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PROYECTO FIN DE CARRERA INGENIERÍA INDUSTRIAL Zaragoza, Septiembre 2011 Dpto. de Ingeniería Mecánica Área de Máquinas y Motores Térmicos Universidad de Zaragoza ANÁLISIS ECONÓMICO Y GEOGRÁFICO DE SISTEMAS DE CALEFACCIÓN DE DISTRITO CON ACUMULACIÓN ESTACIONAL Autor: Javier Frago Moreno Director: Miguel Ángel Lozano Serrano ANÁLISIS ECONÓMICO Y GEOGRÁFICO DE SISTEMAS DE CALEFACCIÓN DE DISTRITO CON ACUMULACIÓN ESTACIONAL RESUMEN La creciente demanda energética y el progresivo agotamiento de los recursos energéticos no renovables hacen urgente la búsqueda de alternativas de suministro y soluciones tecnológicas basadas en energías renovables. Con la entrada en vigor del Código Técnico de la Edificación (CTE) [1], el marco normativo español comenzó a promover la instalación de sistemas de energía solar térmica en edificios. Específicamente, con la nueva legislación se exige, para edificios de nueva construcción, una cobertura solar del 30% - 70% de la demanda de agua caliente sanitaria (ACS). Comparando la magnitud de la demanda de ACS con la de otras demandas térmicas que tienen lugar en los edificios (calefacción, climatización,...) resulta evidente que dicha exigencia no va a ser suficiente para desarrollar el potencial a largo plazo estimado para la energía solar térmica por la UE [2]. La utilización de grandes sistemas que combinan los captadores solares térmicos con la tecnología de acumulación térmica estacional [3-9] permite acoplar la mayor oferta de radiación solar (verano) con la mayor demanda energética (calefacción en invierno) y alcanzar elevadas fracciones solares (superiores al 50%) de la demanda combinada de ACS y calefacción, superando con mucho la cobertura impuesta por el CTE. El ámbito específico de aplicación de la acumulación térmica estacional comprende sistemas con demandas elevadas de calefacción, agua caliente sanitaria (ACS) e incluso demandas moderadas de refrigeración en verano. En este trabajo se analiza el potencial de aplicación de los grandes sistemas solares térmicos a lo largo y ancho de la geografía española, en función de parámetros climáticos como la radiación solar global, la severidad climática de invierno y verano, etc. La estimación de las demandas de ACS, calefacción y refrigeración, junto con los datos climáticos y modelos de simulación dinámica de estos sistemas, permiten determinar sus prestaciones y ajustar sus dimensiones (superficie colectora y volumen de acumulación). Es decir, es posible encontrar las dimensiones del sistema más adecuado para cada ciudad en términos de la relación coste-beneficio, obteniendo una valoración aproximada del coste económico del calor solar, del ahorro de energía primaria y de la reducción de emisiones contaminantes. Se realiza un estudio más detallado en función de los parámetros de diseño de la planta para un caso concreto de localización de la instalación y tamaño (número de viviendas a cubrir en el sector residencial). Se determina el esfuerzo económico en función de la cobertura solar deseada, o bien la cobertura solar conseguida para un límite impuesto de esfuerzo económico. Por último, se estudian los efectos que provocan la variación de los ratios superficie de captación - demanda anual de energía (ratio A/GD), y volumen del acumulador estacional - superficie de captación (ratio V/A) sobre la cobertura solar y el coste del calor solar. Los resultados obtenidos en este proyecto junto con los estudios realizados anteriormente, fueron presentados al “VII Congreso Nacional de Ingeniería Termodinámica”, celebrado en Bilbao los días 15, 16 y 17 de Junio de 2011, [29]. Índice 1. Introducción.............................................................................................................. 7 2. Datos climáticos ...................................................................................................... 11 3. Potencial de aplicación en distintas zonas climáticas de España ........................... 14 4. Descripción del sistema y caso base ....................................................................... 20 5. Modelo TRNSYS y resultados para el caso base ..................................................... 23 5.1. Análisis energético y comportamiento dinámico de la instalación ................. 24 5.2. Análisis económico .......................................................................................... 26 6. Análisis geográfico .................................................................................................. 27 7. Economías de escala y parámetros de diseño........................................................ 30 7.1. Economías de escala (número de viviendas) ................................................... 30 7.2. Influencia del ratio A/GD (tamaño del campo solar) ....................................... 31 7.3. Influencia del ratio V/A (volumen del acumulador estacional) ....................... 33 7.4. Combinación óptima de los ratios A/GD y V/A ................................................ 34 8. Conclusiones ........................................................................................................... 37 Nomenclatura ................................................................................................................. 39 Referencias ..................................................................................................................... 41 ANEXO I. Datos climáticos ANEXO II. Demanda y selección de ciudades ANEXO III. Caso base y modelo TRNSYS ANEXO IV. Análisis de resultados 7 1. INTRODUCCIÓN El agotamiento de combustibles fósiles, la creciente demanda energética y la política de reducción de emisiones contaminantes hacen urgente la búsqueda de alternativas basadas en energías renovables, siendo la energía solar térmica una de las mejores opciones de futuro. La Unión Europea y sus Estados miembros se han comprometido a alcanzar una cuota del 20% de la energía renovable para el año 2020. Con el Código Técnico de la Edificación (CTE) [1], el Gobierno de España inició la promoción de instalaciones de sistemas solares térmicos para edificios de nueva construcción, imponiendo una cobertura solar del 30-70% de la demanda de energía correspondiente a agua caliente sanitaria (ACS). Si esta cobertura solar se centra únicamente en sistemas de energía solar térmica para producción de ACS, la contribución solar térmica al incremento que pretende la Unión Europea quedará muy limitada [2]. En otros países de Europa con menor radiación solar como Alemania, Austria, Dinamarca o Suecia, la energía solar térmica ha tenido un mayor desarrollo, habiéndose instalado numerosos sistemas centralizados con aporte solar y acumulación estacional para suministrar las necesidades energéticas de calor a distritos urbanos e incluso a pequeñas ciudades [3-9]. Estas instalaciones han demostrado su viabilidad técnica alcanzando elevadas fracciones solares (>50%), teniendo en cuenta además que esta fracción solar no sólo abarca la demanda de ACS, sino también la demanda energética de calefacción, que es mucho mayor. Grandes sistemas solares térmicos con acumulación estacional Estos sistemas se diseñan para alcanzar fracciones solares entre el 50-70% e incluso mayores de la demanda total de calefacción y ACS. Se utilizan para cubrir la demanda de conjuntos residenciales superiores a 100 viviendas y de grandes edificios. 8 Figura 1. Ejemplo de una instalación solar térmica con acumulación estacional [23] La mayoría de las instalaciones solares térmicas presentan un problema: los periodos de demanda energética (calefacción y ACS en invierno) no coinciden con los periodos de gran oferta solar (verano). Esto hace que se desaproveche en gran parte la oferta solar existente en los meses de verano. Es por ello que estos sistemas se combinan con la tecnología de la acumulación estacional, obteniéndose un ahorro de energía comercial considerable y la reducción asociada de emisiones de CO2 y contaminantes. La acumulación estacional permite almacenar energía en grandes volúmenes de agua (u otro fluido) que se ha calentado con energía solar durante los meses en los que la oferta solar es elevada y la demanda energética es baja (meses de verano). La energía acumulada se aprovecha en los meses de invierno cuando la demanda de calefacción es elevada y la oferta solar baja. Gracias a ello se alcanzan elevadas fracciones solares, el 50-70 % de la demanda total. Se diseñan para alcanzar capacidades de acumulación estacional de 1,4-2,1m3/m2, con una superficie colectora de 1,4-2,4m3/(MWh) de demanda anual. La inversión específica en el campo de colectores es comparable a los sistemas de fracción solar baja. Sin embargo, la inversión total es más elevada debido al mayor volumen de acumulación térmica, llegando a doblarla. Por ello, la acumulación estacional suele ir unida, si es posible, a redes de calefacción de distrito ya existentes para disminuir el coste. Basándose en las experiencias adquiridas en Europa sobre dichos sistemas, en este trabajo se pretende analizar las prestaciones que se pueden alcanzar en España [3-5], donde se dispone de mejores condiciones de radiación. 9 El punto de partida de este proyecto es un modelo que representa un sistema solar térmico centralizado con acumulación estacional. Este modelo ha sido elaborado mediante el programa TRNSYS [10], una herramienta informática que realiza simulaciones dinámicas de sistemas energéticos. Concretamente, se parte de un caso base que corresponde a un diseño realizado para una zona residencial con 500 viviendas en la ciudad de Zaragoza (Figura 2), capaz de cubrir más del 70% de la demanda de energía térmica para ACS y calefacción. El diseño y resultados del caso base provienen de dos proyectos fin de carrera [22, 28]. Figura 2. Esquema del sistema solar propuesto Para la simulación correspondiente al caso base y otros casos desarrollados posteriormente en este proyecto es necesario disponer de una base de datos que proporcione diversas variables climatológicas, como son la temperatura ambiente y la radiación solar. Esta información, además de ser necesaria para que la herramienta TRNSYS pueda ejecutar las simulaciones pertinentes, resulta también necesaria para establecer los parámetros de diseño de la planta. Por ello, este trabajo se inicia con un estudio de la información climatológica existente. En este estudio se analizan los datos climáticos disponibles para España, utilizando fuentes como AEMET [11] o la Normativa UNE [12-14]. Así mismo, se han realizado una serie de tablas a modo de resumen cuyo objetivo es unificar la información útil para la elaboración del proyecto. También se analizan los programas destinados a proporcionar información climatológica y los formatos utilizados que permite elegir la base de datos óptima para el programa de simulación TRNSYS. Dada la importancia de los factores climatológicos y, por tanto, la importancia de la situación geográfica de la planta, se analizan en profundidad las distintas zonas climáticas en España teniendo en cuenta la normativa existente para este tipo de instalaciones, según el CTE [1]. Se analiza también la contribución energética, es decir, los requisitos que el CTE [1] y la Escala de Calificación Energética [15] impone sobre las demandas de calefacción y ACS. A continuación se explica la estimación de la demanda realizada para el caso base. Al ser un propósito de este proyecto el análisis energético 16 SCV A4 B4 C4 D3 E1 A3 B3 C3 C2 D2 C1 D1 SCI Figura 6. Zonas climáticas La demanda energética del sector residencial atendible con energía solar térmica comprende las necesidades de calefacción, ACS y refrigeración. Como es lógico, las distintas ciudades tendrán diferentes necesidades según su localización, como consecuencia directa del clima. A partir de las severidades climáticas es posible calcular las demandas de calefacción y refrigeración de referencia para una determinada localización según se describe en el documento Escala de Certificación Energética para Edificios de Nueva Construcción [15], que incluye además una tabla resumen con los valores de referencia para los consumos en bloques de viviendas. Tal y como se describe en detalle en el Anexo II, hay que tener en cuenta además que el CTE exige una cobertura solar mínima del 30% - 70% sobre el ACS para edificios de nueva construcción. Como resumen del trabajo se han agrupado en la Tabla 5 todos estos datos para las capitales de provincia. Las zonas climáticas correspondientes para los criterios de invierno (SCI, la severidad crece en orden alfabético), verano (SCV, la severidad crece en orden numérico) y radiación solar (RAD, la radiación crece en orden numérico). También se muestra los valores de referencia para la demanda anual de ACS (DDr, en kWh/m2), demanda anual de calefacción (HDr, en kWh/m2) y demanda anual de refrigeración (CDr, en kWh/m2). El valor de la temperatura media anual (TMA, en :C) proviene de la Agencia Estatal de Meteorología (http://www.aemet.es/es/elclima/datosclimatologicos/valoresclimatologicos) mientras que los datos de la radiación solar global anual sobre superficie horizontal (GSr, en kWh/m2) han sido obtenidos del documento “Pliego de Condiciones Técnicas de Instalaciones de Baja Temperatura” [16]. 17 Tabla 5. Datos climáticos y demanda anual Ciudad SCI SCV RAD TMA GSr DDr HDr CDr Albacete D 3 V 13,6 1632 13,1 49,1 9,7 Alicante B 4 V 17,8 1703 12,3 13,2 16,7 Almería A 4 V 18,7 1713 12,1 10,8 19,1 Ávila E 1 IV 10,4 1531 13,7 69,5 0,0 Badajoz C 4 V 16,6 1602 12,6 27,4 17,1 Barcelona C 2 II 15,5 1369 12,8 28,3 8,0 Bilbao C 1 I 14,3 1136 13,0 40,0 0,0 Burgos E 1 II 10,1 1379 13,8 77,1 0,0 Cáceres C 4 V 16,1 1683 12,7 32,1 19,0 Cádiz A 3 IV 17,7 1673 12,3 9,0 14,6 Castellón B 3 IV 17,0 1551 12,5 21,4 13,1 Ceuta B 3 V 16,1 1835 12,6 18,3 5,7 Ciudad Real D 3 IV 14,7 1612 13,0 45,0 13,2 Córdoba B 4 IV 17,6 1693 12,4 23,5 22,4 Cuenca D 2 III 12,6 1480 13,3 60,9 5,6 Gerona C 2 III 14,3 1409 13,0 42,4 6,4 Granada C 3 IV 15,1 1673 12,9 37,4 12,5 Guadalajara D 3 IV 10,2 1531 13,1 50,4 7,8 Huelva B 4 V 18,1 1784 12,3 12,6 18,3 Huesca D 2 III 13,6 1480 13,1 50,6 7,9 Jaén C 4 IV - 1612 12,3 26,2 22,3 La Coruña C 1 I 14,4 1166 13,0 30,0 0,0 Las Palmas A 3 V 20,7 1784 11,8 3,5 11,1 León E 1 III 10,9 1450 13,6 65,5 0,0 Lérida D 3 III 14,7 1541 13,0 42,0 12,4 Logroño D 2 II 13,5 1419 13,2 47,4 5,9 Lugo D 1 II 11,5 1267 13,5 60,2 0,0 Madrid D 3 IV 14,6 1561 13,0 43,2 10,8 Málaga A 3 IV 18,0 1703 12,3 13,4 16,1 Melilla A 3 V 18,6 1744 12,2 9,3 14,2 Murcia B 3 IV 17,8 1805 12,5 19,8 12,5 Orense C 2 II 14,5 1176 13,0 43,2 5,7 Oviedo C 1 I 12,9 1105 13,3 48,3 0,0 Palencia D 1 II - 1450 13,5 61,2 0,0 Palma B 3 IV 17,9 1521 12,4 14,4 15,9 Pamplona D 1 II 12,5 1277 13,3 57,5 0,0 Pontevedra C 1 I 14,8 1348 12,9 26,5 0,0 Salamanca D 2 III 11,7 1501 13,5 62,3 2,7 San Sebastián C 1 I 14,4 1105 13,2 46,9 0,0 Santander C 1 I 14,1 1146 13,0 33,0 0,0 Santa Cruz A 3 V 21,2 1936 11,8 3,5 15,6 Segovia D 2 III 11,9 1541 13,5 65,7 4,2 Sevilla B 4 V 18,6 1622 12,3 16,6 23,4 Soria E 1 III 10,6 1470 13,7 72,1 0,0 Tarragona B 3 III 15,8 1531 12,4 21,8 16,4 Teruel D 2 III 11,8 1409 13,5 64,5 2,8 Toledo C 4 IV 15,4 1602 12,8 39,0 18,9 Valencia B 3 IV 17,8 1551 12,5 21,3 12,6 Valladolid D 2 II 12,3 1490 13,3 60,6 4,5 Vitoria D 1 I 11,5 1145 13,5 65,4 0,0 Zamora D 2 III 12,7 1470 13,3 56,3 5,3 Zaragoza D 3 IV 15,0 1582 12,9 40,6 11,4 18 La ubicación geográfica de los edificios residenciales determina, a través de las condiciones climáticas reinantes, la oportunidad de instalar sistemas de suministro energético accionados con energía solar térmica. La magnitud y distribución de las demandas térmicas afectaran al tamaño y tipo del sistema a instalar. En el Anexo II se realiza un estudio detallado analizando la oportunidad de instalar grandes sistemas solares térmicos con acumulación estacional en función de la demanda a atender. - Demanda de ACS - Demanda de calefacción - Demanda de refrigeranción - Demandas de ACS + calefacción - Demandas de ACS + refrigeración - Demandas de ACS + calefacción + refrigeración En la Figura 7 se muestra el resultado del análisis de la oportunidad de instalar grandes sistemas solares térmicos con acumulación estacional en las capitales de provincia atendiendo a la demanda de calefacción. Figura 7. Demanda de calefacción (HDr). Vs. Radiación solar (GSr) para capitales españolas Albacete Alicante Almería Ávila Badajoz Barcelona Bilbao Burgos Cáceres Cádiz Castellón Ceuta Ciudad Real Córdoba Cuenca Gerona Granada Guadalajara Huelva Huesca Jaén La Coruña Las Palmas de Gran Canaria León Lérida Logroño Lugo Madrid Málaga Melilla Murcia Orense Oviedo Palencia Palma de Mallorca Pamplona Pontevedra Salamanca San Sebastián Santander Santa Cruz de Tenerife Segovia Sevilla Soria Tarragona Teruel Toledo Valencia Valladolid Vitoria Zamora Zaragoza 0 10 20 30 40 50 60 70 80 1000 1200 1400 1600 1800 2000 Demanda Calefacción HDr GSr 19 En ordenadas se representa la demanda anual de calefacción (HDr) y en abscisas la radiación solar anual sobre superficie horizontal (GSr). Se puede observar el amplio rango en el que se encuentran las distintas ciudades, como consecuencia de las distintas zonas climáticas existentes en nuestro país. El análisis de la Figura 7 permite extraer varias conclusiones sobre la oportunidad de mercado que ofrecen las diferentes ciudades a los grandes sistemas solares térmicos con acumulación estacional:  En primer lugar se observa la existencia de un grupo de ciudades donde estas instalaciones serán poco rentables, simplemente por la reducida demanda anual de calefacción (< 25 kWh/m2). En este caso el bajo factor de utilización de una instalación cara dificulta el recuperar la inversión realizada con el ahorro de energía obtenido. Dentro de este grupo se encuentran ciudades con una demanda elevada de refrigeración y mucha radiación solar (Valencia, Murcia, Andalucía y Canarias) donde son más adecuados los sistemas de refrigeración solar que no requieren instalar acumulación estacional.  Otro grupo de ciudades incluye aquellas donde la combinación de radiación solar y demanda ofrece pocas oportunidades. Por ejemplo, ciudades con una demanda de calefacción importante pero poca radiación solar. En ellas los sistemas solares tendrían que ser sobredimensionados, con el consiguiente coste. Muchas ciudades de la cornisa cantábrica se encuentran en este grupo.  Por último, están las ciudades donde parece existir una oportunidad de mercado. Son aquellas que disponen de una radiación solar elevada y cuyo clima exige mucha demanda de calefacción. 20 4. DESCRIPCIÓN DEL SISTEMA Y CASO BASE El sistema analizado, que se muestra en la Figura 8, atiende la demanda de calefacción y ACS de un grupo de edificios. El circuito solar se separa de los circuitos de los acumuladores por medio de intercambiadores de calor, puesto que utiliza una mezcla de glicol y agua como fluido caloportador para proteger el campo solar del peligro de congelación en las noches de invierno. La energía solar captada por los colectores es transferida tanto al acumulador estacional como al acumulador de ACS, ostentado este segundo la prioridad de servicio. Figura 8. Esquema de principio del sistema solar propuesto El acumulador estacional es un tanque de agua con forma cilíndrica construido de hormigón armado. Se ha independizado del sistema de distribución por medio de un segundo intercambiador que precalienta el fluido de la tubería de retorno de los edificios. Debido a su gran tamaño, los procesos de carga y descarga del acumulador estacional son significativamente lentos, lo que facilita su función de cubrir parte de la demanda de calefacción del invierno con la energía térmica solar que se ha almacenado durante el periodo de verano. Por otro lado, se ha optado por un acumulador independiente para la producción de ACS, mucho más pequeño que el acumulador estacional, para conseguir en pocas horas de calentamiento solar la temperatura requerida para el servicio diario de ACS. Este criterio de diseño, junto con la prioridad de carga respecto al servicio de calefacción, permite conseguir elevadas fracciones solares para el ACS. El sistema se completa con dos calderas de gas que apoyarán y garantizarán el suministro de las demandas térmicas cuando la temperatura de los acumuladores no sea suficiente, varias bombas de circulación y otros equipos auxiliares. 21 Para el caso base se considera un sistema capaz de abastecer a 500 viviendas en el sector residencial de Zaragoza. La demanda de calefacción y ACS se ha definido considerando 12 días representativos (uno por cada mes del año), dividido cada uno de ellos en 24 periodos de 1 hora [17]. La demanda anual de calor es GD = 2.905 MWh/año, siendo la demanda de ACS de 507,5 MWh/año (DD) y la demanda de calefacción de 2.397,5 MWh/año (HD). El ACS es producida y suministrada a la red de distribución a 60ºC por motivos sanitarios. El sistema de calefacción produce agua caliente a 50ºC para una red de calefacción de baja temperatura. Este tipo de redes maximizan la eficiencia de los sistemas solares térmicos, pero determinan los equipos terminales a implantar en las viviendas que deben operar a baja temperatura. Este es el caso de los sistemas de calefacción por suelo radiante. En el proceso de diseño se han dimensionado los principales elementos del sistema: captadores solares, acumuladores, calderas auxiliares, intercambiadores de calor y bombas. Para el dimensionado se ha utilizado información proveniente de catálogos comerciales (calderas, intercambiadores de calor y bombas) [24-25] y publicaciones científico-técnicas (campo solar y acumulador estacional) [26-27]. Dadas las características de los servicios energéticos que debe atender el sistema, se han elegido captadores planos para absorber la radiación solar. Los captadores que presentan superficies de gran tamaño, superiores a 10 m2, disminuyen el tiempo y coste de instalación. Estos captadores pueden colocarse en las cubiertas de los edificios a los que abastecen y/o sobre el terreno (Figuras 2 y 9). La superficie de captación propuesta para el caso base es A = 2.760 m2, instalada sobre el terreno, lo que supone un ratio con respecto a la demanda anual de calor de A/GD = 0,95 m2/(MWh/año). Figura 9. Ejemplo de instalación solar sobre terreno en Dinamarca [8] 22 El dimensionado del acumulador de ACS se ha calculado a partir de la demanda diaria media. El volumen seleccionado fue de 47 m3, suficiente para atender la demanda de dos días. El volumen del acumulador estacional (V) se ha calculado con la restricción de que la temperatura del agua en sus capas superiores se aproxime a los 100ºC justo antes del comienzo de la temporada de calefacción. Para el caso base se estimó en 15.180 m3 (V/A = 5,5 m3/m2). Debido a sus grandes dimensiones el acumulador debe construirse in situ (Figura 10). Figura 10. Ejemplo de construcción de un acumulador estacional en Munich [12] Las calderas auxiliares con una potencia térmica de 208 kW para la producción de ACS y de 1.800 kW para calefacción pueden atender por si solas el 100% de las demandas respectivas de calor. La superficie de los intercambiadores de calor se ha establecido para garantizar una efectividad del 95% incluso en las condiciones más exigentes de operación. Por último, el dimensionado de las bombas se ha obtenido considerando el caudal máximo circulante y las pérdidas de carga en los diferentes elementos del circuito hidráulico. 23 5. MODELO TRNSYS Y RESULTADOS PARA EL CASO BASE El programa TRNSYS [10] es una herramienta informática que proporciona un entorno completo para la simulación dinámica de sistemas energéticos. En la Figura 11 y en la Tabla 6 se muestran los diferentes componentes (types) del programa que se han usado para representar a los equipos del sistema solar de la Figura 8, así como los valores de los parámetros de diseño más relevantes correspondientes al caso base. Figura 11. Modelo TRNSYS Tabla 6. Parámetros de diseño correspondientes al caso base (Zaragoza, 500 viviendas) Componente Type Parámetro Valor Componente Type Parámetro Valor Campo solar (sf) Captador 1a Área de captación Nº de captadores Inclinación Azimut a0 a1 a2 Caudal específico 13,575 m2 204 50º 0º 0,738 1,63 W/(m2K) 0,0299 W/(m2K2) 20 kg/(h·m2) Caldera calefacción (BH) 6 Potencia nominal Rendimiento Tª Servicio 1800 kW 0,93 50ºC Caldera ACS (BD) 6 Potencia nominal Rendimiento Tª Servicio 208 kW 0,96 60ºC Intercambiador calor 1 (ex1) 5b Área UA 285 m2 3942 W/(m2K) Tuberías 709 Longitud total Diametro Espesor Aisl. Conduct. Aisl. 1000 m 0,1 m 0,06 m 0,144 kJ/(h·m·K) Intercambiador calor 2 (ex2) 5b Área UA 285 m2 3942 W/(m2K) Intercambiador calor 3 (ex3) 5b Área UA 580 m2 3931 W/(m2K) Acumulador Estacional (a1) 4c Volumen Coef. Perd. Altura/Diámetro Número de nodos 15180 m3 0,45 kJ/(h·m2·K) 0,6 12 Bomba Solar (PSOL) 3b Caudal nominal Potencia eléct. nominal 54 m3/h 15 kW Bomba 1 (P1) 3b Caudal nominal Potencia eléct. nominal 51 m3/h 1,4 kW Acumulador ACS (a2) 4a Volumen Coef. Perd. Altura/Diámetro Número de nodos 47 m3 1,6 kJ/(h·m2·K) 1,5 6 Bomba 2 (P2) 3b Caudal nominal Potencia eléct. nominal 51 m3/h 1,4 kW Bomba 3 (PHEAT) 110 Caudal nominal Potencia eléct. nominal 104 m3/h 3,7 kW 24 Las demandas horarias tanto para el ACS como para la calefacción se registran en un fichero de texto para ser incluidas en el modelo. Estos valores de demanda fueron obtenidos gracias a la monitorización y simulación de varios edificios residenciales del barrio Parque Goya situado en la ciudad de Zaragoza [18]. Los datos de radiación solar y temperatura ambiente para la ciudad de Zaragoza (Altura: 247 m; Latitud: 41,39 N; Longitud: 1,00 W) fueron obtenidos de la base de datos climáticos del programa de simulación térmica de edificios EnergyPlus [19]. La temperatura del agua de red para Zaragoza se determinó según la norma UNE 94002 [12]. 5.1. Análisis energético y comportamiento dinámico de la instalación El balance de energía del sistema completo para un año de operación se muestra en la Figura 12. El rendimiento medio anual del campo solar es del 48%. Debido al menor tiempo de residencia del agua caliente en el acumulador de ACS, su eficiencia (98%) es significativamente mayor que la del acumulador estacional (91%). En la Tabla 7 se observa el comportamiento mensual para un año típico de funcionamiento del sistema diseñado. La mayor intensidad de radiación solar ocurre en Agosto. Sin embargo, desde Marzo hasta Julio el campo solar suministra una cantidad mayor de energía térmica a los acumuladores. Esto se debe a la reducción que experimenta el rendimiento de los captadores solares por causa del aumento de la temperatura del fluido de trabajo, consecuencia de la mayor carga térmica del acumulador estacional. La cobertura solar de la demanda de ACS (SFDD) supera el 67% durante todo el año, presentando valores superiores al 90% durante el periodo de Abril a Octubre. La fracción solar anual ronda el 82%. Figura 12. Balance energético anual para el caso base (flujos en GJ/año) 25 Tabla 7. Valores de la operación mensual para el caso base (Zaragoza, 500 viviendas) Qsf,i (GJ) sf (%) a1 (%) QAa1 (GJ) HD (GJ) SFHD (%) a2 (%) DD (GJ) SFDD (%) G (GJ) EP (GJ) Enero 974 52,6 92,8 0 2081 45,8 98,5 227 69,0 1287 18 Febrero 1166 55,5 95,7 2 1452 33,0 98,5 198 74,5 1098 18 Marzo 1529 57,6 96,4 47 997 65,9 98,5 203 79,5 409 21 Abril 1489 56,7 95,9 397 333 95,7 98,3 167 92,5 28 21 Mayo 1618 56,4 95,1 1145 0 - 98,1 145 93,5 10 20 Junio 1623 53,4 93,4 1860 0 - 98,1 120 90,2 12 20 Julio 1828 48,3 91,9 2616 0 - 97,0 73 97,2 2 19 Agosto 1872 41,3 89,4 3278 0 - 95,0 41 97,1 1 18 Septiembre 1600 32,0 80,0 3617 0 - 97,7 102 94,4 6 14 Octubre 1430 31,8 72,0 3660 187 100,0 98,3 149 94,1 9 15 Noviembre 1055 44,9 78,0 2725 1200 100,0 98,2 187 74,3 50 16 Diciembre 914 50,6 83,5 385 2380 100,0 98,4 215 67,1 74 15 Año 17098 48,1 90,6 385 8631 71,6 98,2 1828 81,8 2986 215 La cobertura solar de la demanda de calefacción (SFHD) es muy elevada los primeros meses de la temporada de calefacción, cuando se aprovecha la energía solar captada durante el período de verano. A principios de Enero el acumulador estacional se ha descargado totalmente (Figura 13). Desde Enero hasta Marzo la demanda en calefacción sigue siendo elevada por lo que será suministrada en su mayor parte por la caldera auxiliar. En el mes de Abril, cuando la demanda de calor se reduce y la oferta solar la supera, el acumulador estacional comienza de nuevo a cargarse, alcanzado su máximo nivel en Octubre. Anualmente, la fracción solar de calefacción alcanza un valor del 72%. Figura 13. Temperaturas en cabeza y fondo del acumulador estacional a lo largo de dos años Combinando las demandas de ACS y calefacción, la fracción solar anual del sistema es del 73%. 32 Tabla 12. Comparación de sistemas solares en función de A/GD (Zaragoza; 500 viv.; V/A =5,5) A/GD sf (%) a1 (%) a2 (%) SFHD (%) SFDD (%) SF (%) Coste del calor “no solar” (€/kWh) Coste del calor solar (€/kWh) Coste total (€/kWh) 0,40 54,93 89,87 97,92 30,14 59,80 35,32 0,0495 0,1668 0,0910 0,50 53,42 90,24 98,01 37,98 66,55 42,97 0,0499 0,1559 0,0955 0,60 52,20 90,49 98,06 46,16 70,32 50,39 0,0503 0,1481 0,0996 0,70 51,05 90,61 98,10 53,76 75,07 57,48 0,0509 0,1425 0,1035 0,80 49,95 90,67 98,13 61,24 78,20 64,20 0,0517 0,1384 0,1074 0,90 48,92 90,71 98,14 68,62 80,74 70,74 0,0528 0,1351 0,1110 0,95 48,57 90,75 98,15 72,64 81,26 74,15 0,0536 0,1333 0,1127 1,00 48,08 90,74 98,17 76,07 82,77 77,24 0,0546 0,1322 0,1145 1,10 47,19 90,72 98,20 82,98 84,63 83,27 0,0574 0,1302 0,1180 Estos resultados muestran como la fracción solar aumenta con la superficie de captación. Parece lógico pensar que el sistema es capaz de abarcar una mayor cobertura de la demanda energética conforme aumenta el área de colectores. Sin embargo, la fracción solar aumenta en menor proporción que lo hace el área. Esto se debe a que cuanto mayor es el área de colectores para una misma demanda energética, menor es el rendimiento del campo solar. Figura 15. Fracción solar Como se puede observar en la Tabla 12 y en la Figura 16, el coste total aumenta con el tamaño del campo solar. Este depende tanto del coste del calor solar (calor suministrado por los acumuladores) como del coste del calor “no solar” (calor suministrado por las calderas), para los que se observan tendencias contrapuestas. El coste del calor solar disminuye conforme aumenta el área de captación debido a que las economías de escala en los costes de inversión con el tamaño del campo solar superan a las deseconomías por perdida de rendimiento. El coste del calor “no solar” aumenta debido al menor factor de utilización de la caldera auxiliar de calefacción. 20 30 40 50 60 70 80 90 0,4 0,5 0,6 0,7 0,8 0,9 1,0 1,1 Fracción Solar (%) ratio A/GD Frac. solar Calef Frac. Solar ACS Frac.Solar Total 33 Figura 16. Coste unitario del calor 7.3. Influencia del ratio V/A (volumen del acumulador estacional) Este ratio establece la relación entre el volumen del acumulador estacional y el área del campo solar. [ ] En este trabajo se considerará un valor de este ratio superior a las plantas del norte de Europa, que oscilan entre 1,4 y 2,1 m3/m2, utilizando un valor de Esto se debe a la distinta localización geográfica. De nuevo comparando con las plantas del norte de Europa, al disponerse de mayor radiación solar en España, la instalación captará mayor radiación por m2. Además, los periodos de calefacción son más cortos en España que en el norte de Europa, por lo que se puede acumular mayor energía. Por todo ello se necesitarán acumuladores mayores. Al considerar la demanda térmica constante y el ratio A/GD también constante (con un valor de 0,95), el modificar el valor del ratio V/A equivale a modificar el volumen del acumulador estacional. La Tabla 13 recoge cómo varían ciertos parámetros de la instalación al variar el ratio V/A. Tabla 13. Comparación de sistemas solares en función de V/A (Zaragoza; 500 viv.; A/GD =0,95) V/A sf (%) a1 (%) a2 (%) SFHD (%) SFDD (%) SF (%) Coste del calor “no solar” (€/kWh) Coste del calor solar (€/kWh) Coste total (€/kWh) 4,0 43,22 90,94 98,17 63,03 81,32 66,23 0,0520 0,1350 0,1070 4,5 45,14 90,86 98,17 66,45 81,24 69,03 0,0525 0,1343 0,1089 5,0 47,00 90,80 98,16 69,82 81,24 71,82 0,0531 0,1334 0,1108 5,5 48,57 90,75 98,15 72,64 81,26 74,15 0,0536 0,1333 0,1127 6,0 49,81 90,70 98,15 74,77 81,27 75,91 0,0541 0,1341 0,1148 0,04 0,06 0,08 0,10 0,12 0,14 0,16 0,18 0,4 0,5 0,6 0,7 0,8 0,9 1,0 1,1 Coste (€/kWh) ratio A/GD Coste del calor no solar Coste del calor solar Coste del calor total 34 La influencia sobre la eficiencia del campo solar (sf) es muy marcada. Un acumulador grande trabaja a menores temperaturas favoreciendo el rendimiento de los colectores durante el proceso de carga, y está totalmente cargado durante menos tiempo, lo que permite una mayor utilización del campo solar. Por tanto, la fracción solar aumenta con el tamaño del acumulador. Cuando el ratio V/A es bajo el aumento con el volumen es significativo, pero luego llega un momento en que el aumento de volumen es menos efectivo. El coste del calor solar, primero se reduce con el volumen del acumulador, hasta alcanzar un mínimo, y luego aumenta. Se observa como los costes totales aumentan con el volumen del acumulador. Esto es debido, sobre todo, al aumento de la cobertura solar. 7.4. Combinación óptima de los ratios A/GD y V/A Al modificar conjuntamente ambos ratios es posible encontrar la combinación óptima que haga mínimo el coste del calor suministrado. El objetivo de este análisis es determinar los valores de dimensionamiento de los ratios A/GD y V/A que proporcionan un menor coste total para una fracción solar elegida en el diseño de la instalación. Para ello se han considerado plantas con ratios comprendidos en los siguientes intervalos A/GD = [0,4 – 1,1] y V/A = [4,5 – 6,5]. En la Figura 17 se muestra la variación del coste unitario del calor en función de la fracción solar. Para cada ratio A/GD, el ratio V/A varía de izquierda a derecha. Figura 17. Fracción solar y coste del calor total en función de A/GD y V/A 35 Se observa como la fracción solar queda determinada básicamente por el ratio A/GD a causa de la forma significativa que toma la gráfica de la Figura 17, mientras que el volumen de acumulación (ratio V/A) afecta a la fracción solar en mucha menor medida. Si se reduce el rango de valores de A/GD = [0,90-1,1] y se consideran más valores dentro del rango de V/A = [4,5-6,5], los resultados obtenidos son los mostrados en la Figura 18. Figura 18. Fracción solar y coste total del calor en función de A/GD y V/A Para una determinada fracción solar, el coste total es menor para un valor más grande de A/GD. Por ejemplo, una fracción solar de 75% se puede alcanzar con valores de A/GD de 0,96, 0,98 y 1,00. Sin embargo, cuanto mayor es dicho ratio, menor es el coste. También se puede observar cómo los volúmenes altos de acumulación nunca proporcionan el coste óptimo. Esto implica que en una primera instancia se ha de elegir grandes áreas de captación solar frente a grandes valores de acumulación, siendo el diseño óptimo desde el punto de vista económico aquel con mayor área colectora y menor volumen de acumulación. En la zona de fracción solar entorno al 70 – 75% convergen todas las curvas y hay un rango en la que cabe cierta libertad a la hora de elegir valores, siendo posibles diversas combinaciones de ratios. 36 La Figura 19 muestra el análisis en función de coste del calor solar. Los diseños se han realizado considerando un ratio A/GD dentro del rango [0,90-1,0] y un ratio V/A que varía de 4,5 a 6,5. Puede observarse que una vez decidida la fracción solar a alcanzar, la variable más determinante para un diseño óptimo es el ratio A/GD, pero como también se aprecia en la Figura 19, una misma fracción solar, por ejemplo del 71%, puede alcanzarse con distintas combinaciones A/GD y V/A, sin una variación de coste apreciable. Para las condiciones de Zaragoza, un ratio V/A entre 5 y 5,5 conduce a diseños razonables. Figura 19. Fracción solar y coste del calor solar en función de A/GD y V/A 0,1320 0,1330 0,1340 0,1350 0,1360 0,1370 0,1380 66 67 68 69 70 71 72 73 74 75 76 77 78 79 80 81 Coste calor solar (€/kWh) Fracción Solar (%) A/GD=0.90 A/GD=0.92 A/GD=0.94 A/GD=0.96 A/GD=0.98 A/GD=1.00 37 8. CONCLUSIONES Este trabajo pretende ser una guía de diseño para promover la instalación de sistemas solares térmicos con acumulación estacional en diferentes zonas climáticas de España. Estos sistemas presentan la capacidad de suministrar, con elevadas fracciones solares, las demandas de calefacción y agua caliente sanitaria. El objetivo del proyecto es analizar el potencial de aplicación de los grandes sistemas solares térmicos a lo largo y ancho de la geografía española para conjuntos residenciales con un número variable de viviendas. La primera fase del proyecto consistió en la adquisición de conocimientos sobre los grandes sistemas solares térmicos mediante lectura compresiva de documentación especializada. Posteriormente se adquirió la habilidad necesaria para manejar con soltura el caso base de partida y el programa informático TRNSYS. En una segunda fase se trabajó sobre el caso base, realizando las modificaciones necesarias sobre el diseño original para simular la planta requerida en distintas ciudades de la geografía española y para un número variable en el número de viviendas. También se evaluaron las repercusiones en el diseño al modificar determinados parámetros de diseño. Tras el análisis de los resultados obtenidos, el presente trabajo permite extraer varias conclusiones. - Este tipo de plantas muestran viabilidad técnica para satisfacer un elevado porcentaje de las necesidades de demanda de ACS y calefacción. En particular, la instalación de estas plantas es viable en un número elevado de ciudades españolas. - Desde el punto de vista económico, y sin tener en cuenta las posibles subvenciones, este tipo de instalaciones no resultan satisfactorias. El precio del calor solar resulta elevado en comparación con el precio del calor no solar. Esta diferencia es mayor cuanto mayores fracciones solares se exigen. - Desde el punto de visto del tamaño, al aumentar el número de viviendas se obtienen mejores fracciones solares y menores costes. Esto se observa en mayor medida al pasar de 100 a 500 viviendas, siendo la mejoría menos significativa al aumentar el número de viviendas de 500 a 1000. - Geográficamente, la gran variabilidad de zonas climáticas en España impide generalizar el diseño para todas las ciudades. Parámetros como la radiación solar y la demanda energética varían irregularmente de una ciudad a otra, por lo que sería necesario realizar un estudio para cada ciudad en particular. 38 De los resultados obtenidos en este trabajo se puede concluir que la contribución de la energía solar a la demanda global de energía se puede aumentar mediante el diseño de sistemas capaces de cubrir casi la totalidad de la demanda de ACS y una gran parte de las necesidades de calefacción. Esto es posible debido a las condiciones climáticas favorables de las que se dispone en España y otros países de Europa del Sur. Las futuras políticas energéticas deberían incorporar el desarrollo de este tipo de plantas energéticas en sus estrategias a medio plazo. Los altos costes de inversión iniciales podrían verse reducidos gracias a una planificación y coordinación de los diferentes agentes que intervienen en los procesos edificatorios desde las etapas más tempranas del proyecto, lo que permitiría la construcción de estas plantas en las cercanías de los edificios a los cuales abastecen. Estos resultados fueron presentados como ponencia *28+ en el “VII Congreso Nacional de Ingeniería Termodinámica”, celebrado en Bilbao los días 15, 16 y 17 de Junio de 2011. http://cnit7.asmoz.org/ 39 NOMENCLATURA A Superficie de captación solar [m2] CDr Demanda anual de refrigeración de referencia [kWh/ m2] DDe Nº medio mensual/anual días despejados DD Demanda anual de ACS [kWh/ m2] DDr Demanda anual de ACS de referencia [kWh/ m2] DF Nº medio mensual/anual de días de niebla DH Nº medio mensual/anual de días de helada DN Nº medio mensual/anual de días de nieve DR Número medio mensual/anual de días de precipitación superior o igual a 1 mm DT Nº medio mensual/anual días de tormenta EP1 Consumo de electricidad de la Bomba 1 [GJ/año] EP2 Consumo de electricidad de la Bomba 2 [GJ/año] EP3 Consumo de electricidad de la Bomba 3 [GJ/año] EPS Consumo de electricidad de la Bomba S [GJ/año] G Gas natural total suministrado al sistema [GJ/año] GBD Entrada de gas natural para la caldera de ACS [GJ/año] GBH Entrada de gas natural para la caldera de calefacción [GJ/año] GD Demanda anual de calor [kWh/ m2] GSr Radiación solar global sobre superficie horizontal [kWh/ m2] H Humedad relativa media [%] HD Demanda anual de calefacción [kWh/ m2] HDr Demanda anual de calefacción de referencia [kWh/ m2] I Nº medio mensual/anual de horas de sol Qa1,l Perdidas de calor del acumulador estacional [GJ/año] Qa1,o Calor de salida del acumulador estacional [GJ/año] Qa2,l Perdidas de calor del acumulador de ACS [GJ/año] Qa2,o Calor de salida del acumulador de ACS [GJ/año] QBD,l Perdidas de calor de la caldera de ACS [GJ/año] QBD,o Calor de salida de la caldera de ACS [GJ/año] QBH,l Perdidas de calor de la caldera de calefacción [GJ/año] QBH,o Calor de salida de la caldera de calefacción [GJ/año] Qex1,o Calor de salida del intercambiador ex1 [GJ/año] Qex2,o Calor de salida del intercambiador ex2 [GJ/año] Qex3,o Calor de salida del intercambiador ex3 [GJ/año] Qp1,l Perdidas de calor de la Bomba P1 [GJ/año] Qp1,o Calor de salida de la Bomba P1 [GJ/año] Qp2,l Perdidas de calor de la Bomba P2 [GJ/año] Qp2,o Calor de salida de la Bomba P2 [GJ/año] Qp3,l Perdidas de calor de la Bomba P3 [GJ/año] Qp3,o Calor de salida de la Bomba P3 [GJ/año] Qps,l Perdidas de calor de la Bomba Ps [GJ/año] Qps,o Calor de salida de la Bomba Ps [GJ/año] 40 Qsf,i Energía de entrada al campo solar [GJ/año] Qsf,l Perdidas de energía en el campo solar [GJ/año] Qsf,o Calor de salida del campo solar [GJ/año] R Precipitación mensual/anual media [mm] SF DD Fracción solar de la demanda de ACS [%] SF HD Fracción solar de la demanda de calefacción [%] T Temperatura media mensual/anual [°C] TM Media mensual/anual de las temperaturas máximas diarias [°C] Tm Media mensual/anual de las temperaturas mínimas diarias [°C] TMA Temperatura media anual [°C] V Volumen del acumulador estacional [m3] ηa1 Eficiencia del acumulador estacional [GJ/año] ηa2 Eficiencia del acumulador de ACS [GJ/año] ηBD Eficiencia de la caldera de ACS [GJ/año] ηBH Eficiencia de la caldera de calefacción [GJ/año] ηsf Eficiencia del campo solar [GJ/año] 41 REFERENCIAS [1] Real Decreto 314/2006.Código Técnico de la Edificación. 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