE LA INSTALACI

En las siguientes tablas vamos a analizar la diseñado. En la primera se compara la relación entre energía demandada y energía solar aportada al agua de consumosolar mensual, representada en la segunda tablamás grafica los ahorros obtenidos

0

1000

2000

3000

4000

5000

6000

7000

EN

E

FE

B

MA

R

AB

R

kW

h

Demanda energética

Instalación solar térmica para

Comprobación de la fracción solar anual

�);�*,��

= 9743,3546552 = 0,209 O 10% < QR. T% < 30

De estos datos recogidos anteriormente se deduce que el empleo de ) es válido y aceptable.

RENDIMIENTO DE LA INSTALACION

El rendimiento medio anual de la instalación es:

�);�*,��∙ 7��,��

= ∑ �M�);�*,�� ∑ += ∙ � �1��

= 9743,352,2 ∙ 8 · 1012,52

Se obtiene un rendimiento por encima del 40% fijado por el CTE-HE4

EVOLUCION MENSUAL DE LA INSTALACI ÓN Y AHORROS

En las siguientes tablas vamos a analizar la evolución mensual del sistema diseñado. En la primera se compara la relación entre energía demandada y energía solar aportada al agua de consumo. De la relación entre ambos surge la contribución

, representada en la segunda tabla. De esta forma veremos de forma más grafica los ahorros obtenidos.

AB

R

MA

Y

JUN

JUL

AG

O

SE

P

OC

T

NO

V

DIC

Demanda energética -Aportación solar

DEmes (kWh/mes)

EUsolar,mes


30%

De estos datos recogidos anteriormente se deduce que el empleo de ocho

52 = 0,5467

HE4

Y AHORROS

evolución mensual del sistema diseñado. En la primera se compara la relación entre energía demandada y energía

. De la relación entre ambos surge la contribución a veremos de forma

DEmes (kWh/mes)

EUsolar,mes


5.4. DISPOSICION DE LOS CAPTADORES

El número de captadores a ubicar en la cubierta es de ocho. Estos estarán integrados arquitectónicamente. Se dispondrán formando dos filas en paralelo de 4 captadores cada uno unidos en serie. Cada fila llevara instalado un disipador de energía para los meses de verano. Este disipador será calculado en apartados posteriores.

El esquena de la disposición de los captadores es el siguiente:

5.5. PERDIDAS POR ORIENTACION Y INCLINACION

El CTE HE4 establece que las máximas perdidas permisibles por orientación e inclinación para el caso de integración arquitectónica son del 40%

0

5

10

15

20

25

30

35

40

EN

E

FE

B

MA

R

AB

R

MA

Y

JUN

JUL

AG

O

SE

P

OC

T

NO

V

DIC

fme

s(%

)

Fracción solar mensual


En el mismo documento CTE se nos ofrece una herramienta grafica que nos permite estimar las perdidas por orientación e inclinación en valores anuales.

Para el caso que nos ocupa los datos que hay que tener en cuenta son:

− Latitud: 40,5º − Inclinación: 25º − Acimut: +5º

De esta gráfica se puede interpretar que las perdidas por orientación e inclinación están entre el 0% y el 5%. Como estos valores son menores al 40% que marca el CTE, podemos concluir que la instalación es válida.

5.6. PERDIDAS POR SOMBREADO

Con los datos facilitados, no es posible calcular las perdidas por sombreado, ya que carezco de datos de elementos del entorno que pudieran producir sombras a los captadores.

+5º

25º


6. VOLUMEN DE ACUMULACION Y SUPERFICIE DE INTERCAMB IO

Como ya se indico anteriormente, en el cálculo energético para un captador, la relación entre el volumen de acumulación y superficie de captadores era de 56,81, que se encuentra dentro del rango admisible recogido en el CTE-HE4:

50E ��⁄ < B�=>�C�);�* +,⁄ < 180 E ��⁄

La superficie de captación era de 17,6 m2 (8 captadores) por lo que el volumen del acumulador es de:

B�=>�C�);�* = 56,81E ��⁄ ∙ 2,2�� · 8 = 1000E Acumuladores de 1000 litros de acumulación son acumuladores disponibles en el

catalogo de los fabricantes de acumuladores solares. Como por ejemplo la casa comercial LAPESA dispone de un interacumulador de 1000 l, en concreto el modelo (GX-1000M2) que se trata de un interacumulador con doble serpentín.

Para determinar la superficie de intercambio, hay que aclarar que se empleará un sistema de intercambio integrado al acumulador (interacumulador) de serpentín, como se ha indicado en el párrafo anterior.

El requisito exigido por el CTE-HE4 para los interacumuladores es:

+�45�* ≥ 0,15 ∙ +, = 0,15 ∙ 17.6 = 2.64 ��

El interacumulador indicado anteriormente lleva un intercambiador del circuito primario con una superficie de intercambio de 3,4 m2 por lo que cumple con el CTE.


7. DISIPADOR DE ENERGIA

Para poder determinar la que dispositivo disipador es apto para nuestra instalación necesitamos conocer la potencia de disipación. La mayor aportación energética se produce en los meses de Verano donde la instalación no se está empleando. La potencia máxima se produce en Julio en el que la radiación solar es de:

6��5°, 25°� = 7,25 ��ℎ/�� O 0,302��/��

La potencia que hay que disipar las calcularemos

W>5�; ≈ 0 · 6 · .G = 17,6 · 302 · 0,79 = 4.2��

Como disponemos de dos filas de 4 captadores, instalaremos dos disipadores (uno por fila) cuya potencia a disipar será la mitad de la calculada, es decir 2,1 kW

Los disipadores empleados serán de la casa comercial Salvador Escoda. En concreto serán disipadores térmicos por gravedad, sin necesidad de conexión a la electricidad con el consiguiente ahorro eléctrico.

El disipador empleado será el modelo SO 12 044 con una potencia de disipación de 3 kW (> 2.1kW).

1. Tres colectores montados en

paralelo

2. Válvula termostática mecánica

tarada a 90°C

3. Purgador de aire

4. Batería intercambiadora de

calor agua-aire

5. Tubo "chivato" (diámetro 10

mm) da la señal a la válvula

termostática

6. Conexión en "sifón" de

retornos.

11. Ida


8. BIBLIOGRAFIA Y ENLACES WEB EMPLEADOS

• Manual del usuario “Energía solar térmica”

• Photovoltaic Geographical Information System (PVGIS ).

• http://www.wikipedia.org

• CENSOLAR

• http://www.ujaen.es/

- Application ORIENSOL

• http://www.wikipedia.org

• http://www.fagor.com

• Catalogo SALVADOR ESCODA

• Catalogo Lapesa

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