Repositorio Institucional de Documentos

PROYECTO: INSTALACIÓN DE UN ALBERGUE MEDIANTE ENERGÍAS ALTERNATIVAS MEMORIA REALIZADO POR: SERRAT SERRAT, SANTIAGO MAYO 2010 MEMORIA 1 INDICE GENERAL 1. Objeto ....................................................................................... 7 2. Localización y ubicación del albergue........................................ 7 3. Descripción del albergue ........................................................... 7 4. Normativa aplicada ................................................................... 9 5. Clasificación según el REBT ....................................................... 9 6. Introducción a la energía solar..................................................10 6.1. Fuentes de energía no renovable .............................................10 6.2. Fuentes de energía renovable..................................................11 6.3. Energía solar.........................................................................12 6.3.1. La constante solar ........................................................13 6.3.2. Efecto de la atmósfera ..................................................14 6.3.3. Irradiación sobre una superficie .....................................15 6.3.4. Coordenadas solares.....................................................17 6.3.5. Procesos naturales .......................................................19 6.3.6. El clima.......................................................................19 6.3.7. Procesos tecnológicos ...................................................19 7. Introducción a la energía eólica ................................................21 7.1. Características del viento........................................................21 7.1.1. Variación del viento con la altura....................................22 7.1.2. Clasificación de los vientos por su velocidad ....................23 7.2. Arquitectura de los aerogeneradores ........................................23 7.2.1. Eje vertical..................................................................24 7.2.2. Eje horizontal ..............................................................26 7.2.3. Características .............................................................32 7.3. Torres para aerogeneradores...................................................32 8. Instalación solar de ACS............................................................33 8.1. Principios básicos para el óptimo aprovechamiento ....................34 MEMORIA 2 8.1.1. Primer principio: captar el máximo posible de energía solar........................................................................35 8.1.2. Segundo principio: consumir prioritariamente la energía solar ....................................................................35 8.1.3. Tercer principio: asegurar la correcta complementariedad entre la energía solar y la convencional...................................35 8.1.4. Cuarto principio: no juntar la energía solar con la convencional.......................................................36 8.2. Elementos de la instalación .....................................................37 8.2.1. Colector solar ..............................................................37 8.2.1.1. Colector de placa plana ...................................39 8.2.2. Acumulador.................................................................44 8.2.2.1. Formas de acumulación...................................45 8.2.2.2. Acumuladores de A.C.S. ..................................45 8.2.2.2. Criterios de dimensionado de acumuladores.......46 8.2.3. Intercambiador ............................................................46 8.2.3.1. Tipos de intercambiador de calor ......................47 8.2.3.1.1. Intercambiador de calor de serpentín .....................................................48 8.2.3.1.2. Intercambiador de calor de doble envolvente...........................................48 8.2.3.1.3. Intercambiador de calor exterior ......49 8.2.4. Electrocirculadores .......................................................49 8.2.5. Depósito de expansión..................................................51 8.2.6. Manómetro e hidrómetro...............................................52 8.2.7. Válvula de seguridad ....................................................53 8.2.8. Purgador y desaireador.................................................54 8.2.9. Válvulas de retención o antirretorno ...............................55 8.2.10. Válvulas de paso ........................................................55 8.2.11. Termómetro y termostato............................................57 8.2.12. Termostato diferencial o regulador................................60 8.2.13. Válvulas de 3 y 4 vías .................................................60 8.2.14. Sistema auxiliar .........................................................61 8.2.15. Resistencia de apoyo ..................................................62 8.3. Ocupación del albergue ..........................................................63 8.4. Elección de la configuración.....................................................64 8.5. Cálculo de la superficie colectora .............................................65 8.5.1. Cálculo de la carga de consumo .....................................65 8.5.2. Cálculo de la energía necesaria para A.C.S. .....................70 8.5.3. Cálculo de la energía aprovechable.................................71 8.5.4. Cálculo de la intensidad luminosa...................................74 MEMORIA 3 8.5.5. Elección del colector ..................................................... 75 8.5.6. Cálculo del rendimiento del colector................................ 76 8.5.7. Cálculo de energía neta y determinación de la superficie necesaria ............................................................... 78 8.5.8. Cálculo de pérdidas por orientación e inclinación .............. 83 8.5.9. Conexionado de los colectores y ubicación....................... 85 8.5.10. Soportes ................................................................... 88 8.6. Cálculo del volumen de acumulación ........................................ 90 8.6.1. Elección del depósito de acumulación.............................. 93 8.7. Elección del fluido de trabajo................................................... 94 8.8. Cálculo del circuito hidráulico .................................................. 97 8.9. Cálculo de la tubería............................................................... 99 8.10. Dimensionado de la bomba ...................................................101 8.10.1. Pérdidas de carga.......................................................102 8.10.2. Elección de la bomba ..................................................108 8.11. Cálculo del depósito de expansión ..........................................110 8.11.1. Elección del depósito de expansión ...............................111 8.12. Elección del purgador de aire.................................................113 8.13. Aislamiento .........................................................................114 8.14. Cálculo del sistema auxiliar ...................................................116 8.14.1. Elección del sistema auxiliar ........................................117 8.15. Diseño del sistema eléctrico y de control.................................120 8.15.1. Elección del sistema eléctrico y de control .....................121 8.16. Depósito de gas...................................................................122 9. Instalación eléctrica..................................................................122 9.1. Alumbrado ............................................................................123 9.1.1. Cálculo de los puntos de luz del albergue ........................125 9.1.2. Cálculo de la energía de los puntos de luz .......................156 9.2. Fuerza..................................................................................157 9.2.1. Cálculo de la energía de los aparatos eléctricos................157 9.3. Consumo total diario de la instalación eléctrica..........................159 9.4. Esquema de la instalación eléctrica ..........................................159 9.5. Cálculo de secciones ..............................................................160 9.6. Cuadro general de mando y protección.....................................169 9.7. Puesta a tierra.......................................................................172 10. Instalación eólica-fotovoltaica ................................................174 10.1. Elementos de la instalación ...................................................174 MEMORIA 4 10.1.1. Panel solar.................................................................174 10.1.2. Acumuladores ............................................................177 10.1.3. Regulador..................................................................180 10.1.4. Inversor ....................................................................182 10.2. Cálculo de la capacidad y determinación del acumulador...........183 10.2.1. Elección del acumulador ..............................................186 10.2.2. Conexionado y ubicación .............................................189 10.3. Cálculo de los paneles fotovoltaicos........................................189 10.3.1. Elección de los paneles fotovoltaicos .............................191 10.3.2. Conexionado y ubicación .............................................193 10.4. Elección del aerogenerador....................................................193 10.5. Elección del regulador...........................................................197 10.6. Dimensionado del convertidor................................................198 10.7. Cálculo de secciones.............................................................202 11. Resumen del presupuesto .......................................................205 12. Bibliografía..............................................................................206 13. Anexo 1...................................................................................208 MEMORIA 5 INDICE DE TABLAS Tabla 1.- Superficies correspondientes a los distintos cuartos del albergue ......................................................................................... 8 Tabla 2.- Clasificación de los vientos por su velocidad........................... 23 Tabla 3.- Datos de ocupación del albergue a lo largo del año ................. 63 Tabla 4.- Demanda de referencia a 60ºC............................................. 66 Tabla 5.- Temperatura media del agua de la red general en Huesca........ 67 Tabla 6.- Temperatura media del agua de la red general en Trasmoz...... 68 Tabla 7.- Demanda de agua caliente sanitaria para cada mes a 45ºC...... 69 Tabla 8.- Demanda de agua caliente sanitaria durante el período de apertura.......................................................................................... 69 Tabla 9.- Carga de consumo mensual ................................................. 70 Tabla 10.- Necesidad energética para ACS........................................... 71 Tabla 11.- Datos de radiación horizontal media (MJ/m 2 ) en Trasmoz....... 73 Tabla 12.- Energía aprovechable para cada mes del año........................ 74 Tabla 13.- Intensidad útil .................................................................. 75 Tabla 14.- Rendimiento del colector solar térmico................................. 77 Tabla 15.- Aportación solar por m 2 ..................................................... 78 Tabla 16.- Energía neta disponible al día y al mes por metro cuadrado.... 79 Tabla 17.- Superficie colectora necesaria para cubrir las necesidades energéticas...................................................................................... 79 Tabla 18.- Aporte solar total de los colectores, fracción de consumo energética satisfecha por la energía solar y déficit energético con tres colectores solares ...................................................................... 81 Tabla 19.- Energía aportada cada mes en %........................................ 81 Tabla 20.- Aporte solar total de los colectores, fracción de consumo energética satisfecha por la energía solar y déficit energético con dos colectores solares....................................................................... 82 Tabla 21.- Caída de presión en el colector solar AS-20VC para ciertos valores de funcionamiento................................................................. 97 Tabla 22.- Dimensiones de la tubería de cobre (en milímetros) ..............100 Tabla 23.- Valores de las longitudes equivalentes de las distintas singularidades..................................................................................107 Tabla 24.- Espesor mínimo del aislamiento térmico (mm)......................115 Tabla 25.- Caudal instantáneo mínimo de agua....................................117 Tabla 26-Tabla 42.- Coeficiente de utilización en función de los coeficientes de reflexión y del índice del local.......................................126 Tabla 43.- Consumo de energía de los puntos de luz de la planta primera...........................................................................................156 MEMORIA 6 Tabla 44.- Consumo de energía de los puntos de luz de la planta baja ....157 Tabla 45.- Ocupación del albergue a lo largo del período de apertura......159 Tabla 46.- Caídas de tensión en la instalación eléctrica .........................169 Tabla 47.- Días de autonomía recomendados para baterías en servicio todo el año ..........................................................................183 Tabla 48.- Factor de corrección k para superficies inclinadas..................190 Tabla 49.- Energía en megajulios que incide sobre un metro cuadrado de superficie horizontal en un día medio de cada mes...........................190 Tabla 50.- Número de horas de sol pico ..............................................191 Tabla 51.- Velocidades del viento durante el período de apertura ...........193 MEMORIA 7 1. Objeto El objetivo del presente proyecto es el de exponer ante los Organismos Competentes que las instalaciones que nos ocupan reúnen las condiciones y garantías mínimas exigidas por la reglamentación vigente, con el fin de obtener la Autorización Administrativa y la de Ejecución de la instalación, así como servir de base a la hora de proceder a la ejecución de dicho proyecto. En este proyecto se realiza una instalación bioclimática en un albergue de montaña aislado cerca de la localidad de Trasmoz en la provincia de Zaragoza, de acuerdo con la normativa vigente actual. Esta instalación incluye el suministro de agua caliente sanitaria (A.C.S.) con colectores solares y la electrificación mediante paneles solares y un generador eólico. 2. Localización y ubicación del albergue El albergue está situado junto a la Sierra del Moncayo (sector central de la Cordillera Ibérica) cerca de la localidad de Trasmoz en la provincia de Zaragoza, a una latitud de 41º 49’ 31’’ y a una longitud de 1º 43’ 15’’, con una altitud de 765 m. Éste se encuentra aproximadamente a 3 Km al sur de esta localidad. Para llegar a su ubicación, se ha de salir de Trasmoz en dirección sureste hacia el Monasterio de Veruela. Después de circular 2 Km, se toma la carretera que se cruza hacia la derecha, luego a 250 m se gira a la izquierda y a 100 m se coge la carretera que se desvía hacia la izquierda. Siguiendo por esta carretera a 500 m se sitúa el albergue. 3. Descripción del albergue El albergue es un edificio de nueva construcción con una ocupación máxima de veinte personas, que consta de una planta baja y una planta primera, con cubiertas inclinadas de teja, una de las cuales presenta una orientación sur en la que se instalarán los colectores y los paneles solares. Además, no hay objetos que puedan proyectar sombra sobre la superficie donde se colocan las instalaciones solares. El albergue tiene una longitud de 14,5 metros y una anchura de 10,5 metros, con una superficie útil aproximadamente de 140 m 2 por planta. Posee dos entradas/salidas, una por la parte posterior del albergue, donde hay un aparcamiento, y la otra por el lado derecho. A la izquierda del albergue hay una caseta donde se colocarán las baterías, los reguladores, el inversor, etc. La planta baja es la que se utiliza como zona de convivencia y está dotada de la sala del acumulador, una sala de estar, una cocina, un comedor, una sala con televisión y un baño. En la planta primera se sitúa la zona de descanso y aseo personal, habiendo cinco habitaciones y seis baños. Las superficies del albergue se distribuyen de la siguiente manera: MEMORIA 8 Zona Ancho (m) Largo (m) Superficie (m 2 ) Entrada 3 6,5 19,5 Pasillo 1 1,5 6 9 Pasillo 2 1 2,5 2,5 Sala del acumulador 2 5 10 Sala de estar 3,5 5 17,5 Cocina 4,5 5 22,5 Comedor 5 6 30 Sala TV 3,5 5 17,5 Baño 0 2 3,5 7 Escalera planta baja 1 2 2 Escalera planta 1ª 1 2 2 Pasillo 3 3,5 8,5 29,75 Baño 1 2 3 6 Baño 2 2 3 6 Baño 3 1,75 2 3,5 Baño 4 1,75 2 3,5 Baño 5 1,5 3,5 5,25 Baño 6 1,5 3,5 5,25 Habitación 1 3 5 15 Habitación 2 3 5 15 Habitación 3 2,5 3,5 8,75 Habitación 4 3,5 4 14 Habitación 5 3,5 7 24,5 Tabla 1.- Superficies correspondientes a los distintos cuartos del albergue. De las habitaciones, hay dos de ellas que son para dos personas, una tiene dos camas individuales y la otra una litera. Luego, hay dos habitaciones para cuatro personas con dos literas cada una. Y por último, hay una habitación para un grupo de ocho personas equipada con cuatro literas. Cada habitación tiene a su disposición un baño completo, excepto la habitación para ocho personas, que dispone de dos baños completos, uno de ellos posee un extractor de aire forzado que se pone en funcionamiento cuando la luz está encendida. MEMORIA 15 La radiación global que llega a un punto sobre la superficie terrestre tiene tres componentes: la directa, la difusa y la reflejada. La radiación directa es la que llega sin interaccionar con nada y sin cambios de dirección (muy importante en un día soleado). La radiación difusa es producto de los choques de la radiación directa con las partículas y los componentes atmosféricos (radiación típica en días nublados). La radiación reflejada, también llamada albedo, es la que llega procedente de la reflexión de la radiación directa en los elementos del entorno (importante cerca del mar o en zonas con nieve). El albedo de los cuerpos es mayor cuanto más claro sea el color de los mismos. La influencia de éste sobre la radiación incidente en un colector solar suele ser despreciable. Radiación Global = Directa + Difusa + Albedo Figura 2.- Radiación directa y difusa en una ciudad española. 6.3.3. Irradiación sobre una superficie La irradiación E es la cantidad de energía radiante que llega a una superficie determinada en un tiempo determinado (Censolar, 1991). No hay que confundirla con la irradiancia I que es la energía incidente por unidad de tiempo y de superficie. MEMORIA 16 La cantidad de energía debida a la radiación directa que una superficie puede interceptar dependerá del ángulo formado por los rayos y la superficie. Si la superficie es perpendicular a los rayos este valor es máximo, disminuyendo conforme lo hace dicho ángulo. Figura 3.- Radiación solar sobre la superficie. La intensidad sobre la superficie varía en la misma proporción que lo hace la energía E, de forma que la intensidad sobre la superficie inclinada es: I’ = I · cosα Este efecto de inclinación es la causa por la que los rayos solares calientan mucho más al mediodía que en las primeras horas de la mañana o en las últimas de la tarde. Figura 4.- Radiación solar sobre la Tierra. MEMORIA 17 La diferente inclinación de los rayos solares es la causa por la que las regiones de latitudes altas reciban mucha menos energía que las más cercanas al ecuador. Para medir la irradiación total que una superficie recibe en un determinado número de días se emplean piranómetros, los cuales detectan la intensidad de la radiación en cada instante y acumulan los datos recibidos en un ordenador. Permite evaluar la energía disponible en la zona donde se ubica y así, poder hacer una estimación de la viabilidad de un sistema solar. 6.3.4. Coordenadas solares El Sol sale por el Este, se eleva más o menos en el cielo (según la época del año) y finalmente se oculta por el Oeste. En realidad, no es el Sol el que se mueve, es la Tierra la que gira sobre sí misma, dando una vuelta cada 24 horas. Para definir la posición exacta del Sol en cada instante con respecto a un punto inmóvil en un plano horizontal, se utilizan dos coordenadas, la altura solar h y azimut solar A. La altura h es el ángulo que forman los rayos solares sobre la superficie horizontal (Censolar, 1991). En ocasiones, también se utiliza el ángulo cenital que es el que forma el rayo con la vertical. Figura 5.- Altura solar y ángulo cenital. El azimut A es el ángulo de giro del Sol medido sobre el plano horizontal mediante la proyección del rayo sobre dicho plano y tomando como origen el Sur. La figura siguiente ilustra la representación gráfica de la altura y el azimut. Por convenio, este último se considera negativo cuando el Sol está en el cuadrante Este-Sur (la mañana) y positivo cuando se sitúa en el cuadrante Oeste-Sur (después del mediodía). MEMORIA 18 Figura 6.- Azimut y altura solar. El número de horas de sol teóricas será el intervalo de tiempo transcurrido entre el amanecer y el ocaso, ambos instantes en los que la altura solar vale cero. Esta duración del día depende del punto geográfico considerado y de la época del año. Figura 7.- Duración del día durante el año (latitud aproximada 40º). MEMORIA 19 6.3.5. Procesos naturales El flujo de radiación solar que llega a la Tierra es la fuente primaria principal de las formas de energía conocidas. Casi el 30% de la radiación es devuelta al espacio por reflexión, un 47% se convierte en calor y un 23% se invierte en la evaporación del agua de los océanos, lagos, ríos, así como en el ciclo hidrológico completo. El 0,2% es responsable de los movimientos de circulación atmosférica y oceánica. Solamente el 0,02% de la energía radiante incidente se utiliza en la producción de materia viviente (plantas). Las plantas verdes son capaces de utilizar los fotones de luz gracias a la clorofila. La clorofila absorbe la luz y activa una reacción fotoquímica: 6 CO 2 + 6 H 2 O + luz + clorofila -> C 6 H 12 O 6 + 6 O 2 La energía solar queda almacenada en los hidratos de carbono formados, los cuales liberarán su energía al descomponerse, cuando la hoja se destruye. Se establece un equilibrio energético, mediante el cual la planta devuelve con el tiempo toda la energía que ha absorbido. En los últimos millones de años se ha ido acumulando bajo las capas de materiales térreos materia orgánica con energía, sufriendo procesos químicos y dando origen a los combustibles fósiles (petróleo, carbón y gas natural). Debido al consumo creciente de estos recursos y al ritmo que se consumen, mucho más rápidos de lo que se producen, hay que buscar alternativas. 6.3.6. El clima La energía solar es la responsable de las alteraciones de la atmósfera (cambios de presión, temperatura, humedad, etc.). La energía térmica, producida en mayor cantidad en las zonas ecuatoriales y templadas de la Tierra, mantiene la circulación atmosférica impulsando los vientos (energía eólica), creando tormentas y proyectando lluvias y nieves. La esfericidad de la Tierra hace que haya grandes diferencias de temperaturas en las distintas latitudes. Pero el factor más importante que influye en la cantidad de energía solar incidente en una localidad es la proporción de días nublados que se dan al año. 6.3.7. Procesos tecnológicos El objetivo es aprovechar al máximo los efectos físicos de la radiación, adecuando los dispositivos de captación para obtener la energía del modo que se precise. La conversión es directa cuando ésta se realiza en una sola etapa y la conversión indirecta cuando la forma final de energía proviene de la energía solar a través de dos o más procesos intermedios. MEMORIA 20 Por conversión directa la energía solar es capaz de transformarse en energía térmica o en energía eléctrica. Indirectamente, la energía solar puede producir energía útil a través de procesos intermedios, como la eólica. También entran en este grupo los procesos termoeléctricos y termodinámicos, por los que la energía solar se convierte en energía térmica y ésta a su vez en cinética, para producir finalmente energía eléctrica. • Procesos térmicos directos: La energía solar al incidir sobre cualquier objeto para a energía térmica, por lo que es la más fácil de producir. La cantidad energética que cede la radiación depende de la intensidad incidente y de la capacidad de absorción del cuerpo. Los cuerpos reflectantes no se calientan demasiado, en cambio los cuerpos no reflectantes aprovechan casi toda la energía. Los cuerpos negros absorben casi todas las longitudes de onda del espectro de luz visible, sin embargo los cuerpo blancos reflejan la luz. Por lo que, el captador de energía solar más simple es un cuerpo pintado de negro mate y una conductividad térmica alta (metal), para que la energía térmica que se produzca se pueda transferir más fácilmente a donde nos interese. Normalmente, se usan tubos por donde circula un fluido que transporta el calor. Para mejorar la eficacia se usa el efecto invernadero, evitando que la energía térmica se escape del captador. Algunos sistemas utilizan la concentración de los rayos solares mediante espejos curvos para elevar la intensidad d la radiación incidente sobre la superficie absorbedora. Estos sistemas de concentración implican mayor complejidad tecnológica. • Procesos directos de conversión eléctrica: La luz está formada por fotones, que son capaces de interactuar con los electrones de los cuerpos sobre los que inciden. Existen dos tipos de interacción: el efecto fotoeléctrico externo y el efecto fotovoltaico. El efecto fotoeléctrico externo consiste en un desprendimiento de electrones de la superficie de los metales al chocar fotones de suficiente energía, dando lugar a la corriente eléctrica. En el efecto fotovoltaico los materiales semiconductores (sustancias con resistividad entre 10 -6 y 10 8 Ω·m) son capaces de crear una fuerza electromotriz. Hay dos tipos de semiconductores: los de tipo N y los de tipo P. A los primeros se les puede forzar a tener un exceso de electrones y a los segundos un defecto de ellos. Al ponerse en contacto se crea una unión P-N, la cual tiene unas propiedades especiales. Se producirá una difusión de electrones y huecos a través de la superficie común de separación. Los semiconductores son eléctricamente neutros, pero esta difusión hará que se cargue el semiconductor N positivamente y el MEMORIA 21 semiconductor P negativamente, estableciéndose una diferencia de potencial pequeña, la cual dará lugar a un campo eléctrico que restablece el equilibrio. Pero, si incide luz sobre la zona de unión, los fotones liberarán electrones adicionales y dejarán huecos. Los electrones bajo el campo eléctrico tendrán movimiento y pueden conducirse por un conductor, apareciendo una corriente eléctrica. Los elementos más usados para las aplicaciones fotovoltaicas son el silicio, el selenio y el galio, aunque también se utilizan materiales monocristalinos, policristalinos y amorfos. 7. Introducción a la energía eólica La energía eólica está basada en los desplazamientos de masas de aire como consecuencia de las diferencias de presión causadas por las alteraciones de temperatura. Su aprovechamiento para obtener energía requiere un proceso indirecto de conversión, a diferencia del directo que se produce en el de la energía fotovoltaica. Sus instalaciones de aprovechamiento de esta energía adoptan dos configuraciones muy diferentes: los denominados parques eólicos, destino a redes públicas de distribución, y las medianas y pequeñas instalaciones para bombeo de agua o suministro energético a viviendas, granjas o similares, como sistema generador único o complementando a la energía obtenida mediante paneles fotovoltaicos en las instalaciones denominadas híbridas. España es una potencia mundial en obtención de energía por este medio y en desarrollo y fabricación de aerogeneradores. El 6% del consumo eléctrico tenía esa procedencia, el cual es generado por cerca de 10000 aerogeneradores distribuidos entre numerosos parques. 7.1. Características del viento El viento se genera por el calentamiento desigual que sufre la tierra. El calentamiento es más intenso cerca del ecuador y durante el día, esto provoca que las zonas más calientes se muevan sobre la superficie de la tierra en su movimiento de rotación. Generalmente el aire caliente sube, para después circular por la parte superior de la atmósfera y caer en las zonas más frías. A nivel del suelo la circulación es en sentido inverso. El efecto combinado del desigual calentamiento de la tierra y de las fuerzas centrífugas y de Coriolis debidas a la rotación, da lugar a vientos a escala terráquea, con unas tendencias más o menos permanentes. En la figura 8 se indican los vientos alisios, polares y vientos del Oeste como ejemplos. MEMORIA 22 Figura 8.- Distribución de vientos a escala global. 7.1.1. Variación del viento con la altura Aun en terreno llano el viento varía con la altura sobre el suelo. El estudio de dicha variación es de gran importancia por las siguientes razones: • A mayor altura hay mayor velocidad del viento, y por tanto la potencia producida por las aeroturbinas también es mayor, aunque por otra parte, al ser más alta la torre mayor es el coste. Es por tanto necesario optimizar el sistema, teniendo en cuenta estos dos efectos. Ésta es una de las razones por las que modernamente se tiende a hacer máquinas más grandes y de más potencia, y consecuentemente más altas. • Cada pala al girar se encuentra con viento variable, por lo que se generan cargas alternativas. • Por la misma razón se generan pares alternativos que dan lugar a fluctuaciones de la energía eléctrica generada. El viento por encima de una cierta altura está sujeto a un equilibrio entre las fuerzas de presión y las de Coriolis. Sin embargo, conforme se va acercando al suelo el viento es frenado por efecto del rozamiento con el mismo. Este proceso de frenado ocurre en la capa límite terrestre. El espesor de la misma varía según las condiciones climatológicas, y un valor típico medio puede ser de 2 Km, aunque en noches frías y claras de poco viento puede llegar a ser de unos 100 m, y bastante mayor en días soleados. La parte superior de la capa límite terrestre se puede identificar como una zona de menor visibilidad en la que hay una fuerte mezcla de MEMORIA 23 humo y polvo. La parte inferior de la misma, que alcanza hasta los 150 m, se conoce con el nombre de capa superficial. El resto se conoce con el nombre de capa de Ekman. A través de esta capa, el viento cambia de dirección, con una tendencia a moverse de mayor a menor presión, a medida que nos acercamos al suelo. Para estudiar la acción del viento sobre las aeroturbinas podría bastar con el conocimiento de la capa superficial. 7.1.2. Clasificación de los vientos por su velocidad La velocidad de los vientos fue definida en 1805 por Sir Francis Beaufort, el cual estableció una tabla con doce niveles que es empleada internacionalmente. Fuerza Velocidad (m/s) Situación 0 0-0,2 Calma 1 0,3-1,5 Aire ligero 2 1,6-3,3 Brisa ligera 3 3,4-5,4 Brisa apacible 4 5,5-7,9 Brisa moderada 5 8-10,7 Brisa fresca 6 10,8-13,8 Brisa fuerte 7 13,9-17,1 Brisa muy fuerte 8 17,2-20,7 Vendaval 9 20,8-24,4 Vendaval fuerte 10 24,5-28,4 Tormenta 11 28,5-32,6 Tormenta violenta 12 Más de 32,7 Huracán Tabla 2.- Clasificación de los vientos por su velocidad. 7.2. Arquitectura de los aerogeneradores Los aerogeneradores se pueden clasificar por la utilización para la que han sido construidos y por la posición del eje que sustenta las palas con respecto a la dirección del viento. MEMORIA 24 Por su utilización: • Aerogeneradores destinados a la producción de energía eléctrica, en los que su dimensión determina la aplicación específica. Dentro de este tipo de máquinas se distinguen los aerogeneradores por la potencia suministrada, existiendo los tipos micro y mini turbinas destinados a las instalaciones aisladas, y las grandes turbinas para los parques eólicos con conexión a las redes públicas de distribución de energía eléctrica. • Aerogeneradores para el bombeo de agua, con acoplamiento mecánico directo con la bomba de extracción. Por su eje: • Aerogeneradores cuyo eje de rotación está en posición vertical con respecto de la dirección del viento. • Aerogeneradores cuyo eje de rotación está en posición horizontal con respecto a la dirección del viento. 7.2.1. Eje vertical En los aerogeneradores de eje vertical, el rotor gira en el mismo plano que el viento, condición que le da la ventaja de no necesitar elementos de orientación, lo que es imprescindible en los aerogeneradores de eje horizontal. Una ventaja adicional con la que cuentan estos aerogeneradores es que los equipos de control y de conversión pueden estar en la base de la máquina. Son máquinas sencillas y económicas, pero su rendimiento es más bajo que el de las de eje horizontal. Estas máquinas están basadas en dos desarrollos de los años treinta del siglo XX; el del finlandés Savonius y el del francés Darrieux. El aerogenerador Savonius está basado en la disposición sobre un eje vertical a la dirección del viento de dos semicilindros del mismo diámetro y ejes paralelos acoplados al de sustentación, con una determinada distancia entre ellos. MEMORIA 31 Existen diversos modos de efectuar el control de parada ante vientos de alta velocidad, pero suelen estar basados en dos procedimientos que son el freno aerodinámico adicional por la fuerza centrífuga y el cambio de orientación del rotor. Para el primer procedimiento, se colocan perfiles aerodinámicos en los extremos de las palas, y para el segundo se modifica la orientación con respecto a la dirección del viento para que las palas ofrezcan la mínima superficie. Los aerogeneradores de eje horizontal requieren disponer de un mecanismo de orientación a la dirección del viento, lo que se puede llevar a cabo mediante los siguientes procedimientos: • Incorporación de una veleta, a modo de timón. Corresponde a una superficie plana sobre la que ejerce presión el viento hasta conseguir la orientación necesaria. Este procedimiento es el comúnmente empleado en las máquinas de pequeña potencia. Figura 15.- Aleta estabilizadora. • Incorporación de un servosistema, que corresponde a un sistema electrónico de detección de la dirección con una veleta o similar y el control con motores auxiliares acoplados a pequeños rotores dispuestos a los lados del aerogenerador para efectuar la orientación. Este procedimiento es empleado solo en las grandes máquinas. MEMORIA 32 Figura 16.- Servomecanismo. 7.2.3. Características Los aerogeneradores se definen mediante un conjunto de especificaciones técnicas en las que intervienen las correspondientes a la velocidad del viento, potencia eléctrica suministrada y sistemas de control y regulación. Las más importantes son: • Diámetro del rotor. • Área barrida. • Número de palas. • Material de las palas. • Dirección del rotor. • Sistema de orientación. • Regulación de potencia. • Freno aerodinámico. • Perfil aerodinámico de las palas. • Velocidad de arranque. • Velocidad nominal. • Velocidad de corte. • Generador eléctrico. • Tipo de multiplicador. 7.3. Torres para aerogeneradores Atendiendo a razones de volumen y peso y de impacto medioambiental, las torres de sustentación de los aerogeneradores pueden tener forma cónica o en celosía, al modo de las empleadas en las redes de distribución eléctrica. Las MEMORIA 33 primeras pueden construirse con hormigón, aluminio o acero, dependiendo del tamaño del aerogenerador, y las últimas con tiras de acero soldadas o atornilladas. Su equilibrio puede asegurarse simplemente por la solidez de su estructura o bien requerir vientos autoportantes anclados al suelo. En tales condiciones, las especificaciones que definen las torres son: • Tipo: que corresponde a la forma de la estructura. • Altura: que define la longitud de la torre y por tanto la elevación del aerogenerador con respecto a la superficie de tierra. • Diámetro: que indica el valor de los diámetros inferior y superior de la torre. • Protección: que da indicación del medio de protección ante la corrosión aplicado a las torres de acero, independientemente de su forma. La figura 17 muestra algunas torres o postes para aerogeneradores de gran tamaño, de los empleados en los parques eólicos, los cuales tienen estructura de hormigón de forma cónica, generalmente con valor de conicidad de 1,5%, y para aerogeneradores de pequeña potencia, en los que se emplea generalmente tubo de acero galvanizado, con vientos anclados a tierra para soportar las posibles altas velocidades del viento del lugar. Figura 17.- Torres para aerogeneradores. 8. Instalación solar de A.C.S. La producción de A.C.S. es la aplicación práctica de la energía solar que mejor se adapta a las características de la misma pues, por una parte, los niveles de temperaturas que son necesarios lograr (normalmente entre 40ºC y 50ºC) coinciden con los más apropiados para una buena eficacia del colector y, por otra, es una necesidad que debe ser satisfecha normalmente durante los doce meses del año, por lo que la inversión en el sistema solar se rentabilizará más rápidamente MEMORIA 34 que en el caso de aplicaciones estacionales, como pueden ser la calefacción en invierno, o el calentamiento de piscinas en verano. Existe cierta tendencia a considerar que los sistemas de aprovechamiento de la energía solar han de ser siempre simples. Esto es debido a que la energía solar es natural y abundante, por lo que se adaptará de manera natural a un sistema sencillo, término que lleva a confusión porque en muchos casos se usa como sinónimo de rudimentario. El principal objetivo de una instalación solar es conseguir el máximo ahorro de energía convencional y, por lo tanto, de dinero. Para definir el sistema hay que hacerlo de manera precisa y especificando claramente las partes de que va a constar, así como las funciones específicas que cada parte realiza. Dichas funciones son: • La función de captación, que depende no sólo de los colectores, sino de una serie de componentes que, junto con estos, forman el subsistema de captación. • La función de apoyo, casi siempre necesaria, y que ha de tener muy en cuenta no interferir ni perjudicar el propio rendimiento térmico solar. • La función de utilización, que es el fin último del sistema y que debe asegurar el objetivo marcado, tanto en cantidad como en calidad, y corresponde a la red de distribución del A.C.S. con todos sus accesorios. La eficacia global del sistema está condicionada por el propio diseño de cada uno de sus componentes pero también por la interrelación de éstos entre sí. Además, hay que tener siempre presente que tan importante es la calidad del diseño y de la ejecución de la instalación, como la calidad de sus componentes individuales de la misma. 8.1. Principios básicos para el óptimo aprovechamiento Con el deseo de intentar prevenir buena parte de los síntomas patológicos que más frecuentemente se observan en los sistemas de A.C.S. por energía solar, existen cuatro principios o normas fundamentales que se deberán tener en cuenta para desarrollar diseños correctos. Dichas normas, interdependientes entre sí, son evidentes, pero en ocasiones alguna es ignorada y pasa inadvertida, pero si se ignoran las cuatro, pueden haber consecuencias desastrosas para la instalación. MEMORIA 35 8.1.1. Primer principio: captar el máximo posible de energía solar Es preciso disponer de un número suficiente de colectores (dentro de unas limitaciones por el coste) para poder captar la energía necesaria y, asimismo, deberemos elegir la inclinación idónea para desaprovechar la mínima cantidad de energía solar disponible en cada mes, pero además es preciso regular la captación de dicha energía para que realmente se convierta en energía útil. Para ello, es necesario medir y comparar permanentemente los niveles de temperatura en los colectores y en el almacenamiento, y disponer de los mecanismos automáticos necesarios para que el circuito primario se establezca o no circulación de fluido, en función de que el momento sea o no favorable para conseguir un incremento neto de energía útil acumulada. Por lo que la regulación diferencial es absolutamente indispensable, debiendo excluirse los sistemas que sólo disponen de un simple termostato que prefija una temperatura en el colector o en el almacenamiento. 8.1.2. Segundo principio: consumir prioritariamente la energía solar Como la energía solar es gratuita y la auxiliar (convencional) no lo es, sería ideal que el consumo se nutriese exclusivamente con la primera, y únicamente en los casos en que ésta estuviera complemente agotada se recurriera a la energía de apoyo. Evidentemente, este planteamiento ideal no puede lograrse en la práctica, pues los períodos de consumo tendrían que estar sujetos a los de captación, lo cual es inviable. De todas formas, el diseño del sistema de almacenamiento debe ser tal que favorezca el uso prioritario de la energía solar frente a la auxiliar y nunca al revés. Este dispositivo es más difícil de lograr en el caso de un único acumulador. Cuando exista una resistencia eléctrica regulada por un termostato que le haga funcionar cuando la temperatura del agua acumulada desciende de un cierto valor, se deberá graduar a la temperatura más baja posible compatible con el consumo, a fin de asegurar que sólo entrará en acción la energía de apoyo cuando apenas quede energía solar acumulada. 8.1.3. Tercer principio: asegurar la correcta complementariedad entre la energía solar y la convencional En el caso de la producción de A.C.S. el primer y segundo principio conducen a precalentar todo el agua que será posteriormente consumida. El nivel de temperatura conseguido es frecuentemente inferior al deseado. La complementariedad ideal consistiría en alcanzar dicho nivel y, añadiendo luego la cantidad de energía auxiliar estrictamente precisa, conseguir la temperatura mínima aceptable para el uso. MEMORIA 36 Se presentan dos casos: • Producción instantánea de la energía de apoyo. Por definición, en este sistema de producción el generador de energía de apoyo debe aportar la potencia necesaria, variable en función de la temperatura obtenida en el precalentamiento solar. En este caso, hay que situar el generador instantáneo de energía de apoyo a la salida del acumulador solar. Este sistema resulta muy práctico y recomendable para viviendas si se usan calentadores instantáneos de gas pero a condición de que la llama de gas se regule automáticamente en función de la temperatura, ya que si se utiliza un calentador de gas corriente, de llama constante, y se da la situación de que la temperatura de entrada del agua precalentada por el equipo solar fuera ya bastante alta, puede originar una temperatura de salida excesiva, con peligro incluso de ebullición. • Producción de energía de apoyo en un acumulador independiente. Dicho acumulador, generalmente bastante más pequeño que el principal, se situará entre éste y los puntos de consumo y la temperatura de almacenamiento del agua será algo superior a la propia temperatura de uso, para poder, mezclándola con el agua procedente directamente del calentador solar (en general, más fría), obtener la temperatura final de uso deseada. Se utiliza una válvula termostática, que se encarga de forma automática de mezclar el agua solar precalentada con la del acumulador auxiliar. 8.1.4. Cuarto principio: no juntar la energía solar con la convencional Por no juntar ambas energías se quiere decir no mezclar, o hacerlo lo menos posible, el agua precalentada por los colectores con la que lo ha sido mediante la energía auxiliar. Es evidente que un acumulador único que almacene la energía solar y la de apoyo en un mismo volumen tiene un alto riesgo de mezcla. Es conveniente, al menos, utilizar alguna forma de separación material entre las dos zonas de reserva (la solar y la auxiliar) para evitar o limitar la mezcla de energías. Aparte de la coexistencia funcional entre los almacenamientos solar y convencional, existen otros factores capaces de destruir la separación térmica en un sistema, como son: • Los efectos parásitos por termosifón, que pueden provocar la comunicación entre los acumuladores, solar y de apoyo, llevando el agua más caliente desde este MEMORIA 37 último hasta el primero. Este defecto es difícil de detectar. Para evitarlo se pueden disponer válvulas antirretorno, o bien colocar el acumulador de apoyo a un nivel superior que el solar. • Los circuitos de recirculación. La recirculación consiste en hacer circular constantemente mediante una tubería llamada de retorno, el A.C.S. desde el punto de servicio más alejado hasta el tanque de almacenamiento y viceversa, con objeto de mantener siempre el agua de la tubería de distribución caliente, de forma que al abrir un grifo se pueda obtener instantáneamente el agua de la temperatura adecuada, sin tener que esperar a que llegue desde el acumulador, desplazando el agua contenida en la tubería desde éste hasta el grifo. 8.2. Elementos de la instalación Una instalación de Agua Caliente Sanitaria (A.C.S.) es un conjunto de equipos técnicos cuyos objetivos son: • Aportar un máximo de comodidad a los usuarios. • Intentar consumir un mínimo de energía. A continuación, se van a describir los principales elementos de una instalación solar de A.C.S. 8.2.1. Colector solar El colector solar es el encargado de captar la radiación solar y convertir su energía en energía calorífica. Un cuerpo expuesto al Sol recibe un flujo energético E bajo el efecto del cual se calienta. Simultáneamente, se producen pérdidas térmicas por radiación, convección y conducción que crecen con la temperatura de dicho cuerpo. Llega un momento en que las pérdidas térmicas, E P , igualan a las ganancias debidas al flujo energético incidente, alcanzándose la llamada temperatura del equilibrio. La temperatura de equilibrio para los colectores normalmente no es demasiado alta, siendo casi siempre menor a los 100ºC para valores de I del orden de 1000 W/m 2 . Si se logra extraer continuamente una parte del calor producido en el cuerpo por el flujo radiante incidente para aprovecharse como energía utilizable, se cambian las condiciones de equilibrio. Por lo que ahora, las pérdidas térmicas son menores, ya que no toda la energía incidente se pierde, sino que una parte es aprovechada. Además, la temperatura MEMORIA 38 del cuerpo será menor que en el caso del equilibrio. Entonces el cuerpo es un colector de energía térmica. Si se desea aumentar la energía utilizable, se tienen dos opciones, reducir las pérdidas o aumentar la energía incidente. Para reducir las pérdidas, habrá que mejorar el diseño y construcción del colector. Para aumentar la energía incidente, a la hora de recibir el flujo solar se hace sobre una superficie y mediante algún sistema óptico se concentra dicho flujo sobre una superficie más pequeña para que, al disminuir el área, la intensidad aumente. Este sistema se usa en los colectores de concentración. En un colector solar la energía utilizable es extraída del mismo a través de un fluido, llamado fluido caloportador, que se hace pasar a través de él, recogiendo parte del calor producido y llevándolo a otro lugar donde será utilizado o acumulado. Cuanto mayor sea la temperatura de utilización, mayores serán las pérdidas y menor la cantidad de energía útil que extraerá el fluido caloportador. Además, el rendimiento disminuye, ya que éste es el cociente entre la energía útil y la energía solar incidente. Por lo tanto, cuanto más baja sea la temperatura de los colectores, mayores rendimientos habrá, pero siempre que dicha temperatura sea suficiente para la utilización específica en cada caso. Hay varios factores que influyen en el rendimiento de los colectores: el aislamiento, las pérdidas por reflexión y la orientación de los propios colectores. A la hora de clasificar los colectores se pueden diferenciar dos grandes grupos: los colectores con o sin concentración. De los segundos, el modelo más usual es el denominado colector de placa plana, en el que una de sus caras está constituida por una cubierta transparente de vidrio o plástico, aunque a veces no se coloca dicha cubierta. Figura 18.- Colector plano. MEMORIA 39 8.2.1.1. Colector de placa plana Es el sistema más adecuado para calentar el agua mediante la radiación solar. En éste la radiación electromagnética incide y una parte de ésta es absorbida, otra reflejada y otra atraviesa el colector. La energía absorbida hace que el colector se caliente y emita a su vez radiación, cuya longitud de onda dependerá de la temperatura. En un colector plano cuya superficie sea de vidrio, el absorbedor (parte del colector metálica donde se efectúa la conversión de energía electromagnética en térmica) está situado bajo la cubierta y a poca distancia de ésta. Después de atravesar el vidrio, la radiación llega a la superficie del absorbedor, el cual se calienta y emite radiación que en parte se reflejará por la parte interior del vidrio y se producirá el efecto invernadero. - Cubiertas: Los principales materiales utilizables para las cubiertas son el vidrio y el plástico transparente. • De la gran variedad de vidrios se deben usar los vidrios recocidos o templados, ya que sus propiedades ópticas no se deterioran en los procesos y sus propiedades mecánicas mejoran notablemente. Los vidrios templados tienen mayor resistencia a la rotura, mayor resistencia a la flexión, una gran resistencia a las contracciones de origen térmico y fragmentación de seguridad. • Ciertos materiales plásticos tienen propiedades ópticas análogas a las del vidrio, pudiendo servir para la construcción de cubiertas transparentes de los colectores. Algunas de sus características son: poca densidad (facilita el mantenimiento), poca fragilidad, mala conductividad térmica, coeficiente de dilatación lineal importante, mala resistencia a temperaturas elevadas, dureza poco elevada, inestabilidad química y deterioros físicos (en numerosos plásticos). - Absorbedor: El absorbedor, como se ha dicho anteriormente, tiene por misión recibir la radiación solar, transformarla en calor y transmitirla al fluido caloportador. De los diferentes modelos de absorbedores, los más usuales son: • Dos placas metálicas separadas algunos milímetros entre las cuales circula el fluido caloportador. • Placa metálica, que es el absorbedor propiamente dicho, sobre la cual están soldados o embutidos los tubos por los que circula el fluido caloportador. En lugar MEMORIA 40 de una placa metálica se puede dotar a los tubos de aletas, que son generalmente de aluminio, mientras que los tubos pueden ser de cobre. Cabe destacar, que es conveniente que la cara del absorbedor expuesta al sol esté recubierta de un revestimiento especialmente elegido para absorber bien los rayos solares. Se utilizan dos procedimientos: las pinturas de color negro u oscuro y las superficies selectivas, que tengan un buen coeficiente de absorción. Teniendo en cuenta la importancia primordial del absorbedor en la eficiencia del colector, es preciso prestar gran atención a sus características y a la calidad de los materiales que lo componen. • Tratamiento de las superficies: Las pinturas son más económicas que las superficies selectivas. Tienen mejor comportamiento térmico global a la radiación solar para temperaturas cercanas a las del ambiente. El mayor inconveniente es que las pinturas se estropean por la acción de los rayos ultravioletas y por las variaciones de temperaturas entre el día y la noche. Sólo deben usarse pinturas cuyo buen comportamiento bajo la acción de los rayos solares esté garantizado por el fabricante. Las superficies selectivas tienen en general un mejor comportamiento, pero con el tiempo pierden una parte de sus propiedades de absorción o de selectividad, por lo que se deben inspeccionar periódicamente o usarse tratamientos selectivos cuyo precio es elevado. • Pérdida de carga: Si la instalación funciona con termosifón, es preciso que la pérdida de carga del colector no supere los 3 mm de columna de agua por cada m 2 de colector. En caso de circulación forzada la pérdida de carga del circuito del absorbedor no suele ser un factor crítico. • Corrosión interna: Para evitar la corrosión se desaconsejan los circuitos mixtos cobre-hierro. Además, hay que tener en cuenta que el fluido caloportador, aunque no sea corrosivo, puede sufrir degradaciones químicas debidas a las temperaturas que lo hagan corrosivo para el circuito. • Capacidad del absorbedor: La inercia térmica del absorbedor indica la cantidad de calor necesario para elevar la temperatura del absorbedor y del fluido caloportador que contiene en un MEMORIA 47 • Suponen una elevación del coste de la instalación. • Están sometidos a una reglamentación si el líquido primario no es agua potable. Figura 21.- Acumuladores con intercambiadores de simple y doble serpentín helicoidal. 8.2.3.1. Tipos de intercambiadores de calor Un intercambiador demasiado grande o pequeño es una fuente de pérdidas, además, funciona en condiciones muy variables, por lo que nunca puede estar perfectamente adaptado a las condiciones a las que trabaja. Los intercambiadores pueden ser exteriores o interiores. Por su construcción pueden ser de serpentín helicoidal, de haz tubular, de doble envolvente o de placas. Por su régimen de funcionamiento, pueden trabajar por termosifón o forzados mediante electrocirculador. El funcionamiento depende de las condiciones de circulación de los dos líquidos, ya sea circulación forzada o circulación natural por convección. La circulación forzada, que se hace con la ayuda de una bomba, mejora notablemente el intercambio y permite reducir las dimensiones del intercambiador, asegurando la circulación del líquido en el interior del mismo. El líquido del circuito secundario estará en circulación natural si el intercambiador está sumergido en el depósito de almacenamiento o envolviendo este depósito, bajo doble envolvente. Los dos parámetros que mejor caracterizan a un intercambiador son el rendimiento y la eficacia de intercambio. MEMORIA 48 Los rendimientos de los intercambiadores suelen ser como mínimo del 95%. Conviene destacar que las pérdidas en el proceso de intercambio se producen en las tuberías que van desde los colectores al intercambiador o en zonas descubiertas. Los intercambiadores que están dentro de del depósito acumulador no pueden tener pérdidas en sí mismos, pues todo el calor que pudieran perder iría a incrementar la energía calorífica del agua acumulada. La eficacia, ε, se define como la relación entre la energía calorífica intercambiada en la unidad de tiempo y la máxima que teóricamente podría intercambiarse. Para un determinado caudal, la eficacia es una constante cuyo valor está comprendido entre cero y uno, y dependerá del área de la superficie de intercambio, de la forma y geometría de la misma y del material. Un diseño correcto del sistema exige una eficiencia nunca menor a 0,7. El material a emplear se elegirá por la resistencia que tenga a la corrosión, más que por su conductividad térmica. Si existe menor conductividad, se puede hacer de mayor tamaño, pero la calidad del material frente a la corrosión y la menor capacidad a la adherencia de las deposiciones calcáreas son cualidades importantes para garantizar un uso eficaz y duradero. Los mejores materiales por orden de calidad son: acero inoxidable, cobre y acero galvanizado. 8.2.3.1.1. Intercambiador de calor de serpentín Este intercambiador puede ser de dos tipos: helicoidal, constituido por un tubo arrollado en espiral situado en la parte inferior del acumulador, o de haz tubular, que son los comúnmente utilizados para preparación de A.C.S. en instalaciones convencionales. En el interior del serpentín el fluido está en circulación forzada, mientras que en el exterior, la renovación del fluido en contacto con el serpentín se hace por convección natural, lo que provoca en el acumulador un movimiento del líquido. 8.2.3.1.2. Intercambiador de calor de doble envolvente En estos intercambiadores, el circuito primario envuelve al secundario, produciéndose el intercambio a través de la superficie en contacto con el fluido acumulado. Este tipo de intercambiadores dan un excelente resultado para uso solar, siendo su uso muy recomendado. Una precaución muy conveniente a tener en cuenta consiste en dotar al interior del doble envolvente de un deflector helicoidal para conseguir que el fluido caloportador no pase directamente de la entrada a la salida sin circular por todo el envolvente. Si ésto no fuera posible, habrá que situar la entrada y la salida del fluido del primario diametralmente opuestas. MEMORIA 49 8.2.3.1.3. Intercambiador de calor exterior Para instalaciones con acumulaciones a partir de 3000 litros empieza a ser más económico y práctico el uso de intercambiadores exteriores, con respecto a los interiores. Además, debido a su mejor rendimiento por actuar doblemente forzados, pueden ser mucho más pequeños, llegando a compensar los costes adicionales de otra bomba, tubería adicional y demás accesorios. Los dos tipos que existen son de haz tubular, que puede ser de acero o de cobre, o de placas de acero inoxidable, que son con diferencia los más utilizados por sus múltiples ventajas, entra las que destacan: • Alta calidad el material, que garantiza la duración y por tanto la rentabilidad. • Son modulables sin más que añadir o quitar placas, lo que permite una fácil corrección en caso de error en el dimensionado previo o ampliación de la instalación. • Poseen gran facilidad de mantenimiento, al ser desmontables y de fácil limpieza. • Tiene una excelente eficacia, debido a su funcionamiento a contracorriente, lo que permite una gran potencia de intercambio con un pequeño tamaño. • Están disponibles en distintas calidades de acero inoxidable, en función del uso a que se destinan. 8.2.4. Electrocirculadores Los electrocirculadores o bombas son aparatos accionados por un motor eléctrico capaces de suministrar al fluido una cantidad de energía con el fin de transportarlo por un circuito abierto o cerrado, a una determinada presión. En el sistema A.C.S. se encargan del transporte del fluido caloportador desde los colectores hasta el almacenamiento y posteriormente hasta los puntos de consumo. La energía producida por el electrocirculador debe vencer la resistencia que opone el fluido a su paso por la tubería y mantener la presión deseada en cualquier punto de la instalación. Existen tres tipos de bombas: • Bombas alternativas. • Bombas rotativas. • Bombas centrífugas. Los electrocirculadores empleados en los sistemas de energía solar son los centrífugos, por lo que van a ser descritos sólo éstos. La resistencia que debe vencer es la que opone el fluido a su paso por la tubería, nunca la presión hidrostática, pues la columna de agua, aunque esté sobre MEMORIA 50 el electrocirculador, ejerce fuerza tanto en el sentido de impulsión como en el de aspiración, anulándose los efectos. El electrocirculador centrífugo está compuesto por los elementos siguientes: • Orificio de aspiración: lugar por donde entra el líquido a la bomba. • Rodete impulsor: es el elemento rotativo. • Cámara de impulsión: es el elemento que recoge el líquido y lo conduce a la descarga del electrocirculador. • Orificio de impulsión: lugar por donde se expulsa el líquido de la bomba. • Aspiración: boca de contacto entre el electrocirculador y la tubería. • Difusor: conducto de salida del líquido dentro del electrocirculador. • Álabes: palas del rodete impulsor. Pueden ser cerradas o abiertas. Figura 22.- Esquema de un electrocirculador. 1 Orificio central de aspiración del rodete. 2 Rodete impulsor. 3 Cámara de impulsión. 4 Salida (impulsión). 5 Aspiración. 6 Difusor. 7 Álabes. El líquido entra en el electrocirculador por el orificio de aspiración que se encuentra en el centro del rodete, siendo aspirado y llevado hasta los álabes. El fluido caloportador gana energía cinética en el rodete debido al movimiento de rotación producido por el eje de un motor eléctrico. El rodete al girar, crea un vacío (presión de aspiración), y también proporciona al fluido una presión de impulsión. La suma de ambas presiones es la presión total que se comunica a dicho fluido. Si la aspiración fuese tan fuerte que situase la presión por debajo del valor de la presión de vapor del fluido, se produciría la vaporización de éste (cavitación). Este fenómeno produce un ruido característico y provoca la corrosión del rodete, debido a las microburbujas de oxígeno presentes en el vapor de agua. MEMORIA 51 Los álabes desprenden tangencialmente el fluido mediante su fuerza centrífuga y lo conducen hacia la cámara de presión. El fluido presurizado es conducido desde la cámara de presión hacia el orificio de impulsión y, a través del difusor, hasta el exterior. Se distinguen tres tipos de electrocirculadores centrífugos: • Electrocirculadores de rotor sumergido Están formados por un conjunto monobloc que une el cuerpo de la bomba con el motor mediante tornillos. Existe un único eje que une el rodete de la bomba con el rotor del motor. Los materiales de construcción son diferentes para los distintos elementos. El eje suele ser de acero inoxidable, los cojinetes de grafito metalizado, y el cuerpo de latón cobreado o de fundición. Suele ser muy silencioso y de bajo mantenimiento. • Electrocirculadores monobloc Son aquellos en los que el rodete y el eje del motor forman un mismo conjunto, que puede desmontarse del resto del cuerpo de la bomba. Este tipo de bombas pueden montarse con el eje en cualquier posición. • Electrocirculadores con acoplamiento motor-electrocirculador de ejes distintos Pueden trabajar durante cierto tiempo con la impulsión cerrada. El rodete bate el agua en el interior de la cámara de impulsión, que terminará calentándose y averiando el cierre, sin ningún otro peligro. La principal características de este tipo de electrocirculadores es que el motor y el cuerpo forman un conjunto independiente, uniendo el eje del motor con el rodete a través de un acoplamiento elástico. Suelen ser ruidosos. 8.2.5. Depósito de expansión El depósito de expansión se utiliza con el propósito de absorber las dilataciones del fluido caloportador en las instalaciones de agua caliente sanitaria. La capacidad del depósito debe ser suficiente para admitir la expansión de la mezcla anticongelante-agua. En caso contrario, el rellenado periódico con mezcla va depositando incrustaciones calcáreas en el interior de la instalación que pueden llegar a originar una avería con alto coste económico (Censolar, 1991). MEMORIA 52 No debe haber ningún dispositivo de cierre (válvula) en los tubos de seguridad que comunican los colectores con el depósito de expansión. La instalación de energía solar térmica tiene el circuito cerrado, por lo que se utilizará un depósito de expansión cerrado, que presentan ciertas ventajas respecto a los depósitos abiertos. Dichas ventajas son: • Fácil montaje, debido a que pueden ubicarse en cualquier sitio de la instalación. • No es necesario aislarlos. • Al instalarse en circuitos cerrados, no absorben oxígeno del aire. • Eliminan las pérdidas del fluido caloportador por evaporación, evitando la corrosión e incrustación provocada por la mezcla de reposición. Figura 23.- Esquema de un vaso de expansión cerrado. 1 Cámara de nitrógeno. 2 Cámara de expansión del fluido. 3 Orificio de conexión a la instalación. 4 Membrana especial. 5 Válvula de llenado de gas precintada. 8.2.6. Manómetro e hidrómetro Son aparatos que sirven para conocer el valor de la presión en el interior de una tubería o depósito. La única diferencia entre ambos es la escala en la que trabajan, el manómetro mide la presión general en Kg/cm 2 y el hidrómetro la mide en m.c.a., normalmente mediante una escala de 0 a 10. MEMORIA 53 Figura 24.- Manómetro con escala para pequeñas presiones. Los hidrómetros se usan hasta alturas de 40 m, cuando el circuito no está presurizado, es decir, cuando la instalación dispone de depósito de expansión abierto. Para presiones mayores, o para circuitos sometidos a una cierta presurización, es decir, provistos de depósito de expansión cerrado, se suelen usar los manómetros, con escalas casi nunca superiores a los 6 Kg/cm 2 de presión. 8.2.7. Válvula de seguridad Las válvulas de seguridad actúan como elementos limitadores de la presión de los circuitos y son imprescindibles para proteger los componentes de la instalación. La presión a la cual la válvula actúa, dejando escapar el fluido, debe ser inferior a la presión que pueda soportar el elemento más delicado de la instalación, que en este caso suele ser el depósito de expansión cerrado o el propio colector. Constan básicamente de un muelle, que es vencido por la sobrepresión del circuito. MEMORIA 54 Figura 25.- Válvula de seguridad tarada. 8.2.8. Purgador y desaireador El purgador es el elemento encargado de evacuar los gases, generalmente aire, contenidos en el fluido caloportador. La presencia de gases en el circuito puede dar lugar a la información de bolsas que impidan la correcta circulación del fluido caloportador, y provocar corrosiones en la tubería o los colectores. El purgador debe colocarse en el punto más alto de la instalación, que es donde se acumulan los gases al separarse del fluido. Para asegurarse de que los gases disueltos en el líquido son evacuados hacia el exterior por el purgador es conveniente colocar un elemento llamado desaireador. Se coloca en el punto más alto de la instalación, a la salida de los colectores. Figura 26.- Purgador de aire y principio de funcionamiento. MEMORIA 55 Figura 27.- Desaireador. 8.2.9. Válvulas de retención o antirretorno Una válvula antirretorno es aquella que sólo permite el paso del fluido en un sentido. Figura 28.- Corte de una válvula antirretorno de clapeta. Este tipo de válvulas producen poca pérdida de carga, por lo que son las adecuadas para usarlas en circuitos primarios. 8.2.10. Válvulas de paso Son elementos encargados de interrumpir total o parcialmente el paso del fluido por las tuberías. Las válvulas de cierre total se utilizan para separar una parte de la instalación o aislarla del servicio, mientras que las de cierre parcial sirven para MEMORIA 56 producir una pérdida de carga adicional en el circuito, con objeto de regular el caudal o de equilibrar la instalación. La entrada y salida de la válvula se denominan vías y el elemento que se interpone al paso del fluido, obturador. Las válvulas constan de las siguientes partes: • Volante: es la parte de la válvula que mueve el eje para que se abra o cierre ésta. Suelen ser de rueda, palanca, trinquete, etc. • Eje o husillo: es un vástago que hace descender o ascender el obturador mediante un mecanismo de tornillo o rosca. • Cuerpo de la válvula: es la parte exterior de la válvula y sirve como elemento de conexión con la tubería. Las conexiones pueden ser roscadas, embridadas o soldadas. Para diámetros no superiores a 2½” suelen ser roscadas y para superiores, embridadas. • Tapa: es la parte de la válvula que cierra el cuerpo con el exterior, dejando pasar el vástago. • Estopeño: es el espacio que aloja la empaquetadura. Su misión es hacer un cierre perfecto alrededor del vástago y del eje, para evitar fugas de líquido. Cada función específica dentro de la instalación exige un tipo de válvula determinado, entre los que destacan: • Válvulas de asiento: en este tipo de válvulas el elemento obturador es un disco que puede adoptar diferentes formas, cerrándose sobre un asiento. • Válvulas de compuerta: este tipo de válvula se utiliza como órgano de cierre y nunca como elemento de regulación del fluido caloportador, ya que podría producir vibraciones en la cuña. • Válvula de mariposa: en este tipo de válvula el disco o mariposa que hace de obturador gira con el eje. Provocan poca pérdida de carga. • Válvula de bola: consta del mismo mecanismo de cierre que las válvulas de grifo, con la diferencia de que el asiento del cuerpo es una junta de plástico, generalmente de teflón. Su elemento obturador es una bola de acero inoxidable. El orificio de la bola tiene el mismo diámetro que la tubería en la que se coloca, con lo que su pérdida de carga es mínima cuando están abiertas. MEMORIA 63 8.3. Ocupación del albergue La ocupación del albergue representa el número de personas que han pernoctado en éste. Para representar mejor a estas personas que pasan el día en el albergue, se calcula la ocupación en %, ya que a simple vista se puede observar, tanto las personas que hay en el albergue como la capacidad que queda para poder arrendar. Para calcular la ocupación de cada mes se multiplican los días que tienen cada uno de éstos por las personas que pueden pasar la noche en el albergue (ocupación máxima por día), que son 20 personas. Los datos de ocupación del albergue, como éste es ficticio, no han sido factibles, pero se ha tomado el nivel de ocupación de un albergue situado en Biel, una localidad al norte de la provincia de Zaragoza, que tiene características parecidas a las de Trasmoz. Su ocupación es de 26 personas, tiene sus servicios e instalaciones muy similares y además, es un pueblo de montaña con una altura parecida a la de Trasmoz. Por lo que se han considerado adecuados estos datos como partida para realizar los cálculos, siempre tomando el período en el que el albergue permanece abierto, que son los datos que se van a utilizar para realizar las operaciones. Mes Capacidad Ocupación Ocupación (%) Enero 620 106 18 Febrero 560 61 11 Marzo 620 70 12 Abril 600 234 39 Mayo 620 130 21 Junio 600 74 13 Julio 620 84 14 Agosto 620 83 14 Septiembre 600 66 11 Octubre 620 144 24 Noviembre 600 115 20 Diciembre 620 67 11 Anual 7300 1234 17 Período 4280 815 19 Tabla 3.- Datos de ocupación en el albergue a lo largo del año. MEMORIA 64 8.4. Elección de la configuración La configuración que se va a utilizar va a ser sencilla. Para comenzar se dispondrá de unos colectores solares, por medio de los cuales se captará la energía solar, la cual se aprovechará térmicamente. Luego se dispondrá de un acumulador para almacenar la energía, ya que el momento de consumo de agua caliente no tiene porqué coincidir con el momento de captación de energía. El circuito primario será cerrado, por lo que el fluido que recorre éste tendrá menos posibilidades de deteriorarse. En cuanto a la circulación, ésta será forzada, el fluido circulará impulsado por un electrocirculador o bomba, lo que garantizará una buena eficiencia del sistema. Este electrocirculador será accionado por un sistema de regulación, que lo hará funcionar o no, en función de las temperaturas que se captarán mediante unas sondas en la salida de los colectores y en la parte baja del acumulador. Dependiendo de las temperaturas que se registren, se enviarán unas señales hasta el regulador y este actuará como corresponda. Conforme se vaya captando la energía solar, ésta se irá almacenando en el acumulador mediante un intercambiador, que en este caso será interno al acumulador y estará colocado en la parte inferior de éste, por lo que habrá menos pérdidas térmicas. Además, se dispondrá de un sistema de apoyo auxiliar que consiste en un calentador de agua que funciona con gas. Éste sistema auxiliar se pondrá en funcionamiento cuando la energía solar no sea la suficiente como para calentar todo el agua que se consuma. El sistema de apoyo cederá el calor a través de un intercambiador que también está en el interior del acumulador, pero en este caso en la parte superior. Luego, para la máxima seguridad del circuito primario, se dispondrá de un vaso de expansión a la salida del acumulador en la parte de retorno a los colectores, con el propósito de absorber las dilataciones del fluido caloportador. A la entrada de los captadores se colocará una válvula de seguridad y un embudo de desagüe, para liberar fluido cuando la presión interna supera el umbral establecido. A la salida de los colectores se instalará un purgador de aire, que evacuará los gases (aire) contenidos en el fluido caloportador. Se colocará entre la tubería de aspiración y la de impulsión de la bomba, un manómetro en bypass, para poder medir la pérdida de carga de la instalación, y con la ayuda de la curva característica facilitada por el fabricante, se puede obtener de forma aproximada el caudal que circula por el circuito. MEMORIA 65 Por último, se colocarán tantas válvulas de cierre como sean necesarias para poder aislar cada elemento del circuito primario sin necesidad de vaciar todo el fluido de éste. El esquema utilizado se puede observar en el plano “Esquema Instalación A.C.S.”. 8.5. Cálculo de la superficie colectora El criterio que se usará para dimensionar la superficie colectora es que el área de la misma sea tal que haga la aportación solar total en el período considerado sea igual al consumo, o sea, que la aportación en un mes medio sea igual al consumo en dicho mes medio. 8.5.1. Cálculo de la carga de consumo La carga de consumo específica es el volumen de agua en litros que se ha de calentar en la instalación solar por día y por metro cuadrado de área de captación (Peuser, 2005). Volumen = (volumen/persona · día) · personas · % ocupación · Nº días m 3 = (litros/persona · día) · (1m 3 /1000 litros) · personas · % ocup. · Nº días Para poder calcular la carga de consumo específica, se deberá mirar el criterio de la demanda, como es un albergue, se considera como un Hostal/Pensión cuyo consumo a 60ºC es de 35 litros de ACS/día y persona. MEMORIA 66 Criterio de demanda Litros ACS/día a 60ºC Viviendas unifamiliares 30 por persona Viviendas multifamiliares 22 por persona Hospitales y clínicas 55 por cama Hotel **** 70 por cama Hotel *** 55 por cama Hotel/Hostal ** 40 por cama Camping 40 por emplazamiento Hostal/Pensión * 35 por cama Residencia (ancianos, estudiantes) 55 por cama Vestuarios/Duchas colectivas 15 por servicio Escuelas 3 por alumno Cuarteles 20 por persona Fábricas y talleres 15 por persona Administrativos 3 por persona Gimnasios 20 a 25 por usuario Lavanderías 3 a 5 por kilo de ropa Restaurantes 5 a 10 por comida Cafeterías 1 por almuerzo Tabla 4.- Demanda de referencia a 60ºC (Código Técnico de la Edificación). - Datos meteorológicos: Los datos meteorológicos que se usan como base son los de la temperatura media del agua de la red general registrados en la ciudad de Huesca y durante el período en el que el albergue está abierto. MEMORIA 67 Mes Tª media red (ºC) Enero 5 Febrero 6 Marzo 8 Abril 10 Mayo 11 Junio 12 Julio 13 Agosto 12 Septiembre 11 Octubre 10 Noviembre 8 Diciembre 5 Anual 9,3 Período 11,3 Tabla 5.- Temperatura media del agua de la red general en Huesca (Censolar, 1991). Para conseguir los datos en Trasmoz se ha disminuido esta temperatura en un grado, dado que las zonas son de clima parecido y las dos localidades pertenecen al Somontano. Tiene mayor humedad que la depresión del Ebro, debido a la altitud que le aleja de las fuertes ráfagas de cierzo. MEMORIA 68 Figura 31.- Mapa de zonas climáticas de Aragón (Departamento de Industria, Comercio y Turismo del Gobierno de Aragón, 2008). Mes Tª media red Trasmoz (ºC) Enero 4 Febrero 5 Marzo 7 Abril 9 Mayo 10 Junio 11 Julio 12 Agosto 11 Septiembre 10 Octubre 9 Noviembre 7 Diciembre 4 Anual 8,3 Período 10,3 Tabla 6.- Temperatura media del agua de la red general en Trasmoz. El acumulador que se ha escogido tiene una temperatura final de 45ºC. Como es diferente a 60ºC, debería llegar a la contribución solar mínima MEMORIA 69 correspondiente a la demanda obtenida con las demandas de referencia a 60ºC. La demanda a considerar para los cálculos, según la temperatura elegida, se determina a partir de las siguientes fórmulas (Código Técnico de la Edificación). D(T) = Σ D i (T) D i (T) = D i (60ºC) · (60 – T i ) / (T - T i ) - D(T): demanda de agua caliente sanitaria anual a la temperatura T elegida (en litros). - D i (T): demanda de agua caliente sanitaria para el mes i a la temperatura T elegida (en litros). - D i (60ºC): demanda de agua caliente sanitaria para el mes i a la temperatura de 60ºC (en litros). - T: temperatura del acumulador final (en ºC). - T i : temperatura media de agua fría en el mes i (en ºC). Mes T i (ºC) D i (T) (l) Marzo 7 48,8 Abril 9 49,6 Mayo 10 50 Junio 11 50,4 Julio 12 50,9 Agosto 11 50,4 Septiembre 10 50 Octubre 9 49,6 Tabla 7.- Demanda de agua caliente sanitaria para cada mes a 45ºC. Tiempo T i (ºC) D(T) (l) Período 9,9 399,7 Tabla 8.- Demanda de agua caliente sanitaria durante el período de apertura. MEMORIA 70 Mes Carga de consumo (m 3 ) Marzo 3,631 Abril 11,606 Mayo 6,510 Junio 3,931 Julio 4,418 Agosto 4,374 Septiembre 3,300 Octubre 7,380 Período 45,150 Tabla 9.- Carga de consumo mensual. 8.5.2. Cálculo de la energía necesaria para A.C.S. Partiendo de las temperaturas medias de la red general de agua, se calcula, mes a mes, la energía necesaria para conseguir la cantidad de agua caliente que se requiere para el consumo de ACS a la temperatura de 45ºC, mediante la fórmula (Censolar, 1991): Q = m · c e · ∆t - Q: calor absorbido por el agua para el consumo (Termias). - m: toneladas o m 3 de agua calentada. - c e : calor específico del agua (1 termia/tonelada · ºC). - ∆t: salto térmico del agua (ºC). MEMORIA 71 Mes Consumo mensual (m 3 ) Tª de red Salto Necesidad energética mensual (termias) Necesidad energética mensual (MJ) Necesidad energética diaria (MJ) Marzo 3,631 7 38 138,0 577,3 18,6 Abril 11,606 9 36 417,8 1748,1 58,3 Mayo 6,51 10 35 227,9 953,3 30,8 Junio 3,931 11 34 133,7 559,2 18,6 Julio 4,418 12 33 145,8 610,0 19,7 Agosto 4,374 11 34 148,7 622,2 20,1 Septiembre 3,3 10 35 115,5 483,3 16,1 Octubre 7,38 9 36 265,7 1111,6 35,9 Período 1593,0 6665,1 218,0 Tabla 10.- Necesidad energética para ACS. Para pasar de termias a megajulios se han aplicado las siguientes equivalencias: 1 termia = 1.000 kcal 1 kcal = 4,184 kJ 1 MJ = 1.000 kJ 8.5.3. Cálculo de la energía aprovechable La energía aprovechable E es igual al producto de la irradiación horizontal media H por el factor de corrección k para superficies inclinadas. Este factor representa el cociente entre la energía total incidente en un día sobre una superficie inclinada un determinado ángulo y otra horizontal (Censolar, 1991). A cada latitud le corresponde un factor k distinto para cada uno de los meses del año. La latitud de Trasmoz es de 41º 49’ 31’’, por lo que se cogen las tablas de latitud de 42º que es la latitud más cercana al valor correspondiente a la localidad. En el cálculo de la energía aprovechable influyen muchos factores: la irradiación horizontal media H, la ubicación del albergue, la atmósfera, los obstáculos que proyectan sus sombras sobre los colectores, etc. MEMORIA 72 Lo que se pretende siempre es que la energía consumida y la aportada por los colectores solares térmicos durante los meses sean iguales o, por lo menos, lo más parecidas posibles. Para conseguir esta igualdad, se deben orientar e inclinar correctamente las placas solares térmicas, ya que con una buena orientación e inclinación se podrá aprovechar mejor la energía solar y conseguir mayor aporte energético solar para el ACS. La orientación de los captadores solares térmicos es hacia el Sur Geográfico, ya que la instalación está en Trasmoz, una localidad situada en el hemisferio norte del planeta. Se considera la dirección Sur como orientación óptima y la mejor inclinación, según la ITE 10.1.3.1 “Disposición de los colectores”, dependiendo del período de utilización, uno de los valores siguientes: – Consumo constante anual: la latitud geográfica – Consumo preferente en invierno: la latitud geográfica + 10° – Consumo preferente en verano: la latitud geográfica - 10° En cuanto a la inclinación, los captadores se dispondrán de manera que su uso normal sea en verano, ya que el período de apertura del albergue es desde la primavera hasta el otoño y durante los meses de invierno permanece cerrado. Por lo que su inclinación es igual al valor de la latitud del albergue menos 10 grados: Inclinación = 41,8254º - 10º = 31,8254º ≈ 30º La inclinación óptima está cerca de este valor y para averiguarla, se consideran variaciones de ± 10º porque no afectan prácticamente al rendimiento y a la energía térmica útil aportada por el equipo solar. Por ello, para determinar el ángulo óptimo de inclinación se van a hacer cálculos tomando 30º, 35º y 40º. Para el cálculo de la energía aprovechable E, que incide en un metro cuadrado de la superficie inclinada de los colectores en un día medio de cada mes, se parte de los datos obtenidos de las tablas de irradiación horizontal media H para cada mes del libro “Instalaciones de energía solar (Tomo II)”. Se usan los datos de la ciudad de Huesca, ya que es la que más se asemeja a Trasmoz, como se ha mencionado anteriormente. Antes de calcular la energía aprovechable, se procede a la corrección de la irradiación horizontal media H, debido a los factores anteriormente mencionados. MEMORIA 79 Energía neta disponible (MJ) al día por m 2 Energía neta disponible (MJ) al mes por m 2 Mes 30º 35º 40º 30º 35º 40º Marzo 7,99 7,99 7,99 247,75 247,75 247,75 Abril 10,45 10,31 10,05 313,47 309,42 301,59 Mayo 11,04 10,76 10,33 342,33 333,41 320,29 Junio 12,50 12,03 11,57 375,03 360,99 346,95 Julio 13,91 13,56 13,10 431,06 420,45 406,22 Agosto 13,52 13,37 13,22 419,06 414,32 409,85 Septiembre 11,67 11,67 11,78 350,19 350,19 353,43 Octubre 7,39 7,62 7,79 229,06 236,31 241,34 Período 2708 2673 2627 Tabla 16.- Energía neta disponible al día y al mes por metro cuadrado. Posteriormente, se calcula la superficie colectora necesaria dividiendo la suma de todas las necesidades energéticas mensuales del período de apertura del albergue (Tabla 10) entre la suma de la energía neta disponible cada mes por metro cuadrado en dicho período también. Energía neta (MJ) disponible al mes por m 2 Superficie colectora necesaria (m 2 ) Tiempo Necesidad energéti ca mensual (MJ) 30º 35º 40º 30º 35º 40º Período 6665,1 2708 2673 2627 2,5 2,5 2,5 Tabla 17.- Superficie colectora necesaria para cubrir las necesidades energéticas. Las superficies colectoras obtenidas son teóricas. Para hallar el número de colectores se divide esta superficie teórica entre la superficie útil del colector seleccionado (modelo AS-20VC). nº de colectores a 30º = A teórica / A útil colector = 2,5m 2 / 2m 2 = 1,25 nº de colectores a 35º = A teórica / A útil colector = 2,5m 2 / 2m 2 = 1,25 MEMORIA 80 nº de colectores a 40º = A teórica / A útil colector = 2,5m 2 / 2m 2 = 1,25 Redondeando el número de colectores al alza, se colocarían dos colectores solares, pero antes se mirará el mes que tiene más necesidad energética, que corresponde al mes de abril con 1748,1 MJ. Para poder aportar la energía necesaria para el consumo de A.C.S. en el mes de abril se necesitarán, como se comprueba en los siguientes cálculos, tres colectores solares. Superficie necesaria = Necesidad energética / Energía neta disponible Superficie necesaria en abril (30º) = 1748,1MJ / 313,47MJ/m 2 = 5,6 ≈ 6 m 2 Superficie necesaria en abril (35º) = 1748,1MJ / 309,42MJ/m 2 = 5,7 ≈ 6 m 2 Superficie necesaria en abril (40º) = 1748,1MJ / 301,59MJ/m 2 = 5,8 ≈ 6 m 2 nº de colectores necesarios = 6m 2 / (2m 2 /colector) = 3 colectores En el caso de que se colocaran tres colectores solares, se cubrirían todas las demandas energéticas con energía solar durante el período de apertura del albergue. Pero se deben observar todos los resultados antes de decidirse por esta opción. La superficie efectiva de los colectores solares será de seis metros cuadrados. Esta superficie no será la superficie total que ocuparán los colectores encima del tejado, la superficie total será igual al producto del número de colectores por el número de metros cuadrados totales de cada colector. A real = nº colectores · A total colector = 3 · 2,18 m 2 = 6,54 m 2 Para saber la energía solar total que aportan el número de metros cuadrados efectivos de superficie colectora, se debe multiplicar dicho valor por la energía neta disponible para el consumo que suministra cada metro cuadrado (Tabla 16). Luego, se pasa a calcular la fracción de consumo energético que es satisfecha por la energía solar, que se calcula dividiendo porcentualmente la energía solar total entre la necesidad energética mensual (Tabla 10). Y por último, el déficit energético, que representa la energía auxiliar que hay que aportar en los meses en que la energía solar no es suficiente para aportar el 100% de las necesidades energéticas y es igual a la diferencia entre la necesidad energética mensual y la energía solar total. MEMORIA 81 Energía solar total (MJ) % sustitución Déficit energético Mes 30º 35º 40º 30º 35º 40º 30º 35º 40º Marzo 1486,5 1486,5 1486,5 100 100 100 0 0 0 Abril 1880,82 1856,52 1809,54 100 100 100 0 0 0 Mayo 2053,98 2000,46 1921,74 100 100 100 0 0 0 Junio 2250,18 2165,94 2081,7 100 100 100 0 0 0 Julio 2586,36 2522,7 2437,32 100 100 100 0 0 0 Agosto 2514,36 2485,92 2459,1 100 100 100 0 0 0 Septiembre 2101,14 2101,14 2120,58 100 100 100 0 0 0 Octubre 1374,36 1417,86 1448,04 100 100 100 0 0 0 Período 0 0 0 Tabla 18.- Aporte solar total de los colectores, fracción de consumo energético satisfecha por la energía solar y déficit energético con tres colectores solares. Como se puede observar, se cubren todas las necesidades durante los meses que nos interesan. Sabiendo que el nivel de ocupación, más o menos, es parecido durante todos los años, se calcula la energía solar sobrante en cada mes para comprobar que no se sobredimensiona el sistema. % energía aportada Mes 30º 35º 40º Marzo 257 257 257 Abril 108 106 104 Mayo 215 210 202 Junio 402 387 372 Julio 424 414 400 Agosto 404 400 395 Septiembre 435 435 439 Octubre 124 128 130 Tabla 19.- Energía aportada cada mes en %. MEMORIA 82 En la tabla anterior se puede observar como en los meses de verano (junio, julio, agosto y septiembre) el sistema de colectores aporta alrededor de cuatro veces la energía necesaria para el consumo de A.C.S., por lo que se necesitaría una ocupación cuatro veces mayor para consumirla y como la ocupación de la tabla 3 es la que suele haber todos los años, con pequeñas variaciones, no resulta rentable colocar tres colectores solares. Además, se pueden producir altas temperaturas que acortan la vida de los elementos de la instalación. Por lo tanto, se vuelve a calcular la energía solar total, la fracción de consumo energético satisfecha por la energía solar y el déficit energético, pero esta vez para dos colectores solares. Energía solar total (MJ) % sustitución Déficit energético Mes 30º 35º 40º 30º 35º 40º 30º 35º 40º Marzo 991 991 991 100 100 100 0 0 0 Abril 1253,88 1237,68 1206,36 72 71 69 494 511 542 Mayo 1369,32 1333,64 1281,16 100 100 100 0 0 0 Junio 1500,12 1443,96 1387,8 100 100 100 0 0 0 Julio 1724,24 1681,8 1624,88 100 100 100 0 0 0 Agosto 1676,24 1657,28 1639,4 100 100 100 0 0 0 Septiembre 1400,76 1400,76 1413,72 100 100 100 0 0 0 Octubre 916,24 945,24 965,36 82 85 87 195 167 147 Período 690 677 688 Tabla 20.- Aporte solar total de los colectores, fracción de consumo energético satisfecha por la energía solar y déficit energético con dos colectores solares. La suma del déficit energético de todos los meses del período de apertura será la energía auxiliar necesaria durante este tiempo. Para saber que % de la energía total para el ACS representa, dividimos este valor por la necesidad energética del período (Tabla 10). % energía auxiliar = 100 · (677 / 6665,1) = 10,2 % Por lo tanto, el ahorro global de energía gracias a la aportación de energía solar será: % de ahorro = 100 – 10,2 = 89,8 % MEMORIA 83 Finalmente, se van a utilizar dos colectores, cuya superficie total efectiva es de 4 m 2 y la superficie total real es de 4,36 m 2 . - Conclusiones: Las superficies necesarias para los distintos ángulos salen prácticamente iguales, además, los rendimientos son muy parecidos, no se producen cambios muy significativos, por lo que se elegirá la inclinación que mejor convenga. En este caso, como el tejado del albergue tiene una inclinación de 35º, esa es la inclinación que se toma para los captadores solares térmicos, ya que se podrán colocar éstos sobre el tejado. Además, con esta inclinación, la energía auxiliar que se necesita es menor, por consiguiente, ahorramos costes. Uno de los factores más importantes es la temperatura media de acumulación. Cuanto más baja es esta temperatura, más rentable es la instalación. Por esto, he seleccionado un acumulador que pueda trabajar a una temperatura de 45ºC. El porcentaje de aporte solar a la instalación es alto, ya que se consiguen porcentajes mayores al 80% y suelen estar entre el 70 y el 80 %. 8.5.8. Cálculo de pérdidas por orientación e inclinación Este cálculo consiste en determinar los límites en la orientación e inclinación de los módulos de acuerdo a las pérdidas máximas admisibles. Las pérdidas se calculan en función del ángulo de inclinación β y del ángulo de acimut α. Sabiendo el ángulo de acimut del captador, que es 0º, los límites de inclinación aceptables de acuerdo a las pérdidas máximas respecto a la inclinación óptima establecidas por la figura 32, válida para una inclinación de 41º, son: • Las pérdidas máximas son del 40% en la integración arquitectónica (este caso). Los puntos de intersección del límite de pérdidas con la recta de acimut proporcionan los valores de inclinación máxima y mínima (90º y 5º). MEMORIA 84 Figura 33.- Porcentaje de energía respecto al máximo como consecuencia de las pérdidas por orientación e inclinación. Los límites de inclinación aceptables se corrigen en función de la diferencia entre la latitud del lugar que se calcula y la de 41º, mediante la siguiente fórmula: Inclinación máxima = inclinación (φ = 41º) – (41º - latitud) Inclinación máxima = 90º - (41º - 41,8254º) = 90,8254º Inclinación mínima = 5º (mínimo) - (41º – 41,8254º) = 5,8254º La inclinación que se ha impuesto, 35º, está dentro del intervalo de los ángulos por lo que las pérdidas serán menor que el 40%. Se pueden calcular aplicando la fórmula que ofrece el CTE: Pérdidas (%) = 100· [1,2·10-4· (β – β opt ) 2 + 3,5·10 -5 ·α 2 ] para 15º<β<90º Pérdidas (%) = 100· [1,2·10 -4 · (35 – 31,8254) 2 + 3,5·10 -5 · 0 2 ] = 0,12% Como se puede observar las pérdidas son mínimas. MEMORIA 85 8.5.9. Conexionado de los colectores y ubicación Una vez fijado el tipo de colector a emplear, se deberán elegirse todos del mismo modelo, atendiendo a sus cualidades y relación calidad/precio, siendo preciso diseñar su acoplamiento según la disposición óptima adoptada. La mayoría de las instalaciones están compuestas por un número de colectores comprendido entre tres y treinta, conectados entre sí de diversas formas. El acoplamiento en serie de dos colectores, o de dos filas de colectores, conduce a un aumento de la temperatura del agua producida, pero disminuye el rendimiento de la instalación, por lo que pocas veces se adopta esta solución. Lo normal es disponer los colectores acoplados entre sí en paralelo, formando filas que a su vez se interconectan entre sí también en paralelo. Los colectores se disponen en filas con igual número de unidades, debiendo ser éstas paralelas, horizontales y bien alineadas. No es recomendable conexionar en serie más de cuatro colectores o más de cuatro filas de colectores. Los colectores que dispongan de cuatro manguitos de conexión se conectarán directamente entre sí, efectuándose la entrada del fluido caloportador por extremo inferior del primer colector de la fila y la salida por el extremo superior del último. Los colectores que dispongan de dos manguitos de conexión diagonalmente opuestos se conectarán a sendas tuberías exteriores a los colectores, una inferior y otra superior. Estas tuberías se dispondrán horizontalmente con una ligera pendiente ascendente del 1%. En la canalización de entrada y en la de salida del campo de colectores se instalarán sendas válvulas de cierre, para que éstos puedan aislarse durante las operaciones de mantenimiento. Para la distribución uniforme del caudal es preciso que todas las filas cuenten con el mismo número de colectores y disponer las conexiones en forma que se realice el retorno invertido, para que el circuito resulte hidráulicamente equilibrado. MEMORIA 86 Figura 34.- Esquema de la disposición conocida como retorno invertido. Asimismo, el trazado de las tuberías generales de circulación del fluido será realizado siguiendo este diseño para asegurar la distribución uniforme del caudal en cada línea de colectores. El trazado se hará de modo que la tubería general de retorno, por la que circula el fluido calentado por los colectores, tenga el recorrido más corto posible. Factores a tener en cuenta para el diseño de la batería de colectores: • La instalación de los colectores debe asegurar que el recorrido hidráulico sea el mismo para todos. • El caudal de los colectores no debe bajar de 0,6 l/m 2 ·min. • La longitud de las conducciones debe ser lo más reducida posible. • Las pérdidas de calor en tuberías y accesorios deben reducirse al mínimo. • El diseño de la batería debe evitar la formación de bolsas de vapor o de aire atrapado. • El diseño debe permitir montar y desmontar los colectores. Los grupos de colectores pueden conectarse en serie, en paralelo y en conexionado mixto. El conexionado en paralelo proporciona funcionamientos térmicos similares en todos ellos, un mayor rendimiento, pero incrementa la longitud, el diámetro de las tuberías y el número de accesorios, incrementando el coste de la instalación y las pérdidas térmicas. Si disponen de salidas laterales y conductos internos horizontales de sección suficiente, pueden conectarse de la forma indicada en la figura 34, lo cual reduce la longitud y complejidad de la batería. MEMORIA 87 Figura 35.- Conexión de colectores en paralelo. La conexión en serie permite menores caudales, secciones de tuberías más pequeñas y recorridos más cortos. Lo cual reduce costes de instalación. El mayor inconveniente de la conexión en serie es que al ir pasando el fluido de un colector a otro, la temperatura de entrada en cada uno va aumentando y por tanto, disminuyendo la eficacia del sistema. Sin embargo, si no se sobrepasa un número de tres o cuatro colectores en serie, las ventajas superan a los inconvenientes. Figura 36.- Conexionado de colectores en serie. MEMORIA 88 Figura 37.- Otro conexionado en serie. Las interconexiones entre colectores es un punto crítico de la instalación, pueden crear problemas de dilataciones y alineamiento. Las conexiones metálicas flexibles no presentan estos problemas, pero su coste es elevado. Las mangueras flexibles solucionan los problemas. Figura 38.- Conexionado de los colectores entre sí. Por lo tanto el conexionado se realizará en paralelo y la ubicación será en el tejado del albergue. 8.5.10. Soportes El montaje de los colectores es una de las operaciones más importantes en una instalación de energía solar. Hay que hacerlo mediante un sistema de anclaje y soporte adecuado. Además, debe ser rápido de montar, tener un costo lo más bajo posible y seguridad en el anclaje y sujeción. MEMORIA 95 - Aceites de silicona. Los fluidos más utilizados son el agua y la mezcla de anticongelante y agua, debido a que son de mayor accesibilidad y más económicos. En este caso, se utilizará agua con adición de anticongelante, ya que en los meses de marzo y octubre podría darse el caso de que las temperaturas mínimas fueran iguales o inferiores a los 0ºC y además, así lo indica en las especificaciones generales de la tabla de propiedades que da el fabricante de los colectores solares seleccionados. Por lo que se cumple la ITE 10.1.4. “Fluido portador” del reglamento de instalaciones térmicas de edificios, que dice que para circuitos cerrados el fluido portador se seleccionará de acuerdo con las especificaciones del fabricante. Hay que tener en cuenta que los anticongelantes son en general tóxicos, por lo que hay que evitar que se produzca la mezcla entre estos y el agua de consumo. La forma más sencilla para conseguir este objetivo es que la presión del circuito secundario sea mayor que la presión del circuito primario, de manera que si hubiera una rotura en el punto de intercambio, el agua de consumo pasara del circuito secundario al circuito primario, evitando que pase la mezcla de agua y anticongelante del circuito primario al circuito de consumo. En caso de que se produjese esta avería, la válvula de seguridad del circuito primario, que está tarada a una presión inferior a la del agua de red, se pondrá en funcionamiento, parando la circulación del fluido captador hasta la reparación de dicha avería. Otras características importantes de los anticongelantes son: - La viscosidad, que aumenta al añadir anticongelante, se debe de tener en cuenta en los cálculos de pérdidas de carga de la instalación y en las condiciones de funcionamiento de la bomba. - Su dilatación es mayor que la del agua y se tendrá en cuenta al calcular el vaso de expansión. - El calor específico de la mezcla agua y anticongelante es inferior a la del agua, por lo que se tendrá en cuenta en el cálculo del caudal, afectando directamente al dimensionado de la tubería y de la bomba. Al utilizar la mezcla agua con anticongelante se evitará la congelación del propio fluido que se podría dar en algún caso en los meses de marzo y octubre. Además, otro método que se usará para proteger la instalación será el paro total y vaciado de esta durante los meses en los que no se utiliza el albergue (noviembre, diciembre, enero y febrero). Pero, habrá mayor riesgo de corrosión al estar los circuitos vacíos. Éste último método es muy usado en instalaciones cuyo uso es en verano, como en este albergue. MEMORIA 96 En cuanto a los riesgos de ebullición o de sobrepresión del circuito, se tendrán en cuenta principalmente en los captadores y en el acumulador. El riesgo de ebullición en el almacenamiento no supone peligro, con los colectores planos cuando el volumen del acumulador es superior a 50 litros por cada m 2 de superficie colectora. Como el circuito es cerrado, en caso de que se produjera un aumento de temperatura en los colectores, la presión subiría y la válvula de seguridad se abriría al llegar a un valor fijado por debajo de la presión que puede soportar el punto más débil del circuito, que suele ser la membrana del vaso de expansión cerrado. La concentración del fluido anticongelante en la mezcla se calculará a partir del siguiente gráfico: Figura 44.- Puntos de congelación de las disoluciones de etilenglicol y propilenglicol, en función de la concentración (Censolar, 1991). MEMORIA 97 El fluido caloportador debe soportar una temperatura cinco grados menor de la temperatura mínima histórica, que en el caso de Trasmoz es de -14ºC. Por lo tanto, el fluido debería soportar -19ºC, pero como en este caso, el albergue se usa desde marzo a octubre, voy a considerar que la mezcla anticongelante soporte aproximadamente la temperatura mínima histórica del lugar. Como el anticongelante que se va a usar es etilenglicol, la concentración en % de volumen que se debe usar de este es un 30%. Para saber con exactitud la concentración de anticongelante se puede usar un densímetro. 8.8. Cálculo del circuito hidráulico El caudal que tendrá que circular por los colectores solares suele ser proporcionado por el fabricante. Para el tipo de captador utilizado “AS-20VC” el caudal recomendado es entre 50 y 60 l/h·m 2 , este dato ha sido facilitado por el fabricante de los colectores solares “Avant Solar S.A.”. A la hora de seleccionar el caudal, habrá que tener en cuenta las pérdidas de carga. Los valores de pérdida de carga para unos valores concretos de funcionamiento han sido suministrados por el fabricante a través de la siguiente tabla, que pertenece al informe del ensayo Cener que se realizó en el laboratorio de captadores solares: Tabla 21.- Caída de presión en el colector solar AS-20VC para ciertos valores de funcionamiento. Se toma un valor bajo de caudal para tener menos pérdidas de carga en el colector solar. Por lo que se selecciona un caudal de 60 l/h·m 2 , que corresponde al valor del caudal de la tabla anterior de 4 kg/min. (60 l/h·m 2 ) · (4 m 2 ) · (1 h/60min) · (1,06 kg/1l) ≈ 4 kg/min MEMORIA 98 Figura 45.- Densidad de una disolución de etilenglicol, en función de la temperatura. Además, se cumplirá que el valor del caudal del fluido portador está comprendido entre 1,2 l/s y 1,6 l/s por cada 100 m 2 de área de colectores, enunciado en la ITE 10.1.3.2 “Área de los colectores y volumen de acumulación” del RITE. Caudal = (60 l/h·m 2 ) · (4 m 2 ) · (1 h/3600s) = 0,0667 l/s 100 m 2 -> 1,2 l/s < caudal < 1,6 l/s 4 m 2 -> 0,0523 l/s < caudal < 0,0698 l/s El caudal total que circulará por el circuito primario será el producto del número de m 2 de superficie de los colectores solares por el caudal que circula por cada colector. Caudal total = (60 l/h·m 2 ) · 4 m 2 = 240 l/h Después de obtener este valor, habrá que dimensionar la bomba teniéndolo en cuenta. MEMORIA 99 8.9. Cálculo de la tubería Las tuberías son una parte muy importante del circuito. A través de ellas discurre el fluido caloportador en el circuito primario y el agua de consumo en el circuito secundario. Por lo tanto, el material que se escoja para la tubería tendrá que resistir a los fluidos. Los materiales más usados son el cobre, el hierro galvanizado, el hierro negro y plásticos (Censolar, 1991). El cobre es muy utilizado en todo tipo de instalaciones y es muy buen material para instalaciones de energía solar. La tubería y los accesorios de cobre son fáciles de soldar, la mano de obra necesaria es menos que para otros materiales y tiene excelentes características (maleabilidad, ductilidad y resistencia a la corrosión). Además, cuando está en contacto con el agua, se recubre de una capa de óxido, que lo protege; si se producen heladas puede resistir sin reventar. El acero galvanizado es muy usado en sistemas de A.C.S., pero no debe usarse en el circuito primario, debido a que existe mucho deterioro del zinc como consecuencia de las temperaturas superiores a los 65ºC. El acero negro se utiliza en instalaciones que requieren grandes caudales y sólo en el circuito primario, ya que al entrar en contacto con el agua sufre oxidaciones y ésto afecta a la potabilidad del agua. Es difícil de trabajar y los costes de la mano de obra y del aislamiento para recubrirlo son mayores que para el cobre; además, hay que pintarlos exteriormente para evitar la corrosión. El plástico tiene cualidades similares a las del cobre, las tuberías de plástico son muy fáciles de trabajar y tan económicas como las de cobre para diámetros pequeños. El inconveniente de la tubería de plástico es que existe gran variedad de materiales que en ocasiones no se conocen sus límites de aplicación. El material que se selecciona para las tuberías es el cobre, tanto para el circuito primario como para el secundario, porque presenta muchas ventajas con respecto al resto de materiales. Además, a igualdad de diámetro la pérdida de carga es más baja que la de los otros materiales, por lo que se puede transportar la misma cantidad de fluido con diámetros menores. La tubería de cobre se nombra comercialmente según su diámetro exterior (Censolar, 1991). La manera de determinar el diámetro que se ha de usar para la tubería es observar que diámetro tiene la rosca del colector solar y será ese mismo diámetro. En este caso, como el panel AS-20VC posee una rosca de 22 mm de diámetro, la tubería de cobre tendrá ese diámetro. Y el diámetro interior lo escojo de 20 mm de la siguiente tabla de la norma UNE-EN 1057. MEMORIA 100 Tabla 22.- Dimensiones de la tubería de cobre (en milímetros). La velocidad del fluido para el cálculo en cada tramo para tuberías metálicas, como en este caso, que es de cobre, debe estar comprendida entre 0,5 y 2 m/s. Posteriormente, se calcularán las pérdidas de carga, por lo que se necesitará seleccionar una velocidad. MEMORIA 101 Figura 46.- Pérdida por rozamiento (mm c.a. por m) para tubería de cobre. Teniendo un caudal de 240 l/h, equivalente a 0,24 m 3 /h y un diámetro interior de 20 mm, se obtiene una pérdida por rozamiento en las tuberías de cobre de 4,2 mm c.a./m y la velocidad del fluido de 0,15 m/s, por lo que no supera el valor máximo recomendado de 1,5 m/s para el circuito primario. 8.10. Dimensionado de la bomba La bomba tiene la misión de impulsar el fluido caloportador. La velocidad a la que impulsa el fluido es un dato importante, ya que si la velocidad de circulación es lenta, el calor del colector no se evacuará al ritmo necesario, produciendo un aumento de temperatura en este, provocando más pérdidas y disminuyendo el rendimiento. El caudal mínimo que debe circular para que las pérdidas de rendimiento no aumenten es de aproximadamente 50 l/h·m 2 , por lo que el caudal seleccionado de 60 l/h·m 2 es correcto. MEMORIA 102 Para elegir la bomba de circulación habrá que calcular previamente y de manera aproximada las pérdidas de carga singulares. Estas pérdidas serán la suma de las pérdidas que se producen en los colectores, en las tuberías, en el intercambiador que está en el acumulador y en las piezas individuales, que se obtienen directamente de los datos suministrados por los fabricantes. 8.10.1. Pérdidas de carga: La pérdida de carga es la caída de presión ∆p cuando un líquido circula por el interior de un tubo recto, aunque esté en posición horizontal. Esta pérdida depende de la longitud L de tubo considerada, del diámetro D del tubo, de la velocidad v y el peso específico p e del fluido y de un coeficiente de rozamiento λ. ∆p = λ · [(p e ·L/D) · (v 2 /2g)] Si se usa “altura de columna de agua”, ∆H, en vez de utilizar unidades de presión, la expresión anterior se transformará en: ∆H = ∆p/p e,a = λ · [d R ·(L/D) · (v 2 /2g)] Donde p e,a es el peso específico del agua y d R es la densidad relativa del líquido con respecto al agua. En toda tubería, si la corriente es lenta, su régimen es ordenado en cuanto a las trayectorias de las partículas del fluido. Sin embargo, si la velocidad de la corriente es rápida, su régimen es desordenado. El régimen de circulación ordenado también se llama laminar y el desordenado, turbulento. El paso de un régimen a otro se denomina estado crítico y se produce de manera más o menos brusca. El estado de la corriente puede describirse mediante el número de Reynols, R e , una magnitud sin dimensiones. R e = dv·D/µ Siendo d la densidad del líquido y µ el coeficiente de viscosidad. La transición de régimen de corriente laminar a turbulento se alcanza para R e = 2400. En tubos de sección circular, y rectos, por debajo de este valor el régimen es siempre laminar. Cuando R e > 3000, la corriente siempre es turbulenta (Censolar, 1991). En un régimen laminar el coeficiente de rozamiento λ es: λ = 64/ R e MEMORIA 103 En caso de tuberías lisas y cuando el régimen es turbulento (casos en energía solar), el coeficiente de rozamiento λ es: λ = 0,32/ R e0,25 Cuando la corriente pierde su uniformidad y se ve alterada a causa de obstáculos en la conducción, como válvulas, estrechamientos, codos, cambios de dirección, derivaciones de flujo, etc., se ocasionan pérdidas de carga singulares como consecuencia de la disipación de energía que en estos obstáculos se produce. Estas pérdidas también habrá que tenerlas en cuenta a la hora de dimensionar las tuberías y la bomba de circulación, por lo que se sumarán para hallar la pérdida de carga total. Las pérdidas de carga singulares en altura de columna de agua son: ∆H’ = K · (d R ·v’ 2 /2g) Donde K es un coeficiente que depende del tipo de obstáculo, v’ la velocidad del líquido al pasar por el obstáculo. Para calcular todas las pérdidas de carga de las singularidades se puede prescindir de los cálculos anteriores reduciendo las singularidades a longitud equivalente de tubería. La pérdida de carga unitaria, H, es: H = ∆H/L = λ · [d R · (1/D) · (v 2 /2g)] Si en la tubería existe una singularidad y la pérdida de carga en la misma es ∆H’ = K (d R v’ 2 /2g), podemos suponer que dicha pérdida sea igual a la que produciría un tramo recto de tubería cuya longitud L E es: ∆H’ = ∆H = H · L E L E = ∆H’/H = [K · (v’ 2 /2g)] / [λ · (1/D) · (v 2 /2g)] = (k · D/λ) (v’/v) 2 A este valor de L E se le denomina longitud equivalente de la singularidad considerada. En el caso de que v = v’, se tendrá: L E = K·D/λ MEMORIA 104 Existen tablas que expresan el valor de K, e incluso, tablas con el valor de L E . Una fórmula aproximada (para cálculos en pequeñas instalaciones) válida para líquidos similares al agua y en las condiciones medias de una instalación solar es L E = 45·K·D. En este caso, D es el diámetro medio interior. La longitud virtual de una conducción es la suma de su longitud real más la longitud equivalente de sus singularidades. - Caída de presión en los colectores: La caída de presión en un colector será de 1,8 mbar, que equivale a 18,355 mm c.a. 1 mbar = 10,197 mm c.a. Las pérdidas de carga de los colectores puestos en serie han de sumarse para obtener la pérdida de carga total. En este caso, como los colectores se han conectado en paralelo se usará la siguiente fórmula para hallar las pérdidas. ∆p T = ∆p · N · (N+1)/4 • ∆p T es la pérdida de carga del grupo de N colectores conectados en paralelo con caudal total NC, teniendo cada uno de ellos una pérdida de carga de ∆p y un caudal C. ∆p T = 18,355 · 2 · (2+1)/4 = 27,532 mm c.a. Ésta es la pérdida de carga cuando se usa como fluido agua, pero en esta ocasión se usa agua con anticongelante al 30%, por lo tanto habrá que multiplicar estas pérdidas por un factor corrector igual a la raíz cuarta del cociente entre la viscosidad de la disolución y la del agua a la temperatura considerada, en este caso 45ºC. MEMORIA 111 - Volumen del intercambiador: Según las especificaciones técnicas proporcionadas por el fabricante el volumen del intercambiador es de 13 l. - Volumen de las tuberías: Con una tubería de 20 mm de diámetro interior y una longitud de 45 m, se puede calcular el volumen que tienen las tuberías mediante las siguientes expresiones: S = π · r 2 V = S · h S = 3,14 · 0,0001 = 0,000314 m 2 V = 0,000314 · 45 = 0,01413 m 3 = 14,13 l Por lo tanto, el volumen total será: V T = 3,46 + 13 + 14,13 = 30,59 l Sabiendo que el valor de h es igual a 8,4 m, el volumen del depósito de expansión será: V = 30,59 · (0,2 + 0,01 · 8,4) = 8,69 l ≈ 9 l 8.11.1. Elección del depósito de expansión Se elegirá el depósito de expansión que más se aproxime a este valor, según esta regla el volumen escogido sería de 12 litros, pero en el catálogo del fabricante se recomienda un volumen de 18 litros para un acumulador de 300 litros. Por lo que, el modelo seleccionado es el depósito de expansión cerrado VASOFLEX/S (para circuitos de agua caliente sanitaria hasta 70ºC) de 18 litros de marca Baxiroca. MEMORIA 112 Figura 50.- Depósitos de expansión. Sus características principales son: • Depósito cerrado de acero de alta calidad, pintado exteriormente y provisto de membrana elástica especial. • Recubrimiento interior sintético anticorrosión. • Cámara de gas conteniendo nitrógeno a presión. • En una instalación en circuito cerrado, evita la entrada de aire en el interior de las tuberías y en consecuencia la corrosión de las mismas. • Sustituye el depósito de expansión abierto, evitando la colocación de los conductos de seguridad hasta el punto más alto de la instalación. • Membrana especial para el contacto con el agua potable evitando que afecte al sabor de la misma. • Facilidad de montaje. • No precisa ningún servicio de mantenimiento. - Características técnicas: • Altura: 333 mm. • Diámetro: 328 mm. • Ø orificio conexión: 3/4’’. • Peso: 6,4 Kg. • Presión máxima de trabajo: 10 bar. • Presión de llenado: 4 bar. MEMORIA 113 Hay que evitar radiaciones cerca del depósito de expansión para proteger la membrana de posibles excesos de temperatura. No deben colocarse en el conducto de enlace con el depósito, llaves de paso o accesorios que puedan interrumpirlo. Debe preverse el enlace del depósito de forma que no puedan crearse en éste bolsas de aire. Figura 51.- Conexiones del depósito de expansión. 8.12. Elección del purgador de aire El purgador de aire seleccionado es el modelo FLEXVENT de la marca Baxiroca. Este tipo de purgador es automático y garantiza la expulsión del aire en determinados puntos de la instalación (punto alto, cambio de nivel de la tubería, sifón, etc.), mediante un mecanismo compuesto de flotador y válvula actuando automáticamente al descender el nivel del agua cuando ésta arrastra aire, expulsándolo a través de la apertura de la válvula. Figura 52.- Purgador de aire FLEXVENT. Sus características principales son: • Accionamiento de purga por flotador. • Fabricado en latón. • Presión máxima de trabajo: 10 bar. • Temperatura máxima de trabajo: 110ºC. MEMORIA 114 • Instalación vertical. • Incorpora válvula de cierre. • Puede ser desmontado para mantenimiento del purgador sin vaciar la instalación. • Rosca: 3/8’’. • Conexión vertical. Mecanismo: En la siguiente figura, en la imagen de la izquierda no existe aire en la instalación, el flotador está elevado por el empuje del agua, cerrando el orificio de purga. En la imagen de la derecha existe aire en la instalación, baja el nivel del agua descendiendo el flotador. El aire es evacuado por el orificio superior. Figura 53.- Mecanismo del purgador de aire. 8.13. Aislamiento Otra parte importante en una instalación de energía solar es el aislamiento de los elementos que puedan tener pérdidas caloríficas. Estos elementos son la parte posterior del colector, las tuberías y el depósito de almacenamiento de agua caliente. La elección del aislamiento depende de unos factores: • Bajo coeficiente de conductividad. • Precio bajo. • Colocación relativamente sencilla. • Gama de temperatura adecuada. • Ser ignífugo. • No ser corrosivo para las superficies con las que estará en contacto. • Ser estable y no enmohecerse. MEMORIA 115 • Resistencia mecánica buena. • Peso específico reducido. Se realizará el aislamiento de las tuberías y de otros elementos del circuito primario con espuma elastomérica, un aislante celular. Las características generales de este tipo de material son (Censolar, 1991): • Presentación: coquillas, planchas, cintas. • Temperatura límite: 105ºC. • Corrosión: no. • Ignífugo: auto extinguibles. • Resistencia mecánica: media. • Resistencia al agua: muy buena. • Peso específico: 60 kg/m 3 . • Coeficiente de conductividad a 20ºC: 0,035 W/m·K. El espesor del aislamiento en tuberías que discurren por locales no calefactados será como mínimo el que se indica en la siguiente tabla, sacada del ITE 04.1 “Generalidades” en el ITE 04 “Equipos y Materiales”, en función del diámetro de la tubería y de la temperatura del fluido caloportador. Tabla 24.- Espesor mínimo del aislamiento térmico (mm) (1) Diámetro exterior de la tubería sin aislar. (2) Temperatura máxima en la red. Como el diámetro exterior de la tubería es de 22 mm y la temperatura más alta es de 45ºC, el espesor del aislamiento será de 20 mm para cuando la tubería está en el interior de la vivienda y cuando la tubería está en el exterior será de 30 mm, 10 mm más que en el interior (IT.IC.19 “Aislamiento térmico de instalaciones”). El aislamiento escogido es el modelo ARMAFLEX IT, producto de Isover. Es un aislamiento térmico de espuma elastomérica a base de caucho sintético flexible, de MEMORIA 116 estructura celular cerrada y con un elevado factor de resistencia a la difusión de vapor de agua, µ = 7000. Dimensiones: Coquillas de 2 m de largo para diámetros desde 6 a 168 mm con espesores de 6, 9, 13, 19, 20, 30 y 40 mm. Planchas: en rollos de ancho 1 metro, en espesores de 9, 13, 19, 25 y 32 mm con longitud variable según espesor. El campo de aplicación es de -40ºC a +105ºC (+85ºC para la plancha). La conductividad térmica a una temperatura media de 0ºC es ≤0,038 W/m·k. Además, es un material no inflamable. Los acumuladores solares ya están aislados con espuma de poliuretano de 50 a 100 mm, según el modelo. Las planchas escogidas son de 3x1 m y las coquillas de 32 m/cartón. 8.14. Cálculo del sistema auxiliar En los días en los que los colectores solares no aportan la energía necesaria para el consumo de ACS, bien, debido a los días sin radiación solar o cuando los consumos son más altos a los previstos, se necesitará algún tipo de apoyo energético para cubrir esas demandas de ACS. El sistema auxiliar va a ser un calentador instantáneo termostático, que producirá agua caliente sanitaria para el apoyo al sistema de captación solar. El calentador va a consumir gas porque un calentador eléctrico supone un alto consumo. Además, el suministro de gas se usará también para la cocina. Para saber las dimensiones del calentador instantáneo, primero hay que calcular la demanda de agua caliente, para ello se usa la siguiente tabla, cuyos datos se han sacado del apartado 2 “Caracterización y cuantificación de las exigencias” de la sección HS 4 “Suministro de agua” del documento básico de salubridad del Código Técnico de la Edificación: MEMORIA 117 Aparato Puntos de consumo Caudal mínimo de ACS (l/s) Caudal mínimo de ACS (l/min) Período de uso (min) Caudal total (l) Lavamanos 2 0,03 1,8 5 18 Lavabo 10 0,065 3,9 8 312 Ducha 6 0,1 6 10 360 Fregadero 2 0,1 6 20 240 Lavadora 1 0,15 9 86 774 Tabla 25.- Caudal instantáneo mínimo de agua. El consumo total de agua caliente sanitaria será la suma de todos los consumos individuales: Caudal total = 18 + 312 + 360 + 240 + 774 = 1704 l/día A este volumen habrá que aplicarle un factor k i , que depende del confort que se quiere en el albergue: - Confort reducido: k i = 0,5. - Confort medio: k i = 0,75. - Confort elevado: k i = 0,9. Los litros que se deberán suministrar al día de agua caliente sanitaria en un día en el que no hay casi radiación solar, considerando que el confort será reducido, serán: Consumo total = 1704·0,5 = 852 l/día 8.14.1. Elección del sistema auxiliar El calentador instantáneo termostático escogido es el modelo ACQUATECH 11T de la marca Baxiroca cuyo gas de consumo es propano. La producción máxima de agua caliente a una temperatura de 40ºC es de 6,9 l/min., por lo que aportará 9.936 l de agua caliente al día como máximo, teniendo suficiente para el consumo diario. Volumen máximo de agua caliente al día = 6,9·60·24 = 9936 l El tiempo que tardaría en suministrar los 852 l/día sería de: MEMORIA 118 T = 852/6,9 = 123,5 min. ≈ 125 min. Las características principales del calentador ACQUATECH 11T son: • Panel de control digital multifunción, de fácil programación y rápido diagnóstico del funcionamiento. Con indicación numérica de posibles anomalías. • Máxima estabilidad de la temperatura del agua caliente y altas prestaciones de servicio. • Sensores de caudal y de temperaturas de entrada y salida del agua. • Función ahorro de energía. La pantalla se apaga a los 10 minutos de no usarse el calentador. • Dimensiones compactas y fácil de instalar. • Encastrable entre muebles de cocina. • Intercambiador de calor monotérmico de cobre reforzado y con revestimiento externo. • Encendido electrónico y seguridad de llama por sonda de ionización. • Modulación electrónica continua. • Función Flow Set: posibilidad de seleccionar un volumen previo de producción de agua caliente, con aviso acústico de predisposición. • Grifos de vaciado con filtros, en la entrada y salida del agua. • Preparado para trabajar como apoyo para sistemas solares de agua caliente sanitaria. • Válvula de gas modulante. • Seguridad frente a la inversión de humos mediante presostato. • Información permanente de la temperatura instantánea de servicio. • Acceso frontal a todos los componentes internos. • Ventilador modulante. • Se suministra en gas natural, gas propano o gas butano. MEMORIA 119 Figura 54.- Cuadro de regulación y control del calentador. 1 Señalización de funcionamiento del quemador. 2 Pulsadores de selección de temperatura. 3 Pulsador de encendido y apagado. 4 Pulsador de selección de volumen previo. 5 Display indicador de temperatura o volumen de agua. Características técnicas: • Tipo de gas: propano. • Categoría del gas: I3P. • Consumo eléctrico: 48 W. • Presión de alimentación del gas: G31 37 mbar. • Presión máxima circuito de agua: 10 bar. • Caudal mínimo para el encendido: 2,5 l/min. • Potencia térmica máxima: 18,5 kW. • Potencia térmica mínima: 4,3 kW. • Consumo de gas (GLP): 2 Kg/h. • Producción máxima de agua caliente (40ºC): 6,9 l/min. MEMORIA 120 Figura 55.- Calentador ACQUATECH. 8.15. Diseño del sistema eléctrico y de control Este sistema asume la función de regular los flujos de energía entre el campo de captadores, el acumulador y el consumo. Los componentes de un sistema de control son: • El control del proceso de carga, tiene la misión de regular la conversión de la radiación solar en calor y de transferirla al acumulador de manera eficaz. • El control del proceso de descarga, que garantiza la mejor transferencia de energía posible del acumulador hacia el consumo. El uso del control de descarga se hace innecesario en las instalaciones pequeñas provistas de acumuladores de agua sanitaria bivalentes, que disponen de una parte solar y una convencional, unidas en un solo recipiente. Requisitos: • Las temperaturas del circuito primario se deben mantener en un valor lo más bajo posible, para lograr un alto rendimiento de los captadores. • El control de la instalación solar no debe repercutir de manera negativa en la operación del sistema de calentamiento convencional. • El control debe ser capaz de tener en cuenta rasgos característicos del sistema. • Evitar el uso innecesario de controles complejos para las configuraciones sencillas. • Los costes de inversión, mantenimiento, así como el consumo de energía eléctrica auxiliar al control, de las bombas y de las válvulas reguladas, han de mantenerse dentro de unos límites razonables. MEMORIA 127 Figura 58.- Distribución en planta de las luminarias de la entrada. - Pasillo 1: • Ancho: 1,5 m • Largo: 6 m • Iluminancia media: 50 lux • Índice del local: K = (a·b)/h(a+b) = (6·1,5)/1,65(6+1,5) = 0,73 ≈ 0,8 • Características de las lámparas: Lámpara compacta de descarga de mercurio a baja presión Modelo MASTER PL-C 18W/840/4P 1CT (Philips) Potencia: 18 W Flujo luminoso (Ф lamp ): 1200 lm • Características de las luminarias: Fugato Metálico para iluminación general Modelo FCS296 1xPL-C/4P18W/830 HFP M PI ALU-WH (Philips) Rendimiento luminoso: 59% Coeficiente de utilización (C u ): 0,38 MEMORIA 128 Tabla 27.- Coeficiente de utilización en función de los coeficientes de reflexión y del índice del local. • Factor de mantenimiento (f m ): 1 • Flujo luminoso total (Ф T ): Ф T = (E m ·S)/(f m ·C u ) = (50·6·1,5)/(1·0,38) = 1184,3 lm • Número de lámparas (N lamp ): N lamp = Ф T /Ф lamp = 1184,3/1200 = 0,99 • Número de luminarias (N lum ): N lum = N lamp /η·N lamp/lum = 0,99/0,59·1 = 1,68 ≈ 2 • Distribución en planta de las luminarias (cotas en metros): Figura 59.- Distribución en planta de las luminarias del pasillo 1. MEMORIA 129 - Pasillo 2: • Ancho: 1 m • Largo: 2,5 m • Iluminancia media: 50 lux • Índice del local: K = (a·b)/h(a+b) = (1·2,5)/1,65(1+2,5) = 0,44 ≈ 0,6 • Características de las lámparas: Lámpara compacta de descarga de mercurio a baja presión Modelo MASTER PL-C 18W/840/4P 1CT (Philips) Potencia: 18 W Flujo luminoso (Ф lamp ): 1200 lm • Características de las luminarias: Fugato Metálico para iluminación general Modelo FCS296 1xPL-C/4P18W/830 HFP M PI ALU-WH (Philips) Rendimiento luminoso: 59% Coeficiente de utilización (C u ): 0,33 Tabla 28.- Coeficiente de utilización en función de los coeficientes de reflexión y del índice del local. • Factor de mantenimiento (f m ): 1 • Flujo luminoso total (Ф T ): MEMORIA 130 Ф T = (E m ·S)/(f m ·C u ) = (50·1·2,5)/(1·0,33) = 378,8 lm • Número de lámparas (N lamp ): N lamp = Ф T /Ф lamp = 378,8/1200 = 0,32 • Número de luminarias (N lum ): N lum = N lamp /η·N lamp/lum = 0,32/0,59·1 = 0,55 ≈ 1 • Distribución en planta de las luminarias (cotas en metros): Figura 60.- Distribución en planta de las luminarias del pasillo 2. - Sala del acumulador: • Ancho: 2 m • Largo: 5 m • Iluminancia media: 50 lux • Índice del local: K = (a·b)/h(a+b) = (2·5)/1,65(2+5) = 0,87 ≈ 1 • Características de las lámparas: Lámpara compacta de descarga de mercurio a baja presión Modelo MASTER PL-C 18W/840/4P 1CT (Philips) MEMORIA 131 Potencia: 18 W Flujo luminoso (Ф lamp ): 1200 lm • Características de las luminarias: Fugato Metálico para iluminación general Modelo FCS296 1xPL-C/4P18W/830 HFP M PI ALU-WH (Philips) Rendimiento luminoso: 59% Coeficiente de utilización (C u ): 0,42 Tabla 29.- Coeficiente de utilización en función de los coeficientes de reflexión y del índice del local. • Factor de mantenimiento (f m ): 1 • Flujo luminoso total (Ф T ): Ф T = (E m ·S)/(f m ·C u ) = (50·2·5)/(1·0,42) = 1190,5 lm • Número de lámparas (N lamp ): N lamp = Ф T /Ф lamp = 1190,5/1200 = 0,99 • Número de luminarias (N lum ): N lum = N lamp /η·N lamp/lum = 0,99/0,59·1 = 1,68 ≈ 2 • Distribución en planta de las luminarias (cotas en metros): MEMORIA 132 Figura 61.- Distribución en planta de las luminarias de la sala del acumulador. - Sala de estar: • Ancho: 3,5 m • Largo: 5 m • Iluminancia media: 200 lux • Índice del local: K = (a·b)/h(a+b) = (3,5·5)/1,65(3,5+5) = 1,25 • Características de las lámparas: Lámpara de descarga de vapor de mercurio a baja presión MASTER TL5 HE Secura 14W/830 UNP (Philips) Potencia: 14 W Flujo luminoso (Ф lamp ): 1200 lm • Características de las luminarias: Indolight, TBS315 TL5 TBS315 1xTL5-14W/830 HFP A W (Philips) Rendimiento luminoso: 85% Coeficiente de utilización (C u ): 0,6 MEMORIA 133 Tabla 30.- Coeficiente de utilización en función de los coeficientes de reflexión y del índice del local. • Factor de mantenimiento (f m ): 0,8 • Flujo luminoso total (Ф T ): Ф T = (E m ·S)/(f m ·C u ) = (200·3,5·5)/(0,8·0,6) = 7291,7 lm • Número de lámparas (N lamp ): N lamp = Ф T /Ф lamp = 7291,7/1200 = 6,08 • Número de luminarias (N lum ): N lum = N lamp /η·N lamp/lum = 6,08/0,85·1 = 7,16 ≈ 8 • Distribución en planta de las luminarias (cotas en metros): MEMORIA 134 Figura 62.- Distribución en planta de las luminarias de la sala de estar. - Cocina: • Ancho: 4,5 m • Largo: 5 m • Iluminancia media: 200 lux • Índice del local: K = (a·b)/h(a+b) = (4,5·5)/1,65(4,5+5) = 1,44 ≈ 1,5 • Características de las lámparas: Lámpara de descarga de vapor de mercurio a baja presión MASTER TL5 HE Secura 14W/830 UNP (Philips) Potencia: 14 W Flujo luminoso (Ф lamp ): 1200 lm • Características de las luminarias: Indolight, TBS315 TL5 TBS315 1xTL5-14W/830 HFP A W (Philips) Rendimiento luminoso: 85% Coeficiente de utilización (C u ): 0,64 MEMORIA 135 Tabla 31.- Coeficiente de utilización en función de los coeficientes de reflexión y del índice del local. • Factor de mantenimiento (f m ): 0,8 • Flujo luminoso total (Ф T ): Ф T = (E m ·S)/(f m ·C u ) = (200·4,5·5)/(0,8·0,64) = 8789,1 lm • Número de lámparas (N lamp ): N lamp = Ф T /Ф lamp = 8789,1/1200 = 7,33 • Número de luminarias (N lum ): N lum = N lamp /η·N lamp/lum = 7,33/0,85·1 = 8,63 ≈ 9 • Distribución en planta de las luminarias (cotas en metros): Figura 63.- Distribución en planta de las luminarias de la cocina. MEMORIA 136 - Comedor: • Ancho: 5 m • Largo: 6 m • Iluminancia media: 100 lux • Índice del local: K = (a·b)/h(a+b) = (5·6)/1,65(5+6) = 1,66 ≈ 2 • Características de las lámparas: Lámpara de descarga de vapor de mercurio a baja presión MASTER TL5 HE Secura 14W/830 UNP (Philips) Potencia: 14 W Flujo luminoso (Ф lamp ): 1200 lm • Características de las luminarias: Indolight, TBS315 TL5 TBS315 1xTL5-14W/830 HFP A W (Philips) Rendimiento luminoso: 85% Coeficiente de utilización (C u ): 0,71 Tabla 32.- Coeficiente de utilización en función de los coeficientes de reflexión y del índice del local. • Factor de mantenimiento (f m ): 0,8 • Flujo luminoso total (Ф T ): Ф T = (E m ·S)/(f m ·C u ) = (100·5·6)/(0,8·0,71) = 5281,7 lm MEMORIA 143 - Pasillo 3: • Ancho: 3,5 m • Largo: 8,5 m • Iluminancia media: 50 lux • Índice del local: K = (a·b)/h(a+b) = (3,5·8,5)/1,65(3,5+8,5) = 1,51 ≈ 2 • Características de las lámparas: Lámpara compacta de descarga de mercurio a baja presión Modelo MASTER PL-C 18W/840/4P 1CT (Philips) Potencia: 18 W Flujo luminoso (Ф lamp ): 1200 lm • Características de las luminarias: Fugato Metálico para iluminación general Modelo FCS296 1xPL-C/4P18W/830 HFP M PI ALU-WH (Philips) Rendimiento luminoso: 59% Coeficiente de utilización (C u ): 0,53 Tabla 35.- Coeficiente de utilización en función de los coeficientes de reflexión y del índice del local. • Factor de mantenimiento (f m ): 1 • Flujo luminoso total (Ф T ): Ф T = (E m ·S)/(f m ·C u ) = (50·3,5·8,5)/(1·0,53) = 2806,6 lm MEMORIA 144 • Número de lámparas (N lamp ): N lamp = Ф T /Ф lamp = 2806,6/1200 = 2,34 • Número de luminarias (N lum ): N lum = N lamp /η·N lamp/lum = 2,34/0,59·1 = 3,97 ≈ 4 • Distribución en planta de las luminarias (cotas en metros): Figura 67.- Distribución en planta de las luminarias del pasillo 3. - Baños 1 y 2: • Ancho: 2 m • Largo: 3 m • Iluminancia media: 100 lux • Índice del local: K = (a·b)/h(a+b) = (2·3)/1,65(2+3) = 0,73 ≈ 0,8 • Características de las lámparas: Lámpara compacta de descarga de mercurio a baja presión Modelo MASTER PL-C 18W/840/4P 1CT (Philips) Potencia: 18 W Flujo luminoso (Ф lamp ): 1200 lm MEMORIA 145 • Características de las luminarias: Fugato Metálico para iluminación general Modelo FCS296 1xPL-C/4P18W/830 HFP M PI ALU-WH (Philips) Rendimiento luminoso: 59% Coeficiente de utilización (C u ): 0,38 Tabla 36.- Coeficiente de utilización en función de los coeficientes de reflexión y del índice del local. • Factor de mantenimiento (f m ): 1 • Flujo luminoso total (Ф T ): Ф T = (E m ·S)/(f m ·C u ) = (100·2·3)/(1·0,38) = 1579 lm • Número de lámparas (N lamp ): N lamp = Ф T /Ф lamp = 1579/1200 = 1,32 • Número de luminarias (N lum ): N lum = N lamp /η·N lamp/lum = 1,32/0,59·1 = 2,24 ≈ 3 • Distribución en planta de las luminarias (cotas en metros): MEMORIA 146 Figura 68.- Distribución en planta de las luminarias de los baños 1 y 2. - Baños 3 y 4: • Ancho: 1,75 m • Largo: 2 m • Iluminancia media: 100 lux • Índice del local: K = (a·b)/h(a+b) = (1,75·2)/1,65(1,75+2) = 0,57 ≈ 0,6 • Características de las lámparas: Lámpara compacta de descarga de mercurio a baja presión Modelo MASTER PL-C 18W/840/4P 1CT (Philips) Potencia: 18 W Flujo luminoso (Ф lamp ): 1200 lm • Características de las luminarias: Fugato Metálico para iluminación general Modelo FCS296 1xPL-C/4P18W/830 HFP M PI ALU-WH (Philips) Rendimiento luminoso: 59% Coeficiente de utilización (C u ): 0,33 MEMORIA 147 Tabla 37.- Coeficiente de utilización en función de los coeficientes de reflexión y del índice del local. • Factor de mantenimiento (f m ): 1 • Flujo luminoso total (Ф T ): Ф T = (E m ·S)/(f m ·C u ) = (100·1,75·2)/(1·0,33) = 1060,6 lm • Número de lámparas (N lamp ): N lamp = Ф T /Ф lamp = 1060,6/1200 = 0,89 • Número de luminarias (N lum ): N lum = N lamp /η·N lamp/lum = 0,89/0,59·1 = 1,50 ≈ 2 • Distribución en planta de las luminarias (cotas en metros): Figura 69.- Distribución en planta de las luminarias de los baños 3 y 4. MEMORIA 148 - Baños 5 y 6: • Ancho: 1,5 m • Largo: 3,5 m • Iluminancia media: 100 lux • Índice del local: K = (a·b)/h(a+b) = (1,5·3,5)/1,65(1,5+3,5) = 0,64 ≈ 0,8 • Características de las lámparas: Lámpara compacta de descarga de mercurio a baja presión Modelo MASTER PL-C 18W/840/4P 1CT (Philips) Potencia: 18 W Flujo luminoso (Ф lamp ): 1200 lm • Características de las luminarias: Fugato Metálico para iluminación general Modelo FCS296 1xPL-C/4P18W/830 HFP M PI ALU-WH (Philips) Rendimiento luminoso: 59% Coeficiente de utilización (C u ): 0,38 Tabla 38.- Coeficiente de utilización en función de los coeficientes de reflexión y del índice del local. • Factor de mantenimiento (f m ): 1 • Flujo luminoso total (Ф T ): MEMORIA 149 Ф T = (E m ·S)/(f m ·C u ) = (100·1,5·3,5)/(1·0,38) = 1381,6 lm • Número de lámparas (N lamp ): N lamp = Ф T /Ф lamp = 1381,6/1200 = 1,16 • Número de luminarias (N lum ): N lum = N lamp /η·N lamp/lum = 1,16/0,59·1 = 1,97 ≈ 2 • Distribución en planta de las luminarias (cotas en metros): Figura 70.- Distribución en planta de las luminarias de los baños 5 y 6. - Habitaciones 1 y 2: • Ancho: 3 m • Largo: 5 m • Iluminancia media: 100 lux • Índice del local: K = (a·b)/h(a+b) = (3·5)/1,65(3+5) = 1,14 ≈ 1,25 • Características de las lámparas: Lámpara de descarga de vapor de mercurio a baja presión MASTER TL5 HE Secura 14W/830 UNP (Philips) MEMORIA 150 Potencia: 14 W Flujo luminoso (Ф lamp ): 1200 lm • Características de las luminarias: Indolight, TBS315 TL5 TBS315 1xTL5-14W/830 HFP A W (Philips) Rendimiento luminoso: 85% Coeficiente de utilización (C u ): 0,6 Tabla 39.- Coeficiente de utilización en función de los coeficientes de reflexión y del índice del local. • Factor de mantenimiento (f m ): 0,8 • Flujo luminoso total (Ф T ): Ф T = (E m ·S)/(f m ·C u ) = (100·3·5)/(0,8·0,6) = 3125 lm • Número de lámparas (N lamp ): N lamp = Ф T /Ф lamp = 3125/1200 = 2,61 • Número de luminarias (N lum ): N lum = N lamp /η·N lamp/lum = 2,61/0,85·1 = 3,07 ≈ 4 MEMORIA 151 • Distribución en planta de las luminarias (cotas en metros): Figura 71.- Distribución en planta de las luminarias de las habitaciones 1 y 2. - Habitación 3: • Ancho: 2,5 m • Largo: 3,5 m • Iluminancia media: 100 lux • Índice del local: K = (a·b)/h(a+b) = (2,5·3,5)/1,65(2,5+3,5) = 0,89 ≈ 1 • Características de las lámparas: Lámpara de descarga de vapor de mercurio a baja presión MASTER TL5 HE Secura 14W/830 UNP (Philips) Potencia: 14 W Flujo luminoso (Ф lamp ): 1200 lm • Características de las luminarias: Indolight, TBS315 TL5 TBS315 1xTL5-14W/830 HFP A W (Philips) Rendimiento luminoso: 85% Coeficiente de utilización (C u ): 0,54 MEMORIA 152 Tabla 40.- Coeficiente de utilización en función de los coeficientes de reflexión y del índice del local. • Factor de mantenimiento (f m ): 0,8 • Flujo luminoso total (Ф T ): Ф T = (E m ·S)/(f m ·C u ) = (100·2,5·3,5)/(0,8·0,54) = 2025,5 lm • Número de lámparas (N lamp ): N lamp = Ф T /Ф lamp = 2025,5/1200 = 1,69 • Número de luminarias (N lum ): N lum = N lamp /η·N lamp/lum = 1,69/0,85·1 = 1,99 ≈ 2 • Distribución en planta de las luminarias (cotas en metros): Figura 72.- Distribución en planta de las luminarias de la habitación 3.