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Variaciones en el comportamiento de equipos solares prefabricados en función de la zona climática, de acuerdo a la norma ISO 9459-2. Curso académico 2010/2011 Marcos Lasheras Torrellas. Universidad de Zaragoza Página 1 Proyecto de Fin de Carrera Variaciones en el comportamiento de equipos solares prefabricados en función de la zona climática, de acuerdo a la norma ISO 9459-2. Titulación: Ingeniería Industrial. Tomo 1/2 Autor: Marcos Lasheras Torrellas. Correo electrónico: 53450[email protected] Curso académico 2010/2011 Director: Dr. D. Isidoro Lillo Bravo. Departamento: Ingeniería energética. Centro: Escuela Técnica Superior de Ingenieros de Sevilla (ETSI). Ponente: Dr. D. Antonio Valero Capilla. Departamento: Ingeniería Mecánica. Área: Máquinas y Motores Térmicos. Centro: Centro Politécnico Superior de Zaragoza (CPS). Centro Politécnico Superior de la Universidad de Zaragoza (CPS) Variaciones en el comportamiento de equipos solares prefabricados en función de la zona climática, de acuerdo a la norma ISO 9459-2. Curso académico 2010/2011 Marcos Lasheras Torrellas. Universidad de Zaragoza Página 2 Variaciones en el comportamiento de equipos solares prefabricados de en función de la zona climática, de acuerdo a la norma ISO 9459-2. RESUMEN Este trabajo se apoya en los ensayos realizados por un estudiante de máster de la universidad de Sevilla. Estos ensayos proveen de valiosos datos de características de equipos solares. El objeto de este trabajo es determinar la relación de la energía absorbida por un sistema de captación solar en diferentes climas con 4 parámetros participantes en el cálculo, variando estos de una manera que se aprecie su influencia y así poder determinar el ajuste óptimo de estos para cada zona climática. Todo ello enmarcado en las condiciones de ensayo y cálculo descritas en la norma UNE-ISO 9459-2. El método descrito en la norma se implementa en una herramienta informática que permita un cálculo iterativo y condicionado. El software elegido es Microsoft Excel. Una hoja de cálculo permite el cálculo de la energía absorbida por el sistema a lo largo de un año, así como una presentación fácil, rápida e intuitiva de los resultados y de los datos tanto climáticos como de los equipos utilizados. Los datos climáticos utilizados son: - Temperatura del agua de red. - Irradiación. - Horas de luz. - Temperatura ambiente diurna y nocturna. Mientras que los datos de los equipos utilizados son: - Características técnicas (área de apertura, volumen de acumulación,…) - Coeficiente de pérdidas térmicas del acumulador (Us). - Gráfica Q-H (parámetros a1, a2 y a3). - Perfiles de extracción f(V) y g(V). El método de cálculo se ha aplicado a cuatro ciudades distintas, cada una representa unas condiciones climáticas de Tª y radiación opuestas. Estas ciudades son Atenas, Davos, Estocolmo y Wurzburg. Entre los resultados del análisis de sensibilidad llevado a cabo se pueden destacar: - Mayor importancia de la Gráfica Q-H frente a los demás, especialmente de a1. - Decreciente importancia de Us frente a un consumo creciente. - Ínfima influencia de la optimización de los perfiles de extracción f(V) y g(V). Por último se han intentado reflejar las relaciones entre los parámetros experimentales y las características técnicas de los equipos con los datos disponibles para poder sugerir el mejor ajuste posible de los equipos solares para las dadas condiciones climatológicas. Variaciones en el comportamiento de equipos solares prefabricados en función de la zona climática, de acuerdo a la norma ISO 9459-2. Curso académico 2010/2011 Marcos Lasheras Torrellas. Universidad de Zaragoza Página 3 Tabla de contenido RESUMEN ...................................................................................................................................... 2 1.- Introducción ............................................................................................................................. 5 2.- Análisis bibliográfico ................................................................................................................ 8 3.- Implementación informática de la metodología de la estimación del rendimiento de un equipo solar prefabricado a largo plazo de acuerdo a la norma UNE-ISO 9459-2 ..................... 10 3.1.- Comparación con la metodología acreditada ................................................................. 16 4.- Definición de parámetros y equipos analizados para las diferentes zonas climáticas .......... 19 5.- Conclusiones .......................................................................................................................... 25 5.1.- Sobre la norma: ............................................................................................................... 25 5.2.- Sobre los equipos: ........................................................................................................... 25 5.3.- Sobre los resultados del análisis de sensibilidad: ........................................................... 26 5.4.- Selección de equipos óptima según condiciones climáticas y consumo: ....................... 28 6.- Referencias ............................................................................................................................. 32 Anexo 1.- Datos climáticos .......................................................................................................... 34 Atenas...................................................................................................................................... 34 Davos ....................................................................................................................................... 36 Estocolmo ................................................................................................................................ 38 Wurzburg ................................................................................................................................. 40 Anexo 2.- Datos de equipos utilizados ........................................................................................ 43 Anexo 3.- Resultados de metodología acreditada ...................................................................... 59 Anexo 4.- Resultados del análisis de sensibilidad de los parámetros para las diferentes zonas climáticas ..................................................................................................................................... 62 4.1.- Frente a variaciones de la gráfica Q-H ......................................................................... 62 Equipo 4: ............................................................................................................................ 62 Equipo 11: .......................................................................................................................... 77 Equipo medio: .................................................................................................................... 92 4.2.- Frente a variaciones de f (V)....................................................................................... 107 Equipo 4: .......................................................................................................................... 107 Equipo 11: ........................................................................................................................ 112 Equipo medio: .................................................................................................................. 117 4.3.- Frente a variaciones de g (V) ...................................................................................... 122 Variaciones en el comportamiento de equipos solares prefabricados en función de la zona climática, de acuerdo a la norma ISO 9459-2. Curso académico 2010/2011 Marcos Lasheras Torrellas. Universidad de Zaragoza Página 4 Equipo 4: .......................................................................................................................... 122 Equipo 11: ........................................................................................................................ 127 Equipo medio: .................................................................................................................. 132 4.4.- Frente a variaciones de Us .......................................................................................... 137 Equipo 4: .......................................................................................................................... 137 Equipo 11: ........................................................................................................................ 142 Equipo medio: .................................................................................................................. 147 Anexo 5.- Definiciones y símbolos ............................................................................................ 152 Variaciones en el comportamiento de equipos solares prefabricados en función de la zona climática, de acuerdo a la norma ISO 9459-2. Curso académico 2010/2011 Marcos Lasheras Torrellas. Universidad de Zaragoza Página 5 1.- Introducción Debido a que no se ha desarrollado un método de cálculo de rendimiento aplicable a todos los modelos de sistemas solares. Se ha decidido confiar en los métodos simples que hay hasta ahora mientras se sigue trabajando para llegar a ese método de cálculo que homogeneice todos los cálculos de rendimiento. En este contexto se encuentra la norma UNE-ISO 9459:2008[1]. Y en concreto su parte número 2, en la que se describe el método de cálculo de la producción solar utilizado a lo largo de este documento para realizar los cálculos. Este trabajo ha sido llevado a cabo dentro del departamento de ingeniería energética de la Escuela Técnica Superior de Ingenieros de Sevilla y a su vez dentro del grupo de energías renovables de éste departamento. El objetivo de este trabajo es realizar unos análisis de sensibilidad de los parámetros participantes en el cálculo relacionados con las características físicas de los equipos solares ,como el de la ilustración 1, como son el coeficiente de pérdidas térmicas (Us), la gráfica Q-H y los perfiles de extracción f(V) y g(V). Para ello se ha implementado en un software de computación el método descrito en la norma, de forma que se puedan llevar a cabo multitud de cálculos en introducir variaciones en no demasiado espacio de tiempo. El software elegido es Microsoft Excel debido a la experiencia previa de su autor con el mismo, así como la conveniente ilustración de los datos, tanto de los equipos, como climáticos que se puede hacer utilizando el citado software. El trabajo está basado en un trabajo previo de un estudiante de máster de la universidad de Sevilla [2], el cual aporta datos muy valiosos sobre esos parámetros a través de unos ensayos llevados a cabo según la norma UNE 12976. Estos ensayos dan como resultado los valores, para cada uno de los equipos ensayados, de cada uno de los parámetros que determinan el comportamiento de estos equipos; Us, la gráfica Q-H y los perfiles de extracción. En el caso del coeficiente Us, es ese mismo coeficiente el resultado de los análisis, mientras que en el caso de la Q-H el resultado son tres parámetros que dan forma a la gráfica, los parámetros a1, a2 y a3. En el caso de los perfiles f (V) y g(V) se obtienen una serie de valores numéricos porcentuales que reflejan la energía extraída para cada décima parte del volumen del acumulador que cada sistema tiene, hasta un límite de 3 veces el volumen de éste. Sobre los valores que se toman de estos ensayos se han realizado los mencionados análisis de sensibilidad para tres de los equipos ensayados y de los cuales se tienen sus parámetros definidos. Estos tres equipos son: Uno de los considerados peores, uno de los considerados mejores, y por último, un equipo ficticio que está definido por los valores medios de los parámetros teniendo en cuenta todos los equipos ensayados. Variaciones en el comportamiento de equipos solares prefabricados en función de la zona climática, de acuerdo a la norma ISO 9459-2. Curso académico 2010/2011 Marcos Lasheras Torrellas. Universidad de Zaragoza Página 6 Cada uno de estos equipos se ha situado en cuatro entornos con condiciones de temperatura y radiación extremas. Estos cuatro entornos vienen representados por cuatro ciudades para poder disponer de datos climáticos fiables. Estas cuatro ciudades son: • Atenas (Grecia). • Davos (Suiza). • Estocolmo (Suecia). • Wurzburg (Alemania). Mientras que los datos climáticos necesarios para llevar a cabo los cálculos son: • Temperatura del agua. • Irradiación. • Horas de luz. • Temperatura ambiente diurna y nocturna. Tras la realización de estos análisis se está en disposición de determinar cuáles son los parámetros más determinantes para cada una de las condiciones climáticas, que serán el objetivo de futuras mejoras enfocadas al aumento de la captación de energía solar térmica. O simplemente el ajuste adecuado de estos parámetros para cada una de las zonas climáticas Para la interpretación de los resultados se han utilizado multitud de gráficas que sirven para ilustrar la tendencia de la producción energética en relación con el cambio en cada parámetro, y no solo el valor de un parámetro que podría ser el rendimiento global, o la fracción solar. Previo a la realización del trabajo en sí se realizó un análisis bibliográfico al cual se le ha dedicado un capítulo en el documento. En él se hace un breve repaso a la evolución de las técnicas de cálculo de la producción de energía térmica de los equipos, mencionando algunos de los métodos más destacados y haciendo una pequeña descripción de la metodología que usaban. En la sección tres del presente documento se describe el método utilizado para realizar los cálculos, el cual, a su vez, viene explicado en la norma UNE-ISO 9459-2[1], mencionando los datos y las condiciones necesarias para cada apartado. A su vez se dedica un pequeño subapartado a la comparación del método implementado por el autor frente al implementado con anterioridad en el citado trabajo [2] en el cual se basa este trabajo. En la sección cuatro se describe cada uno de los parámetros modificados para llevar a cabo el análisis de sensibilidad, así como su relación con las correspondientes características técnicas de los paneles. En la siguiente sección se exponen las conclusiones a las que se ha llegado tras la observación y el análisis de los resultados y la comparación de estos con las características técnicas de los equipos. El último capítulo se dedica a la bibliografía utilizada, la cual tiene las necesarias referencias en el texto a lo largo de todo el documento. Variaciones en el comportamiento de equipos solares prefabricados en función de la zona climática, de acuerdo a la norma ISO 9459-2. Curso académico 2010/2011 Marcos Lasheras Torrellas. Universidad de Zaragoza Página 7 Por último se incluyen cinco anexos. El primero de los anexos está dedicado a los datos climáticos de las localidades de referencia. En él se encuentran las gráficas que representan los datos climáticos utilizados para llevar a cabo los cálculos, así como los datos geográficos de las ciudades. El segundo anexo está dedicado a la exposición de los datos de los equipos analizados según la norma UNE 12976 [2]. En él se encuentran dos fichas completas para los dos equipos tomados como mejor y peor, así como unas tablas y gráficas en las cuales están los valores y perfiles de todos los parámetros necesarios para el cálculo de todos los equipos. En el tercer anexo se exponen los resultados de cálculo de captación de la metodología llevada a cabo en el trabajo en el cual se basa éste. En la anexo cuatro se refleja el análisis de sensibilidad llevado a cabo. Esta es la parte central de este trabajo. Se incluyen 4 sub-secciones, cada una dedicada a cada uno de los cuatro parámetros para los cuales se llevan a cabo los análisis de sensibilidad. En el quinto y último anexo se expone una tabla de definiciones de los distintos parámetros, y sus abreviaturas, presentes a lo largo de todo el documento. Ilustración 1. Imagen de un equipo solar prefabricado Variaciones en el comportamiento de equipos solares prefabricados en función de la zona climática, de acuerdo a la norma ISO 9459-2. Curso académico 2010/2011 Marcos Lasheras Torrellas. Universidad de Zaragoza Página 8 2.- Análisis bibliográfico El primer método simplificado para el cálculo del rendimiento de un sistema termosolar fue el denominado método f-chart (Beckman et al., 1977[3]). Este método funcionaba mediante cálculos mensuales calculando el factor f utilizando unas correlaciones determinadas y habiendo calculado la demanda previamente. Esta demanda se tomaba como la estándar para el uso del sistema termosolar determinado. Estas correlaciones se calculaban a través de unos coeficientes X e Y que se determinaban según de los parámetros del sistema (F R , τ, área de apertura,…) y de los datos climáticos (irradiación (H), T ambiente,…). A su vez, el parámetro X se ve afectado por otros dos coeficientes (K1 y K2) que tienen relación con las temperaturas y el tamaño del acumulador. A través de estas correlaciones se calcula la f y así, la energía aportada por el sistema termosolar mensualmente. Por último se suman las aportaciones mensuales y se compara con la demanda prevista para analizar la cobertura obtenida con el sistema. Este método presenta las restricciones de que las temperaturas de operación vienen restringidas dentro de unos límites en los que los parámetros que se utilizan en el método representan correctamente el comportamiento del sistema, y también la capacidad de almacenamiento viene restringida por la misma razón. Posteriormente apareció el método φ-f-chart (Klein and Beckman, 1979[4]) que introduce el concepto de “utilizabilidad” de la energía incidente. Define un parámetro φ que participa en el cálculo de la fracción solar. Este parámetro refleja que solamente una parte de la energía incidente será capaz de incrementar la Tª del agua circulante. Sin embargo, no se considera el hecho de que el agua a alta Tª tampoco será útil, siendo este una limitación importante (y no resuelta aún). Otro método definido para calcular la fracción solar es el definido por Gordon y Zarmi (1985[5]). Este es un método analítico en el que se resuelven las ecuaciones diferenciales que gobiernan el sistema térmico estableciendo unos tiempos de respuesta del sistema apropiados para que no sean ni demasiados grandes (más de un día) ni demasiado pequeños (minutos). De esta manera la energía solar captable para cada día se define según el producto de parámetros del captador (F R , A), de operación (T operación ) y climáticos (H, T ambiente ) y se considera constante a lo largo del día. En esta expresión viene implícita la influencia de la utilizabilidad por la influencia de T operación . Este método presenta la restricción de que necesita que el tiempo de respuesta sea el apropiado, así, no refleja bien el funcionamiento de grandes plantas (de tiempo de respuesta grande) ni de instalaciones sin almacenamiento (tiempo de respuesta pequeño). Modificaciones posteriores pretendían mejorarlo estableciendo un día típico como el cual a utilizar para los cálculos (el día que más veces se presenta a lo largo del año) (Feuermann et al., 1985[6]), o también el uso de la media de la radiación y la utilizabilidad horaria para llevar a cabo los cálculos (Reddy et al., 1987[7]). Variaciones en el comportamiento de equipos solares prefabricados en función de la zona climática, de acuerdo a la norma ISO 9459-2. Curso académico 2010/2011 Marcos Lasheras Torrellas. Universidad de Zaragoza Página 9 Un cambio apreciable apareció con la regla ISO 9459-2 (1995[8]) en el método que se ha definido en la norma ISO 9459-2 se relaciona directamente la energía incidente (H) con la energía que se absorbe en el sistema (Q), es decir, que no hace falta calcular qué parte de la energía incidente será absorbida a través de rendimientos o coeficientes ya que viene determinada directamente por un valor reflejado en un gráfico (Q-H). De esta manera también se simplifica el concepto de “utilizabilidad” de la energía incidente. En todos los casos anteriores se habla del trato de la demanda, es decir, que se compara la energía obtenida con la demandada. En el caso de la ISO 9459-2 solo se tiene en cuenta la energía absorbida por los paneles, no teniendo en cuenta la naturaleza de la demanda. Un método reciente descrito por Oliveira (2007[9]) propone un cálculo en el que se intenta discriminar la energía no útil, tanto por exceso de Tª como por defecto definiendo los parámetros de utilizabilidad φ (Tmin) y φ (Tmax). Estos parámetros aparecen en la ecuación del cálculo de la energía absorbida. Establece un cálculo para cada esquema de funcionamiento, con almacenamiento, y sin él. En el caso de un sistema de almacenamiento el cálculo es más simple y sólo tiene en cuenta los parámetros usuales más los φ ya mencionados. En el caso de sistemas con almacenamiento, el cálculo es un poco más complejo y aparecen más nuevos coeficientes (c stor y c exc ) relacionados con las pérdidas en el acumulador y con la energía sobrante respectivamente Un método totalmente distinto a todos los demás por su naturaleza son las redes neuronales artificiales (Kalogirou, 2000[10]). Este método consiste en entrenar una red neuronal artificial. Según Haykin, una red neuronal es un procesador de información con múltiples ramas paralelas que es capaz de adquirir conocimiento experimental y utilizarlo a posteriori. De esta manera, este método se basa en el entrenamiento de una red neuronal formada por un número determinado de neuronas artificiales que son entrenadas para relacionar unos datos de entrada con unos resultados. Así, este grupo de neuronas son tratadas como una “caja negra” que genera unos resultados a partir de unos datos de partida. Este método no representa un método de cálculo en sí, sino que representa un proceso de tratamiento de datos basado en algún método de cálculo determinado, pero aún así me parece suficientemente interesante para mencionarlo en este texto. Variaciones en el comportamiento de equipos solares prefabricados en función de la zona climática, de acuerdo a la norma ISO 9459-2. Curso académico 2010/2011 Marcos Lasheras Torrellas. Universidad de Zaragoza Página 16 Ecuación 23 ACU LOSR mainS C QQ tt − += )2( )2()3( Donde QLOS son las pérdidas en el acumulador por la noche. Las pérdidas en el acumulador por la noche, QLOS, se calcula como: Ecuación 24 [ ]                ∆ −−−= pwwS S nightaipwwSLOS cV tU ttcVQ ρ ρ exp1 )( Donde ti es la temperatura media del acumulador al comienzo de la noche y ta(night) es la temperatura ambiente media durante la noche. ti se calcula a partir del valor de QR calculado en la Ecuación 22: Ecuación 25 )2( )2( main pwwS R i t cV Q t+= ρ Paso 6: Días siguientes El procedimiento empieza de nuevo para los días siguientes del 3 al 365, repitiendo los pasos realizados en el día 2. 3.1.- Comparación con la metodología acreditada A continuación se expone una comparación entre la metodología acreditada llevada a cabo con anterioridad en otro trabajo y los resultados obtenidos tras implementar en el software Microsoft Excel el método de cálculo descrito en el punto anterior. La elección de las cuatro localizaciones se hace atendiendo a sus condiciones climáticas, buscando la mayor disparidad de condiciones de irradiación (H) y temperatura (T), de forma que se cubran las cuatro esquinas de la siguiente ilustración: T H Atenas Davos Estocolmo Wurzburg Variaciones en el comportamiento de equipos solares prefabricados en función de la zona climática, de acuerdo a la norma ISO 9459-2. Curso académico 2010/2011 Marcos Lasheras Torrellas. Universidad de Zaragoza Página 17 Ciudad Q acreditada [MJ] Q [MJ] V carga Diaria [l] % diferencia Stockholm 1344 1223,46 50 10% Wuzburg 1455 1404,02 50 4% Davos 2169 1502,91 50 44% Atenas 1800 1996,35 50 10% Stockholm 2064 2182,98 80 5% Wuzburg 2249 2502,78 80 10% Davos 3312 2698,65 80 23% Atenas 2798 3616,00 80 23% Stockholm 2736 2587,00 110 6% Wuzburg 2996 2965,70 110 1% Davos 4368 3203,55 110 36% Atenas 3752 4299,68 110 13% Stockholm 3301 3239,72 140 2% Wuzburg 3637 3720,79 140 2% Davos 5244 4016,88 140 31% Atenas 4597 5390,30 140 15% Stockholm 3740 3461,03 170 8% Wuzburg 4153 3980,00 170 4% Davos 5893 4291,31 170 37% Atenas 5313 5745,74 170 8% Stockholm 4006 3978,90 200 1% Wuzburg 4507 4574,57 200 1% Davos 6220 4966,35 200 25% Atenas 5862 6604,10 200 11% Stockholm 4208 3845,99 250 9% Wuzburg 4795 4425,65 250 8% Davos 6448 4785,53 250 35% Atenas 6578 6376,30 250 3% Stockholm 4298 3942,57 300 9% Wuzburg 4894 4534,01 300 8% Davos 6576 4917,42 300 34% Atenas 7064 6544,44 300 8% Stockholm 4408 4049,57 400 9% Wuzburg 5016 4652,55 400 8% Davos 6739 5067,58 400 33% Atenas 7406 6730,50 400 10% Stockholm 4508 4165,64 600 8% Wuzburg 5128 4776,17 600 7% Davos 6886 5246,97 600 31% Atenas 7567 6933,70 600 9% Tabla 1. Relación de Q acreditada frente a la Q calculada para el equipo 4 Variaciones en el comportamiento de equipos solares prefabricados en función de la zona climática, de acuerdo a la norma ISO 9459-2. Curso académico 2010/2011 Marcos Lasheras Torrellas. Universidad de Zaragoza Página 18 Ciudad Q acreditada [MJ] Q [MJ] V carga Diaria [l] % diferencia Stockholm 1309 1022,61 50 28% Wuzburg 1422 1182,63 50 20% Davos 2149 1244,33 50 73% Atenas 1793 1654,60 50 8% Stockholm 2069 1916,00 80 8% Wuzburg 2251 2209,88 80 2% Davos 3391 2346,58 80 45% Atenas 2846 3157,41 80 10% Stockholm 2793 2710,60 110 3% Wuzburg 3047 3123,00 110 2% Davos 4565 3328,80 110 37% Atenas 3859 4512,20 110 14% Stockholm 3459 3394,87 140 2% Wuzburg 3790 3908,99 140 3% Davos 5643 4169,84 140 35% Atenas 4812 5666,27 140 15% Stockholm 4062 3954,51 170 3% Wuzburg 4466 4554,83 170 2% Davos 6610 4853,09 170 36% Atenas 5696 6596,39 170 14% Stockholm 4581 4403,05 200 4% Wuzburg 5060 5075,81 200 0% Davos 7425 5394,92 200 38% Atenas 6498 7328,22 200 11% Stockholm 5226 4933,87 250 6% Wuzburg 5846 5694,71 250 3% Davos 8338 6046,67 250 38% Atenas 7616 8203,28 250 7% Stockholm 5639 5767,61 300 2% Wuzburg 6399 6652,16 300 4% Davos 8830 7112,34 300 24% Atenas 8501 9627,65 300 12% Stockholm 6057 5552,16 400 9% Wuzburg 6938 6403,93 400 8% Davos 9379 6833,21 400 37% Atenas 9918 9271,68 400 7% Stockholm 6452 5980,56 600 8% Wuzburg 7384 6888,97 600 7% Davos 9977 7399,06 600 35% Atenas 11038 10022,08 600 10% Tabla 2. Relación de Q acreditada frente a la Q calculada para el equipo 11 Se aprecia en ambos casos que los resultados se parecen ostensiblemente, con diferencias inferiores al 10% en la mayoría de los casos. Se aprecia un error recurrente grande en el caso de Davos. Si se miran los resultados detenidamente se puede ver una mayor producción para Davos que para Atenas en el caso de la metodología acreditada, lo cual sugiere que hay un error de cálculo en ese método porque eso no responde a la lógica teniendo en cuenta las Variaciones en el comportamiento de equipos solares prefabricados en función de la zona climática, de acuerdo a la norma ISO 9459-2. Curso académico 2010/2011 Marcos Lasheras Torrellas. Universidad de Zaragoza Página 19 condiciones climáticas de ambas localizaciones. Este hecho fue comentado con el director del proyecto, el cual coincide en este aspecto. Las otras variaciones con toda probabilidad se deben a que el método implementado para realizar los cálculos para el presente trabajo está más afinado que el llevado a cabo en el otro método. Y también al uso de datos más reales con respecto a las horas de luz de cada localización. 4.- Definición de parámetros y equipos analizados para las diferentes zonas climáticas A lo largo de este breve capítulo se definen los parámetros que se modifican en el análisis de sensibilidad, así como las condiciones sobre las que se lleva a cabo dicho análisis. Los resultados del citado análisis se ven reflejados en el anexo 4 del presente documento. Todos los equipos son termosifónicos. Los equipos analizados son tres: el equipo nº 4, el equipo nº 11 y un equipo ficticio cuyos parámetros vienen determinados por la media de los parámetros de los veintiún equipos ensayados y de los cuales se tienen datos, que son, respectivamente, el considerado uno de los mejores equipos, uno de los peores, y el medio en función de los parámetros Us y ai, respectivamente. Los datos técnicos de los equipos utilizados se encuentran reflejados en el anexo 2 del documento. Para diferenciar los equipos 4 y 11 como uno de los mejores y uno de los peores respectivamente se clasificaron según Us los 21 equipos de los cuales se disponían datos. A continuación se identificaron los mejores (menores Us) y peores (mayores Us). Tras esta clasificación se diferencia entre los equipos considerados como mejores o peores buscando cuáles de ellos tienen la combinación de ai mejor y peor respectivamente. La mejor combinación de ai será: - Mayor a1 - Mayor a2 - Mayor a3 Dado que los tres parámetros aparecen sumando en la Ecuación 5 que determina la energía absorbida según la gráfica Q-H. Por lo tanto la peor será en la cual los tres ai sean menores. Los mejores equipos se representan a continuación: Nº equipo Us [W/K] a1 [MJ/m2] a2 [MJ/K] a3 [MJ] 4 3,34 1,21 0,45 - 1,06 13 3,23 1 0,27 - 0,61 Tabla 3. Mejores equipos según Us Variaciones en el comportamiento de equipos solares prefabricados en función de la zona climática, de acuerdo a la norma ISO 9459-2. Curso académico 2010/2011 Marcos Lasheras Torrellas. Universidad de Zaragoza Página 20 Los peores equipos se representan a continuación: Nº equipo Us[W/K] a1[MJ/m2] a2[MJ/K] a3[MJ] 6 6,09 1,6 0,74 - 1,7 11 5,07 1,86 0,75 - 2,42 Tabla 4. Peores equipos según Us Cualquier pareja de mejor y peor equipo hubiera servido ya que se busca analizar uno de los peores equipos y uno de los mejores, no específicamente el mejor y el peor. Se eligieron los equipos 4 y 11 como representantes de los mejores y los peores respectivamente. Estos equipos presentan las siguientes características: Equipo Tipo de captador Área Apertura (m2) Volumen (l) V/A (l/m2) Espesor aislamiento acumulador (mm) Modelo de intercambiador 1 / Aintercambio (m2) Presión 1º (bar) 4 Plano selectivo 2,30 192 83,48 40 D / 1,16 3 11 Plano selectivo 3,84 300 78,13 50 D / 1,67 2,5 Tabla 5. Características técnicas de los equipos 4 y 11 Mientras que el equipo modelizado como la media de los 21 equipos tendrá las siguientes características: Us[W/K] a1[MJ/m2] a2[MJ/K] a3[MJ] 4,29 1,35 0,46 - 1,43 Tabla 6. Parámetros característicos del equipo medio A continuación se muestran los perfiles f(V) y g(V) de los equipos 4, 11 y medio: Gráfica 1. Perfiles f(V) para H<16MJ/m2 y H>16MJ/m2 para el equipo 4 1 D para intercambiadores de doble envolvente 0,00 0,05 0,10 0,15 0,1 0,3 0,5 0,7 0,9 1,1 1,3 1,5 1,7 1,9 2,1 2,3 2,5 2,7 2,9 Vc/Vs f(V)[%]; H<16 f(V)[%]; H>16 Variaciones en el comportamiento de equipos solares prefabricados en función de la zona climática, de acuerdo a la norma ISO 9459-2. Curso académico 2010/2011 Marcos Lasheras Torrellas. Universidad de Zaragoza Página 21 Gráfica 2. Perfil g(V) para el equipo 4 Gráfica 3. Perfiles f(V) para H<16MJ/m2 y H>16MJ/m2 para el equipo 11 Gráfica 4. Perfil g(V) para el equipo 11 Gráfica 5.Perfiles f(V) para H<16MJ/m2 y H>16MJ/m2 para el equipo medio 0,00 0,05 0,10 0,15 0,1 0,3 0,5 0,7 0,9 1,1 1,3 1,5 1,7 1,9 2,1 2,3 2,5 2,7 2,9 Vc/Vs g(V)[%] 0,00 0,05 0,10 0,15 0,1 0,3 0,5 0,7 0,9 1,1 1,3 1,5 1,7 1,9 2,1 2,3 2,5 2,7 2,9 Vc/Vs f(V)[%]; H<16 f(V)[%]; H>16 0,00 0,02 0,04 0,06 0,08 0,10 0,12 0,1 0,3 0,5 0,7 0,9 1,1 1,3 1,5 1,7 1,9 2,1 2,3 2,5 2,7 2,9 Vc/Vs g(V)[%] 0,00 0,05 0,10 0,15 0,1 0,3 0,5 0,7 0,9 1,1 1,3 1,5 1,7 1,9 2,1 2,3 2,5 2,7 2,9 Vc/Vs f(V)[%]; H<16 f(V)[%]; H>16 Variaciones en el comportamiento de equipos solares prefabricados en función de la zona climática, de acuerdo a la norma ISO 9459-2. Curso académico 2010/2011 Marcos Lasheras Torrellas. Universidad de Zaragoza Página 22 Gráfica 6.Perfil g(V) para el equipo medio Para cada análisis de sensibilidad se simula la producción de energía térmica para cada sistema en cada una de las localizaciones de referencia, y posteriormente se elaboran unas gráficas en las cuales se representa la tendencia de la producción ante esa variación de cada parámetro. Se incluye también la representación de la fracción solar en función de los valores del parámetro analizado. Cada uno de los parámetros analizados viene definido a continuación: - Gráfica Q-H: Es una gráfica experimental que relaciona la irradiación H (energía incidente) con la energía absorbida. Está formada por tres parámetros: Q = a1*H + a2*(taire - tagua entrante) + a3. Los tres coeficientes se obtienen de forma experimental por un ajuste de mínimos cuadrados, ya que se pueden medir Q(Q=m*Ce*Δt)[MJ] y H[MJ/m2]. A continuación se expone un ejemplo de esta gráfica: Gráfica 7. Ejemplo de gráfica Q-H Estos parámetros se verán modificados en un ±50% de su valor original para hacer el análisis. - Coeficiente Us: El parámetro Us determina las pérdidas térmicas que tiene el acumulador durante la noche. Este parámetro está directamente relacionado con la 0,00 0,02 0,04 0,06 0,08 0,10 0,12 0,1 0,3 0,5 0,7 0,9 1,1 1,3 1,5 1,7 1,9 2,1 2,3 2,5 2,7 2,9 Vc/Vs g(V)[%] Variaciones en el comportamiento de equipos solares prefabricados en función de la zona climática, de acuerdo a la norma ISO 9459-2. Curso académico 2010/2011 Marcos Lasheras Torrellas. Universidad de Zaragoza Página 23 Ecuación 26 forma constructiva del acumulador, es decir, con la forma que tenga (si tiene más o menos superficie) y con su tamaño y capacidad, así como con el aislante utilizado, y su grosor. Este parámetro se calcula de forma experimental con una expresión que relaciona la diferencia de temperaturas al final y al principio de la noche, la masa de agua y la duración de la noche. A continuación se detalla la expresión utilizada para el cálculo de Us: ܷ ݏ = ߩ ݓ ∗ܿ ݌ݓ ∗ܸ ݏ ∆ݐ ݈݊ ൤ ݐ ݅ −ݐ ܽݏ ݐ ݂ −ݐ ܽݏ ൨ Al igual que los parámetros ai, este coeficiente se verá modificado en un ±50% de su valor original para hacer el análisis: - Perfiles f(V) y g(V): Estos perfiles ilustran la cantidad de energía que hay contenida en cada porción de volumen del acumulador, es decir, ilustran la cantidad de energía que sale en cada litro de agua extraído del acumulador en forma de porcentaje (en este caso vienen definidos por décimos del volumen del acumulador). Mientras f(V) se relaciona con la energía disponible por el calentamiento a través del panel, g(V) se relaciona con la energía disponible por la mezcla de agua templada (agua a principio del día) con agua fría (agua de red). Estos perfiles se relacionan con el equipo globalmente. En el caso de los perfiles de extracción, se ha realizado el análisis comparando el perfil actual que cada equipo tiene frente al perfil ideal de extracción, en el cual la pendiente descendente se transforma en un escalón de manera que se optimiza la energía extraída al extraer la mayor parte al principio, como en las gráficas ejemplo (Gráfica 8). De esta forma, por pequeño que sea Vc siempre extraes la máxima energía. Ambos perfiles se determinan a través de los ensayos descritos en la norma ISO 9459- 2[1]. Para el caso de f(V)se determinan dos perfiles, uno para H<16 MJ/m2 y otro para H>16 MJ/m2, uno para día nublado y otro para día soleado respectivamente. A continuación se detallan unas gráficas ejemplo de la optimización del perfil f(V): Variaciones en el comportamiento de equipos solares prefabricados en función de la zona climática, de acuerdo a la norma ISO 9459-2. Curso académico 2010/2011 Marcos Lasheras Torrellas. Universidad de Zaragoza Página 24 Gráfica 8. Gráficas ejemplo de la optimización de los perfiles f(V). El escalón se sitúa allí donde el perfil original tiene una mayor pendiente. En el caso de los perfiles de g(V), las gráficas son completamente análogas. Para cada uno de los análisis se ha tenido en cuenta la influencia del volumen de consumo, así hay datos para un rango de volúmenes de consumo desde los 50 litros hasta los 600. En el caso del equipo nº 4 esto representa un mayor volumen proporcionalmente debido a que el volumen de su acumulador es menor, pero se ha optado por operar según demanda constante e igual para todos los equipos. También se representa la relación entre la variación de cada parámetro y la fracción solar. La fracción solar fsol es la energía suministrada por la parte solar del sistema dividida por la carga total del sistema fsol = Q/Qd 2 2 Qd determinada según UNE-EN 12976-2 Apartado 5.8.3.3. Variaciones en el comportamiento de equipos solares prefabricados en función de la zona climática, de acuerdo a la norma ISO 9459-2. Curso académico 2010/2011 Marcos Lasheras Torrellas. Universidad de Zaragoza Página 25 5.- Conclusiones 5.1.- Sobre la norma: Tras el estudio e interpretación de la norma se han podido extraer las siguientes conclusiones: - En el método de cálculo día a día aparecen algunas inconsistencias: - Algunos de los parámetros no están acotados, es decir, que alguna de las magnitudes puede tomar valores menores que 0 por la naturaleza de las fórmulas que las determinan, pero ese valor negativo no tiene sentido físico, así que a la hora de calcular se debe dejar en 0. Estas magnitudes son: o Q1: no puede ser menor que 0 porque es un parámetro de energía absorbida, será como mínimo 0, pero nunca menor. o Q2: análogo a Q1. - Asimismo, algunos valores no pueden ser mayores que otros físicamente, mientras que según sus fórmulas si cabe la posibilidad. Estos parámetros son: o ti: La Tª del acumulador al comienzo de la noche no será más fría que la Tª ambiente nocturna (ta night). o Qlos: Las pérdidas nocturnas del acumulador nunca serán mayores que la energía que quede tras la extracción (Qr). 5.2.- Sobre los equipos: Tras la comparación de las características técnicas de los equipos con sus parámetros experimentales se han podido extraer las siguientes conclusiones: - Sobre a1: o Equipos grandes 3 presentan los mejores valores. La proporción V/A para estos equipos debe ser entre 70-80 l/m2. o Equipos medianos 4 pueden presentar buen a1 si tienen una proporción V/A adecuada, en torno a 90 l/m2. o Equipos pequeños 5 presentan malos a1. o Queda favorecido por un aumento del área de intercambio en el acumulador. Así que para optimizar a1 se busca un equipo lo mayor posible respetando la relación V/A óptima para cada tamaño y con un área de intercambio en el acumulador la máxima posible. 3 Equipos grandes son aquellos con un volumen entre 280-300 l y un área de apertura mayor de 3,8 m2 4 Equipos medianos son aquellos con un volumen de 200 l y un área de apertura en torno a 2 m2 5 Equipos pequeños son aquellos con un volumen menor de 200 l y un área de apertura menor de 2 m2 Variaciones en el comportamiento de equipos solares prefabricados en función de la zona climática, de acuerdo a la norma ISO 9459-2. Curso académico 2010/2011 Marcos Lasheras Torrellas. Universidad de Zaragoza Página 32 6.- Referencias [1]ISO 9459-2:1995. Calentamiento solar. Sistemas de calentamiento de agua sanitaria. Parte 2: Métodos de ensayo. [2] Vera Medina, J., 2011. Estudio comparativo de sistemas solares térmicos ensayados por la UNE 12976. Escuela Técnica Superior de Ingenieros. Universidad de Sevilla [3] Beckman, W., Klein, S.A., Duffie, J.A., 1977. Solar Heating Design by the f-chart Method. Wiley. [4] Klein, S.A., Beckman, W., 1979. A general design method for closed-loop solar energy systems. Solar Energy 22 (3), 269–282, Pergamon Press (Elsevier Science). [5] Gordon, J.M., Zarmi, Y., 1985. An analytic model for the long-term performance of solar thermal systems with wellmixed storage. Solar Energy 35 (1), 55–61, Pergamon Press (Elsevier Science). [6] Feuermann, D., Gordon, J.M., Zarmi, Y.,1984.A typical meteorological day (TMD) approach for predicting the long term performance of solar energy systems. Solar Energy 35, p.63-69. Pergamon Press. [7] Reddy, T.A., Gordon, J.M., DeSilva, I.P.D., 1987. MIRA: A one-repetitive day method for predicting the long term performance of solar energy systems.Solar Energy 39, p.123-133. Pergamon Journals. [8] ISO 9459-2: 1995. Solar heating -- Domestic water heating systems -- Part 2: Outdoor test methods for system performance characterization and yearly performance prediction of solar-only systems. [9] Oliveira, A.C., 2007. A new look at the long-term performance of general solar thermal systems. Solar Energy 81, p.1361-1368. Elsevier Science. [10] Kalogirou, S.A., 2000. Performance of a solar water heater using artificial neural networks. World Renewable Energy Congress VI. Elsevier Science.