Sistemas de refrigeración solar basados en máquinas de absorción para el sector residencial

Escuela Superior de Ingenieros Industriales Ingeniería Mecánica, Térmica y de Fluidos Universidad de Málaga TESIS DOCTORAL Sistemas de refrigeración solar basados en máquinas de absorción para el sector residencial. Autora: Natividad Molero Villar Directores: José Manuel Cejudo López, Fernando Domínguez Muñoz Málaga, Noviembre 2015 AUTOR: Natividad Molero Villar http://orcid.org/0000-0001-7980-5933 EDITA: Publicaciones y Divulgación Científica. Universidad de Málaga Esta obra está bajo una licencia de Creative Commons Reconocimiento-NoComercialSinObraDerivada 4.0 Internacional: http://creativecommons.org/licenses/by-nc-nd/4.0/legalcode Cualquier parte de esta obra se puede reproducir sin autorización pero con el reconocimiento y atribución de los autores. No se puede hacer uso comercial de la obra y no se puede alterar, transformar o hacer obras derivadas. Esta Tesis Doctoral está depositada en el Repositorio Institucional de la Universidad de Málaga (RIUMA): riuma.uma.es Dedicado a mis padres i Agradecimientos En primer lugar quiero expresar mi agradecimiento a José Manuel Cejudo, codirector de esta Tesis, con quien empecé mi andadura profesional en el ámbito de la investigación. Gracias por animarme a empezar y terminar esta tesis, por las correcciones, las aportaciones, y el conocimiento transmitido. Pero sobre todo gracias por ser la referencia a seguir en el ámbito profesional, por la coherencia, la profesionalidad y el espíritu crítico. A Fernando Dominguez, codirector de esta tesis, y cuyas aportaciones fueron vitales para entender y poder sacar el máximo partido a TRNSYS, el software de simulación utilizado en la comparación de configuraciones. Mi agradecimiento también a la Compañía Industrial de Aplicaciones Térmicas, donde completé la fase de trabajo experimental de esta Tesis. A Miguel Zamora por la promoción de los dos proyectos de investigación precursores de la investigación así como por las aportaciones durante todo el proceso. Gracias también por los oportunos comentarios en la fase final de redacción de este documento. A Sofía Arbi por la contribución en el diseño y construcción de partes integrantes de la instalación prototipo de refrigeración solar. Y a Sergio Fragoso por la programación de la lógica de control. Por último quiero agradecer de manera muy especial a mi familia y amigos, porque sin ellos nada tendría sentido. ii iii Resumen La presente Tesis se centra en la tecnología de refrigeración solar de pequeña potencia para climatización de edificios de ámbito residencial mediante enfriadoras de absorción de simple efecto y captadores solares planos de alta eficiencia. Es la tipología más común dentro de las diversas opciones de producción de refrigeración solar a partir de energía solar. Permite ahorrar energía convencional, disminuir emisiones de efecto invernadero, y aprovechar la buena coincidencia temporal entre demanda y disponibilidad solar. El número de instalaciones existentes se ha incrementado significativamente en los últimos años. A pesar de ello siguen existiendo obstáculos que dificultan su implantación a gran escala. Entre ellos la falta de un amplio conocimiento en la elección, dimensionado y lógica de control del sistema y sus componentes. Por otra parte, la mayor parte de la bibliografía analiza configuraciones de refrigeración solar con depósito de acumulación de agua caliente, y sistemas auxiliares tipo caldera. Pero es posible utilizar otras configuraciones que integren depósitos de agua fría, y sistemas auxiliares de compresión mecánica conectados de diferentes formas al resto del sistema. Por ello, en la parte teórica de la presente Tesis se analizan más de 400 casos de simulación con el objetivo de determinar las configuraciones y parámetros de diseño más prometedores desde el punto de vista de la cobertura solar. La parte experimental consiste en el posterior diseño, construcción, monitorización y análisis de un sistema de climatización solar. El objetivo es contrastar los modelos de los diferentes subsistemas así como verificar la fiabilidad y robustez del sistema, que tiene como novedad un prototipo de absorción de amoniaco / nitrato de litio con disipación seca. Lista de figuras x Figura 3-10. Potencia de refrigeración sensible y total (Pfs, Pft) en función de la temperatura de entrada de agua. Málaga ............................................................................................................................................... 52 Figura 3-11. Potencia de calefacción en función de la temperatura de entrada del agua suponiendo la mínima velocidad del ventilador de aire. Málaga ........................................................................................ 53 Figura 3-12. Potencia de refrigeración sensible y total (Pfs, Pft) en función de la temp. de entrada de agua. Madrid ........................................................................................................................................................ 53 Figura 3-13. Potencia de calefacción en función de la temperatura de entrada del agua. Madrid ................ 53 Figura 3-14. Potencia de refrigeración sensible y total (Pfs, Pft) en función de la temperatura de entrada de agua .San Sebastián .................................................................................................................................... 53 Figura 3-15. Potencia de calefacción en función de la temperatura de entrada del agua. San Sebastián ..... 54 Figura 3-16. Evolución de la potencia enfriadora. Bomba de calor de menor potencia para configuración 3. .................................................................................................................................................................... 55 Figura 3-17. Evolución de la potencia de calefacción. Bomba de calor de menor potencia para configuración 3. ................................................................................................................................................................. 55 Figura 3-18. Esquema de la vivienda. .......................................................................................................... 56 Figura 3-19. Perfil de ocupación de la vivienda ........................................................................................... 57 Figura 3-20. Perfil de iluminación y equipos .............................................................................................. 57 Figura 3-21. Demanda de climatización para Málaga .................................................................................. 58 Figura 3-22. Demanda de climatización para Madrid ................................................................................. 58 Figura 3-23. Demanda de climatización para San Sebastián ....................................................................... 59 Figura 3-24. Carga punta en el día de diseño de verano. Málaga ................................................................. 59 Figura 3-25. Carga punta en el día de diseño de verano. Málaga ................................................................. 59 Figura 3-26. Demanda de climatización mensual. Málaga .......................................................................... 60 Figura 3-27. Disponibilidad de radiación solar en función de la ciudad y del área de captación para una inclinación de captadores de 30 º y orientación sur. ................................................................................... 60 Figura 3-28. Demanda de climatización y ACS anual para cada ciudad ...................................................... 60 Figura 3-29. Perfil de consumo diario de ACS ............................................................................................. 61 Figura 3-30. Perfil de consume mensual de ACS ......................................................................................... 61 Figura 4-1. Balance anual en calefacción y ACS para un área de captación de 30 m2. Comparación de configuraciones Málaga .............................................................................................................................. 64 Figura 4-2. Porcentaje de cobertura de calefacción con energía solar en función del volumen de acumulación para un área de captación de 20 m2. Málaga .......................................................................... 67 Figura 4-3. Porcentaje de calefacción cubierto con energía solar en función del volumen de acumulación para un área de captación de 30 m2. Málaga ............................................................................................... 67 Figura 4-4. Porcentaje de cobertura de calefacción con energía solar en función del volumen de acumulación para un área de captación de 40 m2. Málaga .......................................................................... 68 Figura 4-5. Balance anual en calefacción y ACS para un área de captación de 30 m2. Comparación de configuraciones Madrid .............................................................................................................................. 68 Figura 4-6. Porcentaje de cobertura de calefacción con energía solar en función del volumen de acumulación para un área de captación de 30 m2. Madrid .......................................................................... 69 Figura 4-7. Balance energético anual en refrigeración (captación: 30 m2). Comparación entre configuraciones Málaga .............................................................................................................................. 70 Figura 4-8. Energía auxiliar térmica (kWh) para refrigeración. Configuraciones 1 y 2 ................................ 72 Figura 4-9. Cobertura (kWh) de refrigeración total y sensible con energía solar con 30m2 de área de captación. Comparación entre las configuraciones 1 y 2. ............................................................................. 72 Lista de figuras xi Figura 4-10. Energía auxiliar térmica (kWh) para refrigeración. Configuraciones 3 y 4 .............................. 73 Figura 4-11. Energía auxiliar térmica (kWh) para refrigeración. Configuraciones 4 y 6 .............................. 74 Figura 4-12. Energía auxiliar térmica (kWh) para refrigeración. Configuraciones 3 y 6 .............................. 75 Figura 4-13. Energía auxiliar térmica (kWh) para refrigeración. Configuraciones 2 y 4 .............................. 75 Figura 4-14. Influencia del volumen de acumulación en la cobertura (%) de la demanda con energía solar. Málaga. Conf1 ............................................................................................................................................. 76 Figura 4-15. Influencia del volumen de acumulación en la cobertura (%) de la demanda con energía solar. Málaga. Conf2. (Ac = 30m2, Vc = 10l/m2) ................................................................................................... 76 Figura 4-14. Balance energético anual en refrigeración (captación: 30 m2). Comparación entre configuraciones. Madrid ............................................................................................................................. 77 Figura 4-16. Cobertura de la demanda desglosada y total para el caso de un área de captación de 30m2 .... 78 Figura 4-18. Energía auxiliar térmica requerida en función del volumen de acumulación. Área de captación de 30m2. Comparación de configuraciones. Málaga .................................................................................... 78 Figura 4-20. Energía auxiliar térmica total requerida en función del volumen de acumulación. Área de captación de 30 m2. Comparación de configuraciones. Madrid ................................................................... 80 Figura 4-21. Influencia de la inclinación en la cobertura (%) de la demanda con energía solar. Málaga. Conf1 ........................................................................................................................................................... 81 Figura 4-22. Influencia de la inclinación en la cobertura (%) de la demanda. Madrid. Conf1 ...................... 81 Figura 4-23. Influencia de la temperatura de consigna de la máquina de absorción en la cobertura (%) de la demanda con energía solar ......................................................................................................................... 82 Figura 5-1. Esquema de principio simplificado (funcionamiento en refrigeración), incluyendo nomenclatura de temperaturas medidas y balances energéticos calculados en la experimentación ............ 86 Figura 5-2. Esquema de principio simplificado (funcionamiento en calefacción), incluyendo nomenclatura de temperaturas medidas y balances energéticos calculados en la experimentación ................................... 86 Figura 5-3. Esquema de principio detallado (incluye modo verano e invierno) ........................................... 87 Figura 5-4. Vista del grupo hidráulico (diseño y construcción) ................................................................... 87 Figura 5-5. Vista de la instalación finalizada ............................................................................................... 87 Figura 5-6. Recepción de las casetas de ensayo (izq) y detalle del frontal de la caseta de ensayo (drcha) .... 88 Figura 5-7. Detalle de las sondas PT100 de inmersión utilizadas en la adquisición ..................................... 90 Figura 5-8. Error de medida para sondas PT100 según su clasificación ...................................................... 91 Figura 5-9. Detalle del medidor de radiación global (con la inclinación de captadores). ............................. 91 Figura 5-10. Lectura de la sonda de temperatura exterior inicialmente (sonda pegada a la pared) ............. 92 Figura 5-11. Lectura de la sonda de temperatura exterior finalmente (ubicación según Figura 5-12) .......... 92 Figura 5-12. Detalle de la correcta colocación de la sonda de temperatura ambiente .................................. 92 Figura 5-13. Medidor de caudal para válvulas de equilibrado ..................................................................... 93 Figura 5-14. Válvulas de equilibrado ........................................................................................................... 93 Figura 5-15. Desviación del caudal para diferentes posiciones de ajuste de la válvula de equilibrado ......... 94 Figura 5-16. Detalle de la pantalla con el software para la adquisición de datos.......................................... 94 Figura 5-17. Detalle del puesto de adquisición de datos .............................................................................. 95 Figura 5-18. Identificación de temperaturas en intercambiador (caso 1) .................................................... 96 Figura 5-19. Ensayo 1. Temperaturas .......................................................................................................... 97 Figura 5-20. Ensayo 1. Eficiencia del intercambiador ................................................................................. 97 Figura 5-21. Identificación de temperaturas en intercambiador en contracorriente (caso 2) ...................... 97 Figura 5-22. Ensayo 2. Temperaturas ......................................................................................................... 98 Figura 5-23. Ensayo 2. Eficiencia del intercambiador ................................................................................. 98 Lista de figuras xii Figura 5-24. Ensayo 3. Temperaturas ......................................................................................................... 99 Figura 5-25. Ensayo 3. Eficiencia del intercambiador ................................................................................. 99 Figura 5-26. Detalle de los flujos de energía implicados en el análisis ...................................................... 100 Figura 5-27. Temperaturas implicadas y radiación solar incidente en captadores (representada en el eje secundario en W/m2). Ensayo 4 ................................................................................................................ 100 Figura 5-28. Flujos de energía. Ensayo 4 .................................................................................................. 101 Figura 5-29. Linealización de la curva de rendimiento de captadores ....................................................... 102 Figura 5-30. Curva de rendimiento primario. Comparación entre modelo y ensayo ................................. 104 Figura 5-31. Curva de rendimiento global. Comparación entre modelo y ensayo ...................................... 105 Figura 5-32. Temperaturas implicadas y radiación solar incidente en captadores (representada en el eje secundario en W/m2). Ensayo 5 ................................................................................................................ 107 Figura 5-33. Flujos de energía. Ensayo 5 ................................................................................................... 107 Figura 5-34. Curva de rendimiento primario. Comparación entre modelo y ensayo ................................. 108 Figura 5-35. Curva de rendimiento global. Comparación entre modelo y ensayo ...................................... 108 Figura 5-36. Comparación entre modelo teórico y experimental con incertidumbres ............................... 109 Figura 5-37. Detalles del depósito para agua caliente de 300L .................................................................. 110 Figura 5-38. Coeficiente de convección exterior en función de la velocidad de aire .................................. 111 Figura 5-39. Coeficiente de convección exterior en función de la velocidad de aire y la conductividad del aislante...................................................................................................................................................... 111 Figura 5-40. Evolución de las temperaturas de ambos depósitos durante un día de funcionamiento normal y posterior parada nocturna ...................................................................................................................... 112 Figura 5-41. Detalle de la evolución libre de la temperatura del depósito caliente durante la parada (28 de junio) ........................................................................................................................................................ 113 Figura 5-42. Evolución libre de la temperatura del depósito caliente con circulación natural impedida (14 – 15 de septiembre) ...................................................................................................................................... 114 Figura 5-43. Evolución libre de la temperatura del depósito caliente con circulación natural impedida y añadiendo aislamiento en la parte inferior (1 de octubre) ......................................................................... 115 Figura 5-44. Evolución libre de la temperatura del depósito caliente con circulación natural impedida, añadiendo aislamiento en la parte inferior y aislando los puentes térmicos producidos en las conexiones (12 de octubre). ......................................................................................................................................... 116 Figura 5-45. Coeficiente U.A en función de la velocidad de aire y la conductividad del aislante ............... 119 Figura 5-46. Evolución libre de la temperatura del depósito frío (28 de abril) .......................................... 119 Figura 5-47. Evolución libre de la temperatura del depósito frío con circulación natural impedida (14 – 15 de septiembre) .......................................................................................................................................... 120 Figura 5-48.Equipo de absorción. Comparación ENSAYO-MODELOS. Puntos de funcionamiento de dos periodos de funcionamiento durante el día 5 de julio de 2011 (de 12:35 a 13:15, y de 13:38 a 14:45) ......... 121 Figura 5-49. Nomenclatura de temperaturas de la instalación .................................................................. 122 Figura 5-50. Variables generales (13 de junio de 2011) ............................................................................. 123 Figura 5-51. Variables implicadas en la captación solar (13 de junio de 2011) ........................................... 124 Figura 5-52. Variables implicadas en el equipo de absorción (13 de junio de 2011) ................................... 124 Figura 5-53. Variables implicadas en el almacenamiento de energía (13 de junio de 2011) ....................... 124 Figura 5-54. Variables implicadas en la demanda (13 de junio de 2011) ................................................... 125 Figura 5-55. Flujos de energía (13 de junio de 2011) ................................................................................. 125 Figura 5-56. Variables generales (15 de septiembre de 2011) .................................................................... 126 Figura 5-57. Variables implicadas en la captación solar (15 de septiembre de 2011) ................................. 126 Lista de figuras xiii Figura 5-58. Variables implicadas en el equipo de absorción (15 de septiembre de 2011) ......................... 127 Figura 5-59. Variables implicadas en el almacenamiento de energía (15 de septiembre de 2011) ............. 127 Figura 5-60. Variables implicadas en la demanda (15 de septiembre de 2011) .......................................... 127 Figura 5-61. Flujos de energía (15 de septiembre de 2011) ........................................................................ 128 Figura 5-62. Detalle de la temperatura de los depósitos al comienzo del día (8:55) .................................. 129 Figura 5-63. Variables generales (16 de febrero de 2012). Modo calefacción ............................................ 129 Figura 5-64. Variables implicadas en la captación solar en calefacción (16 de febrero de 2012). .............. 130 Figura 5-65. Variables implicadas en el almacenamiento de energía en calefacción (16 de febrero de 2012) .................................................................................................................................................................. 130 Figura 5-66. Variables implicadas en la demanda en calefacción (16 de febrero de 2012) ......................... 130 Figura 5-67. Flujos de energía en calefacción (16 de febrero de 2012)....................................................... 131 Figura 5-68. Detalle de funcionamiento a las 12:12 de la mañana. ............................................................ 131 Figura 5-69. Modelado en TRNSYS de la instalación prototipo ................................................................ 132 Figura 5-70. Comparación de balances energéticos .................................................................................. 132 Figura 5-71. Comparación de temperaturas en captadores ........................................................................ 133 Figura 5-72. Comparación de temperaturas del depósito caliente ............................................................. 133 Figura 5-73. Comparación de temperaturas en la máquina de absorción .................................................. 133 Figura 5-74. Comparación de temperaturas en el depósito frío ................................................................. 134 Figura 5-75. Comparación de temperaturas en consumo .......................................................................... 134 xiv Lista de tablas xv Lista de tablas Tabla 3-1: Resumen de las características generales de un modelo de simulación térmica de edificios ....... 36 Tabla 3-2: Coeficientes de las curvas comportamiento de los captadores utilizados ................................... 42 Tabla 3-3. Demanda pico para vivienda tipo en cada climatología .............................................................. 51 Tabla 3-4. Potencia frigorífica del fancoil en función del agua fría de salida (fijadas las condiciones de entrada de aire) ........................................................................................................................................... 55 Tabla 3-5. Descripción de muros exteriores de la vivienda .......................................................................... 56 Tabla 3-6. Descripción de forjados de la vivienda ....................................................................................... 57 Tabla 3-7. Resumen de cargas y demanda por ciudad ................................................................................. 60 Tabla 3-8. Temperaturas de agua de red para las ciudades consideradas ................................................... 61 Tabla 4-1. Cobertura solar por configuración para varias áreas de captación. Modo calefacción. Málaga ... 65 Tabla 4-2. Cobertura solar por configuración para varias áreas de captación. Modo calefacción. Madrid .. 69 Tabla 4-3. Cobertura solar por configuración para varias áreas de captación. Modo refrigeración. Málaga 70 Tabla 4-4. Cobertura solar por configuración para varias áreas de captación. Málaga ................................ 78 Tabla 5-1. Comparación de temperaturas (modelo respecto a medido) y eficiencia del intercambiador. Ensayo1 ....................................................................................................................................................... 97 Tabla 5-2. Comparación de temperaturas (modelo respecto a medido) y eficiencia del intercambiador. Ensayo2 ...................................................................................................................................................... 98 Tabla 5-3. Comparación de temperaturas (modelo respecto a medido) y eficiencia del intercambiador. Ensayo3 ...................................................................................................................................................... 99 Tabla 5-4. Comparación curvas de rendimiento de la captación (modelo teórico y experimental) ............ 104 Tabla 5-5. Análisis de incerticumbres Ƞglobal experimental. Ensayo 4 ..................................................... 105 Tabla 5-6. Análisis de incerticumbres Ƞglobal teórico. Ensayo 4 .............................................................. 106 Tabla 5-7. Análisis de incerticumbres Ƞglobal experimental. Ensayo 5 ..................................................... 108 Tabla 5-8. Análisis de incerticumbres Ƞglobal teórico. Ensayo 5 .............................................................. 109 Tabla 5-9. Temperaturas medias en función de la estimación de la distribución de temperaturas del depósito .................................................................................................................................................... 116 Tabla 5-10. Estimación de coeficiente U.A en función de la estimación de la distribución de temperaturas del depósito ............................................................................................................................................... 117 xvi Nomenclatura xvii Nomenclatura COP: Coeficiente de rendimiento [-] T : Temperatura [ºC] TK: Temperatura [K] Q : Potencia térmica [kW] m : Caudal másico [kg/h] Ƞ: Rendimiento aplicado a captadores [-] Cp: Calor específico [J/kg/K] QT : Potencia térmica transferida en un intercambiador de calor [kW] C: Capacidad térmica de un fluido en un intercambiador [W/K] ɛ: Eficiencia aplicado a intercambiadores [-] FCS: Factor de calor sensible en unidades terminales (potencia sensible respecto a total) [-] K: Conductividad [W/m/K] ρ: Densidad [kg/m] R: Resistencia térmica de un material [m2K/W] Vc: Volumen de acumulación en depósito caliente en relación al área de captadores [l/m2] Vc: Volumen de acumulación total en relación al área de captadores [l/m2] I: Radiación incidente sobre captadores solares [W/m2] U: Coeficiente de pérdidas térmicas en tuberías y captadores solares [W/m]. Coeficiente de transferencia térmica en intercambiadores [W/m]. ζα: Producto transmisividad-absortividad, relativo al captador solar F Factor de evacuación de calor relativo a captadores h: Coeficiente de transferencia [W/m2/K] D: diámetro v: velocidad del aire [m/s] rev: revoluciones de giro del ventilador, relativo al equipo de absorción prototipo [1/min] Subíndices y superíndices ter: térmico. elec: eléctrico a: ambiente, relativo a la temperatura ambiente exterior f: fluido en captadores fi: fluido de entrada de captadores solares fo: fluido de salida de captadores solares fm: fluido en captadores solares, hace referencia al valor medio i: entrada Nomenclatura xviii o: salida eva: evaporador, relativo a la evaporación del refrigerante gen: generador, relativo a la generación del refrigerante cond: condensador, relativo a la condensación del refrigerante abs: absorbedor. Relativo a la absorción del refrigerante ac: relativo al circuito de agua de disipación del absorbedor/condensador h: relativo al fluido de mayor temperatura en intercambiadores térmicos c: relativo al fluido de menor temperatura en intercambiadores térmicos max: relativo al fluido de mayor capacidad térmica en intercambiadores min: relativo al fluido de menolr capacidad térmica en intercambiadores prim: relativo al subsistema primario solar, concretamente en la conexión de captadores al circuito primario en referencia al flujo de energía solar incidente en captadores sec: relativo al subsistema secundario solar, concretamente en la conexión de captadores al circuito secundario t: total, relativa a radiación incidente en captadores L: relativo a pérdidas térmicas en captadores (para el coeficiente de pérdidas U) test: condiciones de ensayo para determinar la curva de eficiencia de captadores solares cap: relativa a captadores, concretamente al área de apertura tub: relativo a tuberías s: tramo de tuberías de salida de captadores solares e: tramo de tuberías de entrada de captadores solares real: relativo a las condiciones concretas de funcionamiento en captadores conv: relativo al mecanismo de transmisión por convección rad: relativo al mecanismo de transmisión por radiación de onda larga ext: relativo al exterior vent: relativo al ventilador global: relativo al rendimiento de captadores, pero visto desde secundario solar m: valor medio dep: relativo al depósito de acumulación int: interior, relativo al depósito de acumulación ini: instante inicial, relativo al depósito de acumulación fin: instante final, relativo al depósito de acumulación m: valor medio, relativo a la temperatura media de depósito de acumulación 1 PRIMERA PARTE. Introducción Primera parte. Capítulo 1. Introducción 8 diferentes parámetros analizados (ciudad, área de captación, volumen de acumulación, inclinación de captadores, temperaturas de consigna, etc). Son tres las ciudades objeto de estudio, con su diferente disponibilidad solar y demanda de climatización: Málaga, Madrid y San Sebastián. En los anexos del 1 al 5 se puede consultar el detalle de las simulaciones para cada configuración, con los esquemas de principio detallados, así como gráficas y tablas de resutados. La tercera parte del documento, apartado 5, describe todo el proceso de diseño, construcción, monitorización y análisis de la instalación experimental desarrollada. Se muestran varios días de ensayo concretos y se evalúa el funcionamiento. Se pretende así contrastar los modelos matemáticos de los subsistemas que conforman la planta prototipo. Se completa esta parte con la exposición de la problemática encontrada y el conocimiento adquirido, así como las razones que pueden motivar las desviaciones encontradas. Las conclusiones, aportaciones y referencias se detallan en la cuarta y última sección de la Tesis. El anexo 6 recopila las publicaciones propias. 1.4. Estado del arte de la tecnología de refrigeración solar En 2007, el número de instalaciones de refrigeración solar térmica era de aproximadamente 120 en el mundo con una capacidad total instalada de 10 MW [19]. En Europa era de aproximadamente 70 [4], Alemania en primer lugar con 28 instalaciones, seguida de España con 19, Grecia con 6 y Francia con 4. Sólo un 20% de los sistemas instalados estaban por debajo de los 20 kW de potencia de refrigeración debido a la baja oferta de equipos de absorción de pequeña potencia que había hasta el momento. Pero un incremento de la oferta [4], permitió un rápido aumento del número de instalaciones en este rango de potencia. Concretamente, datos de 2008-2009 elevaron a 130 el número de instalaciones de pequeña capacidad, principalmente localizadas en casas unifamiliares y edificios de oficinas [20]. O incluso a 163 según [21], con una distribución de un 38 % en edificios de oficinas y un 28 % en el ámbito residencial de casas privadas; siendo España el país con mayor número de instalaciones del mundo. El 90% de estas instalaciones de pequeña potencia basadas en sistemas de absorción, un 50 % utilizando la enfriadora Rotártica 4.5 kW (que actualmente ya no se fabrica [22]), y el resto en equipos de adsorción [21]. Por encima de 20kW el número de instalaciones en 2009 se situaba en 113, un 53% en edificios de oficinas [21]. El 71% con sistemas de absorción, un 13% con adsorción y el resto con desecantes. Primera parte. Capítulo 1. Introducción 9 La mayoría de instalaciones con equipos de absorción se basan en la tecnología de simple efecto. Las instalaciones de doble efecto o multi-efecto permiten alcanzar mejores eficiencias, y son de gran interés, pero actualmente necesitan un tiempo para poder llegar a ser utilizadas de forma comercial [23]. Información más reciente, 2014, cifra en más de 1100 las instalaciones existentes en todo el mundo, aproximadamente 900 en Europa. El 71 % utiliza enfriadoras de absorción [24]. Y se estima un importante potencial de crecimiento, especialmente en China [24]. Un sistema de refrigeración solar implica una inversión entre 2 y 5 veces la necesaria para un sistema convencional. El coste en 2012 estaba entre algo más de 2000 € y casi 5000 € por kW de producción frigorífica para sistemas de más de 50 kW y menos de 10 kW respectivamente [24]. Estos costes han sufrido una reducción de aproximadamente un 50% desde 2007, cuando estaban entre 5000 € y 8000 € por kW respectivamente [24], [25], [26]. Es por tanto muy importante realizar un buen diseño que permita al sistema conseguir elevados valores de rendimiento tanto térmico como eléctrico. Buenas prácticas consistirían en alcanzar valores de COPelec entre 6 y 8. El objetivo debe tender a 10. Es para ello fundamental un diseño óptimo de la instalación. El retorno de la inversión a partir de un buen diseño rondaría los 10 años con los costes actuales [24]. La viabilidad de las instalaciones de refrigeración solar se incrementa si el campo de captación se utiliza para proporcionar agua caliente sanitaria (ACS) así como calefacción. Concretamente, el incremento de energía captada puede alcanzar valores de 1000 kWh/m2 y año [10]. La refrigeración solar es una temática de gran interés en los últimos años, como demuestran los proyectos de demostración finalizados o actualmente en marcha en este ámbito y que se exponen a continuación. A nivel internacional destaca el programa “Solar Heating and Cooling Programme” de la Agencia Internacional de la Energía (IEA) [27]. Los objetivos básicos son la reducción de los costes del sistema, la elaboración de guías que permitan dimensionar adecuadamente los sistemas, así como la implantación real de instalaciones para su monitorización y estudio. Para su desarrollo se han llevado a cabo tres programas: task 25, task 38 y task 48, y actualmente otro se encuentra activo: task 53. - Task 25: Solar Assisted Air Conditioning of Building (1999-2004) [28] Fue realizado por 50 participantes de 12 países diferentes. Se obtuvieron resultados sobre instalaciones de refrigeración solar en todo el mundo y se realizó una herramienta computacional de diseño de instalaciones denominada SOLAC, así como un libro manual [1]. Primera parte. Capítulo 1. Introducción 10 - Task 38: Solar Air conditioning and Refrigeration (2006-2011), [29]. Su objetivo consistió en el desarrollo y prueba de sistemas de calefacción y refrigeración solar de pequeño tamaño. En este programa se pretendía estudiar diseños especiales para el caso de edificios no residenciales, desarrollar nuevos componentes del sistema de frío solar y extender los avances y resultados obtenidos a usuarios e industrias para su implantación en el mercado. - Task 48: Quality Assurance and Support Measures for Solar Cooling (2011-2015) [30]. Nace con el objetivo de fomentar un mercado fuerte y sostenible de sistemas de refrigeración solar térmica. Para ello se desarrollan herramientas y procedimientos para la caracterización de los componentes de los sistemas de refrigeración solar térmica y se crea un procedimiento práctico, unificado y adaptado para especificar las mejores configuraciones. Se centra en sistemas que permitan además suministrar calefacción, sin limitación de potencia o área de captación solar. - Task 53: New Generation Solar Cooling & Heating Systems (PV or solar thermally driven systems), (2015-2017) [3]. El objetivo principal consiste en desarrollar un mercado fuerte y sostenible de sistemas innovadores de refrigeración solar térmica y fotovoltaica. Está enfocada tanto a aplicaciones de climatización como de conservación de alimentos y producción de ACS. Es la primera vez que este tipo de programas trata solar térmica y fotovoltaica conjuntamente. Los programas anteriores se centraban en la energía térmica como fuente. Pero recientemente la energía fotovoltaica gana también protagonismo en este ámbito. Comienza a verse como una posible alternativa interesante en ciertos casos. Aún así, es todavía importante el trabajo necesario para conseguir su implantación en el mercado. Es por tanto interesante que ambas tecnologías coexistan en este programa. La task 53 comenzó en marzo de 2014 y finaliza en 2017. Recientemente, en septiembre de 2015 ha tenido lugar un evento en Roma para comprobar el estado de la tecnología y la evolución del mercado. Se aboga por una nueva generación de sistemas de calefacción y refrigeración solar. Y se pone de manifiesto que a pesar de la evolución en los últimos diez años, sólo unos pocos casos han mostrado que la tecnología sea económicamente competitiva, ya que la mayoría de sistemas tienen largos plazos de amortización y requieren de incentivos para su instalación como ha sido el caso con los proyectos de investigación y demostración. A pesar de que el desarrollo no ha sido tan rápido y efectivo como cabía esperar, la reciente hoja de ruta desarrollada por la Agencia Internacional de la Energía IEA [31] fija un 17% de refrigeración proporcionada con energía solar a final de 2050. En este documento se aboga también por la combinación de las tecnologías de calefacción y refrigeración solar con otras tecnologías renovables para aumentar la rentabilidad y optimizar el uso limitado de superficie. Primera parte. Capítulo 1. Introducción 11 Un caso de interés es el uso de captadores solares híbridos (térmicos y fotovoltaicos), que se muestran como una tecnología prometedora. Aunque se han hecho recientes esfuerzos por mejorar este tipo de captadores, aún quedan importantes desafíos por resolver como reducir las pérdidas, mejorar la protección contra sobrecalentamiento, la combinación de diferentes capas y la mejora de los costes [31]. Dentro del ámbito internacional, pero concretamente en Europa, nos encontramos los siguientes programas: - SACE (2002-2003): “Solar Air Conditioning in Europe”, [32]. En este proyecto se analizó el mercado de la refrigeración solar así como su potencial y su promoción. - CLIMASOL (2003-2005), [33]. Nació con el objetivo de reducir el consumo energético empleado en la refrigeración de edificios. Una vez reducido se pretendía fomentar el uso de energía solar para abastecer la demanda restante. Los objetivos concretos fueron la difusión del conocimiento de las diferentes técnicas de refrigeración solar así como la realización de estudios de viabilidad para permitir un aumento del número de instalaciones de demostración de cada país participante. - SOLAIR (2007-2009): “Solar Air Conditioning”, [34]. Este programa estuvo especialmente destinado a aplicaciones de edificios residenciales y comerciales. Su objetivo fue resolver los mayores obstáculos encontrados, como el limitado conocimiento de los instrumentos disponibles y la carencia de herramientas de información homogéneas. Para ello, basado en proyectos previos generó un conjunto de herramientas para asistir al creciente mercado de esta tecnología. - HIGH COMBI, (2007-2011) [35]: Este proyecto se enfocó a sistemas de calefacción y refrigeración de alta fracción solar, combinados con componentes y métodos innovadores, tales como sistemas de almacenamiento estacional. Se llevó a cabo el diseño e instalación de 4 plantas de demostración (Grecia, Italia, Austria y España) para su monitorización y análisis. Y se desarrolló un software de simulación. - SOLAR COMBI + (2007-2010), [36]: Los objetivos del proyecto fueron la identificación de nuevas enfriadoras térmicas de pequeña potencia disponibles en el mercado y la promoción del uso estandarizado de sistemas para la cobertura de ACS, calefacción y refrigeración con una carga de refrigeración inferior a 20 kW. En el ámbito nacional hay diferentes proyectos, instalaciones y grupos de investigación que destacan en el ámbito de la refrigeración solar. Primera parte. Capítulo 1. Introducción 12 - Proyecto ARFRISOL [37] Es el primero de los proyectos singulares estratégicos impulsados por el Ministerio de Educación y Ciencia (MEC) y coordinado por el Centro de Investigaciones Energéticas, Medioambientales y Tecnológicas (CIEMAT). El objetivo es explorar las soluciones de arquitectura bioclimática y frío solar en edificios públicos simbólicos para el acondicionamiento térmico. Surge en 2005. Este proyecto ha permitido la construcción de cinco instalaciones en diferentes zonas climáticas: Almería (costa y desierto), Madrid, Asturias y Soria; así como la difusión del conocimiento adquirido para que estas soluciones se convirtiesen en práctica corriente. Además del MEC y del CIEMAT han participado diversas empresas de ámbito privado, así como las universidades de Almería y Oviedo y la Fundación Barredo-Asturias. - Planta de refrigeración solar en Sevilla Está compuesta por 352 m2 de captadores solares Fresnel para producir agua caliente alrededor de 160-180 ºC para activar un equipo de absorción de doble efecto de 174 kW de potencia nominal. Fue la primera instalación de refrigeración solar de estas características en Europa, cuya inauguración se hizo en 2008 dentro de un proyecto entre Gas Natural y la Escuela Técnica Superior de Ingenieros Industriales de Sevilla con financiación de la Corporación Tecnológica de Andalucía. Se llevó a cabo un importante trabajo de monitorización y evaluación de la instalación, ubicada en el edificio 'Plaza de América' de la Escuela Técnica Superior de Ingenieros de la Universidad de Sevilla. Otra instalación de interés ubicada en Sevilla se encuentra en el Laboratorio de Ingeniería de Sistemas y Automática de Universidad. Consiste en un sistema de refrigeración solar de absorción de simple efecto de 35 kW con captadores solares planos. - Universidad Rovira i Virgili El CREVER, Grupo de Investigación de Ingeniería Térmica Aplicada de la Universidad Rovira i Virgili ha trabajado en diversos proyectos de investigación en el ámbito de la refrigeración solar con especiales aportaciones, fundamentalmente en el ámbito de las enfriadoras de absorción. Disponen de una instalación experimental para el estudio de los procesos de transferencia de calor y materia en procesos de absorción y desorción. La finalidad principal de la instalación es la transferencia de tecnología. Y en ella se han estudiado diferentes soluciones como fluidos de trabajo, se ha trabajdo en optimización de estrategias de control, y se han caracterizado y modelado el funcionamiento de enfriadoras de absorción entre otras actividades. Han trabajado en diferentes proyectos nacionales e internacionales referentes a la refrigeración solar, algunos de ellos actualmente vigentes. El desarrollo del novedoso equipo de absorción utilizado en la instalación experimental de la presente Tesis se llevó a cabo en colaboración con este grupo de investigación. El prototipo destaca fundamentalmente por el par de trabajo empleado, así como la construcción Primera parte. Capítulo 1. Introducción 13 íntegramente con intercambiadores de placas incluyendo generador y absorbedor, y la disipación seca del mismo. - Instalaciones de refrigeración solar desarrolladas en el CARTIF. El CARTIF es un centro tecnológico. Una de sus líneas de trabajo es la refrigeración solar. En este ámbito, han desarrollado junto a otros participantes, el proyecto REFSOL. Su objetivo ha sido el desarrollo de dos novedosas enfriadoras térmicas de absorción (nitrato de litioamoniaco) y adsorción (cloruro de bario-amoniaco) alimentadas por diferentes tecnologías de energía solar. Cabe destacar entre otras aportaciones el desarrollo de novedosas estrategias de regulación de equipos de absorción en instalaciones de refrigeración solar y el establecimiento de reglas de diseño y de una metodología simplificada de dimensionado [38]. Tienen una instalación de refrigeración solar en uno de los edificios de la Fundación, en Boecillo (España), con dos campos de captadores, uno de 40 m2 de tubos de vacío montados sobre una plataforma con giro azimutal, y otro de captadores planos de 37,5 m2; con un total de acumulación de agua caliente de 8 m3, una enfriadora de absorción de bromuro de litio-agua de 35 kW; y 1 m3 acumulación de agua fría. Es evidente que los proyectos realizados hasta la fecha en la temática de la refrigeración solar han permitido que la tecnología madure y que se haya dado el paso desde una fase inicial de proyectos piloto de demostración a una fase de maduración y consolidación de la tecnología en el mercado, como así es clasificada en un informe elaborado por el Grupo Intergubernamental de Expertos sobre Cambio Climático [39]. Es por ello especialmente interesante el desarrollo de proyectos como el que actualmente comienza con la citada task 53 [3]. Y se pone también de manifiesto el interés de la presente Tesis, ya que a pesar de todos los avances no acaba de producirse una implantación a gran escala. Es por ello fundamental seguir ahondando en el estudio de las mejores configuraciones de instalaciones, así como la influencia de los diferentes parámetros de diseño. 1.5. Estado del arte en la tecnología de absorción Una máquina de refrigeración por absorción es un dispositivo de conversión de energía. Permite extraer energía de un foco a baja temperatura cediéndola a un foco a alta temperatura. El principio de trabajo es similar al de una máquina de refrigeración por compresión mecánica, un dispositivo que permite llevar el calor de donde hay menos temperatura a donde hay más tomando como calor útil el extraído del foco a menos temperatura. La exposición detallada del funcionamiento de ambas tecnologías se ha expuesto previamente en el apartado 1.1. Primera parte. Capítulo 1. Introducción 14 En una enfriadora de absorción se define por un lado el coeficiente de comportamiento térmico COPter como la relación entre la potencia de refrigeración aportada y la potencia calorífica requerida en el generador. Valores típicos de COPter en máquinas de absorción de simple efecto están entre 0.5 y 0.8. Otro factor de gran importancia es el coeficiente de comportamiento eléctrico COPelec que representa la relación entre la potencia de refrigeración aportada y el consumo de energía eléctrica. Es un factor clave que ha ido ganando interés en los últimos años. Si no se realiza un diseño cuidadoso del equipo, el consumo eléctrico puede crecer, dificultando que la climatización solar pueda competir con soluciones convencionales de refrigeración. Concretamente, algunos trabajos recientes muestran cómo algunas de las instalaciones reales tienen incluso mayor consumo de energía primaria que si utilizasen sistemas convencionales de compresión mecánica [40]. Las razones son un diseño inadecuado o un mal control de los componentes [41]. La disipación de la energía del condensador y absorbedor del equipo de absorción a un foco a media temperatura es usualmente un factor clave. La energía eléctrica empleada en el sistema de disipación es en algunos casos más del 50 % de la energía eléctrica empleada para el funcionamiento del equipo. Se ha de ser especialmente cuidadoso en su diseño, concretamente en tres puntos, flujos másicos y pérdidas de carga, ventiladores para la disipación de calor y estrategias de control [42]. En referencia a los fluidos de trabajo de los equipos de absorción, los dos pares de fluidos más extendidos en los equipos de absorción de simple efecto comerciales son agua - bromuro de litio y amoniaco - agua. En la mezcla agua – bromuro de litio, el agua es el refrigerante y el bromuro de litio el absorbente. Es la mezcla más común en equipos utilizados para refrigeración en aplicaciones de climatización, con temperaturas de foco frío por encima de los 5 ºC. Los inconvenientes más evidentes son los posibles problemas de cristalización en determinadas condiciones de funcionamiento debido a que el bromuro de litio (que es una solución salina) precipita si la concentración excede un límite máximo denominado límite de solubilidad. Este límite depende fundamentalmente de la temperatura, y en menor medida de la presión. Y necesita trabajar en depresión en el evaporador con el posible riesgo de contaminación que ello supone. La otra solución más habitual es el amoniaco – agua, siendo el amoniaco el refrigerante y el agua el absorbente. No tiene el problema de cristalización debido a que el amoniaco es totalmente soluble en agua independientemente de la proporción. Pero por contra tiene como inconveniente la necesidad de incluir un elemento adicional en el circuito, un rectificador. Primera parte. Capítulo 1. Introducción 15 Aunque no es muy común, hay también algunas enfriadoras disponibles en el mercado que utilizan agua – cloruro de litio como par de trabajo. En los últimos años, en máquinas de absorción de simple efecto ha ido ganando interés un nuevo par de trabajo: amoniaco – nitrato de litio. Concretamente el prototipo utilizado en la instalación real construida en el marco de la presente Tesis (detallada en la tercera parte del documento) lo utiliza [16]. El par utilizado tiene ventajas respecto a otros pares habituales como agua / bromuro de Litio. Permite trabajar con mayores temperaturas de disipación del calor, lo que facilita el uso de sistemas de disipación seca. Esto es de especial interés en instalaciones residenciales en las que se hace en ocasiones inviable el uso de torres de refrigeración para la disipación por el alto coste de mantenimiento y la dificultad de lidiar con los problemas ligados a la legionela. El equipo de absorción está construido íntegramente con intercambiadores de calor de placas soldadas, y su diseño ha sido patentado [17]. En cuanto a la capacidad de los equipos de absorción de simple efecto, la oferta ha sido pequeña para sistemas de menos de 50 kW hasta hace relativamente poco tiempo. Pero en los últimos años esta opción está disponible ([1], [25]). Las enfriadoras térmicas con potencias inferiores a 20 kW son diversas. Una recopilación de los modelos y características puede encontrarse en la bibliografía [42] [22]. Concretamente se identifican tres enfriadoras de amoniaco – agua, una del fabricante Ao Sol, Energias Renovables de Portugal de 8 kW, que actualmente no está disponible en el mercado; otra del fabricante australiano Pink GmbH, modelo chillii® PSC 12, de 12 kW [43]; y por último el modelo ACF60-00LB del fabricante italiano Robur de 12 kW. En cuanto a enfriadoras de agua - bromuro de litio encontramos a diversos fabricantes, Rotártica con sus modelos 045v y 045, ambas de 4.5 kW con disipación seca y húmeda respectivamente pero que actualmente ya no se fabrica [22], Sonnenklima GmbH [44] con su modelo suninverse de 10 kW, EAW con su modelo Wegracal SE15 de 15 kW [45] y [46], y por último Yazaki con su modelo WFC-SC 5 de 17.6 kW [47]. Por otro lado nos encontramos a Climatewell [48], un fabricante sueco que dispone de dos enfriadoras de agua-cloruro de litio, Climatewell10, de 4 kW y Climatewell 20. 1.6. Proyecto SOLARFRIO El proyecto SOLARFRIO fue cofinanciado por la Agencia de Innovación y Desarrollo de Andalucía (Expte: IDEA 330976), así como por la Corporación Tecnológica de Andalucía (Expte: 06/108). Fue promovido por dos empresas, Compañía Industrial de Aplicaciones Térmicas S.A. –CIATESA e ISOFOTÓN, y participaron 3 grupos de investigación, el Grupo de Energética de la Universidad de Málaga GEUMA, el grupo CREVER de la Universitat Rovira i Virgili que llevaría a cabo el desarrollo del equipo de absorción y el Grupo de Investigación iiTer de la Universidad de Cádiz, que se encargaría de realizar un programa de simulación y selección. El objetivo consistió en abordar el desarrollo de un sistema integral de climatización solar que Primera parte. Capítulo 1. Introducción 16 incluyese la captación, almacenamiento, la máquina de absorción y el sistema de distribución al edificio. Su ejecución comienza a finales de 2006 y tiene una duración de 3 años. Dentro del proyecto se abordaron varias temáticas: - Especificación, diseño y construcción del prototipo de absorción de pequeña potencia con el novedoso par de trabajo amoniaco / nitrato de litio [16], [17]. La elección del par de trabajo responde al objetivo de desarrollo de un equipo de absorción de disipación por aire, activado a bajas temperaturas y que pudiese ser construido con técnicas similares a los equipos de compresión mecánica [16]. - Optimización de los parámetros de diseño de un captador solar térmico, concretamente de captadores solares planos, mediante el desarrollo de un modelo matemático tridimensional [49]. - Comparación entre las diferentes configuraciones de refrigeración solar térmica con equipos de absorción de simple efecto y captadores solares planos. Esta temática implica la definición del prediseño de la instalación y el control de la misma. Es la que se aborda en la segunda parte del este documento. El equipo de absorción desarrollado es el utilizado en la instalación experimental prototipo que se aborda en la tercera parte. Hay que tener en cuenta que la evolución en las diferentes temáticas abordadas en el proyecto SOLARFRÍO se produce en paralelo. Es por ello que la comparación mediante simulación no integra las curvas de comportamiento reales del prototipo, sino las curvas de comportamiento de otros equipos en el momento disponibles en el mercado. 1.7. Proyecto DEFRISOL El proyecto DEFRISOL (Demostración y desarrollo del control de una planta prototipo de climatización solar), fue cofinanciado por la Corporación Tecnológica de Andalucía (Expte: 09/321), así como por los programas Torres Quevedo (PTQ-09-02-01052) del Ministerio de Ciencia e Innovación. El objetivo consistió en abordar ciertas fases del trabajo inicialmente no incluidas en el proyecto previo y que se consideraron imprescindibles como la demostración del funcionamiento de la planta prototipo de la instalación en todo su conjunto, y la comprobación de la estrategia de control para el equipo de absorción y para todo el sistema de climatización solar (captación, almacenamiento, equipo de absorción y unidades terminales). Por tanto el proyecto aborda la construcción de una instalación para el abastecimiento de refrigeración y calefacción a unas casetas que actúan como células de ensayo. Y comprende la fase experimental condensada en la tercera parte del presente documento. 17 SEGUNDA PARTE. Comparación entre configuraciones de climatización solar Segunda parte. Capítulo 2. Elección de configuraciones 24 En esta configuración (figura 5), el sistema auxiliar se activa cuando la temperatura del depósito no es suficientemente baja para satisfacer la demanda de frío del local. El inconveniente es que no permite aprovechar el enfriamiento previo que proporciona el depósito cuando no es suficiente para cubrir la carga. La válvula de 3 vías on-off termostática es la encargada de direccionar el agua hacia el depósito o hacia el sistema auxiliar en función de que la temperatura de salida del depósito sea suficientemente baja o no para combatir la totalidad de la demanda del local. La siguiente válvula de 3 vías mezcladora permite controlar la temperatura de alimentación a los elementos terminales ubicados en el local si la temperatura del depósito es menor de la necesaria. En este caso el sistema auxiliar no estaría funcionando. 2.2.4. Sistemas solares con apoyo de calor La energía aportada por el sistema auxiliar se emplea en elevar la temperatura del agua de alimentación al generador de la máquina de absorción (cuando no es suficiente con la energía solar disponible). Es posible conectar el sistema directamente al depósito (Figura 2-6) o en serie (Figura 2-7). En ambos casos se produce un aumento de la temperatura del agua caliente del depósito y por tanto de las temperaturas de trabajo de los captadores solares, disminuyendo el rendimiento de los mismos. La conexión directa al depósito no estaría permitida en España según la legislación [51], por lo habría que pasar a esquemas con dos depósitos de acumulación de agua caliente. Otra posible opción sería la conexión en paralelo (Figura 2-8) Figura 2-6. Sistema solar con equipo auxiliar de calor directamente en el depósito Figura 2-7. Sistema solar con equipo auxiliar de calor en serie con el depósito Segunda parte. Capítulo 2. Elección de configuraciones 25 Figura 2-8. Sistema solar con equipo auxiliar de calor en paralelo con el depósito Las fuentes de energía utilizadas para un sistema auxiliar de calor pueden ser variadas. En general la fuente más usada es el gas, aunque otra posibilidad sería utilizar electricidad: resistencias eléctricas o bombas de calor. Energéticamente no interesa colocar resistencias eléctricas por su ineficiencia. Y las altas temperaturas de trabajo requeridas hacen inviable utilizar bombas de calor. Por lo que en el caso de utilizar sistemas auxiliares de calor para asistir a la enfriadora térmica la elección sería utilizar calderas de gas. Este documento apuesta por el uso de sistemas auxiliares de frío (sistemas de compresión mecánica). De manera que no hay ninguna propuesta de instalación con sistema auxiliar de apoyo de calor. Esta decisión se toma en base al mayor ahorro de energía primaria conseguido. Para justificar la decisión se expone a continuación un ejemplo utilizando valores típicos de rendimientos para cada subsistema. Se consideran los siguientes valores de rendimiento: - Rendimiento térmico de conversión de energía calorífica en energía frigorífica útil en la máquina de absorción COPter de valor 0.7. - Rendimiento térmico de la caldera de valor unidad. - Rendimiento de la enfriadora convencional de compresión mecánica entre 2.5 y 3, de manera que por cada unidad de energía eléctrica permita obtener entre 2.5 y 3 unidades de energía frigorífica útil. COPelec - Eficiencia de la generación de electricidad, incluidas las pérdidas de red de 0.4 (cociente entre la producción total bruta de electricidad y el consumo primario de energía para la producción de electricidad, [52]). - Eficiencia europea actual de combustión con gas natural, incluidas las pérdidas de distribución de valor 0.91 [52] Fijada una fracción solar de 0.5, si se utiliza una caldera como sistema auxiliar se necesitan 0.785 unidades de energía primaria para producir el 50 % de la cobertura de demanda que deja sin cubrir la energía solar (0.5 / 0.7 / 1 / 0.91 = 0.785). En el caso de utilizar un sistema de compresión convencional de frío como sistema auxiliar se necesitan 0.417 unidades de energía primaria para cubrir este mismo 50 % si el COPelec de la enfriadora convencional es de valor 3 Segunda parte. Capítulo 2. Elección de configuraciones 26 (0.5 / 3 / 0.4 = 0.417) y 0.500 unidades de energía primaria si el COPelec de la enfriadora convencional es de valor 2.5 (0.5 / 2.5 / 0.4 = 0.500). Se ahorra por tanto entre un 36% y un 47% de energía primaria. La eficiencia de la red eléctrica va en aumento gracias a la mayor cuota aportada con energías renovables. Por tanto, la comparación incrementará los ahorros de energía primaria utilizando sistemas compresión mecánica como sistema auxiliar en lugar de calderas. 2.3. Configuraciones seleccionadas para la simulación 2.3.1. Descripción y esquemas simplificados Se presentan aquí los esquemas simplificados de cada una de las configuraciones de refrigeración solar seleccionadas. Los esquemas detallados se pueden consultar en los anexos del 1 al 5. El equipo de compresión que funciona como sistema auxiliar es reversible, lo que permite proporcionar calefacción en invierno. Todas las configuraciones incluyen además el suministro de ACS. Las dos primeras configuraciones son del tipo sólo solar con sistema auxiliar de apoyo en el local. La configuración 1 (Figura 2-9) tiene únicamente acumulación de agua caliente, mientras que la configuración 2 (Figura 2-10) incluye también acumulación de agua fría. El resto de configuraciones son del tipo solar con sistema auxiliar incluido. Dos de ellas con acumulación de agua caliente y de agua fría (configuraciones 3 y 4). El sistema de compresión mecánica auxilar se conecta directamente al depósito en la configuración 3 (Figura 2-11) y en paralelo en la configuración 4 (Figura 2-12). La última configuración, la configuración 6 (Figura 2-13), tiene exclusivamente acumulación de agua caliente y el sistema auxiliar está en paralelo con el equipo de absorción. En todos los casos en que hay depósito de acumulación de agua fría (configuraciones 2, 3 y 4) se opta por utilizar estos mismos depósitos como acumuladores de agua caliente en época de invierno para que no disminuya de manera importante la cobertura de calefacción. En estos esquemas simplificados, las válvulas de 3 vías representadas son válvulas mezcladoras. En los esquemas detallados, anexos 1 al 5, las válvulas de 3 vías representadas son diversoras. El salto de numeración desde la configuración 4 a la configuración 6 se debe a que inicialmente el estudio se planteó con 6 configuraciones, pero finalmente se descartó una de ellas por no considerarse adecuada. Segunda parte. Capítulo 2. Elección de configuraciones 27 Figura 2-9. Configuración 1. Sistema sólo solar + equipo auxiliar en el local, con acumulación de calor Figura 2-10. Configuración 2. Sistema sólo solar + equipo auxiliar en el local, con acumulación de calor y frío Figura 2-11. Configuración 3. Sistema solar con acumulación de calor y frío, y equipo auxiliar de frío conectado al depósito Segunda parte. Capítulo 2. Elección de configuraciones 28 Figura 2-12. Configuración 4. Sistema solar con acumulación de calor y frío, y equipo auxiliar de frío en paralelo con el depósito Figura 2-13. Configuración 6. Sistema solar con acumulación de calor y equipo auxiliar de frío en paralelo con la máquina de absorción 2.3.2. Detalle de la lógica de control en refrigeración El control es uno de los puntos clave en el funcionamiento óptimo de la instalación. El retorno de la inversión así como la la disminución de consumo de energía primaria y emisiones contaminantes dependen en gran parte de ello. El detalle de la lógica de control implementada se expone a continuación para cada uno de los subsistemas. o Circuito solar primario y secundario: Este subsistema es común para todas las configuraciones. La máxima temperatura de acumulación permitida es de 120 ºC como factor de seguridad para evitar deterioros de los componentes. Figura 2-14. Esquema simplificado de circuito primario y secundario solar Se utilizan bombas de caudal constante con un control basado en la diferencia de temperaturas entre la salida de captadores y la temperatura en la parte inferior del depósito. Cuando la diferencia de temperaturas supera un determinado valor (7 ºC) las bombas se activan y cuando Segunda parte. Capítulo 2. Elección de configuraciones 29 esta diferencia es menor de otro valor (2 ºC) se desactivan. Esta diferencia entre activación y desactivación tiene en cuenta las pérdidas durante el arranque, y previene de constantes arranques y paradas estabilizando así el funcionamiento del sistema. Este control consta únicamente de dos sensores de temperatura y no necesita un controlador PID. A pesar de la pérdida de captación que este control puede suponer en periodos de parada de las bombas por un funcionamiento on-off, es el control más extendido frente al uso de bombas de velocidad variable. Esto se debe a la mayor simplicidad y menor coste de inversión asociado. o Producción de refrigeración con el equipo de absorción Es conveniente recordar que todos los esquemas aquí presentados muestran la máquina de absorción conectada exclusivamente al foco de generación (alimentación de agua caliente) y al de evaporación (producción de agua fría). Pero estos equipos funcionan con un tercer foco para evacuar calor del condensador y absorbedor. Lo más común es la disipación a través de agua que se enfría en una torre de refrigeración. Es la que se utiliza en el estudio de simulación aquí presentado. Pero hay otras opciones como la disipación seca, como sucede en la instalación experimental descrita en el apartado 5. Esta discrepancia tiene lugar debido a la separación temporal entre los proyectos que dan lugar al trabajo de comparación de configuraciones mediante simulación y al desarrollo del equipo de absorción experimental utilizado en la instalación prototipo. Este subsistema conecta la producción de agua fría directamente a los elementos terminales de la instalación o bien a un depósito de acumulación que independiza la producción de energía del sistema auxiliar de la demanda del local. Figura 2-15. Esquema simplificado de la producción de refrigeración con máquina de absorción. Caso sin depósito de agua fría (izq). Caso con depósito de agua fría (drcha). Si se cumplen una serie de condiciones, la producción de refrigeración comienza, activando el equipo de absorción, las bombas asociadas y el ventilador de la torre de refrigeración. El equipo de absorción puede trabajar con temperaturas de entrada que van desde 75 ºC a 95 ºC. La temperatura del depósito de agua caliente debe ser superior a la mínima. La comprobación se realiza teniendo en cuenta 7 ºC por encima de la mínima para la activación y 2 ºC por encima de esa misma temperatura mínima para la parada. Esto evita constantes Segunda parte. Capítulo 2. Elección de configuraciones 30 arranques y paradas. En caso de que la temperatura de agua caliente almacenada sea superior a 95 ºC se utiliza la válvula para mezclar agua de retorno y no superar así el valor máximo. La temperatura de agua del foco de disipación debe estar también entre un mínimo y un máximo de 24 ºC y 32 ºC respectivamente. El criterio de diseño de la torre de refrigeración debe permir disipar todo el calor del equipo de absorción en las condiciones más desfavorables, de manera que siempre se pueda tener agua disponible por debajo de la máxima admisible. Cuando las condiciones del aire exterior son más moderadas (temperatura y humedad) y/o la disipación de calor es menor, la temperatura del agua de disipación disminuye. En este caso se actúa sobre la velocidad del ventilador de la torre y reduce el consumo eléctrico del mismo. La otra comprobación para que este subsistema se active es que haya demanda de frío o un depósito de acumulación de agua fría que no esté completamente cargado. Cuando hay depósito esto se traduce en que la temperatura de la parte superior del mismo sea al menos 2 ºC mayor a la de consigna de la máquina de absorción, fijada en 7 ºC. Esta diferencia mínima de 2 ºC evita que el equipo de absorción trabaje con valores muy bajos de carga y disminuye el riesgo de arranques y paradas demasiado frecuentes. Si no hay depósito de agua fría y existe demanda de frío en el local, hay una diferencia entre las configuraciones que integran el sistema auxiliar y las que lo incluyen de manera independiente (detalle en la siguiente figura). Figura 2-16. Esquema simplificado de la producción de refrigeración con máquina de absorción, sin depósito de agua fría. Sin sistema auxiliar integrado (izq), configuración 1. Con sistema auxiliar integrado (drcha), configuración 6 Como se expondrá en el apartado de modelado de componentes, los elementos terminales de la instalación se dimensionan para combatir la demanda pico con una temperatura de entrada de agua de 13 ºC. Usualmente se seleccionan para 7 ºC en sistemas convencionales de compresión mecánica, pero esto supondría un menor rendimiento en el equipo de absorción al trabajar con temperaturas muy bajas, por lo que en este caso es conveniente este cambio de criterio. En la configuración 6, con sistema auxiliar en paralelo, si el equipo de absorción no puede producir agua por debajo de 13 ºC se desactiva la producción por absorción, y se activa el sistema auxiliar. En cambio en la configuración 1 se permite seguir abasteciendo parte de la Segunda parte. Capítulo 2. Elección de configuraciones 31 demanda, por lo que el valor mínimo es mayor, de 19 ºC. Y es el sistema independiente ubicado en el local el que se encarga de proporcionar el resto de demanda no satisfecha. o Circuito de conexión del depósito de agua fría con los elementos terminales De manera equivalente a lo que se ha expuesto anteriormente, si la configuración tiene el sistema auxiliar integrado (configuraciones 3 y 4), se impone el límite máximo de temperatura de alimentación de 13 ºC a los elementos terminales. En la configuración 4, si la temperatura del depósito es menor de 13 ºC se activa el sistema auxiliar permitiendo abastecer la totalidad de la demanda. En cambio en la configuración 3 siempre se tiene una temperatura inferior o igual a los 13 ºC debido a la conexión del sistema auxiliar, que no permite que baje de este valor. Figura 2-17. Esquema simplificado de conexión a elementos terminales, con depósito de agua fría. Sistema auxiliar integrado. Acoplado al depósito (izq), configuración 3. En paralelo (drcha), configuración 4 o Control del sistema auxiliar acoplado al depósito. El control del sistema auxiliar es diferente en caso de que se conecte directamente al depósito (configuración 3). En este caso, si la temperatura de la parte inferior del depósito de agua fría aumenta por encima del valor para el que se han dimensionado los elementos terminales, 13 ºC, el sistema auxiliar se activa hasta que la temperatura se sitúa 2 ºC por debajo de este valor. Además se supone que el sistema auxiliar funciona a plena carga una vez que se activa, algo que es posible al no tener conexión directa con los elementos terminales. Teniendo en cuenta esta conexión, es posible dimensionar el equipo con menor potencia respecto al resto de configuraciones en las que se dimensiona para cubrir la carga punta de la vivienda. En este caso hay que tener claro el perfil de demanda, que junto al volumen de acumulación permitirán corroborar si la potencia del equipo auxiliar es suficiente. 2.3.3. Detalle de la lógica de control en calefacción y ACS o Circuito solar primario y secundario: Este subsistema funciona igual independientemente de que la demanda del edificio sea de calefacción o de refrigeración. Segunda parte. Capítulo 2. Elección de configuraciones 32 o Circuito de conexión entre depósitos en las configuraciones con dos depósitos Todas las configuraciones incluyen un depósito de acumulación de agua caliente que funciona así independientemente de que sea invierno o verano. En cambio hay configuraciones que integran un depósito adicional que almacena agua fría en modo verano, pero que en modo invierno se utiliza para almacenar agua caliente. En este caso, una bomba permite la circulación entre ambos. Para su activación se comprueba que la temperatura de la parte superior del depósito conectado a captadores sea al menos 7 ºC superior a la parte inferior del otro. La bomba se desactiva si la diferencia se reduce a 2 ºC o Circuito de conexión con los elementos terminales de calefacción En los sistemas sólo solares con sistema auxiliar de poyo en el local (configuraciones 1 y 2), el circuito que alimenta con agua caliente a los elementos terminales se activa si se cumplen dos condiciones. Una es que haya demanda de calefacción, y la otra que la temperatura almacenada supere los 22 ºC, con una incremento de 3 ºC superior para permitir su activación y asegurar así un funcionamiento estable del sistema. En los sistemas con sistema auxiliar integrado, concretamente en las configuraciones 4 y 6, este límite se traslada a 40 ºC en lugar de 22 ºC. Es la consigna seleccionada para combatir la demanda pico en los elementos terminales. En otro caso se activa el sistema auxiliar, ya que no se puede asegurar una cobertura total de la demanda. Hay una pequeña diferencia en el caso de la configuración 3. El sistema auxiliar se encarga de que temperatura almacenada disponible no disminuya de los 40 ºC. Para ello se comprueba la temperatura disponible en el depósito. Si está por debajo se activa hasta que esta temperatura supera en 2 ºC este valor. Válvulas diversoras ON-OFF de 3 vías se utilizarán para hacer el cambio de modo de verano a invierno y al contrario. En verano permitirá al fluido dirigirse desde el depósito caliente hacia el generador de la máquina de absorción. Y en invierno enviará el fluido desde el depósito solar hasta el segundo depósito (que actúa como caliente en esta época del año) o bien directamente a los elementos terminales. o Circuito de conexión para abastecer la demanda de ACS Un intercambiador térmico de placas independiza el agua del circuito cerrado que configura la instalación, del agua de consumo para ACS. La lógica de control utilizada es que si la temperatura almacenada es 20 ºC superior a la temperatura de agua de red, y hay demanda de ACS, esta o parte de la misma se cubre con el sistema solar. Segunda parte. Capítulo 2. Elección de configuraciones 33 o Control del sistema auxiliar acoplado al depósito. El control del sistema auxiliar es diferente en caso de que se conecte directamente al depósito (configuración 3). En este caso, si la temperatura de la parte superior del depósito de agua al que se conecta disminuye por debajo del valor para el que se han dimensionado los elementos terminales (40 ºC), el sistema auxiliar se activa hasta que la temperatura se sitúa 2 ºC por encima de este valor. Además se supone que el sistema auxiliar funciona a plena carga una vez que se activa, algo que es posible al no tener conexión directa con los elementos terminales. Teniendo en cuenta esta conexión, es posible dimensionar el equipo con menor potencia respecto al resto de configuraciones en las que se dimensiona para cubrir la carga punta de la vivienda. En este caso hay que tener claro el perfil de demanda, que junto al volumen de acumulación permitirán corroborar si la potencia del equipo auxiliar es suficiente. Segunda parte. Capítulo 3. Modelado de componentes 40 Figura 3-1. Mecanismos de transferencia en un captador solar térmico plano. El comportamiento del captador solar térmico puede describirse a través de la siguiente ecuación general del rendimiento térmico (η), el cual representa la relación entre la energía útil y la energía incidente. Consiste en una aproximación al modelo físico en el cual se pueden determinar los parámetros a0, a1 y a2 en función de características físicas y constructivas de los mismos. Estos coeficientes se obtienen mediante ensayos de laboratorio con métodos normalizados para asegurar que los resultados entre captadores solares sean comparables. 2 0 1 2 fi a fi a t tt T T T T a a a I II                     Entre los procedimientos existentes hay ciertas diferencias a tener en cuenta. Según la norma europea EN 12975 [78], la curva de rendimiento se define en función de la temperatura media del fluido (Tfm), en lugar de definirse en función de la temperatura de entrada como ocurre con el procedimiento de ensayo según ASHRAE, que es más común en USA. 2 0 1 2 ' ' ' fm a fm a t tt T T T T a a a I II         Según EN12975 [78] En esta expresión, el coeficiente a0‘ representa el rendimiento del captador cuando la temperatura media del fluido coincide con la temperatura ambiente, y es denominado habitualmente como rendimiento óptico del captador solar. Y los coeficientes a1’ y a2’ describen las pérdidas térmicas del captador. El componente seleccionado en TRNSYS para las simulaciones es el TYPE1: Flat-pate collector (quadratic efficiency), el cual integra el método de la curva de rendimiento. Teniendo en cuenta la diferencia entre procedimientos de ensayo, este componente TRNSYS ofrece la versatilidad de indicar si la curva de eficiencia de la que se dispone está en base a la temperatura de entrada del fluido (procedimiento ASHRAE) o en función de la temperatura Segunda parte. Capítulo 3. Modelado de componentes 41 media (procedimiento de la normativa europea). Es también de vital importancia tener en cuenta si los parámetros del ensayo se proporcionan en base al área total del captador, o bien al área de apertura o de absorción (Figura 3-2, [77], [79]). Figura 3-2. Captador solar térmico plano. Especificación de componentes (izq), Especificación de las diferentes áreas definidas en un captador (drcha). El componente TRNSYS integra los coeficientes de corrección en función del diferente caudal másico respecto al caudal para el que se obtiene la curva de rendimiento especificada y la corrección al conectar varios captadores en serie o paralelo. Por último ofrece diferentes métodos para la corrección en función del ángulo de incidencia de la radiación solar. El componente Type 1 no es el único componente en TRNSYS para describir captadores solares, pero si el más adecuado para el caso aquí tratado. Type 45 permite modelar captadores solares con acumulación integrada. Type 71 es un componente más adecuado para captadores solares de tubos de vacío. Type 72 permite describir la eficiencia del captador a través de unas tablas en función de la diferente combinación de parámetros: radiación, temperaturas, etc. Type 73 es un modelo que implementa también el modelo de Hottel-Whillier como el Type 1, pero en lugar de a través de la curva de rendimiento, lo hace a través de la inclusión de los parámetros de diseño del mismo, implementando el modelo físico completo. Por último, el type 74 es un componente particularizado para captadores parabólicos de concentración. El captador de base utilizado en las simulaciones tiene los siguientes coeficientes de comportamiento: a0 = 0.75, a1 = 3 W/m2/K, a2 = 0.015 W/m2/K2, b0 = 0.2 en base al modelado descrito. Para el estudio de sensibilidad con el tipo de captador, se utilizan otros parámetros de comportamiento (Figura 3-3, Tabla 3-2) a continuación detallados y que se han ordenado de mejor a peor comportamiento. El caso base corresponde al tipo 1. El área de captación total del caso base es de 30 m2. Se considera un caudal de 50 kg/h por cada m2 de área de captación tanto en el circuito primario (captadores-intercambiador) como secundario (intercambiador-depósito caliente). El fluido considerado en todos los circuitos del sistema es agua. Segunda parte. Capítulo 3. Modelado de componentes 42 Figura 3-3. Curvas de comportamiento de los captadores utilizados tipo0 tipo1 tipo2 tipo3 a0 (-) 0.82 0.75 0.75 0.75 a1 (W/m2/K) 2 3 4 4 a2 (W/m2/K2) 0.015 0.015 0.015 0.03 Tabla 3-2: Coeficientes de las curvas comportamiento de los captadores utilizados 3.2.2. Máquinas de absorción Hay dos tipos de modelos. Modelos físicos obtenidos a partir de los parámetros constructivos y la descripción física de los procesos termodinámicos que tienen lugar. Y modelos empíricos que no entran en detalles constructivos ni de diseño, y que consisten en una serie de expresiones que describen el comportamiento del equipo en función de parámetros externos. En este sentido, uno de los modelos empíricos más extendidos es el de la ecuación característica, donde los balances de cada foco se representan mediante una serie de coeficientes así como las temperaturas de los focos. Pero no es el único método como se describe en este apartado. Los modelos físicos termodinámicos, con más o menos detalle, requieren de un conocimiento muy exhaustivo del ciclo de absorción, así como de los componentes que integran el equipo. Se necesita gran cantidad de información no disponible habitualmente de equipos comerciales [80]. Estos modelos son especialmente útiles en etapas de diseño [81] . En este ámbito, el modelo desarrollado para el equipo de absorción prototipo empleado en la instalación experimental, apartado 5, puede consultarse en [16]. Los modelos empíricos son modelos más simples y se pueden obtener mediante ensayos. Los ajustes de los datos de funcionamiento se pueden determinar mediante regresión. Varios autores han propuesto diferentes correlaciones. En [82] se exponen expresiones algebraicas 0 0.1 0.2 0.3 0.4 0.5 0.6 0.7 0.8 0.9 0 0.02 0.04 0.06 0.08 0.1 (Tm-Ta)/G Rendimiento tipo0 tipo1 tipo2 tipo3 Segunda parte. Capítulo 3. Modelado de componentes 43 lineales para describir el comportamiento de una enfriadora de absorción agua/bromuro de litio junto a la correspondiente validación experimental. Aunque se basan en modelos termodinámicos, aportan una correlación en función de parámetros externos. Otros autores proponen expresiones similares para equipos concretos ([40], [16]). Otro tipo de expresiones habituales son las del método de la ecuación característica. Consiste en obtener la dependencia de la capacidad frigorífica y COP térmico mediante expresiones algebraicas lineales en función de las temperaturas de los fluidos exteriores. Hellman et al. valida el método [82]. Y otros autores también proponen expresiones similares, ([85], [86], [16], [80]). Así por ejemplo, las expresiones de los flujos de energía en cada foco se pueden representan en función de varios coeficientes (E, G y A) y de las temperaturas de los focos (evaporador: eva; generador: gen; disipación AC, bien de entrada: in o salida: out): 1 2 3 4 o o o eva eva ac gen Q E T E T E T E        1 2 3 4 o i i gen eva ac gen Q G T G T G T G        1 2 3 4 o i i ac eva ac gen Q A T A T A T G        Otro método equivalente consiste directamente en proporcionar las tablas o gráficas de potencia frigorífica disponible del equipo (Qe) y COP térmico en función de las temperaturas de los focos. A continuación se muestra un ejemplo para una temperatura de condensación Tcool,i 29,5 ºC en función de la temperatura de producción de agua fría (Tch,o) para varias temperaturas de entrada al generador (desde 75 ºC hasta 95 ºC). Este es el tipo de información que los fabricantes suelen aportar de sus equipos (Figura 3-4, Figura 3-5) Figura 3-4. Potencia frigorífica Qeva en función de la temperatura de producción de agua fría para varias temperaturas de entrada de agua al generador. Temperatura de entrada a la disipación: 29.5 ºC 0 2,5 5 7,5 10 12,5 15 5 6 7 8 9 10 11 12 13 Qeva (kW) Teva o Tac i = 29.5º C 95 ºC 88 ºC 85 ºC 80 ºC 75 ºC Segunda parte. Capítulo 3. Modelado de componentes 44 Figura 3-5. COPter en función de la temperatura de producción de agua fría para varias temperaturas de entrada de agua al generador. Temperatura de entrada a la disipación: 29.5 ºC Una vez conocido el comportamiento en base a las condiciones de funcionamiento es posible aplicar las ecuaciones de balance de energía implicados en el equipo (Figura 3-6). Figura 3-6. Esquema de una máquina de absorción de simple efecto. Flujos de energía implicados. En una enfriadora de absorción, los balances de energía se describen a continuación. 0 gen eva con abs Q Q Q Q    El calor disipado en el condensador y el absorbedor se tratan indistintamente: 0 gen eva ac Q Q Q   0 0,1 0,2 0,3 0,4 0,5 0,6 0,7 0,8 0,9 5 6 7 8 9 10 11 12 13 COPter Teva o Tac i = 29.5 ºC 95 ºC 88 ºC 85 ºC 80 ºC 75 ºC Segunda parte. Capítulo 3. Modelado de componentes 45 Cada uno de los flujos de calor se puede expresar como el producto del flujo másico de fluido exterior con el que se produce el intercambio por el calor específico y el salto térmico que experimenta.   io eva eva eva eva eva Q m Cp T T      io gen gen gen gen gen Q m Cp T T      oi ac ac ac ac ac Q m Cp T T    En los modelos empíricos es muy importante que el rango de datos disponibles abarque todo el rango de condiciones de trabajo. En otro caso, los modelos creados no serán adecuados. Esto se demuestra en [80], mediante la obtención de modelos para dos enfriadoras de absorción de pequeña potencia con disparidad en cuanto a los datos de partida. Aunque el modelo de la ecuación característica puede ser interesante, el componente disponible en TRNSYS 16 para describir el comportamiento de equipos de absorción de simple efecto con alimentación de agua caliente al generador es el Type 107 (modelo inicialmente desarrollado por la librería TESS [84], Type 680). Esto hace que se opte por utilizar el método de las curvas de potencia frigorífica disponible y COP térmico en función de las temperaturas de los focos. Estos datos se introducen en forma de tabla, no siendo necesario obtener una regresión matemática a partir de los datos. El componente de TRNSYS internamente interpola entre los valores introducidos. Concretamente se han considerado los parámetros de funcionamiento de la máquina Yazaki SC30 [83] escalando sus flujos másicos para dar una potencia frigorífica nominal de 10 kW. La disipación se produce en este caso mediante torre de refrigeración. Se utiliza este equipo por la buena disponibilidad de las curvas de funcionamiento, en ocasiones difíciles de conseguir para otros equipos disponibles en el mercado. Para una temperatura de condensación de 29.5 ºC se han presentado previamente las figuras de potencia frigorífica (Figura 3-4) y COP térmico (Figura 3-5) para varias consignas de agua fría y temperatura de entrada al generador. Cuando se plantearon las simulaciones de comparación de configuraciones no se disponía del modelo matemático empírico del equipo utilizado en la planta prototipo de la parte experimental de la presente Tesis, el cual fue recogido posteriormente en [16]. Este fue un desarrollo paralelo al de las simulaciones. El componente de TRNSYS tiene como entradas el archivo de datos de funcionamiento (tabla con potencia frigorífica y COP térmico en función de las condiciones de funcionamiento), así como las temperaturas y flujos másicos de entrada a cada uno de los tres focos, y la temperatura de consigna para el agua fría producida. Una vez que el control de la enfriadora indica que está activa, detemina la fracción de carga con la que opera determinando la energía necesaria para Segunda parte. Capítulo 3. Modelado de componentes 46 conseguir la temperatura de consigna de agua fría requerida. Para ello el componente accede a través de una rutina al archivo de datos del equipo. Esta rutina devuelve la fracción de energía de entrada al generador en relación a la requerida en las condiciones de funcionamiento, y por tanto también la temperatura de salida del agua de alimentación al generador. Por otro lado, la capacidad de refrigeración real es la mínima entre la requerida para alcanzar las condiciones de consigna y la que el equipo puede aportar en las condiciones de funcionamiento. Su valor permite calcular la temperatura de salida del agua fría, que coincidirá con la consigna siempre y cuando el equipo tenga suficiente capacidad. Y por último, la suma de la energía aportada en el generador y la evacuada en el evaporador constituyen la energía a disipar y por tanto permite el cálculo de las condiciones de salida del agua en este foco. 3.2.3. Depósitos de acumulación Son varios los componentes de TRNSYS que permiten simular depósitos de almacenamiento térmico. Entre ellos destacan los componentes Type 4 y Type 60 [87]. Permiten modelar depósitos estratificados con una serie de nodos todos de igual tamaño. Pueden incluir apoyos eléctricos internos, incluso un intercambiador de calor interno en el caso de Type 60. Otro tipo de modelo es el Type 38, en el que la estratificación se modela de una forma diferente a los anteriores. Los nodos son de tamaño variable dependiendo del tiempo de simulación y los flujos de energía a los que se ve sometido. Como ventajas respecto a los anteriores destaca que es posible modelar la estratificación con pequeños nodos en la zona de más grandiente sin necesidad de utilizar tiempos de simulación pequeños. Es más apropiado para depósitos con un grado elevado de estratificación. Pero la desventaja principal es que únicamente es posible utilizar un elemento de este tipo por archivo de simulación. Esto hace imposible su uso en las simulaciones, donde es necesaria la simulación con dos depósitos, uno de agua caliente y otro de agua fría. Otro componente sería el Type 39 referido a depósitos de volumen variable. Pero no es el caso aquí. Para las simulaciones se utiliza por tanto el componente TRNSYS, Type 60. Alternativamente podría haberse utilizado también Type 4, con iguales características para el caso concreto de aplicación aquí. Como descripción general, el componente modela un depósito de almacenamiento de fluido estratificado (multi-nodo). Asume que el depósito consiste en una serie de segmentos o nodos completamente mezclados, Figura 3-7, hasta un total de 100 segmentos (N=100). Permite especificar nodos de igual o diferente tamaño, incluir uno o varios calentadores internos eléctricos, o calentador auxilar de gas; especificar las bandas de control para los termostatos de dichos elementos de apoyo auxiliares (no existentes aquí); incluir coeficientes de pérdidas incrementales así como describir depósitos con diferentes geometrías (circulares, no circulares, horizontales, verticales, etc). Consta de dos entradas y dos salidas, las cuales se especifican con Segunda parte. Capítulo 3. Modelado de componentes 47 la altura a la que se encuentran. El modelo permite también seleccionar que las entradas sean fijas o variables. En el caso concreto aquí tratado, tanto el depósito de acumulación de agua caliente como el de agua fría, han sido modelados con un total de 5 nodos de temperatura. Ninguno incluye elementos calefactores auxiliares, y las alturas de las entradas y salidas son conocidas y especificadas. El coeficiente de pérdidas térmicas se considera constante en todo el depósito, y también la conductividad de la pared del mismo. Figura 3-7. Representación de los nodos de división del depósito. Modelo TRNSYS type 60. El componente ejecuta los cálculos en intervalos de tiempo internos incluyendo bucles iterativos. En cada nodo se resuelven las ecuaciones de balance de masa y energía. Por una parte, el balance de masa hace que el sumatorio de flujos de entrada al nodo coincida con el sumatorio de flujos másicos de salida, considerando los flujos másicos hacia los nodos adyacentes así como la existencia o no de conexiones de entradas/salidas exteriores. El balance de energía y por tanto la evolución de la temperatura del fluido existente en cada nodo tiene en cuenta el intercambio de energía entre nodos debido al flujo másico de entrada y salida al mismo, así como la transferencia térmica conductiva entre nodos, las pérdidas al ambiente a través de la envolvente y la energía aportada por elementos de calentamiento auxiliares en caso de existir. Las características específicas utilizadas para el modelado de ambos depósitos se presentan a continuación. Depósito acumulador de agua caliente Se supone una altura de 2.5 m. La entrada y salida desde el depósito al campo de captación se ha fijado a 2 m y Ø m respectivamente. La salida y entrada desde el depósito a la máquina de absorción así como al circuito de ACS y calefacción se produce a una altura de 2.5 y Ø m respectivamente. Este depósito se instala en el exterior. Se fija un coeficiente de pérdidas térmicas al ambiente para el depósito de valor 0.7 W/m2/K. Segunda parte. Capítulo 3. Modelado de componentes 48 Depósito acumulador de agua fría. Se supone una altura de 2.5 m. La entrada y salida desde la máquina de absorción se ha fijado a 0.5 m y 2.5 m respectivamente. La entrada y salida hacia el elemento terminal (fancoil) se produce a una altura de 2.5 y Ø m respectivamente. Hay que recordar que este depósito actúa acumulando agua caliente en época de invierno, por lo que la conexión en este caso hacia el fancoil varía, tomando agua de la parte superior del depósito en lugar de tomarla de la parte inferior para alimentar al fancoil. Se fija un coeficiente de pérdidas térmicas al ambiente para el depósito de valor 0.7 W/m2/K. 3.2.4. Intercambiador La transferencia de energía en un intercambiador QT se puede definir a partir del producto de la eficiencia y el calor máximo que se puede intercambiar Qmax. Este valor máximo de transferencia depende del fluido de menor capacidad (el producto caudal másico m y calor específico Cp) y de la máxima diferencia de temperaturas (las temperaturas de entrada al intercambiador procedentes de cada uno de los fluidos). Ver Figura 3-8, [87]. Figura 3-8. Representación de un intercambiador térmico. Modelo TRNSYS type 91. Fuente: [87] La mínima capacidad térmica (Cmin) se determina por tanto entre la capacidad térmica del fluido caliente (Ch) y frío (CC). Y en base a ella se calcula el máximo calor que es posible intercambiar.     max min min , hc h i c i h c h i c i Q C T T m Cp m Cp T T            minT QQ   La efectividad depende del tipo de intercambiador, así como del coeficiente y el área de transferencia. En TRNSYS 16 hay dos componentes que permiten modelar un intercambiador de calor. En ambos, dadas las condiciones de entrada a ambos lados del intercambiador (fluido, temperatura Segunda parte. Capítulo 3. Modelado de componentes 49 y caudal), el componente calcula las condiciones de salida en función de la efectividad del intercambiador. Type 5 es un componente que determina la efectividad en función de la configuración de intercambiador, las capacidades de los fluidos que intervienen, así como el coeficiente global de transferencia UA. Se basa en que la eficiencia para cualquier geometría y tipo de intercambiador se puede describir a partir del número de unidades de transferencia NTU, la relación entre la capacidad mínima y máxima de los fluidos implicados, así como de la configuración concreta de intercambiador.   min max min , ,configuración r r C CC UA NTU C f NTU C     Las fórmulas específicas para cada tipología de intercambiador están disponibles en [64]. Type 91 es el otro componente que permite modelar intercambiadores de calor sensible. La diferencia con el anterior radica en que la efectividad es un valor constante determinado como entrada del componente. Este es el componente considerado en las simulaciones, con una efectividad del 80 %. Este componente es más adecuado para el caso que nos ocupa, ya que de lo contrario algunos de los análisis de sensibilidad aportarían resultados desvirtuados y poco realistas como se expone a continuación. Uno de los factores estudiados en la comparación de configuraciones es la variación del área de captación. El caudal de primario y secundario varía, ya que su valor se calcula considerando 50 kg/h/m2, caudal a ambos lados del intercambiador solar. Para permitir un buen traspaso de energía de primario a secundario, lo lógico es dimensionar el intercambiador en función del resto del sistema para maximizar la energía transferida al circuito secundario. Concretamente en función de la energía disponible en primario solar (área de captación, y por tanto también relativo a los caudales a través del intercambiador). Un criterio adecuado consiste en dimensionar este componente para asegurar una eficiencia mínima de intercambio, en este caso del 80 %. Si se hubiese considerado el componente Type 5, lo que ocurriría es que el intercambiador se quedaría pequeño en caso de áreas de captación elevadas, lo que supondría bajas eficiencias de Segunda parte. Capítulo 3. Modelado de componentes 56 3.2.8. Demanda de climatización y ACS Las simulaciones se llevan a cabo en diferentes localidades: Málaga, Madrid y San Sebastián. Los ficheros meteorológicos de cada ciudad pertenecen a la base de datos climáticos suministrados por Energy Plus ([65], [66]). Se trata de una vivienda unifamiliar de 128 m2 formada por dos plantas de 64 m2 (Figura 3-18). La demanda de climatización ha sido analizada con el software Energy Plus. Zona 1 (H1): planta inferior (formada por cocina, salón y oficina) Zona 2 (H2): planta superior (formada por dormitorios) Las dimensiones de cada zona son de 8 m x 8 m x 2.8 m. Todas las fachadas están expuestas al exterior. La orientación de sus fachadas es Sur, Este, Oeste y Norte. Figura 3-18. Esquema de la vivienda. La composición de los muros exteriores así como la de los forjados (suelos y techos) se presenta en la Tabla 3-5 y Tabla 3-6 respectivamente. Composición Espesor [m] K [W/m/K] ρ [kg/m3] Cp [J/ kg K] R [m2K/W] Mortero cemento 0.015 1.8 2100 1000 --- 1/2 pie LP métrico 40mm<G<60mm 0.115 0.695 1140 1000 --- EPS Poliestireno Expandido 0.04 0.037 30 1000 --- Cámara de aire sin ventilar 0.02 --- --- --- 0.17 Tabique de LH doble 0.07 0.375 930 1000 --- Enlucido de yeso 1000<d<1300 0.015 0.57 1150 1000 --- Tabla 3-5. Descripción de muros exteriores de la vivienda Segunda parte. Capítulo 3. Modelado de componentes 57 Composición Espesor [m] K [W/m/K] ρ [kg/m3] Cp [J/ kg K] R [m2K/W] 1/2 pie LM métrico 40mm<G<50mm (11,5cm) 0.115 1.042 2170 1000 --- Cámara de aire sin ventilar (5,0cm) 0.05 --- --- --- 0.05 Tabique de LH doble (7,0cm) 0.07 0.375 930 1000 --- Enlucido de yeso 1000<d<1300 (1,5cm) 0.015 0.57 1150 1000 --- Tabla 3-6. Descripción de forjados de la vivienda Para todos los materiales especificados se ha tomado una absortividad térmica del 90 % y una absortividad solar y visible del 65 %. El porcentaje de ventanas es de 23.4 %. Está compuesto por ventanas de 5 m x 1.5 m en la fachada Sur, y de 3 m x 1.5 m en el resto de fachadas, tanto en la planta superior como en la inferior. En cuanto a las ganancias internas se consideran 5 personas, 2000 W (20 W/m2) de iluminación y 1000 W (zona 1), 250 W (zona 2) de otros equipos. Se considera un total de renovaciones a la hora de valor unidad. Y una ventilación de 3 l/s por persona. Figura 3-19. Perfil de ocupación de la vivienda Figura 3-20. Perfil de iluminación y equipos Fracción de personas en cada zona 0 0.2 0.4 0.6 0.8 1 0 3 6 9 12 15 18 21 hora Fracción de personas Zona 1 Zona 2 Fracción lumínica y de equipos en cada zona 0 0.1 0.2 0.3 0.4 0.5 0.6 0.7 0.8 1 3 5 7 9 11 13 15 17 19 21 23 hora Fracción Zona 1 Zona 2 Segunda parte. Capítulo 3. Modelado de componentes 58 Los perfiles utilizados se pueden consultar en la Figura 3-19 - Figura 3-20. El valor para una determinada hora representa lo que ocurre desde dicha hora hasta la siguiente. De manera que el valor para la hora 0 representa el perfil para el intervalo de tiempo que va desde la hora 0 a la hora 1. Esto es aplicable al resto de gráficas La demanda de climatización obtenida para cada vivienda con las hipótesis de partida se presenta en las siguientes figuras (Figura 3-21, Figura 3-22 y Figura 3-23). Para el caso concreto de Málaga se puede ver también el detalle de los días de máxima demanda en refrigeración y calefacción en (Figura 3-24, Figura 3-25) y la distribución mensual de la demanda (Figura 3-26). También se presenta la diferente disponibilidad solar entre localidades (Figura 3-27), así como el resumen de la demanda anual acumulada (Figura 3-28). El resumen de los datos de máxima carga punta, y demanda anual se pueden consultar en la Tabla 3-7. Figura 3-21. Demanda de climatización para Málaga Figura 3-22. Demanda de climatización para Madrid 0 2000 4000 6000 8000 10000 12000 18760 hora del año Demanda (W) cargaCLF cargaREFtotal cargaREFsens 0 1000 2000 3000 4000 5000 6000 7000 8000 9000 10000 18760 hora del año Demanda (W) cargaCLF cargaREFtotal cargaREFsens Segunda parte. Capítulo 3. Modelado de componentes 59 Figura 3-23. Demanda de climatización para San Sebastián Figura 3-24. Carga punta en el día de diseño de verano. Málaga Figura 3-25. Carga punta en el día de diseño de verano. Málaga 0 1000 2000 3000 4000 5000 6000 7000 8000 18760 hora del año Demanda (W) cargaCLF cargaREFtotal cargaREFsens Segunda parte. Capítulo 3. Modelado de componentes 60 Figura 3-26. Demanda de climatización mensual. Málaga Carga máxima pico y en función de la superficie de vivienda (kW - W/m2) Demanda anual (kW.h/m2) Ciudad Ref. total Ref. sensible Calefacción Ref. sensible Calefacción Málaga 10.5 – 82.7 9.0 – 70.5 4.7 – 36.7 74.4 27.6 Madrid 9.4 – 73.6 9.4 – 73.6 6.7 – 52.3 50.7 86.3 San Sebastián 6.8 - 53 5 5.8 – 45.0 6.5 – 51.0 8.6 97.5 Tabla 3-7. Resumen de cargas y demanda por ciudad Figura 3-27. Disponibilidad de radiación solar en función de la ciudad y del área de captación para una inclinación de captadores de 30 º y orientación sur. Figura 3-28. Demanda de climatización y ACS anual para cada ciudad 0 500 1000 1500 2000 2500 Málaga Madrid San Sebastián Disponibilidad solar anual (kWh/m2) 12482 9529 11050 3490 1108 6490 3058 3011 2847 0 2000 4000 6000 8000 10000 12000 14000 Málaga Madrid SanSeb kWh Calefacción Refrigeración (sens) ACS Segunda parte. Capítulo 3. Modelado de componentes 61 La demanda total incluyendo refrigeración, calefacción y ACS para las tres ciudades consideradas se puede ver en la Figura 3-28. El cálculo de la demanda de ACS se calcula a partir de la normativa vigente (CTE-HE4 [51]). Se supone una vivienda unifamiliar con 5 personas (consumo de 30 l por persona a una temperatura de referencia de 60 ºC). Y se estima un perfil de consumo diario [88] y mensual [89] (Figura 3-29 y Figura 3-30 respectivamente). La temperatura de agua de red considerada en base mensual para cada localidad objeto de estudio es la que aparece en la norma UNE 94002:2005 [90], Tabla 3-8. ene feb mar abr may jun jul ago sep oct nov dic Málaga 12 12 13 14 16 18 20 20 19 16 14 12 Madrid 8 8 10 12 14 17 20 19 17 13 10 8 San Sebastián 9 9 10 11 12 14 16 16 15 14 11 9 Tabla 3-8. Temperaturas de agua de red para las ciudades consideradas Figura 3-29. Perfil de consumo diario de ACS Figura 3-30. Perfil de consume mensual de ACS Su simulación se realiza considerando una salida de agua del depósito caliente a un intercambiador de calor de ACS. Se utiliza también un equipo auxiliar en serie para los momentos en que la energía solar no sea suficiente para satisfacer la demanda, concretamente una caldera ideal y modulante, con una consigna de 45 ºC. Es el único punto de la instalación en Segunda parte. Capítulo 3. Modelado de componentes 62 el que se emplea una caldera por simplicidad, pero ha de tenerse en cuenta que en ningún momento se utiliza para abastecer la demanda de climatización. Segunda parte. Capítulo 4. Análisis de configuraciones 63 4. Análisis de configuraciones Este apartado resume los resultados de las más de 400 simulaciones realizadas. Se comparan las 5 configuraciones en modo calefacción y refrigeración desde el punto de vista de la cobertura de demanda con energía solar, analizando ventajas e inconvenientes de cada una de ellas. Esta comparación se aborda conjuntamente con la influencia que tiene el área de captación y el volumen de acumulación, ya que las ventajas de unas configuraciones respecto de otras dependen de manera importante de estos factores. Se resume también la influencia que tienen otros parámetros en el comportamiento del sistema (ciudad, inclinación de captadores, tipo de captador, comportamiento de la máquina de absorción y temperaturas de consigna). La información completa con todos los resultados de simulación de manera diferenciada para cada configuración se puede consultar en los anexos 1 al 5. En ellos se muestran esquemas de principio detallados con la nomenclatura de las variables que intervienen en la simulación (caudales, temperaturas y flujos de energía). Todas ellas se obtienen de las simulaciones en intervalos de tiempo de 10 minutos. Y se analizan a través de tablas y gráficos resumen con los balances mensuales y anuales, las condiciones medias de funcionamiento, la eficiencia de los subsistemas así como las horas de funcionamiento. La explicación detallada de la influencia de los diferentes factores se ha tratado en profundidad en el anexo 1 para la configuración 1. En los anexos 2 al 5 se describirán más brevemente los resultados, ya que muchos son extrapolables a los de la configuración 1. Los factores que afectan de manera diferenciada se exponen en detalle. La comparación en este apartado se analiza en detalle para el caso de Málaga. Para Madrid se exponen también resultados al final de cada apartado, pero de manera menos detallada ya que muchos son extrapolables. El análisis en San Sebastián se descarta teniendo en cuenta que la baja demanda refrigeración hace poco adecuada la inversión inicial en este sistema. 4.1. Caso base de simulación De cada configuración se define un caso base lo más similar entre configuraciones para permitir una comparación a igualdad de parámetros. Las características específicas del caso base han sido expuestas en el apartado 4 (tipo de captador y máquina de absorción, características de los acumuladores y las tuberías, etc, así Segunda parte. Capítulo 4. Análisis de configuraciones 64 como demanda de climatización y ACS). Algunos de los parámetros específicos se resumen a continuación:  Área de captación de 30 m2 con una inclinación de 30 º  Volumen de acumulación total en relación al área de captación: 40 l/m2 En las configuraciones con depósito frío este volumen total se divide en 10 l/m2 para el depósito caliente y 30 l/m2 para el frío (este último funciona almacenando agua caliente en invierno para evitar una caída elevada de la cobertura de calefacción con solar).  Ciudad: Málaga Todas las simulaciones y comparaciones presentadas están hechas para el caso base, a no ser que se especifiquen condiciones concretas. 4.2. Comparación de configuraciones en modo calefacción La demanda de calefacción y ACS cubierta así como la energía auxiliar necesaria en cada caso se presenta en la Figura 4-1. Figura 4-1. Balance anual en calefacción y ACS para un área de captación de 30 m2. Comparación de configuraciones Málaga Para una demanda anual térmica de 3490 kWh de calefacción (27.3 kWh/m2 para la vivienda de 128 m2) y de 2847 kWh de ACS, la cobertura solar alcanzada oscila entre un máximo de 87.5 % en la configuración 1 y un mínimo de 74.3 % en la configuración 3 (con un área de captación de 30 m2), con una media de 80.9%. 3490 3490 3487 3490 3490 2847 2847 2847 2847 2847 183 246 122 103 1185 1508 676 611 1279 141 0 500 1000 1500 2000 2500 3000 3500 4000 Conf 1 Conf 2 Conf 3 Conf 4 Conf 6 Configuración kWh Calefacción cubierta por el sistema Energía auxiliar térmica para calefacción Demanda de ACS Energía auxiliar térmica para ACS Segunda parte. Capítulo 4. Análisis de configuraciones 65 La cantidad de energía auxiliar necesaria es mayor en sistemas que incluyen el sistema auxiliar, en especial en la configuración 3 con el equipo directamente acoplado al depósito de acumulación. Y las configuraciones con doble depósito también se comportan ligeramente peor que las que tienen el mismo volumen total en un único depósito de agua caliente. Esta tendencia se mantiene independientemente del área de captación, pero la diferencia entre configuraciones es ligeramente mayor para áreas de captación menores. Aumentar el área de captación un 50 % o un 100 % partiendo de 20 m2 supone un aumento medio de cobertura solar del 10 % y el 16 % respectivamente (partiendo de una cobertura media de 71 %). Cambiar de configuración implica una diferencia máxima entre el 13 % y el 14 % dependiendo del área de captadores. Véase Tabla 4-1. Conf1 Conf2 Conf3 Conf4 Conf6 Media Cobertura de la demanda de calefacción con energía solar (%) Ac 20 m2 68,4 % 66,8 % 40,8 % 48,9 % 50,5 % 55,1 % Ac 30 m2 82,5 % 80,6 % 56,8 % 63,4 % 66,0 % 69,9 % Ac 40 m2 91,6 % 89,9 % 66,3 % 73,2 % 76,1 % 79,4 % Cobertura de la demanda de ACS con energía solar (%) Ac 20 m2 89,8 % 85,2 % 91,5 % 90,1 % 94,2 % 90,2 % Ac 30 m2 93,6 % 91,4 % 95,7 % 95,0 % 96,4 % 94,4 % Ac 40 m2 95,5 % 94,2 % 97,5 % 97,0 % 97,5 % 96,3 % Cobertura de la demanda de calefacción + ACS con energía solar (%) Ac 20 m2 78,0 % 75,1 % 63,6 % 67,4 % 70,1 % 70,8 % Ac 30 m2 87,5 % 85,5 % 74,3 % 77,6 % 79,7 % 80,9 % Ac 40 m2 93,4 % 91,8 % 80,3 % 83,9 % 85,7 % 87,0 % Tabla 4-1. Cobertura solar por configuración para varias áreas de captación. Modo calefacción. Málaga La comparación cuantitativa presentada se hace considerando que las configuraciones con dos depósitos utilizan ambos para almacenar agua caliente en modo calefacción. Aunque ambos depósitos se utilicen en modo invierno, a igualdad de volumen total de acumulación sigue siendo más conveniente un único depósito. Pero en este caso las diferencias son poco significativas. Utilizar la configuración 2 respecto a la 1 hace pasar de una cobertura total de calefacción y ACS del 87.5 % al 85.5 %; y de la 6 a la 4 desde 79.7 % a 77.6 %. Si el depósito de acumulación de agua fría no cambia de uso en invierno (para almacenar agua caliente) se produce una pérdida de cobertura de calefacción muy significativa respecto a configuraciones con un único depósito de agua caliente (para igualdad de volumen total de acumulación en la instalación). La configuración 2 pasaría de una cobertura del 81 % a menos de 65 %; y la configuración 4 del 63 % a menos del 30 %. La caída sería menos brusca a mayor relación entre volumen de agua caliente almacenada y volumen total. Esto es también aplicable a la configuración 3, la cual además necesitaría modificar la instalación ya que el equipo auxiliar está conectado al depósito que no se utilizaría en invierno. En definitiva, disponer de un único volumen total de acumulación (configuraciones 1 y 6) es más adecuado que disponer de este mismo volumen en dos depósitos (configuraciones 2, 3 y 4) en Segunda parte. Capítulo 4. Análisis de configuraciones 72 de la demanda. Esta relación de refrigeración sensible frente a la total (de origen solar) también aumenta al aumentar el volumen de acumulación (Figura 4-9) o reducir el área de captación. Figura 4-8. Energía auxiliar térmica (kWh) para refrigeración. Configuraciones 1 y 2 Figura 4-9. Cobertura (kWh) de refrigeración total y sensible con energía solar con 30m2 de área de captación. Comparación entre las configuraciones 1 y 2. El comportamiento en refrigeración de las configuraciones 1 y 6 es prácticamente coincidente. En la Figura 4-10 se observa la conveniencia de utilizar la configuración 4 frente a la 3. Aún así, el uso de la configuración 3 podría justificarse en ciertos casos debido a una serie de ventajas específicas. Permite utilizar un sistema auxiliar de menor potencia y por tanto con un menor coste de inversión. Reduce el número de arranques y paradas del sistema auxiliar. Y por último asegura el volumen mínimo de agua en el lazo al que se conecta el sistema auxiliar, un requisito que aunque no se trata en la presente Tesis, ha de tenerse en cuenta. 0 1000 2000 3000 4000 5000 6000 7000 8000 020 40 60 80 100 120 Volumen de acumulación (l/m2) kWh Conf1 Ac20m2 Conf1 Ac30m2 Conf1 Ac40m2 Conf2 Ac20m2 Vc10lm2 Conf2 Ac30m2 Vc10lm2 Conf2 Ac30m2 Vc20l/m2 Conf2 Ac30m2 Vc30l/m2 Conf2 Ac40m2 Vc10lm2 Conf2 Ac40m2 Vc20l/m2 0 1000 2000 3000 4000 5000 6000 7000 8000 10 30 50 70 90 110 Volumen de acumulación (l/m2) kWh Conf1 Ref Sens Conf1 Ref total Conf2 Ref Sens Conf2 Ref total Segunda parte. Capítulo 4. Análisis de configuraciones 73 Por otra parte, la temperatura de consigna del sistema auxiliar en la configuración 4 es de 13 ºC coincidiendo con la temperatura de diseño de la unidad terminal. Pero el control del sistema auxiliar, por ejemplo porque se utilicen equipos todo/nada, puede implicar una disminución de la temperatura de producción de agua fría. Esto implicaría un aumento de energía auxiliar empleada en secar el aire del local (menor relación entre energía sensible y total). En este caso los resultados de la configuración 4 se aproximarían a la 3. Figura 4-10. Energía auxiliar térmica (kWh) para refrigeración. Configuraciones 3 y 4 Es también más conveniente el uso de la configuración 4 frente a la 6 en la mayor parte de los casos (Figura 4-11), principalmente si el volumen de acumulación total es elevado. Pero esta diferencia se reduce a partir un valor de captación de 30 m2, y se hace casi imperceptible con 40 m2, área de captación a partir de la cual la configuración 4 deja de tener sentido en este caso incluso con volúmenes de agua relativamente importantes ya que no permite ahorros pero supone un sobrecoste en la instalación. 0 1000 2000 3000 4000 5000 6000 7000 8000 020 40 60 80 100 120 Volumen de acumulación (l/m2) kWh Conf3 Ac20m2 Vc10lm2 Conf3 Ac30m2 Vc10lm2 Conf3 Ac40m2 Vc10lm2 Conf3 Ac30m2 Vc30l/m2 Conf3 Ac30m2 Vc20l/m2 Conf3 Ac40m2 Vc20l/m2 Conf4 Ac20m2 Vc10lm2 Conf4 Ac30m2 Vc10lm2 Conf4 Ac40m2 Vc10lm2 Conf4 Ac30m2 Vc30l/m2 Conf4 Ac30m2 Vc20l/m2 Conf4 Ac40m2 Vc20lm2 Segunda parte. Capítulo 4. Análisis de configuraciones 74 Figura 4-11. Energía auxiliar térmica (kWh) para refrigeración. Configuraciones 4 y 6 Este efecto se explica por la influencia conjunta de varios factores. Disponer de depósito frío implica menores pérdidas en la acumulación, pero empeora en parte la eficiencia de la captación solar ya que el depósito caliente (de menor volumen) alcanza mayores temperaturas. Esta disminución de eficiencia de captación en la configuración 4 es del mismo orden para áreas de captación elevadas de 40 m2 que la mejora conseguida al disminuir las pérdidas por acumulación. Pero para menores áreas de captación, la disminución de la eficiencia de captación es menos significativa que la mejora por reducción de pérdidas por acumulación. En general, la configuración 3 es mejor frente a la 6 (Figura 4-12) únicamente con áreas de captación pequeñas o áreas medias de captación (30 m2) con elevados volúmenes de acumulación total. Pero áreas de captación pequeñas implican en la configuración 3 un elevado número de arranques y paradas de la máquina de absorción. Hay que tener en cuenta que aunque la cobertura con energía solar calculada es en muchos casos superior en la configuración 3, la energía de frío proporcionada por el sistema auxiliar se va en ganancias debido a la transferencia térmica con el ambiente del depósito de acumulación. Por tanto en muchos casos la mejora por doble depósito de agua fría no es tal en la configuración 3. 0 1000 2000 3000 4000 5000 6000 7000 8000 020 40 60 80 100 120 Volumen de acumulación (l/m2) kWh Conf4 Ac20m2 Vc10lm2 Conf4 Ac30m2 Vc10lm2 Conf4 Ac30m2 Vc20l/m2 Conf4 Ac30m2 Vc30l/m2 Conf4 Ac40m2 Vc10lm2 Conf4 Ac40m2 Vc20lm2 Conf4 Ac40m2 Vc30lm2 Conf6 Ac20m2 Conf6 Ac30m2 Conf6 Ac40m2 Segunda parte. Capítulo 4. Análisis de configuraciones 75 Figura 4-12. Energía auxiliar térmica (kWh) para refrigeración. Configuraciones 3 y 6 Por último, en la Figura 4-13 se observa la comparación entre la mejor configuración sólo solar (configuración 2) y la mejor configuración que incluye sistema auxiliar (configuración 4). Aunque siempre es mejor la configuración 2, la diferencia se reduce si disminuye el área de captación y el volumen de acumulación. Figura 4-13. Energía auxiliar térmica (kWh) para refrigeración. Configuraciones 2 y 4 En definitiva, en el caso de decantarnos por una instalación sólo solar con apoyo en el local, por ejemplo porque la vivienda ya disponga de un sistema convencional de climatización, la mejor opción es la configuración 2. Aunque si la vivienda no dispone de espacio suficiente para dos depósitos de acumulación o un volumen de acumulación considerable, sería más conveniente la configuración 1. Y si la vivienda no dispone de espacio suficiente para un área de captación 0 1000 2000 3000 4000 5000 6000 7000 8000 020 40 60 80 100 120 Volumen de acumulación (l/m2) kWh Conf3 Ac20m2 Vc10lm2 Conf3 Ac30m2 Vc10lm2 Conf3 Ac30m2 Vc20l/m2 Conf3 Ac30m2 Vc30l/m2 Conf3 Ac40m2 Vc10lm2 Conf3 Ac40m2 Vc20l/m2 Conf6 Ac20m2 Conf6 Ac30m2 Conf6 Ac40m2 0 1000 2000 3000 4000 5000 6000 7000 8000 020 40 60 80 100 120 Volumen de acumulación (l/m2) kWh Conf2 Ac20m2 Vc10lm2 Conf2 Ac30m2 Vc10lm2 Conf2 Ac30m2 Vc20l/m2 Conf2 Ac30m2 Vc30l/m2 Conf2 Ac40m2 Vc10lm2 Conf2 Ac40m2 Vc20l/m2 Conf4 Ac20m2 Vc10lm2 Conf4 Ac30m2 Vc10lm2 Conf4 Ac30m2 Vc20l/m2 Conf4 Ac30m2 Vc30l/m2 Conf4 Ac40m2 Vc10lm2 Conf4 Ac40m2 Vc20lm2 Conf4 Ac40m2 Vc30lm2 Segunda parte. Capítulo 4. Análisis de configuraciones 76 media (30 m2) puede también ser inadecuada la configuración 2 frente a la 1 por el incremento de arranques y paradas en el funcionamiento de la máquina de absorción. En el caso de decantarnos por una configuración que incluya sistema auxiliar, la mejor opción es la configuración 4. Aunque en ciertos casos la diferencia con la configuración 6 no es suficiente para justificar la instalación de dos depósitos de acumulación frente a uno único. Es muy importante subrayar que se observa una tendencia diferente en la cobertura de la demanda de refrigeración con energía solar en función del volumen total de acumulación para las configuraciones con depósito caliente (Figura 4-14 para la configuración 1) frente a las que tienen ambos depósitos (Figura 4-15 para la configuración 2). En las configuraciones con acumulación de agua caliente exclusivamente, el volumen óptimo de almacenamiento es de 40 l/m2 para un área de captación de 30m2 (más info en anexos 1 al 5). En las configuraciones con acumulación de agua caliente y agua fría el valor total de acumulación para maximizar la cobertura con energía solar se desplaza hacia valores mayores de acumulación total. Figura 4-14. Influencia del volumen de acumulación en la cobertura (%) de la demanda con energía solar. Málaga. Conf1 Figura 4-15. Influencia del volumen de acumulación en la cobertura (%) de la demanda con energía solar. Málaga. Conf2. (Ac = 30m2, Vc = 10l/m2) En Madrid, las tendencias coinciden cualitativamente con el caso de Málaga, pero los resultados cuantitativos varían como consecuencia de la diferente demanda. Para una demanda anual térmica de 6490 kWh de refrigeración sensible (50.7 kWh/m2 para la vivienda de 128 m2), la cobertura solar alcanzada oscila entre un máximo de 63.8 % en la configuración 2 y un 0 20 40 60 80 100 10 30 50 70 90 110 Volumen de acumulación (l/m2) % Calefacción Refrigeración (sens) ACS Total 0 20 40 60 80 100 10 30 50 70 90 110 Volumen de acumulación (l/m2) % Calefacción Refrigeración (sens) ACS Total Segunda parte. Capítulo 4. Análisis de configuraciones 77 mínimo de 53.4 % en la configuración 1 (que prácticamente coincide con la configuración 6 con un 53.6 %), Figura 4-16. Figura 4-16. Balance energético anual en refrigeración (captación: 30 m2). Comparación entre configuraciones. Madrid Concretamente, la cobertura de refrigeración aumenta en Madrid respecto a Málaga. En Málaga la cobertura es aproximadamente 0.8 veces inferior, cuando la relación entre disponibilidad solar y demanda total es de 0.9 veces inferior (Tabla 4-3). Aumentar el área de captación un 50 % o un 100 % desde los 20 m2 supone un aumento medio de cobertura solar del 15 % y el 26 % respectivamente (partiendo de una cobertura media de 42 %, respecto al 39 % en Málaga). Cambiar de configuración supone una diferencia máxima entre el 11 % y el 13 % dependiendo del área de captadores. 4.4. Comparación global entre configuraciones La demanda total cubierta con energía solar para 30 m2 se puede consultar en la Figura 4-17. La Tabla 4-4 resume la cobertura para diferentes áreas de captación en todas las configuraciones. En resumen, para una demanda anual térmica de 3490 kWh de calefacción (27.3 kWh/m2), de 2847 kWh de ACS y de 9529 kWh de refrigeración sensible (74.4 kWh/m2), la cobertura solar alcanzada oscila entre un máximo de 71.1 % en la configuración 2 y un mínimo de 62.4 % en la configuración 6 (caso base), Tabla 4-4. Y aumentar el área de captación un 50 % o un 100 % partiendo de 20 m2 supone un aumento medio de cobertura solar del 16 % y el 24 % respectivamente (partiendo de una cobertura media 7293 7011 7245 7160 7296 3482 3669 3700 4130 3467 4270 4670 4145 4361 4288 6490 6468 6466 6471 6490 3009 3023 3099 2341 2747 0 1000 2000 3000 4000 5000 6000 7000 8000 Conf 1 Conf 2 Conf 3 Conf 4 Conf 6 kWh Producción anual de frío con energía solar (Sens) Producción anual de frío con energía solar (Total) Refrigeración (sensible) suministrada por el sistema Refrigeración (total) suministrada por el sistema Energía auxiliar térmica para refrigeración Segunda parte. Capítulo 4. Análisis de configuraciones 78 de 59 %). Cambiar de configuración implica una diferencia máxima entre el 9 % y el 11 % dependiendo del área de captadores. Ver Tabla 4-4. Figura 4-17. Cobertura de la demanda desglosada y total para el caso de un área de captación de 30m2 Conf1 Conf2 Conf3 Conf4 Conf6 Media Cobertura de la demanda con energía solar (%) Ac 20 m2 51.4 % 57.2 % 50.5 % 52.3 % 48.3 % 59.4 % Ac 30 m2 65.4 % 71.1 % 62.5 % 63.6 % 62.4 % 65.0 % Ac 40 m2 75.5 % 81.0 % 70.4 % 72.04 % 72.6 % 74.3 % Tabla 4-4. Cobertura solar por configuración para varias áreas de captación. Málaga Aumentar el volumen de acumulación supone aumentar la cobertura total y por tanto reducir la energía auxiliar necesaria para ello (Figura 4-18). Pero esta influencia tiene ciertas peculiaridades en refrigeración entre configuraciones con doble depósito y las de uno único como se ha expuesto previamente (Figura 4-14 y Figura 4-15 para configuración 1 y 2 respectivamente). Figura 4-18. Energía auxiliar térmica requerida en función del volumen de acumulación. Área de captación de 30m2. Comparación de configuraciones. Málaga 0 10 20 30 40 50 60 70 80 90 100 Calef Ref_sens ACS Total % Conf 1 Conf 2 Conf 3 Conf 4 Conf 6 0 2000 4000 6000 8000 10000 10 30 50 70 90 110 Volumen de acumulación (l/m2) kWh Conf1 Conf2 Conf3 Conf4 Conf6 Segunda parte. Capítulo 4. Análisis de configuraciones 79 Como resumen, un aumento de acumulación supone mejoras en la cobertura total de calefacción en todas las configuraciones y de refrigeración en las configuraciones con doble depósito. Pero en refrigeración hay un volumen óptimo entorno a 40 l/m2 para un área de captación de 30 m2 si la configuración tiene exclusivamente depósito de agua caliente; y este valor aumenta si lo hace el área de captación (y viceversa). En configuraciones con doble depósito un aumento de volumen supone aumento de cobertura, pero hay un volumen óptimo de acumulación de agua caliente (10 l/m2 para 30 m2 de captación), que aumenta si el área de captación aumenta. En términos de cobertura de la demanda, las configuraciones sólo solares con apoyo en el local (1 y 2) se comportan mejor, pero requieren mayor inversión. Estas ventajas se deben principalmente a la posibilidad en los sistemas sólo solares de alimentar a la unidad terminal de la instalación a temperaturas mayores (menores) aunque no permitan combatir toda de refrigeración (calefacción) gracias a la existencia de otra unidad terminal propia conectada al sistema auxiliar. Esta diferencia podría reducirse con un control en las configuraciones que incluyen sistema auxiliar que permitiese alimentar a la unidad terminal con temperaturas más moderadas que la consigna que permite satisfacer la demanda pico del local. Esto requiere trabajar con consignas de temperatura de aire del local en lugar de temperaturas de consigna de agua. Otra medida para reducir las diferencias es utilizar unidades terminales sobredimensionados. Se confirma también el mejor comportamiento de las configuraciones con depósito frío (configuraciones 2, 3 y 4) para el funcionamiento en modo refrigeración. Pero la diferencia de comportamiento entre ambas se reduce haciéndose imperceptible si el área de captación aumenta y/o el volumen de acumulación disminuye. Y para no perder mucha cobertura de calefacción, se debe hacer el cambio de uso del depósito frío a caliente en invierno. Pero este cambio puede ser problemático y complejo. En este caso, si no se utiliza este segundo depósito para almacenar agua caliente en invierno, la cobertura desciende de manera importante, perdiendo las ventajas de estas configuraciones respecto a las de uno único. Si se opta por un sistema con sistema auxiliar lo más conveniente es utilizar la configuración 4 frente a la 6 siempre y cuando el área total de captación no sea elevada y/o el volumen total de acumulación pequeño, ya que en este caso la ventaja frente a la configuración 6 se hace imperceptible. La configuración 3 requiere usualmente mayor energía convencional debido a que ha de hacer frente a parte de las ganancias (pérdidas) térmicas en refrigeración (calefacción) del depósito al que se conecta el sistema auxiliar, pero permite el uso de sistemas auxiliares de menor potencia pico y por tanto más económicos. Segunda parte. Capítulo 4. Análisis de configuraciones 80 Los resultados no arrojan como resultado definitivo la decisión final de una configuración óptima, sino que se observa que depende de los parámetros de diseño, y que estos resultados deben contrastarse también con un análisis económico para tomar la decisión final. En el caso de Madrid, una diferencia fundamental respecto a Málaga es la mayor demanda de calefacción. Es por ello que en este caso hay una mayor diferencia entre las configuraciones sólo solares con apoyo en el local (1 y 2) y las que incluyen sistema auxiliar (3, 4 y 6) ya que estas últimas tienen porcentajes de cobertura significativamente menores en calefacción. De manera que aquí se comportan mejor las configuraciones 1 y 2 en todo el rango de volumen de acumulación (Figura 4-19) al contrario de lo que sucedía en Málaga (Figura 4-18) Figura 4-19. Energía auxiliar térmica total requerida en función del volumen de acumulación. Área de captación de 30 m2. Comparación de configuraciones. Madrid 4.5. Análisis de sensibilidad ante otros factores analizados La información detallada de todos los análisis de sensibilidad realizados para cada configuración se pueden consultar en los anexos desde el 1 al 5. A continuación se hace un resumen de todos ellos, excepto el área de captación y el volumen de acumulación que ya han sido tratados extensamente en los apartados anteriores de comparación entre configuraciones. La inclinación óptima depende de la ciudad en la que nos encontremos. Este óptimo se desplaza hacia ángulos menores en las ciudades en que predomina la demanda de refrigeración y viceversa. Esto se debe a que la cobertura de refrigeración y calefacción es máxima para una inclinación de 20 º y 50 º respectivamente. En Málaga, el máximo de energía solar útil se produce para una inclinación entre 20 º y 30 º. Y en Madrid y San Sebastián, la inclinación óptima es de 40 º (Figura 4-20 y Figura 4-21, concretamente para la configuración 1, pero los resultados son extrapolables al resto de configuraciones) 0 2000 4000 6000 8000 10000 12000 14000 16000 10 30 50 70 90 110 Volumen de acumulación (l/m2) kWh Conf1 Conf2 Conf3 Conf4 Conf6 Segunda parte. Capítulo 4. Análisis de configuraciones 81 Figura 4-20. Influencia de la inclinación en la cobertura (%) de la demanda con energía solar. Málaga. Conf1 Figura 4-21. Influencia de la inclinación en la cobertura (%) de la demanda. Madrid. Conf1 El tipo de captador influye de manera crucial en los resultados en refrigeración, ya que el captador trabaja con mayores temperaturas, que es donde más diferencia de rendimiento hay entre las curvas de rendimiento. En base a las eficiencias de captación medias anuales que se alcanzan con los captadores considerados (curvas en el apartado 3.2) se concluye que seguiría siendo más interesante utilizar el de mayor eficiencia (tipo Ø) respecto al de menor eficiencia (tipo 3) incluso si el sobrecoste del captador fuese del 50 %. Y pasar al captador tipo Ø respecto al tipo 1 utilizado en las simulaciones sería interesante también incluso si el sobrecoste fuese del 20 %. De manera que este cambio sería más rentable que aumentar en igual proporción el área de captación. Estos resultados concretos se extraen de la configuración 1, pero son extrapolables con ligeras diferencias al resto de configuraciones. El comportamiento de la máquina de absorción influye también de manera importante en la cobertura de la demanda. El caso base, caso 1, considera un COP térmico de valor 0.695, sin considerar influencia por funcionamiento a carga parcial. El caso 2 supone un detrimento del rendimiento a carga parcial considerando que para una demanda de frío del 30 %, la energía calorífica del generador requerida no es del 30 % del total a plena carga, sino de un 50 %. Los casos 3 y 4 son iguales al caso 1 pero con valores de COP térmico de 0.6 y 0.4 respectivamente. Las configuraciones que trabajan menos tiempo a carga parcial son aquellas que tienen depósito de acumulación de agua fría, y dentro de ellas fundamentalmente la configuración 2, con 0 20 40 60 80 100 10 30 50 70 Inclinación (º) % Calefacción Refrigeración (sens) ACS Total 0 20 40 60 80 100 020 40 60 Inclinación (º) % Calefacción Refrigeración (sens) ACS Total Segunda parte. Capítulo 5. Instalación experimental 88 Los captadores se conectan todos en paralelo, en grupos de 5 captadores con una conexión con retorno invertido para equilibrar caudales. La instalación permite suministrar refrigeración y calefacción a dos casetas de ensayo (Figura 5-6). En cada una de ellas habrá dos unidades terminales: fancoil y suelo radiante. Estas casetas permitirán realizar ensayos para un proyecto de investigación independiente que queda fuera del marco específico de la presente Tesis, y en el que se analiza el comportamiento de materiales de cambio de fase como elementos de construcción de suelos radiantes. Figura 5-6. Recepción de las casetas de ensayo (izq) y detalle del frontal de la caseta de ensayo (drcha) Aunque la configuración incluye el sistema auxiliar, los ensayos realizados y presentados no incluyen el funcionamiento del equipo auxiliar. Los datos de funcionamiento analizados se centran en días concretos de funcionamiento en modo refrigeración durante el verano de 2011 y calefacción en meses posteriores. Las características específicas de los elementos que componen la instalación son: o Fluido de trabajo Agua en todos los circuitos, excepto el circuito primario solar. Este circuito tiene agua con un 40 % de propilenglicol, cálculo realizado con 5 ºC por debajo de la mínima histórica. Aún así también se han realizado ensayos con agua en este circuito. o Captadores solares: Captadores solares planos (15 unidades) del fabricante Isofotón. Son captadores de parrilla con 10 tubos de cobre separados 10 cm. La superficie selectiva es de cobre con recubrimiento de óxido de titanio de 2205 mm x 1000 mm x 0.2 mm, con una absortividad de 0.95 y una emisividad de 0.05. La cubierta es de tipo solar templado texturizado de 3.17 mm de espesor y una transmitancia del 91 %. El aislamiento lateral es de lana de roca (0.036 W/m/K, con un espesor lateral de 25mm y trasero de 55mm). Segunda parte. Capítulo 5. Instalación experimental 89 Las dimensiones exteriores del captador es de 2278 mm x 1075 mm x 110 mm. Con una superficie bruta de 2.4 m2. Y un peso en funcionamiento de 44.5 kg. Los parámetros de la curva de eficiencia del captador según la UNE12975 [78] son: 2 0 1 2 ' ' ' mf a mf a t tt T T T T a a a I II         Según EN12975 [78] 0' 0.78a 1' 3.243a 2' 0.012a Tmf: Temperatura media del fluido del captador (ºC) Ta: Temperatura ambiente (ºC) It: Radiación global incidente (W/m2) La curva de rendimiento se refiere a la superficie de apertura de valor 2.21 m2. o Intercambiador de placas Se selecciona un intercambiador del fabricante SWEP, modelo 25T, de 30 placas. La eficiencia teórica se compara con la obtenida en la instalación en el apartado 5.3.1 o Depósito acumulador de calor Es un depósito de 300L de acero inoxidable, y con una presión máxima de trabajo de 8 bar. Tiene 65 mm de aislamiento de poliuretano rígido y un acabado en aluminio gofrado de 0.8 mm. Incluye una protección catódica permanente con varilla de titanio conectada a un potenciómetro. Sus dimensiones son un diámetro de 550 mm y una altura de 1460 mm. El área total interior del depósito es de 3.0 m2. o Depósito acumulador de frío Es un depósito de 1000 L de acero inoxidable, y con una presión máxima de trabajo de 8 bar. Tiene 85 mm de aislamiento de poliuretano rígido y un acabado en aluminio gofrado de 0.8 mm. Incluye también una protección catódica permanente con varilla de titanio conectada a un potenciómetro. Sus dimensiones son un diámetro de 950 mm y una altura de 1730 mm. El área total interior del depósito es de 6.6 m2. o Tuberías Las tuberías de primario y secundario son de métrica 26/28 mm, y las del resto de la instalación de 33/35mm. El aislamiento de todas las tuberías ubicadas en el exterior es de 35 mm .de espesor. Segunda parte. Capítulo 5. Instalación experimental 90 o Máquina de absorción. Es un prototipo preindustrial de disipación seca [93]. Tiene una capacidad nominal de 9.1 kW con una temperatura de generación de 90 ºC, temperatura ambiente de 35 ºC y produciendo agua fría a 15 ºC. Si la temperatura ambiente aumenta hasta 40 ºC, la enfriadora sigue siendo capaz de proporcionar el 64 % de su capacidad nominal. El COP térmico nominal es de 0.6 [94]. Este equipo ha sido también objeto posterior de una optimización, que se puede consultar en [16]. 5.2. Sistema de la adquisición de datos El equipo utilizado es el modelo 34980A del fabricante Agilent. Se utilizan sondas de inmersión PT100 de 4 hilos en cada uno de los puntos numerados de la instalación, que comprenden desde el 1 al 18 (Figura 5-1 -Figura 5-3). Estas sondas son introducidas en una vaina para evitar que ante una rotura de la sonda sea necesario el vaciado de la instalación. Entre sonda y vaina se introduce una pasta de contacto ( Figura 5-7). Esta pasta es silicona P12, de color blanco y con temperaturas de operación de -30ºC a 200ºC. Facilita el contacto entre la vaina y la sonda con una buena transferencia de calor para no desvirtuar la medida. Su conductividad térmica es de valor 0.81W/m/K. Se instalan dos sondas de inmersión en cada depósito de acumulación con una vaina de mayor longitud. Esta diferencia se realiza para que la medida esté en la parte central del depósito, con menos influencia de la temperatura de las paredes del mismo. Figura 5-7. Detalle de las sondas PT100 de inmersión utilizadas en la adquisición Las sondas seleccionadas son de clase A, con la precisión presentada en la Figura 5-8. Hay que tener en cuenta que una pequeña imprecisión en la medida de estas sondas influye de manera muy importante en los balances energéticos. Esto se debe a que los balances vendrán determinados por la diferencia de temperatura entre dos puntos, los que pueden tener diferencias significativamente pequeñas, incluso de 2 –3 ºC. Es por tanto fundamental un buen ajuste de las mismas, ya que 0.2 ºC de imprecisión en una diferencia térmica de 2 ºC supone un 10 % de error. Por tanto se procede al calibrado de las sondas con baño termostático. Se realiza con ellas ya conectadas al sistema de adquisición de datos para filtrar los posibles errores Segunda parte. Capítulo 5. Instalación experimental 91 producidos en la adquisición. La calibración consistió en determinar unos coeficientes de corrección para cada una de las sondas de temperatura. Figura 5-8. Error de medida para sondas PT100 según su clasificación La instalación consta de un medidor de temperatura exterior y radiación global. Serán dos parámetros de especial relevancia para estudiar el comportamiento del sistema. La medida de radiación se realiza sobre superficie horizontal durante los primeros ensayos (julio y agosto), y en plano de captadores después (septiembre). Esta última opción (Figura 5-9) es más conveniente desde el punto de vista del modelado matemático de la captación solar. Figura 5-9. Detalle del medidor de radiación global (con la inclinación de captadores). Respecto al medidor de temperatura ambiente cabe destacar la importancia de su colocación. En un primer momento se instaló en la parte exterior de la pared norte, directamente pegada a ella. Esto hacía que durante las primeras y últimas horas del día la sonda midiese una temperatura ambiente mayor a la real, influenciada por el aumento de temperatura que sufría la pared en dichos periodos de tiempo debido a la incidencia de radiación solar (Figura 5-10). Una vez separada de la pared se consigue evitar esta fuente de error (Figura 5-11 - Figura 5-12). 0 0.1 0.2 0.3 0.4 0.5 0.6 0.7 0.8 0.9 020 40 60 80 100 Temp. (ºC) Tolerancia (ºC) Sonda clase A Sonda clase B Segunda parte. Capítulo 5. Instalación experimental 92 Figura 5-10. Lectura de la sonda de temperatura exterior inicialmente (sonda pegada a la pared) Figura 5-11. Lectura de la sonda de temperatura exterior finalmente (ubicación según Figura 5-12) Figura 5-12. Detalle de la correcta colocación de la sonda de temperatura ambiente 10 15 20 25 30 35 40 45 7/13/2011 0:00 7/14/2011 0:00 7/15/2011 0:00 7/16/2011 0:00 7/17/2011 0:00 7/18/2011 0:00 7/19/2011 0:00 7/20/2011 0:00 Fecha Temp. ambiente (ºC) 10 15 20 25 30 35 40 45 9/22/2011 0:00 9/23/2011 0:00 9/24/2011 0:00 9/25/2011 0:00 9/26/2011 0:00 9/27/2011 0:00 9/28/2011 0:00 9/29/2011 0:00 Fecha Temp. ambiente (ºC) Segunda parte. Capítulo 5. Instalación experimental 93 La medida de caudales se realiza mediante medidor de pérdida de carga en válvulas de equilibrado. Concretamente se utiliza el medidor TA-CBI de Hydronic Engineering. Es un avanzado instrumento de medida de la presión diferencial, caudal y temperatura en válvulas TA de Tour Anderson. Las válvulas utilizadas son del mismo fabricante, de tipo STAD-C que permiten temperaturas de trabajo entre -20 ºC y 150 ºC. Figura 5-13. Medidor de caudal para válvulas de equilibrado Figura 5-14. Válvulas de equilibrado El error introducido en la medida de caudal depende del número de vueltas de cierre y lo proporciona el fabricante (Figura 5-15, donde cero vueltas corresponde a una válvula totalmente cerrada por la que no pasa fluido y 4 vueltas representa una válvula totalmente abierta). Para minimizar el error todas las válvulas se fijan con la máxima apertura. Aunque inicialmente en el proyecto se planteó el uso de caudalímetros para una medida más precisa y con posibilidad de monitorización en tiempo real, finalmente se descartó por el elevado e inabordable sobrecoste que suponía. Segunda parte. Capítulo 5. Instalación experimental 94 Figura 5-15. Desviación del caudal para diferentes posiciones de ajuste de la válvula de equilibrado En la Figura 5-16 se observa una pantalla del software utilizado para la adquisición de datos, en el que se pueden visualizar en tiempo real las condiciones de funcionamiento. Figura 5-16. Detalle de la pantalla con el software para la adquisición de datos 0 2 4 6 8 10 12 14 16 01234 Posición de ajuste (nº de vueltas) ± % Sistema auxiliar (no está en uso en la instalación analizada aquí) Segunda parte. Capítulo 5. Instalación experimental 95 Figura 5-17. Detalle del puesto de adquisición de datos La puesta en marcha tiene lugar durante junio de 2011. Se comprueba el buen funcionamiento de los diferentes circuitos que integran el sistema. 5.3. Modelado de los componentes A continuación se detallan las características específicas de los elementos que componen la instalación, así como información adicional necesaria. También se presentan algunos modelos teóricos básicos que describen su comportamiento a partir de datos experimentales. 5.3.1. Intercambiador entre primario y secundario solar Se realiza aquí el análisis y caracterización del funcionamiento del intercambiador colocado entre primario y secundario solar en tres situaciones diferentes de funcionamiento. - Ensayo 1: Configuración en equicorriente con mezcla del 40 % de propilenglicol en agua en primario solar y agua en secundario - Ensayo 2: Configuración en contracorriente con mezcla del 40 % de propilenglicol en agua en primario solar y agua en secundario - Ensayo 3: Configuración en contracorriente con agua en primario y secundario solar. Se contrasta el valor experimental con el valor que se obtiene del software de simulación del fabricante del intercambiado en los tres ensayos realizados. Segunda parte. Capítulo 5. Instalación experimental 96 Los valores de eficiencia calculados, principalmente en los dos primeros ensayos, parecen a priori bajos, pero han sido corroborados con el valor que predice el software de selección del fabricante para un punto concreto de funcionamiento. El software de selección de fabricante requiere fijar las características del fluido de trabajo y los caudales y temperaturas de entrada a ambos lados del intercambiador, de manera que permite predecir los de salida. Con dichos valores se calcula el valor de eficiencia y se compara. Ensayo 1: Se realiza un ensayo de captación solar de manera continua durante aproximadamente 7 horas, desde las 10:00 hasta las 16:50 el día 27 de junio. La evolución de temperaturas (T6, T7, T9 y T10, Figura 5-18) en ese periodo se observa en la Figura 5-19. Hay que tener en cuenta que los valores monitorizados no están justamente en las entradas y salidas del intercambiador, por lo que el cálculo incluye pérdidas térmicas a través de tuberías. Para una visualización más clara, se muestran los resultados cada 10 minutos, aunque la monitorización se realiza cada 15 segundos. Figura 5-18. Identificación de temperaturas en intercambiador (caso 1) La eficiencia se define como: 67 97 *TT TT    Teniendo en cuenta la conexión en equicorriente del intercambiador, la temperatura de salida del secundario solar T6, no supera en ningún momento a la temperatura de salida del primario hacia captadores T10. Esto provoca una baja eficiencia de valor medio 0.44 (Figura 5-20, Tabla 5-1). Segunda parte. Capítulo 5. Instalación experimental 97 Figura 5-19. Ensayo 1. Temperaturas Figura 5-20. Ensayo 1. Eficiencia del intercambiador Hora T6 (º C) T7 (ºC) T9 (ºC) T10 (ºC) Eficiencia Ensayo 11:12 63.3 59.9 68.1 63.4 41% Software de selección 11:12 63.5 59.9 68.1 63.6 44% Tabla 5-1. Comparación de temperaturas (modelo respecto a medido) y eficiencia del intercambiador. Ensayo1 Ensayo 2: Figura 5-21. Identificación de temperaturas en intercambiador en contracorriente (caso 2) 0 20 40 60 80 100 120 27-06-11 9:36 27-06-11 12:00 27-06-11 14:24 27-06-11 16:48 27-06-11 19:12 Fecha Temperatura (ºC) T6 T7 T9 T10 0 0.2 0.4 0.6 0.8 1 27-06-11 9:36 27-06-11 12:00 27-06-11 14:24 27-06-11 16:48 27-06-11 19:12 Fecha Eficiencia del intercambiador (-) Segunda parte. Capítulo 5. Instalación experimental 104 - Corrección por el efecto del intercambiador Esta corrección afecta de manera significativa. La configuración del intercambiador es en equicorriente, con un valor medio de eficiencia de valor 0.44. 3 m 1.80 prim mh  3 sec m 2.06 mh    sec sec * ** ** 11 R R cap R L prim prim prim prim F FA F U m Cp m Cp m Cp              - Corrección por pérdidas térmicas en secundario solar Se aplica de manera equivalente a la corrección por pérdidas en primario, pero teniendo en cuenta que los parámetros de pérdidas y superficie de las tuberías específicas, así como el valor de caudal y calor específico del fluido de secundario. Aplicando estas dos últimas correcciones junto a todas las anteriores, se llega a la expresión que ha de compararse con la curva de rendimiento experimental ηglobal, Figura 5-31, Tabla 5-4. Modelo teórico Modelo experimental   0.776 4.464 fi a prim t TT I      0.722 4.687 fi a prim t TT I      0.677 4.168 fi a global t TT I      0.6458 4.8182 fi a global t TT I    Tabla 5-4. Comparación curvas de rendimiento de la captación (modelo teórico y experimental) Figura 5-30. Curva de rendimiento primario. Comparación entre modelo y ensayo Segunda parte. Capítulo 5. Instalación experimental 105 Figura 5-31. Curva de rendimiento global. Comparación entre modelo y ensayo Se observa una sobreestimación del rendimiento del modelo teórico frente al experimental en la Figura 5-30 y Figura 5-31. Las diferencias encontradas están dentro del margen de error que se deduce de un análisis de propagación de incertidumbres, como se comprueba a continuación.   sec sec 6 7 global cap t m Cp T T AI      0.1 m m  0.1 t t I I  0.15 0.002 ff TT    0.5 a T El análisis de propagación de incertidumbres se calcula según el método propuesto por el NIST [95], a través del software EES [96]. A continuación se muestra el detalle del análisis para un punto concreto de funcionamiento el día 13 de septiembre a las 12:40h (Tabla 5-5 y Tabla 5-6).   sec sec 6 7 experimental global cap t m Cp T T AI      Hipótesis: T6 = 66.77 ºC, T7 =61.65 It=918.3 W/m2 Otros datos: Cp = 4183 J/kg/K, Ac de 2.205 x 15 m2 ɳglobal = 0.3957 ± 0.0637 [-] Derivada parcial % de incertidumbre It = 918.3 ± 91.8 [W/m2] -0.000431 38.59% m = 2.06 [m3/h] = 0.5612 [kg/s] 0.7052 38.59% T6 = 66.77 ± 0.28 [ºC] 0.07729 11.83% T7 = 61.65 ± 0.27 [ºC] -0.07729 10.99% Tabla 5-5. Análisis de incerticumbres Ƞglobal experimental. Ensayo 4 Segunda parte. Capítulo 5. Instalación experimental 106   teorico 0.677 4.168 fi a global t TT I    Hipótesis: Ta=29.82 ºC, Tfi = T6 = 66.77 ºC, T7 =61.65 ºC, It=918.3 W/m2 ɳglobal = 0.5093 ± 0.0170 [-] Derivada parcial % de incertidumbre It = 918.3 ± 91.8 [W/m2] 0.0001826 97.64% Tfi = 66.77 ± 0.28 [ºC] -0.004539 0.55% Ta = 29.81 ± 0.5 [ºC] 0.004539 1.79% Tabla 5-6. Análisis de incerticumbres Ƞglobal teórico. Ensayo 4   experimental 0.332 0.495 global     teórico 0.492 0.526 global   Otros factores que pueden explicar las diferencias son: - Posible disminución del rendimiento de captadores por suciedad. - Incertidumbre del % de propilenglicol real de la instalación, debido a ciertos procesos de descarga parcial del circuito y llenado del mismo sin vaciado completo. - Posible desviación del ángulo del sensor de radiación respecto al ángulo de inclinación de captadores solares. - Análisis de datos experimentales en régimen transitorio. - Las sondas de temperatura por inmersión están colocadas dentro de una vaina y con pasta de contacto. Esto podría suponer ciertas diferencias entre la temperatura real del fluido y la medida. - Distribución de caudal no homogénea entre captadores Algunos de estos posibles focos de error se anulan en el siguiente ensayo, el cual permite obtener un ajuste significativamente mejor. Ensayo 5. Este ensayo se lleva a cabo el día 28 de marzo, con la instalación conectada en modo calefacción. El ensayo se realiza con el intercambiador en contracorriente y con agua pura en el circuito primario. El caudal del circuito primario es de 1.92 m3/h y el de secundario de 1.93 m3/h. En estas condiciones, la eficiencia del intercambiador se eleva al 72 %. Se definen los flujos de energía representados en la Figura 5-2, donde [1] representa la energía solar incidente en captadores, [2] la energía captada en primario (incluye una pequeña parte de pérdidas térmicas en tuberías) y [3] la energía aportada a los depósitos de acumulación de agua caliente. Hay que tener en cuenta que ahora la definición es ligeramente diferente al caso Segunda parte. Capítulo 5. Instalación experimental 107 anterior por la diferente conexión en modo calefacción frente a la conexión en modo refrigeración.   sec sec 6 11 [3] [1] global cap t m Cp T T AI    La variación de temperaturas y flujos de energía durante el día de ensayo se muestra en la Figura 5-32 y la Figura 5-33. Figura 5-32. Temperaturas implicadas y radiación solar incidente en captadores (representada en el eje secundario en W/m2). Ensayo 5 Figura 5-33. Flujos de energía. Ensayo 5 La curva experimental se compara con la que obtendríamos de un modelo teórico con las correcciones previamente mostradas en el ensayo 4. El resultado es prácticamente coincidente (Figura 5-34 - Figura 5-35). La comparación entre ambos modelos es muy buena como se observa a continuación. 840 860 880 900 920 940 960 980 1000 1020 1040 0 10 20 30 40 50 60 70 80 90 28-03-12 13:12 28-03-12 14:24 28-03-12 15:36 28-03-12 16:48 Temperatura (ºC) Condiciones del ensayo T6 T11 T9 T10 Radiación 0 5 10 15 20 25 30 35 40 28-03-12 13:12 28-03-12 14:24 28-03-12 15:36 28-03-12 16:48 Potencia (kW) Flujos de energía durante el ensayo [1] [2] [3] Segunda parte. Capítulo 5. Instalación experimental 108 Figura 5-34. Curva de rendimiento primario. Comparación entre modelo y ensayo Figura 5-35. Curva de rendimiento global. Comparación entre modelo y ensayo A continuación se muestra el detalle del análisis de propagación de incertidumbres para un punto concreto de funcionamiento (día 28 de marzo a las 12:40h), Tabla 5-7 y Tabla 5-8. Se considera sólo un 5 % de incertidumbre en la medida de radiación solar respecto al análisis anterior donde se utilizó un 10 %. También se puede consultar la gráfica con ambos resultados, e indicando el margen de error en el caso experimental.   sec sec 6 11 experimental global cap t m Cp T T AI      T6 = 59.32 ºC, T7 =51.14 It = 1014.3 W/m2 Otros datos: Cp = 4183 J/kg/K, Ac de 2.205 x 15 m2 ɳglobal = 0.5931 ± 0.0656 [-] Derivada parcial % de incertidumbre It = 1014.3 ± 50.7 [W/m2] -0.0005315 16.87% msec = 0.5286 ± 0.0529 [kg/s] 1.02 67.49% T6 = 59.32 ± 0.273 [ºC] 0.06591 7.53% T11 = 51.14 ± 0.284 [ºC] -0.06591 8.11% Tabla 5-7. Análisis de incerticumbres Ƞglobal experimental. Ensayo 5 0 0.1 0.2 0.3 0.4 0.5 0.6 0.7 0.8 0 0.05 0.1 ηprimario (Ti-Ta)/G Modelo teórico Ensayo 0 0.1 0.2 0.3 0.4 0.5 0.6 0.7 0.8 0 0.05 0.1 ηglobal (Ti-Ta)/G Modelo teórico Ensayo Segunda parte. Capítulo 5. Instalación experimental 109   teorico 0.7305 4.4923 fi a global t TT I    Hipótesis: Ta=21.84ºC, Tfi = T6 = 59.32ºC, T11 =51.14, It=1014.3W/m2 ɳglobal = 0.5645 ± 0.0086 [-] Derivada parcial % de incertidumbre It = 1014.3 ± 101.4 [W/m2] 0.0001637 91.54% Tif = 59.32 ± 0.273 [ºC] -0.004429 1.95% Ta = 21.84 ± 0.5 [ºC] 0.004429 16.52% Tabla 5-8. Análisis de incerticumbres Ƞglobal teórico. Ensayo 5   experimental 0.528 0.659 global     teórico 0.556 0.573 global   Figura 5-36. Comparación entre modelo teórico y experimental con incertidumbres 5.3.3. Depósito de acumulación de agua caliente En este apartado se van a exponer las caracterísiticas específicas del depósito de acumulación, así como el análisis del comportamiento real del mismo. Ver Figura 5-37. Se considera despreciable el coeficiente de convección interior, al igual que la resistencia térmica del material del depósito debido a la alta conductividad del mismo. Estas mismas simplificaciones se hacen en la Guía del IDAE [102]. El aislamiento del depósito es de 65 mm de poliuretano rígido, con una conductividad térmica de 0.026 W/m/K. Pero este valor depende del gas espumante utilizado en la fabricación, de la temperatura y además es particularmente sensible al envejecimiento. La conductividad puede variar entre 0.02 W/m/K hasta valores cercanos a 0.04 W/m/K [99]. De manera que se estudia Segunda parte. Capítulo 5. Instalación experimental 110 también el valor de coeficiente de transferencia del depósito para una conductividad térmica de 0.04 W/m/K. Figura 5-37. Detalles del depósito para agua caliente de 300L El coeficiente de convección exterior viene marcado en función del régimen de circulación del aire sobre el depósito. Concretamente depende de dos parámetros, la velocidad del aire v y el diámetro exterior del depósito D [102]. - Régimen laminar si 2 v 0.00855 ext m Ds  0.0081 v +3.14 ext ext ext hc DD  - Régimen turbulento si 2 v 0.00855 ext m Ds  0.9 0.1 v 8.09 ext ext hc D  En este caso, para velocidades de aire bajas, de valor 0.015 m/s ya se estaría en régimen turbulento. Y el coeficiente convectivo depende de esta velocidad (ver Figura 5-38) Segunda parte. Capítulo 5. Instalación experimental 111 Figura 5-38. Coeficiente de convección exterior en función de la velocidad de aire Con estos valores se calcula un rango en el que podría estar el coeficiente de pérdidas del depósito en función de la velocidad de aire exterior, y la conductividad del aislamiento (Figura 5-39). int conv H ln 1 2 ext ext UA DD k D h           int H 1.46 m 0.6 0.55 ext D D    Figura 5-39. Coeficiente de convección exterior en función de la velocidad de aire y la conductividad del aislante En este estudio se pretende: - Comparar los datos de ensayo con modelos teóricos de pérdidas térmicas en depósitos - Evaluar diferentes efectos que pueden añadir pérdidas térmicas innecesarias que contribuyen a un detrimento del comportamiento global de la instalación   0.9 1.7UA Segunda parte. Capítulo 5. Instalación experimental 112 5.3.3.1. Caracterización inicial depósito caliente Caso 1 de caracterización: Se realiza la caracterización a partir de los datos medidos la madrugada del 28 de junio. El día anterior el sistema solar se encuentra en funcionamiento. Su parada se produce por la tarde. En ese momento el depósito caliente tiene una temperatura media de aproximadamente 82 ºC y una pequeña estratificación de 5 ºC; y el depósito frío una temperatura muy homogénea de valor 14.5 ºC. A partir de la parada, el depósito está sometido exclusivamente a pérdidas térmicas. En la Figura 5-40 se observa el seguimiento la temperatura interior del depósito caliente (de T19 y T20 para la parte superior e inferior respectivamente). También se puede ver la temperatura interior del depósito frío (de T21 y T22 para la parte superior e inferior respectivamente). Figura 5-40. Evolución de las temperaturas de ambos depósitos durante un día de funcionamiento normal y posterior parada nocturna La caracterización del depósito se hace en un periodo donde el depósito está sometido exclusivamente a pérdidas térmicas. Concretamente se selecciona el periodo que va desde las 4:30 a las 6:30 de la madrugada. La evolución de este periodo se muestra con más detalle en la Figura 5-41, junto a la media de las temperaturas del depósito caliente como representativa de la temperatura media del depósito así como la temperatura ambiente.   V Cp a dep dT U A T T dt         3 3 ini fin (después de t = 10800 s) kg 998 m 0.3 m 20.3 ºC 58.8 º 52.9 º a dep dep V T T T       19.0 W KUA 0 10 20 30 40 50 60 70 80 90 100 27-06-11 4:48 27-06-11 9:36 27-06-11 14:24 27-06-11 19:12 28-06-11 0:00 28-06-11 4:48 28-06-11 9:36 28-06-11 14:24 Temperatura (ºC) T19 T20 T21 T22 Segunda parte. Capítulo 5. Instalación experimental 113 Figura 5-41. Detalle de la evolución libre de la temperatura del depósito caliente durante la parada (28 de junio) Este valor es significativamente mayor del calculado inicialmente. Por tanto se exploran a continuación diferentes casos de caracterización que tienen en cuenta otros periodos de tiempo o actuaciones concretas de mejora para subsanar ciertas deficiencias localizadas que influyen incrementando las pérdidas térmicas en los depósitos de acumulación. Caso 2 de caracterización: Se realiza la misma caracterización en el mismo día que la anterior, pero considerando un periodo de tiempo más amplio, desde las 00:00 a las 6:30. La temperatura media del depósito (calculada de manera aproximada como la media entre la temperatura de la parte superior y la de la parte inferior) varía desde 67.4 ºC a 54.8 ºC, y la temperatura ambiente media es de 21.9 ºC. 17.8 W KUA Supone una desviación del 6.6 % respecto al valor calculado antes. Pero sigue siendo mucho mayor del valor teórico. A continuación se identifican ciertas causas que pueden explicar las diferencias. Para ello se realizan actuaciones concretas y se cuantifica una a una su influencia en el cálculo del coeficiente de pérdidas. 5.3.3.2. Caracterización de la inhibición de circulación natural Durante la parada del sistema todo parece indicar que hay circulación natural a través de los circuitos a los que se conecta el depósito de agua caliente. Para comprobarlo, después de un día de funcionamiento normal del sistema solar, se produce la parada. Y en este caso se inhibe la circulación cerrando las válvulas de corte instaladas en todas las salidas y entradas de agua al depósito. Los datos analizados son del día 14 de septiembre, durante el periodo de tiempo entre las 00:00 y las 6:30. 0 10 20 30 40 50 60 70 80 90 27-06-11 14:24 27-06-11 19:12 28-06-11 0:00 28-06-11 4:48 28-06-11 9:36 28-06-11 14:24 Temperatura (ºC) T30 Tm T19 T20 Segunda parte. Capítulo 5. Instalación experimental 120 Figura 5-47. Evolución libre de la temperatura del depósito frío con circulación natural impedida (14 – 15 de septiembre) En este segundo caso, con las mejoras implementadas (mejora de aislamiento e inhibición de circulación natural) se consigue: W 7.4UA m  Se observa que las mejoras permiten una disminución de ganancias térmicas muy significativa, y un cambio importante de comportamiento justo tras la parada del sistema. Pero aún así, el valor es aproximadamente 2.8 veces mayor que el teórico. A continuación se analizan algunas otras posibles explicaciones de la diferencia, algunas de las cuales coninciden con las expuestas anteriormente en el depósito de agua caliente son aplicables aquí. 5.3.5. Enfriadora de absorción El equipo de absorción utilizado es un prototipo preindustrial [93], [94]. Las curvas de funcionamiento que describen el comportamiento del equipo están en función de las temperaturas de agua de refrigeración, de generación, de la temperatura de aire y de las revoluciones del ventilador. Los coeficientes específicos para el prototipo preindustrial utilizado según el método de la ecuación característica (según apartado 3.2.2) son deducidos en [16]. Teniendo en cuenta que el equipo es de disipación seca, las expresiones del método de la ecuación característica originales sufren un ligero cambio consistente en depender indirectamente de la temperatura del aire de entrada al sistema de disipación a través de la temperatura del y la frecuencia de giro del ventilador. Estas expresiones son: 0 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 10/11/2011 9:36 10/11/2011 14:24 10/11/2011 19:12 10/12/2011 0:00 10/12/2011 4:48 10/12/2011 9:36 10/12/2011 14:24 Fecha Temperatura (ºC) T21 T22 T30 Tm Funcionamiento durante el día Sistema parado. Evolución del depósito frío Segunda parte. Capítulo 5. Instalación experimental 121 0.6415 0.0035 0.4360 0.2730 1.7412 eva a eva gen Q T rev T T          0.8483 0.0047 0.4768 0.4475 5.5139 gen a eva gen Q T rev T T          1.4898 0.0082 0.9129 0.7206 7.2551 ac a eva gen Q T rev T T          donde: Qeva (kW): Potencia de refrigeración Qgen (kW): Potencia de generación Qac (kW): Potencia de disipación Teva (ºC): Temperatura salida agua fría Tgen (ºC): Temperatura entrada agua generación Ta (ºC): Temperatura del aire del foco de disipación Esta curva de funcionamiento (modelo 1) ha sido obtenida para un caudal fijo de agua de generación y de evaporación. Pero la instalación real finalmente tiene unos valores de caudal ligeramente diferentes. Es por ello que con los datos experimentales de varios días de funcionamiento (en periodos con temperaturas de funcionamiento relativamente estables) se plantea la modificación de los parámetros de la curva de partida (modelo 2). La comparación entre modelos se presenta en la Figura 5-48. Se observa que el modelo 1 (aunque los caudales reales son ligeramente diferentes a los de partida) es relativamente bueno, y se ajusta a los valores obtenidos en la instalación prototipo. Pero el modelo 2 se ajusta de manera más precisa para los caudales reales con los que funciona el equipo. Figura 5-48.Equipo de absorción. Comparación ENSAYO-MODELOS. Puntos de funcionamiento de dos periodos de funcionamiento durante el día 5 de julio de 2011 (de 12:35 a 13:15, y de 13:38 a 14:45) 0 5 10 15 20 25 1 Puntos de funcionamiento Potencia (kW) QE (kW) QG (kW) QE (kW) Modelo 1 QG (kW) Modelo1 QE (kW) Modelo2 QG (kW) Modelo2 Segunda parte. Capítulo 5. Instalación experimental 122 5.4. Descripción de varios días de funcionamiento En este apartado se muestra el funcionamiento de la instalación en varios días concretos, tanto de refrigeración como de calefacción. La nomenclatura de temperaturas utilizada en la adquisición de datos para entender los resultados (Figura 5-49). Un día concreto de funcionamiento fue también analizado y publicado previamente [100]. Figura 5-49. Nomenclatura de temperaturas de la instalación También se hará referencia a otras temperaturas a continuación detalladas: T30  Temperatura ambiente T31  Temperatura de la caseta 1 T32  Temperatura de la caseta 2 Por otra parte, las temperaturas de trabajo de la máquina de absorción son: T1  Temperatura de entrada al generador T2  Temperatura de entrada al evaporador T3  Temperatura de salida del generador T4  Temperatura de salida del evaporador Sistema auxiliar (no está en uso en la instalación analizada aquí) Segunda parte. Capítulo 5. Instalación experimental 123 5.4.1. Funcionamiento en modo refrigeración - Funcionamiento durante el día 13 de junio de 2011 Se pone en marcha la instalación a las 9:30 de la mañana. Se parte de una temperatura media en el depósito caliente de 33,2 ºC y del depósito frío de 25.4 ºC, Figura 5-50. A las 12:16 se consigue suficiente temperatura en el depósito caliente para activar la máquina de absorción. Tienen lugar varios arranques y paradas de la máquina de absorción, hasta que llega un momento en el que se estabiliza. Se proporciona refrigeración aproximadamente de 13:00 a 13:30 y posteriormente de 15:00 a 18:30. Se puede observar cómo los arranques de la captación solar van acompañados de un aumento brusco de T9 (temperatura de salida de captadores), Figura 5-50. Esto es debido a que durante la parada ha tenido lugar una acumulación de energía en captadores, y toda esta energía es recogida en el momento del arranque de la captación. Se observa que estos transitorios son cortos (apenas 2-3 minutos). También son muy cortos los transitorios en el arranque y parada de la máquina de absorción, prácticamente imperceptibles. Figura 5-50. Variables generales (13 de junio de 2011) Las siguientes figuras (Figura 5-51, Figura 5-52, Figura 5-53 y Figura 5-54) muestran el detalle de temperaturas implicadas en la captación solar, el equipo de absorción, el almacenamiento de energía y la demanda. Y los flujos de energía se representan en la Figura 5-55. 0 20 40 60 80 100 120 13-06-11 7:12 13-06-11 9:36 13-06-11 12:00 13-06-11 14:24 13-06-11 16:48 13-06-11 19:12 13-06-11 21:36 Temperatura (ºC) T1 T4 T9 T10 T18 T19 T20 T21 T22 T30 T31 T33 Arranques de la captación solar Periodos de funcionamiento de la máquina de absorción Refrigeración de las casetas Segunda parte. Capítulo 5. Instalación experimental 124 Figura 5-51. Variables implicadas en la captación solar (13 de junio de 2011) Figura 5-52. Variables implicadas en el equipo de absorción (13 de junio de 2011) Figura 5-53. Variables implicadas en el almacenamiento de energía (13 de junio de 2011) 0 20 40 60 80 100 120 13-06-11 7:12 13-06-11 9:36 13-06-11 12:00 13-06-11 14:24 13-06-11 16:48 13-06-11 19:12 13-06-11 21:36 Temperatura (ºC) T9 T10 T30 0 20 40 60 80 100 120 13-06-11 7:12 13-06-11 9:36 13-06-11 12:00 13-06-11 14:24 13-06-11 16:48 13-06-11 19:12 13-06-11 21:36 Temperatura (ºC) T1 T2 T3 T4 T30 0 20 40 60 80 100 120 13-06-11 7:12 13-06-11 9:36 13-06-11 12:00 13-06-11 14:24 13-06-11 16:48 13-06-11 19:12 13-06-11 21:36 Temperatura (ºC) T19 T20 T21 T22 T30 Segunda parte. Capítulo 5. Instalación experimental 125 Figura 5-54. Variables implicadas en la demanda (13 de junio de 2011) Figura 5-55. Flujos de energía (13 de junio de 2011) - Funcionamiento durante el día 15 de septiembre de 2011 Es un día en que la temperatura de agua caliente acumulada es significativamente más elevada respecto al ensayo anterior debido a que la instalación estuvo en marcha el día previo al ensayo. La captación solar se pone en marcha a las 11:43 (porque previamente se han llevado a cabo ciertas comprobaciones en la instalación y no ha estado en funcionamiento). Tiene dos paradas de aproximadamente 5 minutos, continuando posteriormente de manera estable desde las 12:46 hasta las 16:20. A partir de este momento la radiación solar comienza a ser insuficiente para una captación solar continuada, pero se observan varios arranques y paradas de la misma. El equipo de absorción se pone en marcha cuando la temperatura del depósito caliente es suficiente, algo que se produce a las 13:58. El equipo está en marcha aproximadamente 30minutos y posteriormente tienen lugar otros dos arranques y paradas antes de conseguir un funcionamiento estable hasta las 16:40. Posteriormente tienen lugar dos arranques y paradas 0 5 10 15 20 25 30 35 40 13-06-11 7:12 13-06-11 9:36 13-06-11 12:00 13-06-11 14:24 13-06-11 16:48 13-06-11 19:12 13-06-11 21:36 Temperatura (ºC) T17 T18 T30 0 10 20 30 40 50 60 70 13-06-11 7:12 13-06-11 9:36 13-06-11 12:00 13-06-11 14:24 13-06-11 16:48 13-06-11 19:12 13-06-11 21:36 Potencia (kW) [8] [5] [6] [2] Segunda parte. Capítulo 5. Instalación experimental 126 adicionales que duran aproximadamente 40min (20 minutos en funcionamiento y 20 minutos parada). A partir de las 14:00 el sistema comienza a abastecer la demanda de las casetas, hasta las 17:40, hora en que finaliza el ensayo. Figura 5-56. Variables generales (15 de septiembre de 2011) Las siguientes figuras (Figura 5-57, Figura 5-58, Figura 5-59 y Figura 5-60) muestran el detalle de temperaturas implicadas en la captación solar, el equipo de absorción, el almacenamiento de energía y la demanda. Y los flujos de energía se representan en la Figura 5-61. Figura 5-57. Variables implicadas en la captación solar (15 de septiembre de 2011) 0 20 40 60 80 100 120 140 15-09-11 7:12 15-09-11 9:36 15-09-11 12:00 15-09-11 14:24 15-09-11 16:48 15-09-11 19:12 Temperatura (ºC) 0 200 400 600 800 1000 1200 Radiación sobre plano de captadores (W/m2) T1 T4 T9 T10 T18 T19 T20 T21 T22 T30 T31 T33 Radiación 0 20 40 60 80 100 120 140 15-09-11 7:12 15-09-11 9:36 15-09-11 12:00 15-09-11 14:24 15-09-11 16:48 15-09-11 19:12 Temperatura (ºC) 0 200 400 600 800 1000 1200 Radiación sobre plano de captadores (W/m2) T9 T10 T30 Radiación Segunda parte. Capítulo 5. Instalación experimental 127 Figura 5-58. Variables implicadas en el equipo de absorción (15 de septiembre de 2011) Figura 5-59. Variables implicadas en el almacenamiento de energía (15 de septiembre de 2011) Figura 5-60. Variables implicadas en la demanda (15 de septiembre de 2011) 0 10 20 30 40 50 60 70 80 90 100 15-09-11 7:12 15-09-11 9:07 15-09-11 11:02 15-09-11 12:57 15-09-11 14:52 15-09-11 16:48 15-09-11 18:43 Temperatura (ºC) T1 T2 T3 T4 T30 0 10 20 30 40 50 60 70 80 90 100 15-09-11 7:12 15-09-11 9:07 15-09-11 11:02 15-09-11 12:57 15-09-11 14:52 15-09-11 16:48 15-09-11 18:43 Temperatura (ºC) T19 T20 T21 T22 T30 0 5 10 15 20 25 30 35 40 15-09-11 7:12 15-09-11 9:07 15-09-11 11:02 15-09-11 12:57 15-09-11 14:52 15-09-11 16:48 15-09-11 18:43 Temperatura (ºC) T17 T18 T30 Segunda parte. Capítulo 5. Instalación experimental 128 Figura 5-61. Flujos de energía (15 de septiembre de 2011) Se obtienen interesantes conclusiones de estos ensayos o Se observa una pequeña estratificación en el depósito de agua caliente cuando está funcionando la máquina de absorción debido al salto térmico que se produce en el generador de la misma. Esta estratificación no se produce o es prácticamente imperceptible cuando el depósito exclusivamente está sometido a la ganancia de energía por captación solar debido al menor salto térmico que se produce. o No se produce estratificación en el depósito de agua fría. o Los caudales vehiculados en la instalación son elevados por lo que la tasa de recirculación del agua de los depósitos es elevada, lo que genera la mezcla y explica la baja estratificación obtenida. 5.4.2. Funcionamiento en calefacción - Funcionamiento durante el día 16 de diciembre de 2011 Hay que tener en cuenta la diferente forma de conectar los componentes de la instalación que se produce en modo calefacción gracias al uso de las válvulas de 3 vías utilizadas (Figura 5-2). A primera hora comienza a demandarse energía de calefacción aproximadamente a las 8:55. Aunque aún no hay captación solar, los depósitos de agua caliente han almacenado energía solar del día anterior ( Figura 5-62) y son capaces de suministrar energía a consumo. 0 5 10 15 20 25 30 35 15-09-11 7:12 15-09-11 9:07 15-09-11 11:02 15-09-11 12:57 15-09-11 14:52 15-09-11 16:48 15-09-11 18:43 Potencia (kW) [1] [2] [5] [6] [8] Segunda parte. Capítulo 5. Instalación experimental 129 Figura 5-62. Detalle de la temperatura de los depósitos al comienzo del día (8:55) Sobre las 9:32 tiene lugar el comienzo de la captación solar, la cual se mantiene en marcha hasta aproximadamente las 16:18 de la tarde. Después vuelve a arrancar durante aproximadamente 10min a las 17:57. La demanda de calefacción es continua hasta las 17:35. Las variables implicadas se pueden consultar en la Figura 5-63. Y el detalle de temperaturas implicadas en la captación solar, el almacenamiento de energía y la demanda, en la Figura 5-64, Figura 5-65 y Figura 5-66 respectivamente. Se alcanza una potencia pico de captación solar cercana a los 20 kW, y una potencia de consumo de entre 5 y 10 kW (Figura 5-67). Al final del ensayo, los depósitos de agua están a mayor temperatura (y con una pequeña estratificación, la cual se hace mucho más pronunciada tras el periodo de parada nocturna, Figura 5-65). Figura 5-63. Variables generales (16 de febrero de 2012). Modo calefacción 0 10 20 30 40 50 60 70 80 16-02-12 7:12 16-02-12 9:36 16-02-12 12:00 16-02-12 14:24 16-02-12 16:48 16-02-12 19:12 Temperatura (ºC) 0 200 400 600 800 1000 1200 Radiación sobre plano de captadores (W/m2) T9 T10 T17 T18 T19 T20 T21 T22 T30 Radiación Anexo 3. Simulación detallada. Configuración 3 232 potencia de refrigeración que permite combatir el fancoil, y por tanto su proximidad a la demanda cubierta. Figura A3-46. Balance entre demanda y cobertura de refrigeración para varios días de verano. Cobertura de refrigeración sensible y total con energía solar (“Qsens” y “Qtotal”), frente a la demandada (“Qsens_demandada” y “Qtotal_demandada”). “Qmax_fanc” es la capacidad de refrigeración del fancoil. Conf3 para una temperatura de consigna del sistema auxiliar de refrigeración de 10ºC Figura A3-47. Balance entre demanda y cobertura de refrigeración para varios días de verano. Cobertura de refrigeración sensible y total con energía solar (“Qsens” y “Qtotal”), frente a la demandada (“Qsens_demandada” y “Qtotal_demandada”). “Qmax_fanc” es la capacidad de refrigeración del fancoil. Conf3 para una temperatura de consigna del sistema auxiliar de refrigeración de 15ºC A3.10.2. Calefacción Se observa una caída importante de la cobertura de la demanda de calefacción al aumentar la temperatura de activación del sistema auxiliar. Concretamente, aumentar la consigna de 30ºC a 50ºC hace disminuir la cobertura de calefacción con solar desde un 98.15% hasta un 44.12%. Esto supone un aumento de energía auxiliar de calefacción desde 1111kWh hasta 1950kWh anuales. Para el caso de Málaga se estima adecuada una consigna de 30ºC. Esto supone que en ningún momento la demanda de calefacción queda insatisfecha por el sistema (para el fancoil utilizado en las simulaciones). 0 10000 20000 30000 40000 50000 60000 70000 5500 5524 5548 5572 hora del año kJ/h Qsens Qtotal Qmax_fanc Qsens_demandada Qtotal_demandada 0 10000 20000 30000 40000 50000 60000 70000 5500 5524 5548 5572 hora del año kJ/h Qsens Qtotal Qmax_fanc Qsens_demandada Qtotal_demandada Anexo 3. Simulación detallada. Configuración 3 233 Figura A3-48. Cobertura (%) de la demanda con energía solar en función de la temperatura de activación del sistema auxiliar para calefacción. Málaga. Conf3 Figura A3-49. Influencia de la temperatura de activación del sistema auxiliar de calefacción en la energía auxiliar térmica requerida (kWh). Málaga. Conf3 En San Sebastián, la demanda de calefacción es mayor. Es por ello que la influencia de esta consigna en la cobertura de calefacción en términos energéticos es también mayor respecto de Málaga (Figura A3-50 hasta Figura A3-52). Estos resultados inducen a colocar la temperatura de activación lo más baja posible, pero hay tener en cuenta que si está por debajo de un determinado valor (que puede determinarse por simulación) podemos encontrarnos con que la demanda de calefacción no queda satisfecha en todo momento. En este caso, una temperatura de 30ºC es también una temperatura adecuada como consigna (teniendo en cuenta que el fancoil utilizado es el determinado para San Sebastián con la máxima velocidad del ventilador en época de invierno). Si el fancoil es de menor potencia se ha de aumentar esta consigna con la consecuente disminución en la cobertura de calefacción con energía solar (mucho más significativa en San Sebastián que en Málaga en términos energéticos). 0 20 40 60 80 100 25 35 45 55 Temp del sist aux clf (ºC) % Calefacción Refrigeración (sens) ACS Total 0 1000 2000 3000 4000 5000 6000 7000 8000 9000 10000 25 30 35 40 45 50 55 Temp del sist aux clf (ºC) kWh Calefacción Refrigeración (total) ACS Total Anexo 3. Simulación detallada. Configuración 3 234 Figura A3-50. Influencia de la temperatura de activación del sistema auxiliar de calefacción en la cobertura (%) de la demanda con energía solar. San Sebastián. Conf3 Figura A3-51. Influencia de la temperatura de activación del sistema auxiliar de calefacción en la energía auxiliar térmica requerida (kWh). San Sebastián. Conf3 Figura A3-52. Influencia de la temperatura de activación del sistema auxiliar de calefacción en la cobertura (kWh) de la demanda con energía solar. San Sebastián. Conf3 0 20 40 60 80 100 25 35 45 55 Temp del sist aux clf (ºC) % Calefacción Refrigeración (sens) ACS Total 0 2000 4000 6000 8000 10000 12000 14000 16000 25 30 35 40 45 50 55 Temp del sist aux clf (ºC) kWh Calefacción Refrigeración (total) ACS Total 0 1000 2000 3000 4000 5000 6000 25 35 45 55 Temp del sist aux clf (ºC) kWh Refrigeración (sens) Refrigeración (total) Calefacción ACS Anexo 4. Simulación detallada. Configuración 4 235 Anexo 4. Simulación detallada. Configuración 4 En este anexo se muestra en detalle el resultado de las simulaciones relativas a la configuración 3 (esquema simplificado en Figura A4-1). Figura A4-1. Configuración 4. Sistema solar con acumulación de calor y frío, y equipo auxiliar de frío en paralelo con el depósito Esta configuración consta tanto de depósito caliente como de depósito frío. Al igual que la configuración 3 incluye el sistema auxiliar. Pero la conexión del mismo se produce en este caso en paralelo con el depósito frío (el cual almacena agua caliente en invierno), lo que significa que cuando el sistema auxiliar está activo, es él quien abastece la totalidad de la demanda. Por otra parte, hay que tener en cuenta que la utilización del depósito frío como depósito caliente implica cambiar la conexión de éste con la unidad terminal (fancoil) en función de la época del año. Conexión a la parte superior del mismo (en modo calefacción) y a la parte inferior (en modo refrigeración). A continuación se detallan los esquemas de principio detallados con la nomenclatura de las variables que intervienen en la simulación (caudales y temperaturas), así como la identificación de secciones donde se analiza el balance de energía. Se analiza el caso base, definido de manera similar en todas las configuraciones y cuyas características se pueden consultar en los apartados 3.2 y 4.1. Después se analiza la influencia que tienen diferentes factores (ciudad, área de captación, volumen de acumulación, tipo de captador e inclinación de los mismos, comportamiento del equipo de absorción y temperaturas de consigna). Anexo 4. Simulación detallada. Configuración 4 236 La explicación detallada de la influencia de los diferentes factores se ha tratado en profundidad en el anexo 1 para la configuración 1, así como la explicación de gráficas y tablas. En los anexos 2 al 5, aunque se expondrán las tablas y gráficas con los resultados, se describirán más brevemente ya que muchos de los factores influyen de manera equivalente en todas las configuraciones. Los factores que afecten de manera diferenciada se expondrán en detalle. Para más información consultar anexo 1. La lógica de control se detalla en el apartado 2.3.2 y 2.3.3. A4.1. Esquemas La Figura A4-2 muestra el esquema de principio de la instalación. Al igual que en la configuración 3, la válvula diversora on-off (cuyo funcionamiento es completamente abierto o cerrado) representada a la salida del depósito caliente estará en diferente posición en función de que nos encontremos en invierno o verano. En verano permitirá al fluido dirigirse desde el depósito caliente hacia el generador de la máquina de absorción. Y en invierno enviará el fluido desde el depósito solar hasta el segundo depósito (que actúa como caliente en esta época del año). Nos encontramos también con otras dos válvulas difersoras on-off tras el segundo acumulador (frío en verano y caliente en invierno) que únicamente permiten direccional fluido al fancoil proveniente del sistema solar o del auxiliar, pero no de ambos simultáneamente (conexión paralelo). Realmente en el esquema físico esta válvula es única, así como las bombas B7 y B8 son la misma físicamente. En la Figura A4-3 se presentan las secciones en que se realizan los balances de energía. En ella no se ha definido la nomenclatura para la energía de salida del depósito frío, las pérdidas del mismo y la energía auxiliar requerida. Para su definición se va a realizar una distinción entre el funcionamiento en verano y en invierno (ver Figura A4-4 y Figura A4-5). Esto permite plantear más claramente los balances energéticos, siendo clave a la hora de evaluar el funcionamiento del sistema. Anexo 4. Simulación detallada. Configuración 4 237 Figura A4-2. Variables de simulación. Configuración 4 Figura A4-3. Balances de energía. Configuración 4 Figura A4-4. Balances de energía (invierno). Configuración 4 Anexo 4. Simulación detallada. Configuración 4 238 Figura A4-5. Balances de energía (verano). Configuración 4 A4.2. Caso base A continuación se muestran figuras y tablas que presentan el comportamiento del caso base de la configuración 4. Figura A4-6. Demanda y cobertura mensual con energía solar. Caso base de la configuración3. Málaga Figura A4-7. Fracción mensual de la demanda cubierta con energía solar. Caso base de la configuración 3. Málaga Comparación energética: Datos generales Área de captación 30 m2 Volumen de acumulación de calor 300 l Volumen de acumulación de frío 900 l Número de horas en las que funcionan: Las bombas del circuito de captación (B1, B2) 2314 h Las bombas B5, B6 en verano 800 h 0 500 1000 1500 2000 2500 3000 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 mes del año kW.h Demanda de refrigeración (sensible) Demanda de calefacción Demanda para ACS Refrigeración sensible cubierta con solar Calefacción cubierta con solar Energía para ACS cubierta con solar 0 0.2 0.4 0.6 0.8 1 1.2 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 mes del año Fracción Fracción de refrigeración sensible cubierta con solar Fracción de calefacción cubierta con solar Fracción de ACS cubierta con solar Anexo 4. Simulación detallada. Configuración 4 239 La bomba B5 en invierno 398 h La bomba del circuito de refrigeración B8 918 h La bomba del circuito de calefacción B7 1137 h La bomba del circuito de ACS B3 6843 h Sistema auxiliar de calefacción 119 h Sistema auxiliar de refrigeración 386 h Energía térmica demandada Calefacción 3490 kWh Refrigeración SENS 9529 kWh ACS 2847 kWh Demanda térmica cubierta[*] Calefacción 3490 kWh Refrigeración sensible 9525 kWh Refrigeración total 10457 kWh Energía térmica auxiliar Calefacción 1279 kWh Refrigeración 4273 kWh ACS 141 kWh Radiación total sobre el captador 58523 kWh Calor anual producido por el captador solar[*2] 16432 kWh Producción anual de frío con energía solar (total) [*3] 6109 kWh Producción anual de frío con energía solar (sensible) [*4] 5177 kWh Producción anual de calefacción con energía solar [*5] 2211 kWh Energía solar útil [*6] 13771 kWh Eficiencia neta de la captación [*7] 28.08 % Eficiencia neta del captador solar [*8] 33.58 % COP de la enfriadora de absorción 0.72 - Energía útil de captadores por área de captación [*9] 547.73 kWh/m2 Energía solar útil por área de captación 459.02 kWh/m2 Energía ahorrada para calefacción por área de captación 73.70 kWh/m2 Energía ahorrada para refrigeración (total) por área de captación 206.12 kWh/m2 Energía ahorrada para refrigeración (sens) por área de captación 187.75 kWh/m2 Energía ahorrada para ACS por área de captación 90.19 kWh/m2 Calefacción (%) cubierta con energía solar 63.36 % Refrigeración sensible (%) cubierta con energía solar 54.33 % ACS (%) cubierta con energía solar 95.04 % Demanda cubierta con energía solar 63.62 % Temperaturas medias de funcionamiento Del depósito 68.30 ºC De alimentación a la máquina de absorción 85.88 ºC De alimentación al fancoil en modo calor 56.08 ºC De alimentación al fancoil en modo frío 10.66 ºC De producción de la máquina de absorción 7.35 ºC [*] Energía de climatización que proporciona la configuración con energía solar y auxiliar, [*2] Flujo [2], [*3] Refrigeración total de origen solar. Se calcula sumando los valores del flujo [17] durante las horas en las que el depósito frío alimenta al fancoil, [*4] Refrigeración sensible de origen solar. Se calcula sumando los valores del flujo [17] durante las horas en las que el depósito frío alimenta al fancoil, ponderado cada uno de estos valores por el factor de calor sensible que en cada momento tiene el fancoil en función de la temperatura de alimentación al mismo proveniente de la parte inferior del depósito frío, [*5] Calefacción proporcionada con energía solar. Se calcula sumando los valores del flujo [12] durante las horas en las que el depósito frío (funcionando en modo invierno) alimenta al fancoil, Anexo 4. Simulación detallada. Configuración 4 240 [*6] Suma de los flujos de calor [10], [11] y [28], [*7] Relación entre los flujos [2] y [1], [*8] Relación entre los flujos [2] y [1] cuando el circuito de captación está activo, [*9] Flujo [2] en relación al área de captación Balance energético anual FLUJO Energía [kW.h] Reparto primario [%] (1) Radiación sobre captadores 58522.57 100 (2) Energía cedida por los captadores al fluido primario 16431.80 28.08 (3) Pérdidas en las tuberías del primario 145.99 0.25 (4) Energía transferida en el intercambiador de calor 16238.56 27.75 (5) Pérdidas del acumulador solar 1020.91 1.74 (6) Energía extraída del acumulador solar 15128.09 25.85 (7) Pérdidas en la distribución de agua caliente 25.50 0.04 (8) Pérdidas en la distribución de agua caliente 34.03 0.06 (9) Pérdidas en la distribución de agua caliente 47.11 0.08 (10) Energía térmica de entrada al intercambiador de calor de ACS 2705.72 4.62 (11) Energía térmica de entrada a la máquina de absorción 8767.18 14.98 (12) Energía térmica de entrada al circuito de calefacción 3489.92 5.96 (13) Energía auxiliar térmica para A.C.S. 141.35 0.24 (14) Energía térmica total suministrada para A.C.S. (solar y auxiliar) 2847.07 4.86 (15) Energía evacuada en el evaporador de la máquina de absorción 6338.23 10.83 (16) Pérdidas en la distribución de agua fría -2.25 0.00 (17) Energía térmica evacuada por el fancoil en modo frío 10456.97 17.87 (18) Energía térmica evacuada por la máquina de absorción en el condensador-absorbedor 15143.81 25.88 (19a) Energía térmica auxiliar para calefacción 1278.87 2.19 (30) Energía térmica auxiliar para refrigeración 4273.44 7.30 (20) Refrigeración (sensible) cubierta 9524.99 16.28 (21) Demanda sensible de refrigeración 9529.28 16.28 (22) Demanda de calefacción 3489.92 5.96 (23) Demanda térmica de A.C.S. 2847.07 4.86 Energía térmica acumulada en el depósito caliente 16.56 0.03 (25) Pérdidas de energía en el depósito frío -161.02 -0.28 (26) Energía de entrada al depósito frío procedente del fancoil 6187.82 10.57 (27) Pérdidas 2 en la distribución de agua fría -13.39 -0.02 Energía térmica acumulada en el depósito frío 12.53 0.02 (28) Energía de salida al depósito frío (funcionando en modo calor en invierno) en época de invierno 2297.82 3.93 (29) Pérdidas en el depósito frío (funcionando en modo calor en invierno) en época de invierno 1128.49 1.93 Energía térmica acumulada en el depósito usualmente frío (pero funcionando en modo calor: invierno) 75.77 0.13 Anexo 4. Simulación detallada. Configuración 4 241 Balance energético en invierno FLUJO Energía [kW.h] Reparto primario [%] (1) Radiación sobre captadores 24704.01 100 (2) Energía cedida por los captadores al fluido primario 5811.16 23.52 (3) Pérdidas en las tuberías del primario 73.51 0.30 (4) Energía transferida en el intercambiador de calor 5703.47 23.09 (5) Pérdidas del acumulador solar 557.82 2.26 (6) Energía extraída del acumulador solar 5077.22 20.55 (7) Pérdidas en la distribución de agua caliente 12.68 0.05 (8) Pérdidas en la distribución de agua caliente 17.02 0.07 (9) Pérdidas en la distribución de agua caliente 47.11 0.19 (10) Energía térmica de entrada al intercambiador de calor de ACS 1493.24 6.04 (11) Energía térmica de entrada a la máquina de absorción 0.00 0.00 (12) Energía térmica de entrada al circuito de calefacción 3489.92 14.13 (13) Energía auxiliar térmica para A.C.S. 138.63 0.56 (14) Energía térmica total suministrada para A.C.S. (solar y auxiliar) 1631.87 6.61 (15) Energía evacuada en el evaporador de la máquina de absorción 0.00 0.00 (16) Pérdidas en la distribución de agua fría -0.01 0.00 (17) Energía térmica evacuada por el fancoil en modo frío 0.00 0.00 (18) Energía térmica evacuada por la máquina de absorción en el condensador-absorbedor 0.00 0.00 (19a) Energía térmica auxiliar para calefacción 1278.87 5.18 (30) Energía térmica auxiliar para refrigeración 0.00 0.00 (20) Refrigeración (sensible) cubierta 0.00 0.00 (21) Demanda sensible de refrigeración 0.00 0.00 (22) Demanda de calefacción 3489.92 14.13 (23) Demanda térmica de A.C.S. 1631.87 6.61 Energía térmica acumulada en el depósito caliente 22.07 0.09 (25) Pérdidas de energía en el depósito frío -27.25 -0.11 (26) Energía de entrada al depósito frío procedente del fancoil 0.00 0.00 (27) Pérdidas 2 en la distribución de agua fría -0.04 0.00 Energía térmica acumulada en el depósito frío 26.15 0.11 (28) Energía de salida al depósito frío (funcionando en modo calor en invierno) en época de invierno 2297.82 9.30 (29) Pérdidas en el depósito frío (funcionando en modo calor en invierno) en época de invierno 1040.05 4.21 Energía térmica acumulada en el depósito usalmente frío (pero funcionando en modo calor: invierno) 161.86 0.66 Anexo 4. Simulación detallada. Configuración 4 248 Figura A4-20. Influencia del volumen de acumulación en la energía auxiliar térmica requerida (kWh). Málaga. Conf4. (Ac = 30m2, Vc = 10l/m2) Figura A4-21. Influencia del volumen de acumulación en la cobertura (kWh) de la demanda con energía solar. Málaga. Conf4. (Ac = 30m2, Vc = 10l/m2) La cobertura de la demanda en función del volumen de acumulación “Vt” para diferentes valores de área de captación “Ac” es también analizada. En el caso base, el volumen de acumulación de calor “Vc” es de valor 10l/m2. Al igual que en la configuración 3, aumentar Vc a igualdad de Vt supone un descenso de cobertura de refrigeración (para áreas de captación iguales o inferiores a 30m2) debido al aumento de pérdidas por acumulación, de proporción similar a la estudiada en la configuración 3 y por tanto menor que la de la configuración 2. Este descenso de cobertura es algo más importante si es mayor el volumen de acumulación total. En cambio, para un área de 40m2 en más adecuado un volumen de acumulación de calor mayor, ya que aunque supone más pérdidas térmicas al ambiente, permite evitar un detrimento importante en la eficiencia de la captación como consecuencia de las altas temperaturas que pueden alcanzarse en el depósito caliente si es especialmente pequeño. Estas conclusiones aparecen graficadas en las siguientes figuras. 0 1000 2000 3000 4000 5000 6000 7000 8000 9000 10000 10 30 50 70 90 Volumen de acumulación (l/m2) kWh Calefacción Refrigeración (sens) ACS Total 0 1000 2000 3000 4000 5000 6000 7000 8000 10 30 50 70 90 Volumen de acumulación (l/m2) kWh Refrigeración (sens) Refrigeración (total) Calefacción Anexo 4. Simulación detallada. Configuración 4 249 Figura A4-22. Refrigeración total de origen solar en función del volumen de acumulación total para varios valores de área de captación “Ac”, y volumen de acumulación de calor “Vc”. Conf4. Málaga Figura A4-23. Refrigeración sensible de origen solar en función del volumen de acumulación total para varios valores de área de captación “Ac”, y volumen de acumulación de calor “Vc”. Conf4. Málaga Figura A4-24. Energía auxiliar térmica total en función del volumen de acumulación total para varios valores de área de captación “Ac”, y volumen de acumulación de calor “Vc”. Conf4. Málaga En el caso de Madrid, los resultados se presentan a continuación. 0 1000 2000 3000 4000 5000 6000 7000 8000 10 20 30 40 50 60 70 80 90 Volumen de acumulación (l/m2) kWh Ac20m2 (Vc 10l/m2) Ac30m2 (Vc 10l/m2) Ac30m2 (Vc 20l/m2) Ac30m2 (Vc 30l/m2) Ac40m2 (Vc 10l/m2) Ac40m2 (Vc 20l/m2) 0 1000 2000 3000 4000 5000 6000 7000 8000 10 20 30 40 50 60 70 80 90 Volumen de acumulación (l/m2) kWh Ac20m2 (Vc 10l/m2) Ac30m2 (Vc 10l/m2) Ac30m2 (Vc 20l/m2) Ac30m2 (Vc 30l/m2) Ac40m2 (Vc 10l/m2) Ac40m2 (Vc 20l/m2) 0 1000 2000 3000 4000 5000 6000 7000 8000 9000 10000 10 20 30 40 50 60 70 80 90 Volumen de acumulación (l/m2) kWh Ac 20m2 (Vc 10l/m2) Ac 30m2 (Vc 10l/m2) Ac 30m2 (Vc 20l/m2) Ac 30m2 (Vc 30l/m2) Ac 40m2 (Vc 10l/m2) Ac 40m2 (Vc 20l/m2) Ac 40m2 (Vc 30l/m2) Anexo 4. Simulación detallada. Configuración 4 250 Comparación energética: Datos generales Volumen total de acumulación por área de captación 20 30 40 50 60 80 l/m2 Área de captación 30 30 30 30 30 30 m2 Volumen de acumulación de calor 300 300 300 300 300 300 l Volumen de acumulación de frío 300 600 900 1200 1500 2100 l Número de horas en las que funcionan: Las bombas del circuito de captación (B1, B2) 2004 2060 2098 2126 2153 2191 h Las bombas B5, B6 en verano 558 560 553 541 531 515 h La bomba B5 en invierno 597 535 521 551 572 597 h La bomba del circuito de refrigeración B8 589 613 631 645 657 679 h La bomba del circuito de calefacción B7 1154 1291 1377 1438 1482 1529 h La bomba del circuito de ACS B3 6562 6561 6558 6545 6540 6534 h Sistema auxiliar de calefacción 901 859 832 813 799 781 h Sistema auxiliar de refrigeración 271 258 249 241 234 221 h Energía térmica auxiliar Calefacción 8600 8187 7918 7728 7590 7413 kWh Refrigeración 2992 2849 2747 2660 2586 2446 kWh ACS 486 479 481 491 500 520 kWh Radiación total sobre el captador 51710 51710 51710 51710 51710 51710 kWh Calor anual producido por el captador solar 12915 13753 14348 14803 15182 15759 kWh Producción anual de frío con energía solar (total) 4122 4270 4361 4427 4483 4576 kWh Producción anual de frío con energía solar (sens) 3416 3563 3669 3759 3837 3980 kWh Producción anual de calefacción con energía solar 2449 2863 3132 3322 3460 3636 kWh Producción anual de ACS con energía solar 2525 2532 2530 2520 2511 2491 Energía solar útil 10918 11519 11930 12225 12451 12761 kWh Eficiencia neta de la captación 24.98 26.60 27.75 28.63 29.36 30.48 % Eficiencia neta del captador solar 32.17 33.12 33.86 34.45 34.85 35.67 % COP de la enfriadora de absorción 0.72 0.72 0.73 0.73 0.73 0.73 - Calefacción (%) cubierta con energía solar 22.17 25.91 28.34 30.06 31.31 32.91 % Refrigeración sensible (%) cubierta con energía solar 52.79 55.07 56.70 58.10 59.30 61.50 % ACS (%) cubierta con energía solar 83.87 84.11 84.04 83.70 83.40 82.74 % Demanda cubierta con energía solar 40.87 43.63 45.45 46.76 47.77 49.23 % Temperaturas medias de funcionamiento Del depósito 62.40 61.16 59.90 58.73 57.90 56.63 ºC De alimentación a la máquina de absorción 87.72 87.47 86.82 86.24 85.43 84.13 ºC De alimentación al fancoil en modo calor 46.84 47.40 47.45 47.49 47.48 47.33 ºC De alimentación al fancoil en modo frío 10.55 10.49 10.50 10.54 10.58 10.68 ºC De alimentación al fancoil en modo frío durante las horas en que la máquina de absorción permanece activa 7.87 8.00 8.14 8.29 8.44 8.72 ºC Figura A4-25. Influencia del volumen de acumulación en la cobertura (%) de la demanda con energía solar. Madrid. Conf4. (Ac = 30m2, Vc = 10l/m2) 0 20 40 60 80 100 10 30 50 70 90 Volumen de acumulación (l/m2) % Calefacción Refrigeración (sens) ACS Total Anexo 4. Simulación detallada. Configuración 4 251 Figura A4-26. Influencia del volumen de acumulación en la energía auxiliar térmica requerida (kWh). Madrid. Conf4. (Ac = 30m2, Vc = 10l/m2) Figura A4-27. Influencia del volumen de acumulación en la cobertura (kWh) de la demanda con energía solar. Madrid. Conf4. (Ac = 30m2, Vc = 10l/m2) Si se analiza la influencia de este factor para diferentes valores de acumulación de calor “Vc” para un área de captación “Ac” de 30m2 sigue siendo más adecuado un volumen de acumulación de agua caliente de 10l/m2 en lugar de 20l/m2 (Figura A4-28). Sigue el mismo razonamiento que se dedujo para el caso de Málaga. Figura A4-28. Refrigeración sensible solar en función del volumen de acumulación total para varios valores de área de captación “Ac”, y volumen de acumulación de calor “Vc”. Conf4. Madrid 0 2000 4000 6000 8000 10000 12000 14000 10 30 50 70 90 Volumen de acumulación (l/m2) kWh Calefacción Refrigeración (sens) ACS Total 0 1000 2000 3000 4000 5000 6000 10 30 50 70 90 Volumen de acumulación (l/m2) kWh Refrigeración (sens) Refrigeración (total) Calefacción ACS 0 1000 2000 3000 4000 5000 6000 020 40 60 80 100 Volumen de acumulación (l/m2) kWh Ac20m2 (Vc10lm2) Ac30m2 (Vc 10l/m2) Ac30m2 (Vc20lm2) Ac40m2 (Vc 10l/m2) Anexo 4. Simulación detallada. Configuración 4 252 Figura A4-29. Refrigeración total solar en función del volumen de acumulación total para varios valores de área de captación “Ac”, y volumen de acumulación de calor “Vc”. Conf4. Madrid A4.6. Influencia de la inclinación de captadores De nuevo se obtiene un máximo de cobertura con energía solar de la demanda total para una inclinación de 30ºC en Málaga, como se deduce de las siguientes figuras. Figura A4-30. Influencia de la inclinación en la cobertura (%) de la demanda con energía solar. Málaga. Conf4 Figura A4-31. Influencia de la inclinación en la energía auxiliar térmica requerida (kWh). Málaga. Conf4 0 1000 2000 3000 4000 5000 6000 020 40 60 80 100 Volumen de acumulación (l/m2) kWh Ac20m2 (Vc10lm2) Ac30m2 (Vc 10l/m2) Ac30m2 (Vc20lm2) Ac40m2 (Vc 10l/m2) 0 20 40 60 80 100 020 40 60 Inclinación (º) % Calefacción Refrigeración (sens) ACS Total 0 1000 2000 3000 4000 5000 6000 7000 8000 9000 10000 020 40 60 Inclinación (º) kWh Calefacción Refrigeración (sens) ACS Total Anexo 4. Simulación detallada. Configuración 4 253 Figura A4-32. Influencia de la inclinación en la cobertura (kWh) de la demanda con energía solar. Málaga. Conf4 A4.7. Influencia del tipo de captador Mejorar el captador de tipo 1 a tipo 0 (apartado Error! Reference source not found.) permite aumentar la cobertura de refrigeración sensible con energía solar desde un 54.33% hasta un 65.94%. También aumenta la cobertura de calefacción y ACS. En definitiva, el aumento global de cobertura de la demanda con energía solar va desde un 63.62% hasta un 73.53%. Y pasar a utilizar el peor de los captadores simulados (tipo4) supone disminuir la cobertura de refrigeración sensible con a un 42.16% y la global a un 53.45%. Figura A4-33. Influencia del tipo de captador en la cobertura (%) de la demanda con energía solar. Málaga. Conf4 Figura A4-34. Influencia del tipo de captador en la energía auxiliar térmica requerida (kWh). Málaga. Conf4 0 1000 2000 3000 4000 5000 6000 7000 8000 020 40 60 Inclinación (º) kWh Refrigeración (sens) Refrigeración (total) Calefacción ACS 0 20 40 60 80 100 tipo0 tipo1 tipo2 tipo3 % Calefacción Refrigeración (sens) ACS Total 0 1000 2000 3000 4000 5000 6000 7000 8000 9000 10000 tipo0 tipo1 tipo2 tipo3 kWh Calefacción Refrigeración (sens) ACS Total Anexo 4. Simulación detallada. Configuración 4 254 Figura A4-35. Influencia del tipo de captador en la cobertura (kWh) de la demanda con energía solar. Málaga. Conf4 Comparación energética: Datos generales Tipo de captador tipo0 tipo1 tipo2 tipo3 Energía térmica auxiliar Calefacción 876 1279 1509 1645 kWh Refrigeración 3179 4273 4932 5436 kWh ACS 78 141 197 230 kWh Energía solar útil 16378 13771 12166 10966 kWh Eficiencia neta de la captación 33.37 28.08 24.86 22.49 % Eficiencia neta del captador solar 40.38 33.58 30.80 29.02 % COP de la enfriadora de absorción 0.71 0.72 0.73 0.74 - Calefacción (%) cubierta con energía solar 74.91 63.36 56.75 52.87 % Refrigeración sensible (%) cubierta con energía solar 65.94 54.33 47.41 42.16 % ACS (%) cubierta con energía solar 97.25 95.04 93.07 91.91 % Demanda cubierta con energía solar 73.53 63.62 57.66 53.45 % Temperaturas medias de funcionamiento Del depósito 75.42 68.30 63.73 60.87 ºC De alimentación a la máquina de absorción 88.96 85.88 82.58 80.42 ºC De alimentación al fancoil en modo calor 62.49 56.08 52.64 50.51 ºC A4.8. Influencia del comportamiento de la máquina de absorción De nuevo vuelven a analizarse los casos planteados con anterioridad (véase apartado Error! Reference source not found.). La influencia es muy similar a la que tiene lugar en la configuración 3. Sucede que tanto el caso 2 como el 3 suponen una ligera disminución de cobertura de refrigeración y aumentan ligeramente el número de arranques y paradas de la máquina de absorción. El caso 4 además de la caída brusca de cobertura supone un aumento de arranques y paradas de la máquina de absorción. Este aumento es similar al que tiene lugar en la configuración 3 y por tanto es significativamente menor al que tenía lugar en la configuración 2. Esto es debido igualmente al menor ritmo de evacuación de calor del depósito caliente hacia el generador de la máquina de absorción cuando esta se activa, gracias a que el depósito frío permanece a una temperatura significativamente menor a la que se tenía en la configuración 2, en la que se 0 1000 2000 3000 4000 5000 6000 7000 8000 tipo0 tipo1 tipo2 tipo3 kWh Refrigeración (sens) Refrigeración (total) Calefacción ACS Anexo 4. Simulación detallada. Configuración 4 255 alimentaba al fancoil con agua del depósito frío hasta que superaba los 20ºC, y en la configuración 4 esta temperatura se limita a los 13ºC. Como aclaración se presentan a continuación varias gráficas con el diferente esquema de arranques y paradas en la máquina de absorción para un día concreto de verano representado a partir de algunos de los flujos más significativos de energía. Figura A4-36. Flujos de energía en un día de verano para los diferentes casos de comportamiento de la máquina de absorción. Radiación incidente en captadores (1v), energía solar captada (4v), flujo de entrada al generador de la máquina de absorción (11v) y evacuada del depósito frío en el evaporador de la absorción (15v). Conf4. Málaga Comparación energética: Datos generales Comportamiento de la máquina de absorción caso1 caso2 caso3 caso4 caso5 Energía térmica auxiliar Calefacción 1279 1279 1279 1279 1279 kWh Refrigeración 4273 4497 4562 5419 4384 kWh ACS 141 141 142 152 141 kWh Energía solar útil 13771 14301 14305 15525 13710 kWh Eficiencia neta de la captación 28.08 28.98 28.91 30.45 28.04 % Eficiencia neta del captador solar 33.58 34.38 34.29 35.70 33.53 % COP de la enfriadora de absorción 0.72 0.64 0.63 0.43 0.71 - Calefacción (%) cubierta con energía solar 63.36 63.36 63.36 63.36 63.36 % Refrigeración sensible (%) cubierta con energía solar 54.33 51.93 51.28 42.27 53.13 % ACS (%) cubierta con energía solar 95.04 95.05 95.02 94.68 95.04 % Demanda cubierta con energía solar 63.62 62.18 61.78 56.31 62.90 % Temperaturas medias de funcionamiento 0 5 10 15 20 25 30 35 4560 4584 hora del año Potencia (kW) 1v 4v 11v 15v Caso base caso1 0 5 10 15 20 25 30 35 4560 4584 hora del año Potencia (kW) 1v 4v 11v 15v caso2 0 5 10 15 20 25 30 35 4560 4584 hora del año Potencia (kW) 1v 4v 11v 15v caso3 0 5 10 15 20 25 30 35 4560 4584 hora del año Potencia (kW) 1v 4v 11v 15v caso4 Anexo 4. Simulación detallada. Configuración 4 256 Del depósito 68.30 67.80 67.71 66.31 68.71 ºC De alimentación a la máquina de absorción 85.88 82.80 83.50 78.18 85.62 ºC De alimentación al fancoil en modo calor 56.08 56.08 56.08 56.07 56.08 ºC A4.9. Influencia de la consigna de la máquina de absorción En las simulaciones de la configuración 3 (configuración con depósito frío y con sistema auxiliar de frío directamente conectado a dicho depósito) cuando la temperatura de activación del sistema auxiliar y la de consigna del sistema de absorción se aproximaban, se producía una caída brusca de la cobertura de refrigeración. Esta interacción no se produce en la configuración 4, de manera que puede aproximarse el valor de ambas consignas. El único límite para ambas es el valor de temperatura a la cual la unidad terminal (fancoil) es capaz de satisfacer la demanda pico. Una mínima diferencia sí es deseable porque los sensores de medida en una instalación real tienen tolerancias y no son exactos, de manera que si la consigna de la máquina de absorción es de 13ºC y la parte inferior del depósito frío está a esta temperatura pero el sensor capta una temperatura ligeramente superior, pondrá en marcha el sistema auxiliar sin que sea necesario. Aumentar la consigna de la máquina de absorción permite que trabaje con mejor rendimiento y reduce la refrigeración latente proporcionada. Pero también hay que tener en cuenta, como ya se analizó en anteriores configuraciones, que un aumento de la temperatura de consigna supone también una disminución del flujo de salida desde el depósito caliente hacia la máquina de absorción por lo que la temperatura media del depósito aumenta suponiendo un descenso en la eficiencia de la captación. Esto hace que la cobertura de refrigeración total no aumente monótonamente con la temperatura de consigna de la máquina, sino que se produzca un máximo para una temperatura de 8ºC, produciéndose el máximo de refrigeración sensible en 10ºC. Figura A4-37. Influencia de la temperatura de consigna de la máquina de absorción en la cobertura (%) de la demanda con energía solar. Málaga. Conf4 0 20 40 60 80 100 5 6 7 8 9 10 11 12 13 Temperatura de consigna de Absorción (ºC) % Calefacción Refrigeración (sens) ACS Total Anexo 4. Simulación detallada. Configuración 4 257 Figura A4-38. Influencia de la temperatura de consigna de la máquina de absorción en la energía auxiliar térmica requerida (kWh). Málaga. Conf4 Figura A4-39. Influencia de la temperatura de consigna de la máquina de absorción en la cobertura (kWh) de la demanda con energía solar. Málaga. Conf4 Comparación energética: Datos generales Temperatura de consigna de Absorción 6 7 8 10 12 ºC Energía térmica auxiliar Calefacción 1279 1279 1279 1279 1279 kWh Refrigeración 4396 4273 4149 4072 4192 kWh ACS 141 141 141 141 141 kWh Energía solar útil 14464 13771 13422 12864 12375 kWh Eficiencia neta de la captación 29.18 28.08 27.49 26.57 25.81 % Eficiencia neta del captador solar 34.50 33.58 32.98 32.11 31.46 % COP de la enfriadora de absorción 0.66 0.72 0.74 0.74 0.74 - Calefacción (%) cubierta con energía solar 63.36 63.36 63.36 63.37 63.37 % Refrigeración sensible (%) cubierta con energía solar 53.03 54.33 55.65 56.47 55.19 % ACS (%) cubierta con energía solar 95.05 95.04 95.05 95.05 95.06 % Demanda cubierta con energía solar 62.84 63.62 64.42 64.91 64.14 % Temperaturas medias de funcionamiento Del depósito 67.45 68.30 68.45 68.59 68.94 ºC De alimentación a la máquina de absorción 82.15 85.88 87.11 88.31 88.82 ºC De alimentación al fancoil en modo calor 56.08 56.08 56.08 56.08 56.08 ºC De alimentación al fancoil en modo frío 10.66 10.66 10.94 11.70 12.61 ºC 0 1000 2000 3000 4000 5000 6000 7000 8000 9000 10000 5 6 7 8 9 10 11 12 13 Temperatura de consigna de Absorción (ºC) kWh Calefacción Refrigeración (sens) ACS Total 0 1000 2000 3000 4000 5000 6000 7000 8000 5678910 11 12 13 Temperatura de consigna de Absorción (ºC) kWh Refrigeración (sens) Refrigeración (total) Calefacción ACS Anexo 5. Simulación detallada. Configuración 6 264 En esta configuración los caudales de alimentación a la unidad terminal (fancoil) han de coincidir con los del sistema auxiliar utilizado. Este caudal ha de coincidir con el del evaporador de la máquina de absorción (modo refrigeración). El caudal de salida del depósito acumulador hacia el fancoil (en modo calefacción) viene fijado por el caudal de entrada al fancoil funcionando en modo calefacción. Teniendo en cuenta que la máquina de absorción utilizada tiene un caudal de 1600kg/h en el evaporador, todos los caudales mencionados se han fijado a este valor. En las configuraciones en las que nos encontramos con un depósito acumulador de frío, el caudal de alimentación al fancoil puede ser de diferente valor al del evaporador de la máquina de absorción (configuraciones 2,3 y 4). Pero no ocurre así en este esquema. Y el fancoil determinado aquí es el que se ha utilizado en todas las configuraciones de este documento, de manera que todas ellas tengan las características base coincidentes para comparar a igualdad de condiciones. Como recomendación se indica que esta configuración en paralelo no será adecuada en aquellas ocasiones en que la demanda de refrigeración no sea del mismo orden (preferentemente ligeramente inferior) que la potencia de la máquina de absorción ya que en ese caso cuando la máquina de absorción esté en condiciones de funcionar (temperatura suficientemente elevada para el generador y baja para el condensador-absorbedor) no se pondrá en marcha por no ser capaz de satisfacer la totalidad de la demanda. A continuación se detallan los esquemas de principio detallados con la nomenclatura de las variables que intervienen en la simulación (caudales y temperaturas), así como la identificación de secciones donde se analiza el balance de energía. Se analiza el caso base, definido de manera similar en todas las configuraciones y cuyas características se pueden consultar en los apartados 3.2 y 4.1. Después se analiza la influencia que tienen diferentes factores (ciudad, área de captación, volumen de acumulación, tipo de captador e inclinación de los mismos, comportamiento del equipo de absorción y temperaturas de consigna). La explicación detallada de la influencia de los diferentes factores se ha tratado en profundidad en el anexo 1 para la configuración 1, así como la explicación de gráficas y tablas. En los anexos 2 al 5, aunque se expondrán las tablas y gráficas con los resultados, se describirán más brevemente ya que muchos de los factores influyen de manera equivalente en todas las configuraciones. Los factores que afecten de manera diferenciada se expondrán en detalle. Para más información consultar anexo 1. La lógica de control se detalla en el apartado 2.3.2 y 2.3.3. Anexo 5. Simulación detallada. Configuración 6 265 A5.1. Esquemas A continuación se presentan los esquemas para esta configuración. Las válvulas representadas como en todos los esquemas previos son diversoras. En este caso, entre ellas nos encontramos con dos cuyo funcionamiento es completamente abierto o cerrado (on-off), de manera que únicamente permiten direccional fluido al fancoil proveniente del sistema solar o del auxiliar, pero no de ambos simultáneamente (conexión paralelo). Realmente en el esquema físico esta válvula es única, así como las bombas B7 y B8 son la misma físicamente. Pero se representan de manera diferenciada aquí y en los esquemas de todas las configuraciones presentadas para comprender mejor el funcionamiento en ambos modos: calefacción y refrigeración. Figura A5-2. Variables de simulación. Configuración 6 Anexo 5. Simulación detallada. Configuración 6 266 Figura A5-3. Balances de energía. Configuración 6 A5.2. Caso base A continuación se muestran ciertas gráficas con el comportamiento del caso base de la configuración 6, así como las tablas con los resultados más representativos. Figura A5-4. Demanda y cobertura con energía solar. Caso base de la configuración4. Málaga Figura A5-5. . Número de horas que funcionan los diferentes circuitos. Caso base de la configuración4. Málaga 0 500 1000 1500 2000 2500 3000 12345678910 11 12 mes del año kW.h Demanda de refrigeración (sensible) Demanda de calefacción Demanda para ACS Refrigeración sensible cubierta con solar Calefacción cubierta con solar Energía para ACS cubierta con solar 0 50 100 150 200 250 300 350 12345678910 11 12 mes del año horas Circuito de absorción (B5) Circuito solar (B1, B2) Sist. aux refrigeración Sist. aux. calefacción Circuito de refrigeración (B8) Anexo 5. Simulación detallada. Configuración 6 267 Comparación energética: Datos generales Área de captación 30 m2 Volumen de acumulación de calor 1200 l Número de horas en las que funcionan: Las bombas del circuito de captación solar activas (B1, B2) 2176 h La bomba B5 del circuito de absorción 821 h La bomba del circuito de calefacción (B7) 1187 h La bomba del circuito de refrigeración (B8) 1243 Las bombas del circuito de ACS (B3) 6927 h Sistema auxiliar de calefacción 111 h Sistema auxiliar de refrigeración 423 h Energía térmica demandada Calefacción 3490 kWh Refrigeración sens 9529 kWh ACS 2847 kWh Demanda térmica cubierta[*] Calefacción 3490 kWh Refrigeración sensible 9528 kWh Refrigeración total 10629 kWh Energía térmica auxiliar Calefacción 1185 kWh Refrigeración 4676 kWh ACS 103 kWh Radiación total sobre el captador 58523 kWh Calor anual producido por el captador solar [*2] 16180 kWh Producción anual de frío con energía solar (total) [*3] 5948 kWh Producción anual de frío con energía solar (sens) [*4] 4847 kWh Producción anual de calefacción con energía solar [*5] 2305 kWh Energía solar útil [*6] 13330 kWh Eficiencia neta de la captación [*7] 27.65 % Eficiencia neta del captador solar [*8] 34.20 % COP de la enfriadora de absorción 0.72 - Energía útil de captadores por área de captación 539.33 kWh/m2 Energía solar útil por área de captación 444.33 kWh/m2 Energía ahorrada para calefacción por área de captación 76.84 kWh/m2 Energía ahorrada para refrigeración (sens) por área de captación 161.57 kWh/m2 Energía ahorrada para ACS por área de captación 91.46 kWh/m2 Calefacción (%) cubierta con energía solar 66.05 % Refrigeración sensible (%) cubierta con energía solar 50.87 % ACS (%) cubierta con energía solar 96.37 % Demanda cubierta con energía solar 62.37 % Temperaturas medias de funcionamiento Del depósito 74.63 ºC De alimentación a la máquina de absorción 86.27 ºC De alimentación al fancoil en modo calor 56.97 ºC De alimentación al fancoil en modo frío 10.42 ºC [*] Energía de climatización que proporciona la configuración con energía solar y auxiliar, [*2] Flujo [2], Anexo 5. Simulación detallada. Configuración 6 268 [*3] Refrigeración total de origen solar. Se calcula sumando los valores del flujo [17] durante las horas en la máquina de absorción está activa, [*4] Refrigeración sensible de origen solar. Se calcula sumando los valores del flujo [17] durante las horas en las está activa la máquina de absorción, ponderado cada uno de estos valores por el factor de calor sensible que en cada momento tiene el fancoil en función de la temperatura de alimentación al mismo proveniente de la citada máquina de absorción, [*5] Calefacción proporcionada con energía solar. Se calcula sumando los valores del flujo [12] durante las horas en las que el fancoil es alimentado por el depósito caliente en modo calefacción, [*6] Suma de los flujos de calor [10], [11] y [12] menos el flujo [19A], [*7] Relación entre los flujos [2] y [1], [*8] Relación entre los flujos [2] y [1] cuando el circuito de captación está activo, FLUJO Energía [kW.h] Reparto primario [%] (1) Radiación sobre captadores 58522.57 100 (2) Energía cedida por los captadores al fluido primario 16179.83 27.65 (3) Pérdidas en las tuberías del primario 143.12 0.24 (4) Energía transferida en el intercambiador de calor 15964.22 27.28 (5) Pérdidas del acumulador solar 2462.12 4.21 (6) Energía extraída del acumulador solar 13409.34 22.91 (7) Pérdidas en la distribución de agua caliente 27.98 0.05 (8) Pérdidas en la distribución de agua caliente 17.55 0.03 (9) Pérdidas en la distribución de agua caliente 48.64 0.08 (10) Energía térmica de entrada al intercambiador de calor de ACS 2742.59 4.69 (11) Energía térmica de entrada a la máquina de absorción 8282.24 14.15 (12) Energía térmica evacuada por el fancoil en modo calefacción 3490.05 5.96 (13) Energía auxiliar térmica para A.C.S. 103.35 0.18 (14) Energía térmica total suministrada para A.C.S. (solar y auxiliar) 2847.07 4.86 (15) Energía evacuada en el evaporador de la máquina de absorción 5960.36 10.18 (16) Pérdidas en la distribución de agua fría -13.70 -0.02 (17) Energía térmica evacuada por el fancoil en modo frío 10628.70 18.16 (18) Energía térmica evacuada por la máquina de absorción en el condensador-absorbedor 14281.99 24.40 (19a) Energía térmica auxiliar para calefacción 1184.95 2.02 (30) Energía térmica auxiliar para refrigeración 4675.66 7.99 (20) Refrigeración (sensible) cubierta con energía solar 4852.56 8.29 (21) Demanda sensible de refrigeración 9529.28 16.28 (22) Demanda de calefacción 3489.92 5.96 (23) Demanda térmica de A.C.S. 2847.07 4.86 Energía térmica acumulada en el depósito caliente 84.05 0.14 (25) Calefacción cubierta con energía solar 2305.10 3.94 (26) Refrigeración (total) cubierta con energía solar 5953.04 10.17 (27) Refrigeración (sen) cubierta por el sistema 9528.23 16.28 Se observa que los resultados en modo refrigeración son prácticamente coincidentes con los de la configuración 1, siendo algo peores en modo calefacción. Estos resultados coincidentes entre la configuración 1 y 6 hacen que los análisis aquí presentados sean más escuetos y en algunos casos sólo se presenten las figuras representativas. A5.3. Influencia de la ciudad La diferencia mayor en términos de cobertura total de la demanda con respecto a la configuración 1 se produce en San Sebastián por ser la ciudad donde mayor es la proporción entre demanda de calefacción y de refrigeración, ya que los resultados en refrigeración no varían apenas. La cobertura total de la demanda es de un 62.37% en Málaga seguido de un 45.51% en Madrid y de un 34.61% en San Sebastián como se extrae de la siguiente tabla y figuras. Anexo 5. Simulación detallada. Configuración 6 269 Comparación energética: Datos generales Ciudad Málaga Madrid San Seb Energía térmica auxiliar Calefacción 1185 7801 10038 kWh Refrigeración 4676 3009 263 kWh ACS 103 389 585 kWh Energía solar útil 13330 11803 6361 kWh Eficiencia neta de la captación 27.65 27.68 22.30 % Eficiencia neta del captador solar 34.20 34.85 31.91 % COP de la enfriadora de absorción 0.72 0.72 0.72 - Calefacción (%) cubierta con energía solar 66.05 29.41 19.57 % Refrigeración sensible (%) cubierta con energía solar 50.87 53.64 76.24 % ACS (%) cubierta con energía solar 96.37 87.09 80.88 % Demanda cubierta con energía solar 62.37 45.51 34.61 % Temperaturas medias de funcionamiento Del depósito 74.63 64.61 57.37 ºC De alimentación a la máquina de absorción 86.27 86.68 87.61 ºC De alimentación al fancoil en modo calor 56.97 47.70 44.52 ºC De alimentación al fancoil en modo frío 10.42 10.28 8.54 ºC Figura A5-6. Climatización y ACS (%) cubierta con energía solar para cada ciudad. Conf6 Figura A5-7. Climatización y ACS cubierta con energía solar para cada ciudad. Conf6 0 20 40 60 80 100 Málaga Madrid San Seb % Calefacción Refrigeración (sens) ACS Total 4847 3482 845 5948 1041 4288 2443 3249 2305 2473 2622 2744 0 1000 2000 3000 4000 5000 6000 7000 8000 9000 10000 Málaga Madrid San Seb kWh Refrigeración (sens) Refrigeración (total) Calefacción ACS Anexo 5. Simulación detallada. Configuración 6 270 Figura A5-8. Energía auxiliar térmica para cada ciudad. Conf6 A5.4. Influencia del área de captación Se produce un aumento de cobertura total de la demanda desde un 48.25% hasta un 87.15% si el área de captación aumenta de 20m2 hasta 60m2. La tendencia en calefacción y refrigeración es lineal de carácter ligeramente asintótico en este rango de valores. Como diferencia fundamental en su funcionamiento en modo refrigeración con las configuraciones que disponen de depósito frío nos encontramos con que para áreas pequeñas de captación no aumenta apenas el número de arranques y paradas de la máquina de absorción. Esto es debido a que la máquina se regula para adaptarse a la demanda, la cual (afectada por el valor de COP) no supone flujos de salida de energía desde el depósito caliente al generador de la máquina de absorción muy elevados cuando tiene lugar su arranque siendo más similares al flujo de energía captada. Esto hace que una vez que esta máquina se pome en marcha está durante un cierto tiempo en funcionamiento, pasado el cual se desactiva porque el depósito caliente disminuye su temperatura bajo el mínimo que permite el generador, siendo normalmente una hora del día en que la radiación es ya menos elevada y no permite que se repita el ciclo. Así por ejemplo, con 20m2 de captación aunque hay días en que este ciclo se repite dos veces, usualmente sólo se produce una única activación y desactivación diaria. Para poder comparar con las configuraciones de depósito frío se presentan al final de este apartado gráficas con los flujos más significativos para un día concreto de verano en varios de los casos simulados, y que permiten comprender el esquema de arranques y paradas de la máquina de absorción (Figura A5-12 y Figura A5-13). Comparación energética: Datos generales Área de captación 20 30 40 50 60 m2 Volumen de acumulación de calor 800 1200 1600 2000 2400 l Energía térmica auxiliar Calefacción 1728 1185 835 553 339 kWh Refrigeración 6315 4676 3444 2412 1656 kWh ACS 164 103 72 54 39 kWh Energía solar útil 9865 13330 15932 18082 19658 kWh 7801 10038 4676 5964 11198 10886 1185 3009 263 389 103 585 0 2000 4000 6000 8000 10000 12000 14000 Málaga Madrid San Seb kWh Calefacción Refrigeración (sens) ACS Total Anexo 5. Simulación detallada. Configuración 6 271 Eficiencia neta de la captación 30.59 27.65 25.10 23.11 21.26 % Eficiencia neta del captador solar 36.55 34.20 32.58 31.30 30.19 % COP de la enfriadora de absorción 0.73 0.72 0.71 0.71 0.71 - Calefacción (%) cubierta con energía solar 50.50 66.05 76.08 84.15 90.28 % Refrigeración sensible (%) cubierta con energía solar 33.68 50.87 63.83 74.69 82.62 % ACS (%) cubierta con energía solar 94.25 96.37 97.46 98.09 98.64 % Demanda cubierta con energía solar 48.25 62.37 72.56 80.97 87.18 % Temperaturas medias de funcionamiento Del depósito 70.06 74.63 78.89 82.57 86.08 ºC De alimentación a la máquina de absorción 82.58 86.27 88.61 89.75 90.84 ºC De alimentación al fancoil en modo calor 51.04 56.97 61.29 64.42 66.95 ºC De alimentación al fancoil en modo frío 11.25 10.42 9.68 8.95 8.37 ºC Figura A5-9. Influencia del área de captación en la cobertura (%) de la demanda con energía solar. Málaga. Conf6 Figura A5-10. Influencia del área de captación en la energía auxiliar térmica requerida (kWh). Málaga. Conf6 Figura A5-11. Influencia del área de captación en la cobertura (kWh) de la demanda con energía solar. Málaga. Conf6 0 20 40 60 80 100 10 30 50 70 Volumen de acumulación (l/m2) % Calefacción Refrigeración (sens) ACS Total 0 1000 2000 3000 4000 5000 6000 7000 8000 9000 10000 10 30 50 70 Volumen de acumulación (l/m2) kWh Calefacción Refrigeración (sens) ACS Total 0 1000 2000 3000 4000 5000 6000 7000 8000 9000 10000 11000 12000 10 30 50 70 Volumen de acumulación (l/m2) kWh Refrigeración (sens) Refrigeración (total) Calefacción ACS Anexo 5. Simulación detallada. Configuración 6 272 Figura A5-12. Flujos de energía en un día de verano para dos valores de área de captación en la configuración 4. Radiación incidente en captadores (1), energía solar captada (4), flujo de entrada al generador de la máquina de absorción (11) y evacuada del depósito frío en el evaporador de la máquina de absorción (15). Figura A5-13. Activación del circuito solar, máquina de absorción y sistema auxiliar para un día concreto de verano y diferentes valores de área de captación. Conf 4. En Madrid, aumentar el área de captación de 20m2 a 50m2 permite aumentar la cobertura solar desde un 34.01% hasta un 61.98%. Figura A5-14. Influencia del área de captación en la cobertura (%) de la demanda con energía solar. Madrid. Conf6 Figura A5-15. Influencia del área de captación en la energía auxiliar térmica requerida (kWh). Madrid. Conf6 0 5 10 15 20 25 30 35 40 45 4560 4584 hora del año Potencia (kW) 1 4 11 15 Ac 20m2 0 5 10 15 20 25 30 35 40 45 4560 4584 hora del año Potencia (kW) 1 4 11 15 Ac 40m2 0 1 4560 4584 hora del año Cntrol_B1 Cntrol_B5 Cntrol Sist Aux Actuación Sist Aux Ac 20m2 0 1 4560 4584 hora del año Cntrol_B1 Cntrol_B5 Cntrol Sist Aux Actuación Sist Aux Ac 40m2 0 20 40 60 80 100 10 30 50 Volumen de acumulación (l/m2) % Calefacción Refrigeración (sens) ACS Total 0 2000 4000 6000 8000 10000 12000 14000 16000 10 30 50 Volumen de acumulación (l/m2) kWh Calefacción Refrigeración (sens) ACS Total Anexo 5. Simulación detallada. Configuración 6 273 Figura A5-16. Influencia del área de captación en la cobertura (kWh) de la demanda con energía solar. Madrid. Conf6 A5.5. Influencia del volumen de acumulación Se observa un óptimo volumen de acumulación de 40l/m2 para un área de captación de 30m2 en cuanto a cobertura de refrigeración. De nuevo se observan los mismos resultados que se obtuvieron en la configuración 1 (ver anexo 1), de manera que la tendencia en refrigeración contrasta con las configuraciones que tienen depósito frío. Este volumen óptimo en refrigeración disminuye al disminuir el área de captación. A continuación se muestra la tabla y gráficos con la influencia de este factor para un área de captación de 30m2 y seguidamente se presentan la influencia de este factor considerando diferentes áreas de captación en el análisis (Figura A5-20 y Figura A5-21). Comparación energética: Datos generales Volumen de acumulación por área de captación 20 30 40 50 60 80 100 l/m2 Energía térmica auxiliar Calefacción 1521 1303 1185 1105 1041 948 868 kWh Refrigeración 4783 4689 4676 4701 4749 4846 4927 kWh ACS 135 113 103 100 98 100 104 kWh Energía solar útil 12843 13208 13330 13354 13328 13237 13159 kWh Eficiencia neta de la captación 25.51 26.78 27.65 28.27 28.78 29.57 30.23 % Eficiencia neta del captador solar 32.65 33.56 34.20 34.84 35.14 35.76 36.27 % COP de la enfriadora de absorción 0.71 0.72 0.72 0.72 0.72 0.72 0.72 - Calefacción (%) cubierta con energía solar 56.41 62.68 66.05 68.34 70.18 72.83 75.12 % Refrigeración sensible (%) cubierta con energía solar 49.73 50.73 50.87 50.61 50.12 49.11 48.28 % ACS (%) cubierta con energía solar 95.27 96.03 96.37 96.50 96.55 96.50 96.34 % Demanda cubierta con energía solar 59.38 61.49 62.37 62.74 62.87 62.83 62.81 % Temperaturas medias de funcionamiento Del depósito 74.47 74.75 74.63 74.27 73.92 73.12 72.37 ºC De alimentación a la máquina de absorción 89.13 87.60 86.27 85.24 84.54 83.43 82.65 ºC De alimentación al fancoil en modo calor 55.40 56.60 56.97 56.95 56.78 56.26 55.72 ºC De alimentación al fancoil en modo frío 10.40 10.40 10.42 10.47 10.52 10.60 10.66 ºC 0 1000 2000 3000 4000 5000 6000 7000 8000 10 30 50 Volumen de acumulación (l/m2) kWh Refrigeración (sens) Refrigeración (total) Calefacción ACS Anexo 5. Simulación detallada. Configuración 6 280 Comparación energética: Datos generales Temperatura del sistema auxiliar de refrigeración 8 9 10 13 ºC Energía térmica auxiliar Calefacción 1185 1185 1185 1185 kWh Refrigeración 5483 5201 4933 4676 kWh ACS 103 103 103 103 kWh Energía solar útil 13303 13324 13330 13330 kWh Eficiencia neta de la captación 27.61 27.64 27.65 27.65 % Eficiencia neta del captador solar 34.16 34.18 34.20 34.20 % COP de la enfriadora de absorción 0.72 0.72 0.72 0.72 - Calefacción (%) cubierta con energía solar 66.05 66.05 66.05 66.05 % Refrigeración sensible (%) cubierta con energía solar 50.27 50.58 50.76 50.87 % ACS (%) cubierta con energía solar 96.37 96.37 96.37 96.37 % Demanda cubierta con energía solar 62.01 62.20 62.30 62.37 % Temperaturas medias de funcionamiento Del depósito 74.72 74.66 74.64 74.63 ºC De alimentación a la máquina de absorción 86.40 86.32 86.29 86.27 ºC De alimentación al fancoil en modo calor 56.97 56.97 56.97 56.97 ºC De alimentación al fancoil en modo frío 7.58 8.15 8.72 10.42 ºC Figura A5-32. Influencia de la temperatura de activación del sistema auxiliar de refrigeración en la cobertura (%) de la demanda con energía solar. Málaga. Conf6 Figura A5-33. Influencia de la temperatura de activación del sistema auxiliar de refrigeración en la energía auxiliar térmica requerida (kWh). Málaga. Conf6 0 20 40 60 80 100 78910 11 12 13 14 Temp del sistema auxiliar de refrigeración (ºC) % Calefacción Refrigeración (sens) ACS Total 0 1000 2000 3000 4000 5000 6000 7000 8000 78910 11 12 13 14 Temp del sistema auxiliar de refrigeración (ºC) kWh Calefacción Refrigeración (sens) ACS Total Anexo 5. Simulación detallada. Configuración 6 281 Figura A5-34. Influencia de la temperatura de activación del sistema auxiliar de refrigeración en la cobertura (kWh) de la demanda de climatización con energía solar. Málaga. Conf6 Las siguientes dos figuras permiten observar las diferencias más evidentes entre el caso de tener una consigna del sistema auxiliar de refrigeración de 8ºC y de 13ºC. Figura A5-35. Balance entre demanda y cobertura de refrigeración para varios días de verano. Cobertura de refrigeración sensible y total con energía solar (“Qsens” y “Qtotal”), frente a la demandada (“Qsens_demandada” y “Qtotal_demandada”). “Qmax_fanc” es la capacidad de refrigeración del fancoil. Conf6 para una consigna del sistema auxiliar de refrigeración de 8ºC Figura A5-36. Balance entre demanda y cobertura de refrigeración para varios días de verano. Cobertura de refrigeración sensible y total con energía solar (“Qsens” y “Qtotal”), frente a la demandada (“Qsens_demandada” y “Qtotal_demandada”). “Qmax_fanc” es la capacidad de refrigeración del fancoil. Conf6 para una consigna del sistema auxiliar de refrigeración de 13ºC. 0 1000 2000 3000 4000 5000 6000 7000 8000 7 8 9 10 11 12 13 14 Temp del sistema auxiliar de refrigeración (ºC) kWh Refrigeración (sens) Refrigeración (total) Calefacción ACS 0 10000 20000 30000 40000 50000 60000 70000 5500 5524 5548 5572 hora del año kJ/h Qsens Qtotal Qmax_fanc Qsens_demandada Qtotal_demandada Consigna aux: 8ºC 0 10000 20000 30000 40000 50000 60000 70000 5500 5524 5548 5572 hora del año kJ/h Qsens Qtotal Qmax_fanc Qsens_demandada Qtotal_demandada Consigna aux: 13ºC Anexo 5. Simulación detallada. Configuración 6 282 A5.10.2. Consigna de calefacción El valor de esta consigna es más influyente en las ciudades con mayor demanda de calefacción y peor climatología (menos disponibilidad solar). Por orden de influencia se encuentran por tanto San Sebastián, Madrid y finalmente Málaga. Esta consigna deberá ser como mínimo igual a la temperatura del agua que entrando a la unidad terminal (fancoil) permite combatir la demanda pico de calefacción para que nuestro sistema en todo momento permita combatir la demanda de la vivienda. Si la consigna desciende en Málaga desde 40ºC a 30ºC pasa de suministrar el 66.05% de la demanda de calefacción con energía de origen solar a suministrar el 76.58%. En cambio si esta consigna aumenta a 50ºC supone un descenso de cobertura hasta el 55.97%. En San Sebastián pasar de 30ºC a 40ºC y 50ºC disminuye la cobertura de calefacción con energía solar desde el 28.39% al 19.57% y a 13.01% respectivamente. Y esto en un detrimento mucho más importante en términos energéticos respecto al caso de Málaga. Anexo 6. Publicaciones del autor 283 Anexo 6. Publicaciones del autor A.6.1. Publicaciones derivadas de la Tesis Artículos en revistas científicas indexadas: - Molero N., Cejudo J.M., Domínguez F., y Carrillo A. (2012) “A comparison of solar absorption system configurations”. Solar Energy Volume 86, 1, p 242–252. - Molero Villar N., Cejudo López J.M., Domínguez Muñoz F., Rodríguez García E., Carrillo Andrés A., (2009). “Numerical 3-D heat flux simulations on flat plate solar collectors”. Solar Energy, Volume 83, 7, p 1086-1092 Comunicaciones en congresos internacionales: - Molero N., Zamora M., Cejudo J.M, Domínguez F., 2012. Instalación experimental de calefacción y refrigeración solar de pequeña potencia para el sector residencial. Modelado de componentes. CD de Actas del XV Congreso Ibérico y X Congreso Iberoamericano de Energía Solar. Vigo, Galicia, España. ISBN 978-84-615-9055-1. p 147-154 - Molero N., Cejudo J.M., Domínguez F., y Carrillo A., 2011. Analysis of Some Configurations for Residential Solar Cooling Systems. ISES Solar World Congress 2011. ISBN: 978-3-9814659-0-7 - Zamora M., Molero N., Cejudo J. M., Coronas A., 2011. Solar cooling and heating system using a new ammonia/lithium nitrate absorption chiller for residential sector. 4th International Conference Solar Air-Conditioning. Larnaka, Cyprus, October 2011. ISBN 978-3-941785-48-9 - Molero N., Cejudo J.M., Rodríguez E., Domínguez F., 2008. Nuevo modelo detallado del comportamiento térmico de captadores planos. Libro de actas del XIV Congreso Ibérico y IX Congreso Iberoamericano de Energía Solar, ISBN 978-84-612-4471-3. Vol.1, p 395-400 - Bueno B., Molero N., Cejudo J.M., Domínguez F., 2008. Modelo CFD de captador solar plano de placas paralelas. Libro de actas del XIV Congreso Ibérico y IX Congreso Iberoamericano de Energía Solar. ISBN 978-84-612-4471-3, Vol.1, p 389-394 Comunicaciones en congresos nacionales: - Cejudo López, J.M.; Molero Villar, N.; Domínguez Muñoz, F.; Carrillo Andrés, A., 2009. Comparación de configuraciones de sistemas solares de refrigeración solar por Anexo 6. Publicaciones del autor 284 absorción de pequeña potencia. VI jornadas nacionales de ingeniería termodinámica. ISBN 078-84-692-2642-1 A.6.2. Otras publicaciones Patentes - Molero Villar N., Tubío Hidalgo R., Rosa Berlanga F., Zamora García, M. 2015. Nueva bomba de calor de piscinas con recuperación de calor del aire de extracción y evacuación de calor al aire de extracción mediante circuito frigorífico reversible de compresión mecánica y procedimiento de regulación. Solicitantes: Compañía Industrial de Aplicaciones Térmicas, S.A. Número de publicación: 2 534 962. Libros - Tubío, R., Molero N., Zamora M. 2012. DTIE 10.06. Piscinas cubiertas. Sistemas de climatización, deshumectación y ahorro de energía mediante bombas de calor. Edita Atecyr. Congresos internacionales - Zamora M., Molero N., Corberán J. M., Navarro E., 2013. Research on the condensate carryover phenomena in finned-tube evaporator of an autonomous unit. Libro de Conferencias del VII Congreso Mediterráneo de Climatización, Climamed. ISBN: 978975-6907-17-7 - Molero N., Zamora M., Cejudo J.M., Domínguez F., 2012. Instalación experimental de calefacción y refrigeración solar de pequeña potencia para el sector residencial. Modelado de componentes. XV Congreso Ibérico y X Congreso Iberoamericano de Energía Solar 2012. Vigo, Galicia, España. ISBN 978-84-615-9055-1. p 147-154 - Molero N., Cejudo J.M., Domínguez F., Carrillo A., 2011. Analysis of Some Configurations for Residential Solar Cooling Systems. Proceeding book: ISES Solar World Congress. ISBN 9781618393647 - Zamora M., Molero M., Cejudo J.M., Coronas, A., 2011. Solar cooling and heating system using ammonia/lithium nitrate absorption chiller for residential sector. 4th International Conference Solar Air-Conditioning. ISBN 978-3-941785-48-9 - Molero N., Montagud C., Zamora M., Gonzálvez J., Blasco R., 2011. GEO2. Software de cálculo para intercambiadores de calor enterrados acoplados a bombas de calor aguaagua de CIAT. Libro de Conferencias del VI Congreso Mediterráneo de Climatización, Climamed. ISBN: 978-84-95010-41-4 - Molero N., Cejudo J.M., Rodríguez, E., Domínguez F., 2008. Nuevo modelo detallado del comportamiento térmico de captadores planos. XIV Congreso Ibérico y IX Congreso Iberoamericano de Energía Solar. Vol.1, 2008, ISBN 978-84-612-4471-3. p 395-400 Anexo 6. Publicaciones del autor 285 - Bueno B., Molero N., Cejudo J.M., Domínguez F., 2008. Construyendo el futuro sostenible: libro de actas del XIV Congreso Ibérico y IX Congreso Iberoamericano de Energía Solar. Vol.1, ISBN 978-84-612-4471-3. Páginas 389-394 Congresos nacionales - Zamora M., Molero N., 2012. Aproximación al valor de rendimiento medio estaciones (SPF) a partir del COP de diseño obtenido por el método IGSHPA para la determinación de la contribución de energía renovable de las bombas de calor geotérmicas. Libro de Actas del III Congreso de Energía Geotérmica en la Edificación y la Industria, GeoEner. ISBN: 976-84-615-8177-1 - Molero N., Zamora M., 2011. Simulación energética aplicada al estudio de sustitución de sistemas de climatización. Libro de Actas del I Congreso de Servicios Energéticos ESES. ISBN: 978-84-86313-10-4 - Molero N., Zamora M., 2011. Cuantificación del ahorro energético de diferentes opcionales y estrategias de control en equipos autónomos mediante la simulación en GEC©. Libro de Actas I Congreso Climatización Eficiente Clima+. Depósito Legal: M6260-2011. ISBN: 978-84-614-7043-3. - Tubío, R.; Molero, N., Zamora, M., 2010. Idoneidad de la climatización de una vivienda mediante bomba de calor geotérmica. Libro de Actas del II Congreso de Energía Geotérmica en la Edificación y la Industria. GEOENER. ISBN: 978-84-613-8588-1 - Zamora M., Molero N., Tubío R., Collantes F., 2009. Programa de simulación energética de sistemas de climatización GEC (Gestión Energética de Climatización)”. V Congreso Ibérico y III Congreso Iberoamericano de Ciencias y Técnicas del Frío CYTEF. Ed. R. Cabello et al. ISBN: 978-84-692-3391-7 - Cejudo, J.M., Molero, N., Domínguez, F., Carrillo A., 2009. Comparación de configuraciones de sistemas solares de refrigeración solar por absorción de pequeña potencia.VI jornadas nacionales de ingeniería termodinámica. ISBN 078-84-692-26421 - Assiego R, Cejudo J.M.; Molero, N., Zamora M., 2013. Patio 2.12. Una estrategia de enfriamiento gratuito basada en la integración de la arquitectura y los sistemas. VIII jornadas nacionales de ingeniería termodinámica. ISBN 9788492681624 Revistas internacionales - Molero N., Zamora M., 2011. GEO2. Software de cálculo para intercambiadores de calor enterrados acoplados a bombas de calor agua-agua de CIAT. Revista El Instalador. ISSN 0210-4091, Nº Extra 2, 2011, p 11-13 - Molero N., Zamora M., 2010. Control termoentálpico: la mejor opción para la regulación del free-cooling por entalpía. Revista El Instalador, ISSN 0210-4091, Nº Extra 478, 62, 2010, p 5-13. Anexo 6. Publicaciones del autor 286 - Bueno B., Molero N., Cejudo J.M. Domínguez F., 2009. Modelo CFD de captador solar plano de placas paralelas. Revista Era solar: Energías renovables, ISSN 0212-4157, Nº. 151, 2009, p 52-56 - Molero N., Cejudo J.M., Rodríguez E., Domínguez F., 2009. Modelo matemático multidimensional y transitorio: comportamiento térmico de captadores planos. Revista Era solar: Energías renovables, ISSN 0212-4157, Nº. 152, 2009, p 68-72 Revistas nacionales - Tarancón, J.R., Molero N., 2010. Renovación de climatización en el sector hotelero. Revista Montajes e instalaciones. ISSN 0210-184X, Año nº 40, Nº 447, 2010, p 32-34. - Molero N., Zamora M., 2011. Cuantificación del ahorro energético de diferentes opcionales y estrategias de control en equipos autónomos mediante la simulación en GEC©. Revista Montajes e instalaciones, ISSN 0210-184X, Año nº 41, Nº 453, 2011, p 66-70 - Zamora M., Molero N., 2011. Deshumectación y recuperación de calor en pequeñas piscinas de spas y balnearios urbanos. Revista Piscinas XXI/239/TOMOI, págs 60-66 Capítulos de libros - Zamora M., Molero N., 2014. Nueva bomba de calor de piscinas con recuperación del calor del aire de extracción mediante circuito frigorífico reversible y su control. Capítulo de la Guía sobre gimnasios de bajo Impacto EnergéticoEdita: Fundación de la Energía de la Comunidad de Madrid. Depósito Legal: M-26132-2014 - Zamora M., Molero M., 2012. Deshumectación con bomba de calor y recuperación de calor en pequeñas piscinas de spas y balnearios urbanos. Capítulo 9 de la Guía de Ahorro y Eficiencia Energética en Balnearios y Spas. Edita: Fundación de la Energía de la Comunidad de Madrid. Depósito Legal: M. 37.634-2011 - Zamora M., Molero M., 2012. Climatización de edificios. Bombas de calor geotérmicas y contribución de calor renovable. Capítulo 5 del Libro Energía geotérmica: Análisis y prospectiva de nuevas tecnologías energéticas. Colección: Avances de ingeniería. Edita: Asociación Nacional de Ingenieros del ICAI, Universidad de Comillas. ISBN: 978-84938762-1-0. Depósito Legal: M-12685-2012 287