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Instalación de energía solar térmica para producción de agua caliente sanitaria en una vivienda unifamiliar en Larraul, Guipúzcoa. Escuela Universitaria de Ingeniería Técnica Industrial. Universidad de Zaragoza MEMORIA ~ 1 ~ Escuela Universitaria de Ingeniería Técnica Industrial. Universidad de Zaragoza. MEMORIA Instalación de energía solar térmica para producción de ACS en una vivienda unifamiliar en Larraul, Guipúzcoa. Instalación de energía solar térmica para producción de agua caliente sanitaria en una vivienda unifamiliar en Larraul, Guipúzcoa. Escuela Universitaria de Ingeniería Técnica Industrial. Universidad de Zaragoza MEMORIA ~ 2 ~ ÍNDICE (1-3) 1.1. INTRODUCCIÓN ( 6-17 ) 1.1.1. El sol como fuente de energía (7-10 ) 1.1.2. Estado actual de la energía solar térmica en España (11-12) 1.1.3. Clasificación de los sistemas solares ( 13-14) 1.1.4. Aplicaciones de los sistemas solares activos ( 14-16 ) 1.1.5. Argumentos a favor de las instalaciones solares térmicas ( 16-17 ) 1.2. MEMORIA DESCRIPTIVA (18-25 ) 1.2.1. Título del proyecto (19) 1.2.2. Objeto del proyecto (19) 1.2.2.1. Antecedentes (19) 1.2.2.2. Objetivo (19) 1.2.3. PETICIONARIO (20) 1.2.4. ÁMBITO DE APLICACIÓN (20) 1.2.5. LOCALIZACIÓN Y DESCRIPCIÓN (21-25) 1.2.5.1. Emplazamiento (21-22 ) 1.2.5.2. Descripción del edificio (23) 1.2.5.3. Características de la vivienda (23-25) 1.3. INSTALACIÓN DE ENERGÍA SOLAR TÉRMICA PARA PRODUCCIÓN DE AGUA CALIENTE SANITARIA (26-172 ) 1.3.1. Descripción de la instalación (27-51) 1.3.1.1. Introducción (27-28) 1.3.1.2. Componentes de una instalación solar (29-42) 1.3.1.2.1. Captadores solares (30-33) 1.3.1.2.2. Intercambiador de calor (33-34) 1.3.1.2.3. Acumuladores de agua (36-37) Instalación de energía solar térmica para producción de agua caliente sanitaria en una vivienda unifamiliar en Larraul, Guipúzcoa. Escuela Universitaria de Ingeniería Técnica Industrial. Universidad de Zaragoza MEMORIA ~ 3 ~ 1.3.1.2.4. Circuito hidráulico (34-42) 1.3.1.3. Configuraciones de las instalaciones solares de ACS (43-51) 1.3.1.3.1. Sistema por termosifón (43-44) 1.3.1.3.2. Sistema de ACS de circulación forzada (45) 1.3.1.3.3. Sistema de ACS pequeño de circulación forzada (46) 1.3.1.3.4. Sistemas de ACS medianos y grandes de circulación forzada (46) 1.3.1.3.5. Sistemas de ACS con acumuladores de inercia (47) 1.3.1.3.6. ACS centralizado (48) 1.3.1.3.7. Acumulador solar centralizado e intercambiador en cada vivienda (49-50) 1.3.1.3.8. Acumulador individual en cada vivienda (50-451) 1.3.1.4. Descripción de la instalación a instalar (51) 1.3.2. Métodos de cálculo (52-57) 1.3.2.1. Introducción (52-53) 1.3.2.2. Dimensionado básico (53-54) 1.3.2.3. Métodos de cálculo simplificados (54-55 ) 1.3.2.4. Programas de simulación (56-57) 1.3.3. Cálculos justificativos (58-164 ) 1.3.3.1. Cálculo de necesidades (58-65 ) 1.3.3.1.1. Criterio de cálculo (58) 1.3.3.1.2. Cálculo de necesidades (58 - 6 ) 1.3.3.1.3. Datos obtenidos ( 65 ) 1.3.3.2. Cálculo de la aportación solar ( 66 - 71 ) 1.3.3.2.1. Criterio de cálculo ( 66 ) 1.3.3.2.2. Cálculo de la aportación solar (66 - 70 ) 1.3.3.2.3. Datos obtenidos (70 -71 ) Instalación de energía solar térmica para producción de agua caliente sanitaria en una vivienda unifamiliar en Larraul, Guipúzcoa. Escuela Universitaria de Ingeniería Técnica Industrial. Universidad de Zaragoza MEMORIA ~ 4 ~ 1.3.3.3. Cálculo de la superficie colectora (71 - 91 ) 1.3.3.3.1. Selección del colector ( 72 -86 ) 1.3.3.3.2. Cálculo del número de colectores necesario ( 86 - 87 ) 1.3.3.3.3. Cálculo de la energía aprovechable ( 88 ) 1.3.3.3.4. Cálculo de la contribución solar (88-91) 1.3.3.4. Dimensionado de los elementos de la instalación ( 91 -164 ) 1.3.3.4.1. Introducción (91 - 92 ) 1.3.3.4.2. Sistema de termotransferencia (93 - 117 ) 1.3.3.4.2.1. Introducción (93 ) 1.3.3.4.2.2. Fluido caloportador ( 93 -103 ) 1.3.3.4.2.3. Tuberías y aislamientos ( 103 -110 ) 1.3.3.4.2.4. Vaso de expansión( 111 -117 ) 1.3.3.4.3. Sistema de acumulación (118 - 131 ) 1.3.3.4.3.1. Características generales (118-123) 1.3.3.4.3.2. Requisitos para el dimensionado (123-124) 1.3.3.4.3.3. Selección del acumulación (124- 130) 1.3.3.4.3.4. Intercambiador de calor (130-131) 1.3.3.4.4. Bombas de circulación (131-137) 1.3.3.4.5. Aislamiento (138-139) 1.3.3.4.6. Valvulería (140-151) 1.3.3.4.7. Sistema de energía auxiliar ( 152 -159 ) 1.3.3.4.8. Sistema de control ( 159 - 164 ) 1.3.4. Esquema de principio (164 - 166 ) 1.3.5. Resumen de los elementos seleccionados ( 167 - 172) 1.4. ESTUDIO ECONÓMICO ( 173 - 184 ) 1.4.1. Introducción (174-175) Instalación de energía solar térmica para producción de agua caliente sanitaria en una vivienda unifamiliar en Larraul, Guipúzcoa. Escuela Universitaria de Ingeniería Técnica Industrial. Universidad de Zaragoza MEMORIA ~ 5 ~ 1.4.2. Datos de partida (176-177) 1.4.2.1. Ingresos (176) 1.4.2.2. Costes (177) 1.4.3. Resultados (178-182) 1.4.3.1. Sin subvención (178-180) 1.4.3.2. Con subvención (181-184) 1.4.4. Resumen de los resultados (185) 1.4.5. Conclusiones del estudio económico (185-187) 1.5. CONCLUSIONES (187-189) 1.6. BIBLIOGRAFÍA (190-191) Instalación de energía solar térmica para producción de agua caliente sanitaria en una vivienda unifamiliar en Larraul, Guipúzcoa. Escuela Universitaria de Ingeniería Técnica Industrial. Universidad de Zaragoza MEMORIA ~ 6 ~ 1.1. INTRODUCCIÓN Instalación de energía solar térmica para producción de agua caliente sanitaria en una vivienda unifamiliar en Larraul, Guipúzcoa. Escuela Universitaria de Ingeniería Técnica Industrial. Universidad de Zaragoza MEMORIA ~ 7 ~ 1.1.1. EL SOL COMO FUENTE DE ENERGÍA La radiación solar es la principal fuente de energía de este planeta. Su transformación en calor, cuando es interceptada por la superficie de la Tierra, es utilizada por el hombre como sistema de calefacción. Este proceso se denomina conversión térmica natural de la radiación solar. Debido a la gran distancia entre el sol y la Tierra, la radiación solar en la superficie terrestre es sólo una pequeña parte de la emitida por el sol (3,86*1026W que, por unidad de superficie del sol es 6,35*107 W/m 2 ). En concreto, al planeta Tierra llegan como valor medio en torno a 1.400 W/m 2 , lo que se denomina constante solar. Más exactamente se puede definir la constante solar como la cantidad de energía solar que por unidad de tiempo incide perpendicularmente sobre una superficie de área unitaria colocada fuera de la atmósfera terrestre a una distancia del Sol igual a la distancia promedio Sol-Tierra. Sin embargo, no toda esta energía llega a la superficie terrestre para su aprovechamiento. La intensidad de la radiación solar que llega a la superficie de la Tierra se reduce por varios factores variables, entre ellos, la absorción de la radiación, en intervalos de longitud de onda específicos, por los gases de la atmósfera, dióxido de carbono, ozono, etc., por el vapor de agua, por la difusión atmosférica por la partículas de polvo, moléculas y gotitas de agua, por reflexión de las nubes y por la inclinación del plano que recibe la radiación respecto de la posición normal de la radiación. (Figura 1.1. Radiación solar aprovechable) Instalación de energía solar térmica para producción de agua caliente sanitaria en una vivienda unifamiliar en Larraul, Guipúzcoa. Escuela Universitaria de Ingeniería Técnica Industrial. Universidad de Zaragoza MEMORIA ~ 8 ~ Figura 1.1. Radiación solar aprovechable Por tanto, de media, la energía del Sol que puede ser aprovechada está en torno a los 1.000 W/m2, aunque difiere de unas zonas a otras dentro del planeta Tierra; incluso dentro de España estos valores de posible absorción son distintos para unas regiones y para otras. Los efectos meteorológicos locales como nubosidad, lluvia o nieve, también afectan a la potencia radiante que puede ser aprovechada en un lugar determinado. En un plano horizontal, un día claro al mediodía, la irradiancia alcanza un valor máximo de unos 1.000 W/m2. Este valor depende del lugar, y sobre todo, de la nubosidad. Instalación de energía solar térmica para producción de agua caliente sanitaria en una vivienda unifamiliar en Larraul, Guipúzcoa. Escuela Universitaria de Ingeniería Técnica Industrial. Universidad de Zaragoza MEMORIA ~ 9 ~ Figura 1.2. Valores de irradiancia solar en La Tierra En la Figura 1.2. Valores de irradiancia solar en La Tierra se muestran los valores de irradiancia solar en superficie horizontal en las distintas zonas de la Tierra. En Europa, por ejemplo, existe mucha diferencia entre los niveles de radiación solar según la estación del año, dándose valores extremos en verano e invierno. Por otro lado, señalar que en España también existen diferencias regionales claras de irradiación global media anual, teniendo la zona sur los mayores valores. Instalación de energía solar térmica para producción de agua caliente sanitaria en una vivienda unifamiliar en Larraul, Guipúzcoa. Escuela Universitaria de Ingeniería Técnica Industrial. Universidad de Zaragoza MEMORIA ~ 16 ~ De todos ellos el más extendido es el de producción de A.C.S. 1.1.5. ARGUMENTOS A FAVOR DE LAS INSTALACIONES SOLARES TÉRMICAS Dado que las instalaciones solares suministran energía sin emisión alguna de gases que provocan efecto invernadero, sus propietarios contribuyen activamente a la prevención del cambio climático. Las instalaciones solares, con una vida útil media de 20 años, son una prueba de una tecnología de confianza y de alto nivel. Los propietarios de las instalaciones solares evitan costes adicionales por el aumento de los precios de la energía y las ecotasas; de esta manera logran alcanzar cierta independencia económica. El factor económico principal surge de la apreciable inversión inicial en la instalación solar. Sin embargo, los costes se pueden calcular con exactitud y con muchos años de antelación. En cambio, los costes del combustible para las instalaciones de calentamiento convencional varían considerablemente y no se pueden calcular con un período considerablemente y no se pueden calcular con un período de antelación de 20 años. Por consiguiente, una instalación solar representa una inversión segura. Las instalaciones solares requieren un mantenimiento mínimo y consumen una pequeña cantidad de energía eléctrica auxiliar. Instalación de energía solar térmica para producción de agua caliente sanitaria en una vivienda unifamiliar en Larraul, Guipúzcoa. Escuela Universitaria de Ingeniería Técnica Industrial. Universidad de Zaragoza MEMORIA ~ 17 ~ Los propietarios de las instalaciones solares se benefician a menudo de las ventajas relativas a los impuestos y de las subvenciones gubernamentales. Las instalaciones solares mejoran la imagen de una edificación. En los edificios con instalaciones solares para uso de calefacción, no se evitan los costes de ésta. Las instalaciones solares utilizan una fuente de energía prácticamente inagotable. Su utilización contribuye a la conservación de los recursos de energía convencional y garantiza al país una mayor independencia, tanto económica como política. La adquisición y aplicación de las instalaciones solares asegura y fomenta conocimientos y experiencias sobre esta moderna tecnología en el país donde se utilizan, estableciendo una base sólida para el desarrollo económico positivo y abriendo nuevos mercados tanto a nivel nacional como internacional. Gracias a la continua expansión de la energía solar térmica, se han creado puestos de trabajo adicional en la industria y en muchos oficios auxiliares. Instalación de energía solar térmica para producción de agua caliente sanitaria en una vivienda unifamiliar en Larraul, Guipúzcoa. Escuela Universitaria de Ingeniería Técnica Industrial. Universidad de Zaragoza MEMORIA ~ 18 ~ 1.2. MEMORIA DESCRIPTIVA Instalación de energía solar térmica para producción de agua caliente sanitaria en una vivienda unifamiliar en Larraul, Guipúzcoa. Escuela Universitaria de Ingeniería Técnica Industrial. Universidad de Zaragoza MEMORIA ~ 19 ~ 1.2.1. TÍTULO “Instalación de energía solar térmica para la producción de agua caliente sanitaria en una vivienda unifamiliar en Larraul, Guipúzcoa”. 1.2.2. OBJETO DEL PROYECTO 1.2.2.1. ANTECEDENTES Se trata de una vivienda de nueva construcción en la que el agua de consumo se calienta por medio de una caldera de gas de calentamiento instantáneo. El edificio esta en uso desde el año 2000. Dispone de instalación de calefacción a través de una chimenea, ésta calienta el aire que se distribuye por un circuito de calefacción. 1.2.2.2. OBJETIVO El objetivo del presente proyecto es el estudio, cálculo y diseño de la instalación solar térmica para el abastecimiento de agua caliente sanitaria (ACS a partir de ahora) para una vivienda unifamiliar situada en el término municipal de Larraul, provincia de Guipúzcoa. En el presente proyecto se incluirá también un pliego de condiciones, un apartado de planos y un presupuesto de la instalación. Instalación de energía solar térmica para producción de agua caliente sanitaria en una vivienda unifamiliar en Larraul, Guipúzcoa. Escuela Universitaria de Ingeniería Técnica Industrial. Universidad de Zaragoza MEMORIA ~ 20 ~ 1.2.3. PETICIONARIO Este proyecto corresponde al proyecto final de carrera de Ingeniería Técnica Industrial, especialidad Mecánica, realizado por medio del departamento de Ingeniería Mecánica, en el área de Máquinas y Motores Térmicos, en el que la profesora Amaya Martínez Gracia es la encargada de la supervisión del mismo. 1.2.4. ÁMBITO DE APLICACIÓN A efectos de la aplicación del RITE, tal como se establece en su artículo 2, se considerarán como instalaciones térmicas las instalaciones fijas de climatización (calefacción, refrigeración y ventilación) y de producción de agua caliente sanitaria, destinadas a atender la demanda de bienestar térmico e higiene de las personas. Se aplicará a las instalaciones térmicas en los edificios de nueva construcción y a las instalaciones térmicas en los edificios construidos, en lo relativo a su reforma, mantenimiento, uso e inspección, con las limitaciones que en el mismo se determinan. Instalación de energía solar térmica para producción de agua caliente sanitaria en una vivienda unifamiliar en Larraul, Guipúzcoa. Escuela Universitaria de Ingeniería Técnica Industrial. Universidad de Zaragoza MEMORIA ~ 21 ~ 1.2.5. LOCALIZACIÓN Y DESCRIPCIÓN 1.2.5.1. EMPLAZAMIENTO El estudio se realizará para una pequeña localidad situada en el norte del Estado, en la provincia de Guipúzcoa. Figura 1.5. Mapa del Estado por provincias Instalación de energía solar térmica para producción de agua caliente sanitaria en una vivienda unifamiliar en Larraul, Guipúzcoa. Escuela Universitaria de Ingeniería Técnica Industrial. Universidad de Zaragoza MEMORIA ~ 22 ~ Figura 1.6. Ubicación de la localidad La vivienda se encuentra situada en Larraul, un pequeño pueblo de la provincia de Guipúzcoa a 25 kilómetros de la capital. Se trata de una zona montañosa, alejada de los grandes núcleos urbanos. Coordenadas: 43.1901,-2.0977 Figura 1.7. Vista espacial de la localidad Instalación de energía solar térmica para producción de agua caliente sanitaria en una vivienda unifamiliar en Larraul, Guipúzcoa. Escuela Universitaria de Ingeniería Técnica Industrial. Universidad de Zaragoza MEMORIA ~ 23 ~ 1.2.5.2. DESCRIPCIÓN DEL EDIFICIO Se trata de un conjunto de 5 viviendas bifamiliares con tejado a dos aguas en orientación N-S. Estas viviendas de dos plantas están compuestas por 3 dormitorios, salón, cocina, 3 baños, tendedero, garaje, terraza y jardín privado; en total una superficie útil de 213 m2. Las viviendas están situadas en la calle Núcleo de la localidad de Larraul, Guipúzcoa. Figura 1.8. Vista de la urbanización (www.goozoom.com) 1.2.5.3. CARACTERÍSTICAS DE LA VIVIENDA A continuación se resumen las superficies de la vivienda según las plantas de la misma, datos que se observan con mayor detalle en el apartado de planos, más concretamente en los correspondientes a las distribuciones. Instalación de energía solar térmica para producción de agua caliente sanitaria en una vivienda unifamiliar en Larraul, Guipúzcoa. Escuela Universitaria de Ingeniería Técnica Industrial. Universidad de Zaragoza MEMORIA ~ 24 ~ PLANTA SÓTANO: Superficie total: 80,71 m2. Garaje: 58,81 m2 Vestíbulo: 2,28m2. Acceso: 1,41 m2. PLANTA BAJA: Superficie total: 72,76 m2. (Construido: 83 m2) Pasillo/vestíbulo: 6,46 m2. Escalera: 5,52 m2. Baño: 3,37 m2. Tendedero: 10,27 m2. Cocina: 13,8 m2. Salón-Comedor: 28,89 m2. Despensa: 4,45 m2. PLANTA PRIMERA: Superficie total: 70,86 m2. (Construido: 70,66 m2) Escalera: 5,13 m2. Pasillo: 5,01 m2. Despacho: 8,95 m2. Dormitorio 1: 12,62 m2. Dormitorio 2: 12,62 m2. Instalación de energía solar térmica para producción de agua caliente sanitaria en una vivienda unifamiliar en Larraul, Guipúzcoa. Escuela Universitaria de Ingeniería Técnica Industrial. Universidad de Zaragoza MEMORIA ~ 25 ~ Dormitorio 3: 17,01 m2. Baño 1: 4,03 m2. Baño 2: 4,03 m2. Terraza: 2,47 m2. Figura 1.9. Vista de la urbanización Figura 1.10. Vistas de la vivienda según planos Instalación de energía solar térmica para producción de agua caliente sanitaria en una vivienda unifamiliar en Larraul, Guipúzcoa. Escuela Universitaria de Ingeniería Técnica Industrial. Universidad de Zaragoza MEMORIA ~ 32 ~ Carcasa: Es la caja que contiene a todos los elementos del captador y sirve para protegerlo del exterior. Existe una gran variedad de tipos y materiales. Junta de la cubierta transparente: Es un material elástico cuya función principal es mantener la estanqueidad del captador impidiendo la entrada de agua cuando hay lluvia. Figura 1.14. Captador solar plano Figura 1.15. Captadores de tubo de vacío Instalación de energía solar térmica para producción de agua caliente sanitaria en una vivienda unifamiliar en Larraul, Guipúzcoa. Escuela Universitaria de Ingeniería Técnica Industrial. Universidad de Zaragoza MEMORIA ~ 33 ~ Figura 1.16. Fundamento de la captación solar térmica 1.3.1.2.2. INTERCAMBIADORES DE CALOR Los intercambiadores de calor sirven para transferir la energía térmica entre diferentes fluidos, que se mantiene separados entre sí. Se utilizan en instalaciones donde se debe transferir el calor de la mezcla de agua y anticongelante del circuito primario al agua caliente sanitaria o al agua proveniente del acumulador de inercia. Deben cumplir los siguientes requisitos: - Resistentes a los fluidos de trabajo utilizados. - Compatibles con otros materiales presentes ene le circuito. - Resistentes a las temperaturas mínimas y máximas que se pueden generar en el sistema. - Buenas propiedades de conductividad térmica y de transferencia de calor. - Pequeña diferencia de temperatura a través de las paredes intercambiadores. Instalación de energía solar térmica para producción de agua caliente sanitaria en una vivienda unifamiliar en Larraul, Guipúzcoa. Escuela Universitaria de Ingeniería Técnica Industrial. Universidad de Zaragoza MEMORIA ~ 34 ~ - Poca pérdida de carga. - Se suelen instalar intercambiadores de acero inoxidable o de cobre. A su vez, los intercambiadores de calor pueden ser interiores y exteriores. Los intercambiadores interiores, se encuentran dentro del depósito de acumulación en forma de serpentín. Se suelen utilizar para instalaciones pequeñas, hasta unos 10 m 2 de captadores. Los intercambiadores exteriores son usados para instalaciones mayores, donde la superficie de captación es superior a 10 m 2 . Figura 1.17. Intercambiador de calor interior Figura 1.18. Intercambiador de calor exterior Instalación de energía solar térmica para producción de agua caliente sanitaria en una vivienda unifamiliar en Larraul, Guipúzcoa. Escuela Universitaria de Ingeniería Técnica Industrial. Universidad de Zaragoza MEMORIA ~ 35 ~ Los hay de dos tipos, tubular y de placas. Intercambiador tubular: Tiene poca pérdida de carga pero tiene baja potencia específica de transmisión. Se suelen emplear en piscinas (Figura 1.19. Intercambiador tubular). Figura 1.19. Intercambiador tubular Intercambiador de placas: Tienen una alta potencia específica de transmisión, un coste bajo y son de pequeño tamaño. Tienen una elevada pérdida de carga, teniendo posibilidades de ensuciamiento, que hace disminuir su efectividad (Figura 1.20.). Figura 1.20. Intercambiador de placas Instalación de energía solar térmica para producción de agua caliente sanitaria en una vivienda unifamiliar en Larraul, Guipúzcoa. Escuela Universitaria de Ingeniería Técnica Industrial. Universidad de Zaragoza MEMORIA ~ 36 ~ 1.3.1.2.3. ACUMULADORES DE AGUA Los acumuladores se encargan de almacenar la energía térmica generada por los captadores. Cumplen la función de volante de inercia, que permite independizar el suministro de calor solar del consumo, puesto que el perfil temporal de la entrada de energía no suele corresponderse con el consumo energético. El periodo de tiempo de acumulación varía entre unas pocas horas, días o en caso de acumulador estacional, hasta meses. Depende de la aplicación y de la fracción solar deseada. Figura 1.21. Acumuladores de agua El objetivo que se persigue es acumular la energía solar disponible de la mejor forma durante períodos de escasa demanda, para después poder suministrar esa energía de la manera más eficaz cuando se necesite. Instalación de energía solar térmica para producción de agua caliente sanitaria en una vivienda unifamiliar en Larraul, Guipúzcoa. Escuela Universitaria de Ingeniería Técnica Industrial. Universidad de Zaragoza MEMORIA ~ 37 ~ Los requisitos que se exigen de un acumulador son los siguientes: - Alto calor específico del medio de acumulación. - Pérdidas térmicas bajas. - Buena estratificación de temperaturas en el acumulador. - Larga durabilidad. - Bajo costes y fácil disponibilidad del medio de acumulación. - Adecuadas propiedades medioambientales. - Debe ser capaz de soportar las presiones y temperaturas de trabajo previstas. Debido a su alto calor específico, no ser contaminante para el medio ambiente y a su disponibilidad, se elige por regla general agua normal como medio de acumulación. 1.3.1.2.4. CIRCUITO HIDRÁULICO El circuito hidráulico de una instalación solar está constituido por el conjunto de tuberías, bombas, válvulas y accesorios que se encargan de conectar los principales componentes de la instalación solar entre sí. El circuito primario corresponde al formado por los captadores solares y las tuberías que los unen en el que el fluido de trabajo recoge la energía térmica en los captadores solares y la transfiere al acumulador directamente o a través de un intercambiador de calor. Instalación de energía solar térmica para producción de agua caliente sanitaria en una vivienda unifamiliar en Larraul, Guipúzcoa. Escuela Universitaria de Ingeniería Técnica Industrial. Universidad de Zaragoza MEMORIA ~ 38 ~ TUBERÍAS Para la selección del material utilizado en las tuberías se han de considerar los siguientes aspectos: - Compatibilidad con el tipo de fluido empleado. - Comportamiento dentro de los rangos de presiones. - Temperaturas de trabajos. - Resistencia frente a la corrosión. - Estabilidad respecto a tensiones mecánicas y térmicas. - Facilidad de instalación. - Durabilidad. Las tuberías que contienen agua caliente destinada a consumo humano han de ser de cobre, de acero inoxidable o de material plástica de calidad alimentaria. En caso de transportar otros fluidos utilizados en las instalaciones solares se emplea normalmente cobre, acero inoxidable o acero negro. AISLAMIENTO Las tuberías se han de aislar adecuadamente para reducir las pérdidas térmicas a través de las mismas. Entre las propiedades que se han de solicitar al material aislante seleccionado destacan: - Bajo coeficiente de conductividad térmica. - Adecuado comportamiento dentro del rango de temperaturas de trabajo y frente al fuego. Instalación de energía solar térmica para producción de agua caliente sanitaria en una vivienda unifamiliar en Larraul, Guipúzcoa. Escuela Universitaria de Ingeniería Técnica Industrial. Universidad de Zaragoza MEMORIA ~ 39 ~ - Buena resistencia al envejecimiento, putrefacción y otros materiales. - Estar constituido por materiales libres de elementos nocivos para el medioambiente. - Facilidad de montaje. - Bajo coste. El material debe ser capaz de soportar temperaturas elevadas, especialmente en el circuito primario. En le caso de instalaciones en el exterior, también debe ser capaz de soportar la radiación ultravioleta, humedad y corrosión por agentes externos. Los materiales habitualmente empelados son las espumas elastoméricas, las cuales se emplean para el aislamiento de intercambiadores exterior. BOMBA DE CIRCULACIÓN Una bomba de circulación es el dispositivo electromecánico encargado de hacer circular el fluido de trabajo a través del circuito hidráulico. Es uno de los componentes principales del circuito hidráulico de una instalación solar de circulación forzada. Figura 1.22. Bomba de circulación Instalación de energía solar térmica para producción de agua caliente sanitaria en una vivienda unifamiliar en Larraul, Guipúzcoa. Escuela Universitaria de Ingeniería Técnica Industrial. Universidad de Zaragoza MEMORIA ~ 40 ~ Los parámetros fundamentales a considerar en el proceso de selección de la bomba a emplear en una instalación son el caudal de circulación y la diferencia de presiones que ha de superar. VASO DE EXPANSIÓN El vaso de expansión se utiliza para absorber las dilataciones y contracción que experimente el fluido contenido en un circuito cerrado con las variaciones de temperatura. Mediante la utilización de este elemento se evita la pérdida de fluido que tendría lugar al activarse la válvula de seguridad al alcanzarse presiones elevadas en el circuito durante los periodos de alta radiación solar. En este caso sería necesario rellenar el circuito para mantenerlo presurizado, aumentando de esta forma tanto el coste como la probabilidad de creación de bolsas de aire. Figura 1.23. Vasos de expansión Instalación de energía solar térmica para producción de agua caliente sanitaria en una vivienda unifamiliar en Larraul, Guipúzcoa. Escuela Universitaria de Ingeniería Técnica Industrial. Universidad de Zaragoza MEMORIA ~ 41 ~ Se diferencia entre vasos abiertos y cerrados atendiendo a que el fluido contenido en el circuito esté en comunicación directa con la atmósfera o no. En las instalaciones solares habitualmente se emplean vasos de expansión cerrados que consisten en depósitos metálicos dividíos en el interior en dos partes a través de una membrana elástica impermeable. Cada una de las parte contiene un fluido diferente: aire o gas inerte a la presión de trabajo, situado por debajo de la membrana y el fluido de trabajo o líquido caloportador térmico, situado por encima de la membrana, que penetra en el vaso de expansión al aumentar su temperatura y presión. SISTEMA DE PURGA, LLENADO Y VACIADO Sistema de purga: En una instalación solar es el dispositivo o conjunto de elemento que se encarga de extraer el aire contenido en el circuito solar tanto durante el proceso e llenado como durante el funcionamiento habitual de la instalación. Los sistemas de purga deben ser resistentes a temperaturas elevadas ya que en los puntos más altos de la instalación pueden llegar a estar expuestos a temperaturas en torno a 150º C. también han de trabajar correctamente con fluidos anticongelantes recomendándose el empleo de componentes metálicos que se comporten adecuadamente y tengan mayor durabilidad. Se recomienda que los purgadores de aire sean los siguientes materiales: - Cuerpo y tapa de fundición de hierro o de latón - Mecanismo de acero inoxidable - Flotador y asiento de acero inoxidable Instalación de energía solar térmica para producción de agua caliente sanitaria en una vivienda unifamiliar en Larraul, Guipúzcoa. Escuela Universitaria de Ingeniería Técnica Industrial. Universidad de Zaragoza MEMORIA ~ 48 ~ 1.3.1.3.6. A.C.S. CENTRALIZADO En esta configuración, existe un campo solar, que calienta el fluido caloportador. Posteriormente se transfiere la energía a un acumulador central mediante los intercambiadores, externos o internos. Desde este depósito central se distribuye a cada una de las viviendas mediante una red de distribución que se encuentra circulando permanentemente en circuito de recirculación, a fin de lograr que la temperatura disponible a la entrada de cada vivienda sea la máxima posible. En cada una de las viviendas, se dispone de un sistema convencional para suplir la energía que no sea capaz de suministrar el sistema solar debido a poca incidencia solar. Figura 1.28. Sistema Centralizado con apoyo individual Instalación de energía solar térmica para producción de agua caliente sanitaria en una vivienda unifamiliar en Larraul, Guipúzcoa. Escuela Universitaria de Ingeniería Técnica Industrial. Universidad de Zaragoza MEMORIA ~ 49 ~ 1.3.1.3.7. ACUMULADOR SOLAR CENTRALIZADO E INTERCAMBIADOR DE CALOR EN CADA VIVIENDA En este tipo de configuración, se dispone de un campo solar, donde un fluido caloportador transfiere la energía captada a un acumulador central mediante un intercambiador central. Desde este acumulador, se distribuye una red de distribución que lleva a cada una de las viviendas, donde encontramos en cada una de estas un intercambiador, donde es transferida la energía a cada una de las viviendas, donde es almacenado en un depósito individual. La red de distribución está en continuo recirculación, para mantener la red a la temperatura máxima posible. Al realizarse el diseño del circuito de distribución se ha de tener en cuenta los coeficientes de simultaneidad de los consumos en las viviendas. Figura 1.29. Sistema Solar con acumulador central e intercambiador individual en cada vivienda Instalación de energía solar térmica para producción de agua caliente sanitaria en una vivienda unifamiliar en Larraul, Guipúzcoa. Escuela Universitaria de Ingeniería Técnica Industrial. Universidad de Zaragoza MEMORIA ~ 50 ~ Por otro lado, este sistema es más costoso, debido a que en cada una de las viviendas se ha de colocar un intercambiador, teniendo bastante importancia el diseño de estos para que cumpla con los requisitos. 1.3.1.3.8. CONFIGURACIÓN CON ACUMULADOR INDIVIDUAL EN CADA VIVIENDA La variante consiste en disponer de un acumulador individual en cada vivienda. Este tipo de configuración se elige cuando se presentan problemas de espacio para ubicar un acumulador central o cuando se entienda que el usuario final va a valorar favorablemente el tener un acumulador en su propia vivienda. El calor generado por el campo de captadores se transfiere mediante un intercambiador de placas al circuito de distribución, por el cual llega hasta los acumuladores de placas al circuito de distribución, por el cual llega hasta los acumuladores distribuidos. Figura 1.30. Configuración con acumuladores individuales en cada vivienda Instalación de energía solar térmica para producción de agua caliente sanitaria en una vivienda unifamiliar en Larraul, Guipúzcoa. Escuela Universitaria de Ingeniería Técnica Industrial. Universidad de Zaragoza MEMORIA ~ 51 ~ Este tipo de configuración resulta algo más cara que las descritas anteriormente, debido a que en los acumuladores individuales, las pérdidas resultan más elevadas, lo que hay que tomar en consideración. 1.3.1.4. DESCRIPCIÓN DE LA INSTALACIÓN A INSTALAR Se instalará un sistema de circulación forzada, situando los captadores en el tejado de la vivienda y el sistema de acumulación y de bombeo en la planta sótano. Se instalará una caldera como sistema auxiliar para los días en que la radiación solar no sea suficiente para abastecer las necesidades de la vivienda. Figura1.31. Esquema del sistema a instalar Instalación de energía solar térmica para producción de agua caliente sanitaria en una vivienda unifamiliar en Larraul, Guipúzcoa. Escuela Universitaria de Ingeniería Técnica Industrial. Universidad de Zaragoza MEMORIA ~ 52 ~ 1.3.2. MÉTODOS DE CÁLCULO 1.3.2.1. INTRODUCCIÓN Actualmente existe una gran variedad de programas comerciales de simulación que permiten dimensionar instalaciones solares. La gran mayoría de los programas de cálculos no requieren un gran conocimiento de las instalaciones por parte del usuario y suelen aportar resultados adecuados para el nivel de detalle requerido y los datos de entrada aportados al programa. Cuando se necesitan resultados más aproximados completos se emplean programas de simulación detallados que normalmente requieren mayor cantidad de datos de entrada y un nivel notable de conocimientos técnicos por parte del usuario. Existen múltiples programas utilizados para calcular y/o simular instalaciones solares térmicas. La mayoría de estos programas pueden utilizarse también para simular el comportamiento de instalaciones de calentamiento de piscinas, calefacción, refrigeración, etc. De acuerdo al tipo de cálculo que realizan se clasifican básicamente en MÉTODOS DE CÁLCULOS SIMPLIFICADOS y PROGRAMAS DE SIMULACIÓN. Instalación de energía solar térmica para producción de agua caliente sanitaria en una vivienda unifamiliar en Larraul, Guipúzcoa. Escuela Universitaria de Ingeniería Técnica Industrial. Universidad de Zaragoza MEMORIA ~ 53 ~ Los programas de simulación a su vez, pueden ser de naturaleza modular si simulan componentes antes que sistemas. En los programas modulares se incorporan módulos que controlan la unión de los diferentes componentes así como el trasvase de información entre componentes. Son programas de uso muy flexible, ya que se pueden componer cualquier instalación siempre que se disponga del módulo correspondiente a cada uno de los componentes de la misma. La versatilidad del programa se consigue a costa de un mayor nivel de complejidad a la hora de definir los parámetros de entrada del sistema. El modelo matemático empleado influye en la fiabilidad, flexibilidad, objeto de aplicación, esfuerzo computacional y tiempo de cálculo del programa. Al pasar de los métodos de cálculo simplificados a los programas de simulación aumentan todos los parámetros anteriores y dentro de estos últimos, al pasar de programas de simulación no modulares a modulares sucede lo mismo. Al mismo tiempo, a medida que un programa es más flexible también aumentan los requisitos solicitados al usuario. 1.3.2.2. DIMENSIONADO BÁSICO El dimensionado básico es un método manual de cálculo de la superficie colectora necesaria para una instalación, basado en la relación entre aportación solar y consumo. Instalación de energía solar térmica para producción de agua caliente sanitaria en una vivienda unifamiliar en Larraul, Guipúzcoa. Escuela Universitaria de Ingeniería Técnica Industrial. Universidad de Zaragoza MEMORIA ~ 54 ~ Simplemente es necesario conocer el consumo total mensual del edificio de estudio en función de la ocupación, consumo y las temperaturas del agua de entrada y salida así como la aportación solar, estimando las pérdidas debidas a ubicación de la instalación, inclinación de los colectores y rendimiento de estos, etc. Comparando ambos resultados se calcula el número de paneles necesarios y la superficie útil de los mismos y se recalcula la energía aprovechable. Con estos datos de partida se procede al dimensionado del resto de los elementos de la instalación. 1.3.2.3. MÉTODOS DE CÁLCULO SIMPLIFICADOS Son programas simples que consideran condiciones estacionarias invariables y que se utilizan casi exclusivamente para producción de agua caliente sanitaria. Son de utilidad para determinar el comportamiento global de una instalación pero no para analizar el funcionamiento detallado de un determinado componente. A partir del captador solar, de la superficie de captación instalada, de la inclinación y orientación de los captadores, del volumen de acumulación solar y del consumo de agua caliente calculan las producciones energéticas de la instalación, expresando los resultados normalmente con valores diarios medios mensuales. No son de aplicación para estimar el comportamiento de una instalación bajo determinadas condiciones específicas y durante periodos de tiempo más pequeños. En general solamente pueden considerar algunas de las configuraciones de instalaciones solares térmicas utilizadas en la actualidad, de entre este tipo de programas destaca el método de cálculo f-Chart. Instalación de energía solar térmica para producción de agua caliente sanitaria en una vivienda unifamiliar en Larraul, Guipúzcoa. Escuela Universitaria de Ingeniería Técnica Industrial. Universidad de Zaragoza MEMORIA ~ 55 ~ Método f-chart Es un programa muy extendido y usado en instalaciones solares térmicas destinadas a la producción de agua caliente sanitaria y calefacción. Esta basado en correlaciones obtenidas de múltiples datos experimentales. Aporta normalmente resultados anuales bastantes adecuados. Este método proporciona como resultado final, el rendimiento del sistema térmico solar. De manera que a partir de él, puede estimarse la aportación de energía auxiliar necesaria y realizar el estudio económico de la instalación. Este programa se suele usar para aplicaciones residenciales donde las configuraciones utilizadas no tienen una gran complejidad. La principal variable de diseño es el área del captador, siendo variables secundarias el tipo de captador, capacidad de almacenamiento, relación de caudales, etc. El método, es una correlación de los resultados de cientos de simulaciones de rendimiento térmico de sistemas solares, donde las condiciones de simulación fueron modificadas dentro de los rangos apropiados de diseño práctico. El resultado de la correlación será f, fracción de carga mensual suministrada por energía solar. Este factor se obtendrá como función de dos parámetros adimensionales. Uno relaciona las pérdidas del colector con la carga que debe combatir y el otro relaciona la energía absorbida con la carga a combatir. El método de f-chart está basado en datos diarios mensuales; considera sistemas de calefacción y producción de A.C.S., donde la carga de A.C.S. es inferior al 20 % de la carga de calefacción. El método se desarrolla para un sistema base de energía solar, sin intercambiador de calor en el circuito de captación y con una capacidad de acumulación de 75 l/m 2 de superficie de captación. Instalación de energía solar térmica para producción de agua caliente sanitaria en una vivienda unifamiliar en Larraul, Guipúzcoa. Escuela Universitaria de Ingeniería Técnica Industrial. Universidad de Zaragoza MEMORIA ~ 56 ~ 1.3.2.4. PROGRAMAS DE SIMULACIÓN Las simulaciones son experimentos numéricos y pueden facilitar los mismos resultados que los experimentos físicos. Existen las ventajas de la rapidez de cálculo y el menor costo, suministrando suficiente información para analizar el efecto de las variables en el diseño de sistemas solares. Los sistemas solares se caracterizan por la transitoriedad de algunos fenómenos físicos determinantes, como son la radiación solar, la temperatura o el consumo. Debido a esto, un cálculo que no contemple la influencia recíproca de la variabilidad de cada una de éstas sobre el funcionamiento del sistema, generará siempre un error. La simulación dinámica contempla esta fenomenología. Se distingue entre programas no modulares (TRANSOL) y modulares (TRNSYS). En ambos caso se simula el comportamiento de una instalación a partir de los modelos matemáticos establecidos para cada componente. Estos programas permiten realizar evaluaciones en diferentes periodos de tiempo mediante la resolución de las ecuaciones características de los distintos componentes de una instalación solar. Algunos programas disponen de displays que permiten visualizar valores en un determinado instante. Los programas no modulares disponen de una librería que contiene configuraciones predeterminadas de instalaciones solares térmicas para que el usuario pueda seleccionar la configuración que mejor se adapte a cada caso e Instalación de energía solar térmica para producción de agua caliente sanitaria en una vivienda unifamiliar en Larraul, Guipúzcoa. Escuela Universitaria de Ingeniería Técnica Industrial. Universidad de Zaragoza MEMORIA ~ 57 ~ introducir los parámetros requeridos. Salvo excepciones no se pude variar la configuración de la instalación ni ampliar la librería disponible con nuevas configuraciones. Estos programas son de fácil manejo para usuarios y se caracterizan por una adecuada presentación. Los programas modulares permiten realizar análisis dinámicos y simular prácticamente cualquier tipo de configuración y condiciones de operación. Normalmente no son de fácil utilización, necesitando el usuario periodos de adaptación medios o largos para trabajar correctamente con este tipo de programas. Estos programas de simulación, son herramientas poderosas para el diseño de nuevos procesos, cálculo del funcionamiento de éstos y posibles mejoras de los sistemas. Sin embargo hay limitaciones a la hora de simular algunos de los sistemas estudiados. Hay que tener en cuenta, que los sistemas simulados están basados en suposiciones, que han de estar bien formuladas. Es fácil, que se cometan errores en la programación, tomar constantes erróneas, descuidar factores que podrían tener mayor importancia, etc. En las simulaciones, se pueden extraer ciertas partes de una instalación, para ver su evolución al ir modificando los parámetros de diseño o al ir modificando sus componentes. En la práctica, este tipo de acciones, es muy difícil llevarlo a cabo, tanto en la realidad como con programas de cálculo simplificado. Los programas de simulación, requieren una preparación y conocimiento en la materia, que no son necesarios en los métodos de cálculo simplificado. Instalación de energía solar térmica para producción de agua caliente sanitaria en una vivienda unifamiliar en Larraul, Guipúzcoa. Escuela Universitaria de Ingeniería Técnica Industrial. Universidad de Zaragoza MEMORIA ~ 64 ~ 9: SALTO TÉRMICO: El salto térmico corresponde a la diferencia de temperaturas entre el agua de consumo y el agua fría de red. 10: NECESIDADES MENSUALES (TERMIAS): Las necesidades mensuales se calculan fácilmente mediante la fórmula del calor: Q=m*Ce*At, por ser el calor específico del agua 1 termia/Tonelada * ° C o lo que es lo mismo 1 Kcal /kg * ° C, la fórmula se simplifica al producto del consumo mensual en m3 y el salto térmico. (Recordamos que 1m3= 1000dm3=1000litros=1000kg=1tonelada) 11: NECESIDADES MENSUALES (MJ): Para calcular las necesidades mensuales en mega julios únicamente habrá que multiplicar la columna anterior por 4,184, ya que 1 MJ = 4,184 termias. (1 Te = 1.000 Kcal = 4.186 Kj = 4,19 MJ) 12: NECESIDADES DÍA (MJ): Las necesidades diarias se calcularán fácilmente dividiendo las necesidades mensuales entre los días del mes a calcular. 1 2 3 4 5 6 MES DÍAS MES % OCUPACIÓN Nº PERSONAS CONSUMO (litros/persona/día) CONSUMO MENSUAL (litros) CONSUMO MENSUAL (m3) ENERO 31 100 4 45 5580 5,58 FEBRERO 28 100 4 45 5040 5,04 MARZO 31 100 4 45 5580 5,58 ABRIL 30 100 4 45 5400 5,40 MAYO 31 100 4 45 5580 5,58 JUNIO 30 100 4 45 5400 5,40 JULIO 31 100 4 45 5580 5,58 AGOSTO 31 100 4 45 5580 5,58 SEPTIEMBRE 30 100 4 45 5400 5,40 OCTUBRE 31 100 4 45 5580 5,58 NOVIEMBRE 30 100 4 45 5400 5,40 DICIEMBRE 31 100 4 45 5580 5,58 TOTAL Tabla 1.37.A Instalación de energía solar térmica para producción de agua caliente sanitaria en una vivienda unifamiliar en Larraul, Guipúzcoa. Escuela Universitaria de Ingeniería Técnica Industrial. Universidad de Zaragoza MEMORIA ~ 65 ~ 7 8 9 10 11 12 MES TEMPERATURA AGUA DE RED (°C ) TEMPERATURA CONSUMO (°C ) SALTO TÉRMICO NECESIDADES MES (termias) NECESIDADES MES (MJ) NECESIDADES DÍA (MJ) ENERO 8 45 37 206,46 863,83 27,87 FEBRERO 9 45 36 181,44 759,14 27,11 MARZO 11 45 34 189,72 793,79 25,61 ABRIL 13 45 32 172,80 723,00 24,10 MAYO 14 45 31 172,98 723,75 23,35 JUNIO 15 45 30 162,00 677,81 22,59 JULIO 16 45 29 161,82 677,05 21,84 AGOSTO 15 45 30 167,40 700,40 22,59 SEPTIEMBRE 14 45 31 167,40 700,40 23,35 OCTUBRE 13 45 32 178,56 747,10 24,10 NOVIEMBRE 11 45 34 183,60 768,18 25,61 DICIEMBRE 8 45 37 206,46 863,83 27,87 TOTAL 2.150,64 8.998,28 Tabla 1.37.B 1.3.3.1.3. DATOS OBTENIDOS Los datos mensuales obtenidos se representan gráficamente, en la Gráfica 1.38. Diagrama de necesidades. Una vez calculada la aportación solar se realizará un ¨diagrama de aportación energética¨ y se procederá a compararlos. Gráfica 1.38. Diagrama de necesidades Instalación de energía solar térmica para producción de agua caliente sanitaria en una vivienda unifamiliar en Larraul, Guipúzcoa. Escuela Universitaria de Ingeniería Técnica Industrial. Universidad de Zaragoza MEMORIA ~ 66 ~ 1.3.3.2. CÁLCULO DE LA APORTACIÓN SOLAR 1.3.3.2.1. CRITERIO DE CÁLCULO Tras obtener las necesidades mensuales y totales para la instalación se procede al cálculo de la energía disponible según datos de la ubicación de la instalación y la radiación solar de la zona. Se comienza estableciendo la energía neta que incide sobre un metro cuadrado de superficie horizontal en un día medio de cada mes, para después corregirla en función de la inclinación, las condiciones ambientales del lugar, etc. 1.3.3.2.2. CÁLCULO DE LA APORTACIÓN SOLAR Para esto se crea una nueva tabla, en la que se detallan datos por meses con el fin de calcular la energía que se podrá obtener con la instalación que se diseña. 1: H (energía neta disponible en MJ) La siguiente tabla resume la irradiación horizontal H en un día medio de cada mes sobre la superficie horizontal en la provincia que se considere. Instalación de energía solar térmica para producción de agua caliente sanitaria en una vivienda unifamiliar en Larraul, Guipúzcoa. Escuela Universitaria de Ingeniería Técnica Industrial. Universidad de Zaragoza MEMORIA ~ 67 ~ Tabla 1.39. Energía en mega julios que incide sobre un metro cuadrado de superficie horizontal en un día medio de cada mes. (CENSOLAR) Instalación de energía solar térmica para producción de agua caliente sanitaria en una vivienda unifamiliar en Larraul, Guipúzcoa. Escuela Universitaria de Ingeniería Técnica Industrial. Universidad de Zaragoza MEMORIA ~ 68 ~ 2: H CORREGIDA Debido a que la vivienda se ubica en una zona montañosa, lejos de grandes urbanizaciones y sin polución, con atmósfera muy limpia, se debe corregir la energía neta disponible aumentándola un 5%. 3: K (Factor de corrección debido a la inclinación) Se debe corregir la energía disponible debido a la inclinación de los colectores mediante un factor de corrección K, que representa el cociente entre la energía incidente en un día sobre una superficie orientada hacia el Ecuador e inclinada un determinado ángulo, y otra horizontal. Se tomará la tabla correspondiente a la latitud del lugar donde se encuentra la instalación (43°) y la inclinación del tejado de la vivienda, 30°, que será donde se ubiquen los colectores. Tabla 1.40. Factor de corrección en función de la latitud y la inclinación Instalación de energía solar térmica para producción de agua caliente sanitaria en una vivienda unifamiliar en Larraul, Guipúzcoa. Escuela Universitaria de Ingeniería Técnica Industrial. Universidad de Zaragoza MEMORIA ~ 69 ~ 4: E (Energía total teórica incidente diaria) El valor E (energía total teórica que incide en un día medio del mes considerado en cada m 2 de colector) se calculará multiplicando la energía incidente sobre un metro cuadrado de superficie, corregida por tratarse de una zona montañosa, por el factor de corrección debido a la inclinación de los colectores. Se debe resaltar que, tanto a primeras horas de la mañana como a últimas de la tarde, aunque llega energía a la superficie colectora, ésta puede no ser de suficiente para compensar las pérdidas por radiación, convección y conducción que se producirían en la instalación. Por ello se estima que la energía no aprovechada por el colector es aproximadamente de un 6% de la energía total diaria E, por lo que se multiplicará este dato por 0,94. Por lo que el cálculo de la energía total diaria E corresponde con la siguiente expresión: E = 0,94 * C orregida * k 5: E (Energía total teórica incidente mensual) Únicamente multiplicando la columna anterior por el número de días que tiene cada mes se obtiene la energía total teórica que incide el mes considerado por metro cuadrado de superficie. Instalación de energía solar térmica para producción de agua caliente sanitaria en una vivienda unifamiliar en Larraul, Guipúzcoa. Escuela Universitaria de Ingeniería Técnica Industrial. Universidad de Zaragoza MEMORIA ~ 70 ~ 1 2 3 4 5 MES ENERGÍA NETA DISPONIBLE H CORREGIDA K E (MJ) (en un día medio del mes) E (MJ) (al mes) ENERO 5,50 5,78 1,37 7,44 230,55 FEBRERO 7,70 8,09 1,29 9,80 274,51 MARZO 11,30 11,87 1,2 13,38 414,90 ABRIL 11,70 12,29 1,1 12,70 381,08 MAYO 14,60 15,33 1,03 14,84 460,12 JUNIO 16,20 17,01 1 15,99 479,68 JULIO 16,10 16,91 1,03 16,37 507,39 AGOSTO 13,60 14,28 1,11 14,90 461,89 SEPTIEMBRE 12,70 13,34 1,24 15,54 466,30 OCTUBRE 10,30 10,82 1,38 14,03 434,91 NOVIEMBRE 6,20 6,51 1,48 9,06 271,70 DICIEMBRE 5,00 5,25 1,45 7,16 221,83 TOTAL 10,90 11,45 Tabla 1.41. 1.3.3.2.3. DATOS OBTENIDOS Con los datos obtenidos se realiza una nueva gráfica donde se representa la aportación solar mensual: Gráfico 1.42. Diagrama de aportación energética Instalación de energía solar térmica para producción de agua caliente sanitaria en una vivienda unifamiliar en Larraul, Guipúzcoa. Escuela Universitaria de Ingeniería Técnica Industrial. Universidad de Zaragoza MEMORIA ~ 71 ~ COMPARACIÓN NECESIDADES-APORTACIÓN SOLAR Se observa al comparar ambas gráficas que el consumo es mayor precisamente en los meses de menos aportación solar y viceversa. Lo ideal sería que la curva de consumo coincidiese lo máximo posible en todo el periodo de funcionamiento de la instalación con la curva de aportación solar, lo que desgraciadamente no sucede ya que en los meses de menor aportación solar es cuando generalmente más consumo se produce. Gráfica 1.43.A Diagrama de necesidades 1.43.B Diagrama de aportación energética 1.3.3.3. CÁLCULO DE LA SUPERFICIE COLECTORA NECESARIA PRIMERA ESTIMACIÓN DE LA SUPERFICIE COLECTORA NECESARIA: Conocida la aportación solar teórica y las necesidades para cada mes de la instalación, se estima una primera superficie de colectores dividiendo las necesidades energéticas totales (anuales) entre la energía teórica disponible por metro cuadrado de superficie colectora: Instalación de energía solar térmica para producción de agua caliente sanitaria en una vivienda unifamiliar en Larraul, Guipúzcoa. Escuela Universitaria de Ingeniería Técnica Industrial. Universidad de Zaragoza MEMORIA ~ 72 ~ De la tabla 1 del cálculo de necesidades: NECESIDADES MENSUALES = 8.998,28 MJ De la tabla 2 del cálculo de la aportación solar: APORTACIÓN SOLAR = 4.604,85 MJ Superficie colectora inicial = necesidades anuales/aportación solar anual = 8998,28/4.604,85 = 1,96 metros cuadrados 1.3.3.3.1. SELECCIÓN DEL COLECTOR Se ha seleccionado la marca Termicol para realizar la instalación, debido a sus buenas características técnicas, facilidad de instalación y garantía de la marca. DATOS DEL COLECTOR SELECCIONADO A continuación se describen las características principales de los paneles de dicha marca, resaltando el modelo seleccionado: Los captadores solares térmicos Termicol están desarrollados para aplicaciones de aprovechamiento térmico a baja temperatura (inferior a 100 ºC). Instalación de energía solar térmica para producción de agua caliente sanitaria en una vivienda unifamiliar en Larraul, Guipúzcoa. Escuela Universitaria de Ingeniería Técnica Industrial. Universidad de Zaragoza MEMORIA ~ 73 ~ Figura 1.44. Imagen de colector solar plano Su capacidad para producir calor se basa en dos fenómenos bien conocidos: el efecto invernadero y la capacidad de absorción de calor de los cuerpos. Además, están diseñados para soportar las más duras condiciones climáticas. Para su construcción se emplean los materiales más avanzados con el fin de obtener una larga vida útil y el máximo rendimiento energético. Los captadores solares transforman la energía del sol en energía calorífica, elevando la temperatura de un fluido, agua o anticongelante, que circula por su interior. Entre las múltiples aplicaciones podemos destacar la producción de agua caliente sanitaria, la climatización de piscinas, calefacción, refrigeración… Tabla 1.45. Características colectores Termicol Instalación de energía solar térmica para producción de agua caliente sanitaria en una vivienda unifamiliar en Larraul, Guipúzcoa. Escuela Universitaria de Ingeniería Técnica Industrial. Universidad de Zaragoza MEMORIA ~ 80 ~ MES ENE FEB MAR ABR MAY JUN INTENSIDAD RADIANTE (W/m2) 258,23 302,59 413,08 371,42 433,99 467,53 MES JUL AGO SEPT OCT NOV DIC INTENSIDAD RADIANTE (W/m2) 478,58 435,67 479,73 433,00 314,47 265,03 Figura 1.53.Intensidad radiante (W/m 2 ) RENDIMIENTO DEL COLECTOR El cálculo del rendimiento del colector mes a mes se efectuará a partir de la curva de rendimiento teórico dada por el fabricante del colector que será de la forma: η = F (ζα) N – [FU(t m -t a )]/I Esta fórmula debe ser corregida ya que proporciona el rendimiento teórico suponiendo que los rayos inciden perpendicularmente sobre la superficie del colector. Como la realidad demuestra que los rayos varían el ángulo de incidencia a lo largo del día, α disminuye en un factor 0,97, deducido de forma experimental. Debido a los efectos de la suciedad y el envejecimiento que soportan las cubiertas transparentes de los colectores de la instalación, se debe suponer un factor ζ de 0,97 que disminuya también el rendimiento de la instalación. Instalación de energía solar térmica para producción de agua caliente sanitaria en una vivienda unifamiliar en Larraul, Guipúzcoa. Escuela Universitaria de Ingeniería Técnica Industrial. Universidad de Zaragoza MEMORIA ~ 81 ~ Por lo establecido en los párrafos anteriores, se determina el primer término de la ecuación: F (ζα) N = 0,97*0,97 = 0,94 obteniendo una ecuación más simplificada para el rendimiento: η = 0,94 – [FU(t m -t a )]/I Figura 1.54. Curva de eficiencia instantánea basada en el área de absorción/apertura a 800 W/m 2 Para el cálculo del rendimiento del colector por la fórmula expuesta anteriormente es necesario el dato t a , temperaturas medias durante las horas de sol en la provincia de estudio. Estos datos se obtienen de la tabla siguiente: Instalación de energía solar térmica para producción de agua caliente sanitaria en una vivienda unifamiliar en Larraul, Guipúzcoa. Escuela Universitaria de Ingeniería Técnica Industrial. Universidad de Zaragoza MEMORIA ~ 82 ~ Figura 1.55. Temperatura ambiente media durante las horas de sol, en °C (CENSOLAR) Instalación de energía solar térmica para producción de agua caliente sanitaria en una vivienda unifamiliar en Larraul, Guipúzcoa. Escuela Universitaria de Ingeniería Técnica Industrial. Universidad de Zaragoza MEMORIA ~ 83 ~ Por tratarse de una instalación de agua caliente sanitaria, t m , la temperatura media del agua en el acumulador tendrá un valor de 45°C y la intensidad útil, representada por I, será la calculada anteriormente. De esta forma, el rendimiento teórico del colector es de: η = 0,94 – [FU(t m -t a )]/I = 0,94 - [FU (45-t a )]/I MES t (horas) INTENSIDAD RADIANTE (W/m2) TEMPERATURA AMBIENTE RENDIMIENTO ENERO 8,00 258,23 10,00 0,80 FEBRERO 9,00 302,59 10,00 0,82 MARZO 9,00 413,08 13,00 0,86 ABRIL 9,50 371,42 14,00 0,86 MAYO 9,50 433,99 16,00 0,87 JUNIO 9,50 467,53 19,00 0,88 JULIO 9,50 478,58 21,00 0,89 AGOSTO 9,50 435,67 21,00 0,88 SEPTIEMBRE 9,00 479,73 20,00 0,89 OCTUBRE 9,00 433,00 17,00 0,88 NOVIEMBRE 8,00 314,47 13,00 0,84 DICIEMBRE 7,50 265,03 10,00 0,81 Tabla 1.56. Rendimiento del colector según mes del año CÁLCULO DE LA ENERGÍA NETA DISPONIBLE A continuación se calculará la aportación solar por metro cuadrado de superficie colectora, según el rendimiento teórico obtenido anteriormente. Para ello simplemente habrá que multiplicar la energía total teórica incidente por metro cuadrado de colector al mes por el rendimiento mensual que se acaba de calcular. E útil =η*E Instalación de energía solar térmica para producción de agua caliente sanitaria en una vivienda unifamiliar en Larraul, Guipúzcoa. Escuela Universitaria de Ingeniería Técnica Industrial. Universidad de Zaragoza MEMORIA ~ 84 ~ Se obtiene la siguiente tabla de valores para cada mes del año: MES E (MJ) (al mes) RENDIMIENTO E útil ENERO 230,55 0,80 185,47 FEBRERO 274,51 0,82 226,29 MARZO 414,90 0,86 357,86 ABRIL 381,08 0,86 326,41 MAYO 460,12 0,87 401,76 JUNIO 479,6 8 0,88 424,23 JULIO 507,39 0,89 451,50 AGOSTO 461,89 0,88 408,73 SEPTIEMBRE 466,30 0,89 414,02 OCTUBRE 434,91 0,88 380,69 NOVIEMBRE 271,70 0,84 227,75 DICIEMBRE 221,83 0,81 179,22 Tabla 1.57. Energía útil La energía diaria que aportan los colectores no coincide con la disponible para el consumo, debido a las pérdidas que se producen en todos los elementos de la instalación y principalmente en el acumulador; por ello, y al no poseer datos de partida, se supondrán unas pérdidas globales del 15%. De esta forma se obtendrá la energía neta disponible al día por metro cuadrado de colector para cada mes: E neta = 0,85E util Instalación de energía solar térmica para producción de agua caliente sanitaria en una vivienda unifamiliar en Larraul, Guipúzcoa. Escuela Universitaria de Ingeniería Técnica Industrial. Universidad de Zaragoza MEMORIA ~ 85 ~ MES E útil Eneta ENERO 185,47 157,65 FEBRERO 226,29 192,34 MARZO 357,86 304,18 ABRIL 326,41 277,45 MAYO 401,76 341,50 JUN IO 424,23 360,59 JULIO 451,50 383,78 AGOSTO 408,73 347,42 SEPTIEMBRE 414,02 351,92 OCTUBRE 380,69 323,58 NOVIEMBRE 227,75 193,59 DICIEMBRE 179,22 152,34 Tabla 1.58. Energía neta Se observa la diferencia entre la aportación solar teórica por metro cuadrado de superficie calculada inicialmente (4.604,85) y la energía neta disponible por metro cuadrado de superficie real (3.386,34). (4.604,85-3.386,34)/ 4.604,85*100 = 26,5% En la realidad la energía solar de la que se dispone es un 26,5% menor que la teórica, debido a las pérdidas por orientación, suciedad o las propias de la instalación que se han tenido en cuenta anteriormente durante el cálculo. Instalación de energía solar térmica para producción de agua caliente sanitaria en una vivienda unifamiliar en Larraul, Guipúzcoa. Escuela Universitaria de Ingeniería Técnica Industrial. Universidad de Zaragoza MEMORIA ~ 86 ~ 1.3.3.3.2. CÁLCULO DE LA SUPERFICE COLECTORA NECESARIA Debido a la gran diferencia entre la aportación solar teórica y la energía neta disponible es necesario recalcular la superficie colectora necesaria. Para ello se realiza la misma operación: se divide la energía total anual necesaria por la energía total anual neta disponible por metro cuadrado de colector (conseguida realizando el sumatorio de la energía neta mensual disponible por metro cuadrado de colector) y se obtiene el número de metros cuadrados de colector necesarios. MES Eneta ENERO 157,65 FEBRERO 192,34 MARZO 304,18 ABRIL 277,45 MAYO 341, 50 JUNIO 360,59 JULIO 383,78 AGOSTO 347,42 SEPTIEMBRE 351,92 OCTUBRE 323,58 NOVIEMBRE 193,59 DICIEMBRE 152,34 TOTAL 3.386,34 Tabla 1.59. Energía neta con total Superficie colectora necesaria (m2) = necesidades anuales / energía neta anual disponible por metro cuadrado de superficie colectora = 8998,28 /3.386,34= 2,67m 2 Instalación de energía solar térmica para producción de agua caliente sanitaria en una vivienda unifamiliar en Larraul, Guipúzcoa. Escuela Universitaria de Ingeniería Técnica Industrial. Universidad de Zaragoza MEMORIA ~ 87 ~ Simplemente dividiendo la superficie total de colectores necesaria entre la superficie de un colector se obtiene el número de colectores necesarios para el correcto funcionamiento de la instalación. Observamos que el colector seleccionado tiene una superficie útil de 2,4 m2, por lo que: Nº colectores necesario = Superficie total necesaria / Superficie colector = = 2,67 / 2,4 = 1,125 colectores Se instalará un solo colector de 2,4 m2 de superficie debido a que abastece prácticamente las necesidades completas de la vivienda. Dicho colector solar se instalará sobre la cubierta inclinada de la vivienda (tejado) con la estructura soporte que ofrece el fabricante para este tipo de ubicación. Figura 1.60 Estructura soporte Instalación de energía solar térmica para producción de agua caliente sanitaria en una vivienda unifamiliar en Larraul, Guipúzcoa. Escuela Universitaria de Ingeniería Técnica Industrial. Universidad de Zaragoza MEMORIA ~ 88 ~ Figura 1.61 Dimensiones estructura soporte La información referente a las estructuras soporte se detalla en el anexo IV. 1.3.3.3.3. CÁLCULO DE LA ENERGÍA APROVECHABLE Tras establecer el número de paneles necesarios para la instalación se recalcula la energía solar que se aprovechará teniendo en cuenta la superficie colectora seleccionada. Multiplicando la energía neta disponible por metro cuadrado de superficie por la superficie total del panel seleccionado y por el número de paneles se obtiene la energía solar total aprovechable: Energía solar total aprovechable = energía neta disponible *m 2 superficie panel * nº paneles = 3.386,34*2,4*1 = 8.127,216 MJ Instalación de energía solar térmica para producción de agua caliente sanitaria en una vivienda unifamiliar en Larraul, Guipúzcoa. Escuela Universitaria de Ingeniería Técnica Industrial. Universidad de Zaragoza MEMORIA ~ 89 ~ Se observa un déficit de 871 MJ aproximadamente, que serán aportados por el equipo auxiliar en los momentos de mayor consumo o menor aportación solar en los que la instalación solar térmica no pueda abastecer las necesidades. 1.3.3.3.4. CÁLCULO DE LA CONTRIBUCIÓN SOLAR La contribución solar anual es la fracción entre los valores anuales de la energía solar aportada exigida y la demanda energética anual, obtenidos a partir de los valores mensuales. Se comprueba que la instalación proyectada cumple con el Código Técnico de Edificación, concretamente con el Documento Básico HE-4 en su apartado 2, que establece la contribución solar mínima para cada zona climática y diferentes niveles de demanda de agua caliente sanitaria a una temperatura de referencia de 60°C, según las tablas xx y xx s, considerándose los siguientes casos: a) general: suponiendo que la fuente energética de apoyo sea gasóleo, propano, gas natural, u otras b) efecto Joule: suponiendo que la fuente energética de apoyo sea electricidad mediante efecto Joule. Tabla 1.62. Contribución solar mínima en %. Caso general Instalación de energía solar térmica para producción de agua caliente sanitaria en una vivienda unifamiliar en Larraul, Guipúzcoa. Escuela Universitaria de Ingeniería Técnica Industrial. Universidad de Zaragoza MEMORIA ~ 96 ~ norma de seguridad, al usar anticongelantes en proporciones de hasta un 30%, aplicaremos un factor de corrección de 1,1 y de 1,2 si la proporción es mayor. Estabilidad: Generalmente, la mayoría de los anticongelantes se degradan con temperaturas del orden de 120°C, pudiendo originar productos corrosivos que degraden los materiales de los que está formado el circuito. Calor específico: El calor específico de una sustancia es la cantidad de calor que hay que dar a una determinada masa de dicha sustancia para elevar su temperatura 1°C. El calor específico de la mezcla de agua con anticongelante es inferior al del agua, lo que deberá ser tenido en cuenta en el cálculo del caudal afectando al dimensionado de la tubería y del electrocirculador. Temperatura de ebullición: Al mezclar anticongelante con agua, elevaremos la temperatura de ebullición del agua, aunque no en exceso, por lo que no lo vamos a tener en cuenta ya que supone un efecto favorable. El fluido caloportador que circulará por el circuito primario de la instalación será una mezcla de agua con anticongelante, siendo el anticongelante seleccionado propilenglicol. Instalación de energía solar térmica para producción de agua caliente sanitaria en una vivienda unifamiliar en Larraul, Guipúzcoa. Escuela Universitaria de Ingeniería Técnica Industrial. Universidad de Zaragoza MEMORIA ~ 97 ~ La temperatura mínima histórica en la provincia de Guipúzcoa es de - 12°C por lo que la instalación debe estar preparada para soportar temperaturas de hasta -17°C (5°C menos que la mínima histórica). Para hallar la concentración de propilenglicol necesaria para soportar dicha temperatura se observa la gráfica 1.64.: Gráfica 1.66. Temperatura de congelación en función de la concentración Para soportar dicha temperatura la concentración en peso del propilenglicol deberá ser del 35%. Instalación de energía solar térmica para producción de agua caliente sanitaria en una vivienda unifamiliar en Larraul, Guipúzcoa. Escuela Universitaria de Ingeniería Técnica Industrial. Universidad de Zaragoza MEMORIA ~ 98 ~ El calor específico de la mezcla será aproximadamente de 0,9 Kcal/kg°C. Para el rango de temperaturas de trabajo en ningún momento el calor específico es inferior a 0,7 Kcal/kg°C tal y como indican las especificaciones técnicas (gráfica 1.65.). Gráfica1.67. Calor específico en función de la temperatura y la concentración Tal y como se observa en la siguiente gráfica, la viscosidad de la mezcla a 45°C será igual a 1,8 centipoises. A continuación se aportan tablas en las que se pueden observar otras características de la mezcla tales como conductividad térmica (Gráfica 1.66) y densidad (Gráfica 1.67). Instalación de energía solar térmica para producción de agua caliente sanitaria en una vivienda unifamiliar en Larraul, Guipúzcoa. Escuela Universitaria de Ingeniería Técnica Industrial. Universidad de Zaragoza MEMORIA ~ 99 ~ Gráfica1.68. Conductividad térmica en función de la temperatura y la concentración en peso Instalación de energía solar térmica para producción de agua caliente sanitaria en una vivienda unifamiliar en Larraul, Guipúzcoa. Escuela Universitaria de Ingeniería Técnica Industrial. Universidad de Zaragoza MEMORIA ~ 100 ~ Gráfica1.69. Viscosidad en función de la temperatura y la concentración en peso Instalación de energía solar térmica para producción de agua caliente sanitaria en una vivienda unifamiliar en Larraul, Guipúzcoa. Escuela Universitaria de Ingeniería Técnica Industrial. Universidad de Zaragoza MEMORIA ~ 101 ~ Gráfica1.70. Densidad en función de la temperatura y la concentración en peso El fabricante de los colectores solares seleccionado proporciona también el fluido anticongelante necesario para el llenado del circuito primario. El anticongelante “Fluidosol” es un líquido fisiológicamente inofensivo y teñido de verde basado en una solución acuosa Propilenglicol y otros glicoles de peso molecular muy elevado, y con un punto de ebullición superior a +290ºC a 1030 mbar. Está especialmente diseñado para soportar las condiciones de estancamiento de los captadores solares térmicos. Instalación de energía solar térmica para producción de agua caliente sanitaria en una vivienda unifamiliar en Larraul, Guipúzcoa. Escuela Universitaria de Ingeniería Técnica Industrial. Universidad de Zaragoza MEMORIA ~ 102 ~ Para su posterior dilución, se recomienda utilizar agua desionizada. Está inhibido con inhibidores de corrosión no-tóxicos y no contiene nitratos, aminas y fosfatos. Además, el producto cumple los requerimientos de la DIN 4757 parte 3 para sistemas de energía solar térmica. Con una concentración de Fluidosol del 30% se logra una protección de la instalación hasta -15°C, se comprueba así que para la temperatura mínima de - 17°C es necesario aumentar el porcentaje de concentración hasta el 35%, tal y como se ha demostrado anteriormente. En la siguiente tabla se muestra los litros de anticongelante puro necesarios para los kits forzados Termicol con una distancia aproximada de 30 metros entre captadores y acumulador: Imagen 1.71. Anticongelante Instalación de energía solar térmica para producción de agua caliente sanitaria en una vivienda unifamiliar en Larraul, Guipúzcoa. Escuela Universitaria de Ingeniería Técnica Industrial. Universidad de Zaragoza MEMORIA ~ 103 ~ Tabla 1.72.Volumen de anticongelante en función del acumulador La cantidad necesaria de anticongelante se determinará según la capacidad del acumulador en el apartado 1.3.3.4.3. SISTEMA DE ACUMULACIÓN. 1.3.3.4.2.3. TUBERÍAS Y AISLAMIENTOS CIRCUITO PRIMARIO (Fluido caloportador) Tuberías Con objeto de evitar pérdidas térmicas, la longitud de tuberías deberá ser tan corta como sea posible, evitando al máximo codos y pérdidas de carga en general. El diseño y los materiales deberán ser tales que no exista posibilidad de formación de obstrucciones o deposiciones de cal en sus circuitos que influyan en el rendimiento del sistema. Instalación de energía solar térmica para producción de agua caliente sanitaria en una vivienda unifamiliar en Larraul, Guipúzcoa. Escuela Universitaria de Ingeniería Técnica Industrial. Universidad de Zaragoza MEMORIA ~ 104 ~ En sistemas directos se utilizará cobre o acero inoxidable en el circuito primario, admitiéndose tuberías de material plástico acreditado para esta aplicación. En e l apartado 3.4.5, “Tuberías” de la sección HE 4 del documento básico HE del CTE, se indica que en las tuberías del circuito primario podrán utilizarse como materiales el acero negro, el cobre y el acero inoxidable, con uniones roscadas, soldadas o embridadas y protección exterior con pintura anticorrosiva. En el circuito secundario o de servicio de agua caliente, podrá utilizarse cobre o acero inoxidable y materiales plásticos que soporten la temperatura máxima del circuito cumpliendo las normas UNE que le sean de aplicación y esté autorizada su utilización por las compañías de suministro de agua potable. En la instalación de estudio se utilizarán tuberías de cobre tanto para el circuito primario como para el secundario, suministradas en tubos estirados en frío y soldados por capilaridad. El Pliego de Condiciones Técnicas de Instalaciones de Baja Temperatura del IDAE, en el anexo VII, “Componentes”, en su apartado VII.e, “Tuberías”, indica que el dimensionado de las tuberías se realizará de forma que la pérdida de carga unitaria en tuberías nunca sea superior a 40 mmca por metro lineal, sin admitirse pérdidas de carga superiores a 7 mca en el circuito primario ni en el secundario. También se indica en este mismo apartado que la velocidad de circulación del fluido por las tuberías será inferior a 2 m/s cuando la tubería discurra por locales habitados e inferior a 3 m/s cuando el trazado sea por el exterior del local. Instalación de energía solar térmica para producción de agua caliente sanitaria en una vivienda unifamiliar en Larraul, Guipúzcoa. Escuela Universitaria de Ingeniería Técnica Industrial. Universidad de Zaragoza MEMORIA ~ 105 ~ De esta forma, para nuestra instalación se ha considerado el siguiente esquema: Figura 1.73.Esquema básico de circuito primario Como la instalación proyectada es de un solo panel, se observa que no existen diferentes tramos de tuberías, por lo que todo el circuito tendrá igual diámetro. La selección del diámetro de las tuberías se realizará utilizando ábacos como el de la figura, que da la pérdida por rozamiento (mm de columna de agua por metro) para tubería de cobre (diámetro interior en milímetros): Instalación de energía solar térmica para producción de agua caliente sanitaria en una vivienda unifamiliar en Larraul, Guipúzcoa. Escuela Universitaria de Ingeniería Técnica Industrial. Universidad de Zaragoza MEMORIA ~ 112 ~ Para la selección del vaso de expansión se utilizarán los siguientes datos: - Volumen total del fluido en la instalación, en litros. - Temperatura mínima de funcionamiento, para la que asumiremos el valor de 4°C, a la que corresponde la máxima densidad. - Temperatura máxima que puede alcanzar el fluido durante el funcionamiento de la instalación. - Presiones mínima y máxima de servicio. El volumen total del vaso y la presión nominal PN son los datos que definen sus características de funcionamiento. Los vasos de expansión cerrados cumplirán con el Reglamento de Recipientes a Presión. La temperatura extrema del circuito primario será, como mínimo, la temperatura de estancamiento del colector. El volumen de dilatación será, como mínimo, igual al 4,3% del volumen total de fluido caloportador en el circuito primario. El vaso de expansión se dimensionará de forma que la presión mínima en frío en el punto más alto del circuito no sea inferior a 1,5 kg/cm 2 y la presión máxima en caliente en cualquier punto del circuito no supere la presión máxima de trabajo de los componentes de la instalación. Instalación de energía solar térmica para producción de agua caliente sanitaria en una vivienda unifamiliar en Larraul, Guipúzcoa. Escuela Universitaria de Ingeniería Técnica Industrial. Universidad de Zaragoza MEMORIA ~ 113 ~ DIMENSIONADO DEL VASO DE EXPANSIÓN: Para el cálculo del volumen del vaso de expansión necesario para el circuito primario de nuestra instalación solar térmica seguiremos lo indicado en la Instrucción UNE 100-155-88. Según esta instrucción, para un vaso de expansión cerrado con fluido en contacto directo (con diafragma) con un gas presurizado, el volumen total del vaso se calcula mediante la siguiente expresión: V t = V*C e *C p Donde: V t = Volumen total del vaso de expansión. V = Contenido total de fluido caloportador en el circuito primario de la instalación solar. Ce = Coeficiente de dilatación del fluido caloportador. Cp = Coeficiente de presión del gas. Se comienza calculando el volumen de fluido caloportador de la instalación solar, V, en litros. Para ello, se multiplica la longitud de la tubería del circuito primario por el área de dicha tubería. Instalación de energía solar térmica para producción de agua caliente sanitaria en una vivienda unifamiliar en Larraul, Guipúzcoa. Escuela Universitaria de Ingeniería Técnica Industrial. Universidad de Zaragoza MEMORIA ~ 114 ~ 38 metros*(10/2)2*∏=2,98 litros ≈ 3 litros de fluido caloportador en las tuberías. De la hoja de características del colector seleccionado para nuestra instalación, Termicol T25S, se observa que el volumen de fluido caloportador contenido en los colectores es de 1,27 litros. Como la instalación está formada por un solo colector: Volumen total de fluido caloportador en colectores = 1,27 litros Con todos estos datos, se establece que el volumen total de fluido caloportador en el circuito primario de la instalación solar será: V = 3 + 1,27 ≈ 4,3 litros El siguiente paso será calcular el coeficiente de presión del gas, Cp. Este coeficiente representa la relación entre el volumen total, Vt, y el volumen útil, Vu, del vaso de expansión. Se obtiene mediante la fórmula: C p = P M / (P M -P m ) Donde: C p = Coeficiente de presión del gas P M = Presión máxima en el vaso. P m = Presión mínima en el vaso (presión inicial de nitrógeno del vaso de expansión). Instalación de energía solar térmica para producción de agua caliente sanitaria en una vivienda unifamiliar en Larraul, Guipúzcoa. Escuela Universitaria de Ingeniería Técnica Industrial. Universidad de Zaragoza MEMORIA ~ 115 ~ La Instrucción UNE 100-155-88 dice que la presión máxima de funcionamiento, P M , será ligeramente menor que la presión de tarado de la válvula de seguridad, P VS, que a su vez, será inferior a la menor entre las presiones máximas de trabajo, a la temperatura de funcionamiento, de los equipos y aparatos que forman parte del circuito. El fabricante de los colectores que hemos seleccionado para nuestra instalación, Termicol, nos indica que la presión de trabajo del primario debe ser de 6 bares, por lo que la presión de tarado de la válvula de seguridad colocada en la entrada de cada una de las baterías de colectores será de 6 bares. P VS = 6 bares. Una vez conocida la presión de tarado de la válvula de seguridad, para el cálculo de la presión máxima en el vaso se elegirá el menor de los siguientes valores: - PM = 0,9 * 6 = 5,4 - PM = 6 +0,65 = 6,65 En este caso la presión máxima en el vaso elegida será de 5,4 bares. La presión mínima de funcionamiento en el vaso, Pm, se calculará mediante la expresión: Pm = 1,5bar + 0,1*h Donde h es la altura estática de la instalación en metros. Instalación de energía solar térmica para producción de agua caliente sanitaria en una vivienda unifamiliar en Larraul, Guipúzcoa. Escuela Universitaria de Ingeniería Técnica Industrial. Universidad de Zaragoza MEMORIA ~ 116 ~ En la instalación del proyecto el vaso de expansión se encontrará situad en el sótano, mientras que los colectores se encuentran situados en la cubierta, el tejado del edificio, a una altura aproximada de 9 metros. Por lo que la presión mínima de funcionamiento del vaso valdrá: Pm = 1,5 + 0,1*9 = 2,4 bar Conocidas las presiones máxima y mínima en el vaso, el coeficiente de presión resulta: C p = P M /(P M -P m ) = 5,4/(5,4-2,4) = 1,8 El último paso del proceso de cálculo del vaso de expansión será calcular el coeficiente de expansión o dilatación, Ce, del fluido caloportador. Este coeficiente es siempre positivo y menor que la unidad y representa la relación entre el volumen útil del vaso de expansión, Vu, que debe ser igual al volumen del fluido expansionado, y el volumen de fluido contenido en la instalación. El coeficiente de dilatación de la mezcla depende de su composición y del salto térmico, si consideramos la dilatación desde 4°C hasta 100°C, el valor para agua sin aditivos, es igual a 0,043. En el caso de que se utilice agua con anticongelante y no se disponga de información concreta respecto a la dilatación de la mezcla, podemos tomar un valor igual a 0,08. Ce = 0,08 Instalación de energía solar térmica para producción de agua caliente sanitaria en una vivienda unifamiliar en Larraul, Guipúzcoa. Escuela Universitaria de Ingeniería Técnica Industrial. Universidad de Zaragoza MEMORIA ~ 117 ~ Con todos estos datos podemos calcular el volumen total del vaso de expansión tal y como se ha descrito inicialmente: V t = V*C e *C p = 4,3 * 0,08 * 1,8 = 0,62 litros Pese a que el volumen de fluido expandido es muy pequeño se instalará un vaso de expansión en el circuito primario por ser un elemento de seguridad importante y no conlleva un incremento excesivo en el coste de la instalación. Se instalará un vaso de expansión de 8 litros, cuyas características se describen en la siguiente figura: Figura 1.77 Datos técnicos vaso de expansión - Temperatura máxima de funcionamiento es de: 383 K (110°C). - Acabado exterior fosfatado, pintado y secado al horno. - Pintado en color rojo RAL-3.013. Instalación de energía solar térmica para producción de agua caliente sanitaria en una vivienda unifamiliar en Larraul, Guipúzcoa. Escuela Universitaria de Ingeniería Técnica Industrial. Universidad de Zaragoza MEMORIA ~ 118 ~ 1.3.3.4.3. SISTEMA DE ACUMULACIÓN 1.3.3.4.3.1. CARACTERÍSTICAS GENERALES La necesidad de energía no siempre va a coincidir en el tiempo con la captación que obtendremos del Sol, por lo que es imprescindible disponer de un sistema de almacenamiento para hacer frente a la demanda en momentos de poca o nula insolación, como por ejemplo, durante la noche o en días nublados. A un buen sistema de almacenamiento se le deberá exigir: - Alta capacidad calorífica. - Volumen reducido. - Temperatura de utilización acorde con la necesidad concreta. - Respuesta rápida a la demanda. - Buena integración en el edificio. - Bajo coste. - Seguridad. - Larga duración. Almacenar energía mediante agua caliente tiene muchas ventajas. Es barata, fácil de manipular, tiene un alto calor específico y, para el caso de ACS, es al mismo tiempo el elemento de consumo. Instalación de energía solar térmica para producción de agua caliente sanitaria en una vivienda unifamiliar en Larraul, Guipúzcoa. Escuela Universitaria de Ingeniería Técnica Industrial. Universidad de Zaragoza MEMORIA ~ 119 ~ Materiales: El tipo de material para el acumulador depende de varios factores, como el tipo de aplicación, lugar donde se vaya a ubicar, coste, vida media calculada y facilidad de mantenimiento. Los materiales más usados son el acero, acero inoxidable, aluminio y fibra de vidrio reforzada; siendo el más utilizado de todos es el acero, ya que es barato, pero necesita una protección interior contra la corrosión mediante la utilización de pinturas tipo epoxi, vitrificado, ánodo de magnesio, galvanizado en caliente (en este caso la temperatura de almacenamiento no podrá superar los 65°C), etc. El mejor material es el acero inoxidable, aunque es bastante caro. El aluminio, aunque su precio es asequible, presenta problemas de corrosión graves, por lo que su utilización no es muy aconsejable. Forma: La forma de los acumuladores suele ser cilíndrica por su facilidad de construcción, siendo la dimensión vertical (altura) mayor que la horizontal (diámetro), para favorecer el fenómeno de la estratificación. La densidad del agua disminuye al aumentar su temperatura, por lo tanto cuanto mayor sea la altura del depósito acumulador, mayor será la diferencia entre la temperatura en la parte superior e inferior de este, es decir, mayor será la estratificación. Instalación de energía solar térmica para producción de agua caliente sanitaria en una vivienda unifamiliar en Larraul, Guipúzcoa. Escuela Universitaria de Ingeniería Técnica Industrial. Universidad de Zaragoza MEMORIA ~ 120 ~ Figura 1.78 Estratificación en acumulador sin y con intercambiador Los acumuladores verticales además de favorecer la estratificación, ocupan menos espacio, aprovechando mejor la altura de las habitaciones con el consiguiente ahorro económico en el soporte o anclaje. Los acumuladores serán preferentemente de configuración vertical y se ubicarán en zonas interiores. Aplicaciones de ACS: En aplicaciones de ACS, y si el sistema de energía auxiliar no está incorporado en el acumulador solar, será necesario realizar un conexionado entre el sistema auxiliar y el solar de forma que se pueda calentar este último con el auxiliar, para poder cumplir con las medidas de prevención de la legionelosis. Instalación de energía solar térmica para producción de agua caliente sanitaria en una vivienda unifamiliar en Larraul, Guipúzcoa. Escuela Universitaria de Ingeniería Técnica Industrial. Universidad de Zaragoza MEMORIA ~ 121 ~ Conexiones: Para aprovechar al máximo la energía captada y evitar la pérdida de estratificación por temperatura en los acumuladores, la situación de las tomas para las diferentes conexiones serán las siguientes: - La conexión de entrada de agua caliente procedente del intercambiador o de fluido caliente de los colectores al acumulador se realizará, preferentemente, a una altura comprendida entre el 50% y el 75% de la altura total del mismo. - La conexión de salida de agua fría del acumulador hacia el intercambiador o de fluido frío a los colectores se realizará por la parte inferior de este. - En caso de una sola aplicación, la entrada de agua fría de la red al acumulador se realizará por la parte inferior. La extracción de agua caliente del acumulador se realizará por la parte superior. - En caso de varias aplicaciones (solar y auxiliar) dentro del mismo depósito habrá que tener en cuenta los niveles térmicos de estas, de forma que tanto las entradas como las salidas para aplicaciones que requieran un mayor nivel térmico en temperaturas estén por encima de las que requieran un nivel menor. - Es recomendable que la entrada de agua fría de la red esté equipada con una placa deflectora para evitar que la velocidad residual destruya la estratificación en el acumulador. Instalación de energía solar térmica para producción de agua caliente sanitaria en una vivienda unifamiliar en Larraul, Guipúzcoa. Escuela Universitaria de Ingeniería Técnica Industrial. Universidad de Zaragoza MEMORIA ~ 128 ~ Conocido este dato y la superficie colectora de la instalación en estudio, verificamos que se cumple la condición antes establecida: 50<V/A<180 50<200/2,4 = 83,33<180 Comprobamos que estamos dentro de la condición. Además, este resultado está acorde con lo que nos indica el Pliego de Condiciones Técnicas de Instalaciones de Baja Temperatura del IDAE, en su apartado 3.1, donde se indica que para instalaciones con fracciones solares bajas, se deberá considerar el uso de relaciones V/A pequeñas. Gráfica1.82. Curva de potencia para diferentes caudales y temperatura de circuito primario para producción de ACS. Instalación de energía solar térmica para producción de agua caliente sanitaria en una vivienda unifamiliar en Larraul, Guipúzcoa. Escuela Universitaria de Ingeniería Técnica Industrial. Universidad de Zaragoza MEMORIA ~ 129 ~ Gráfica 1.83. Pérdidas de carga entre conexiones de entrada y salida de circuito primario para diferentes caudales de circulación. Figura 1.84. Curva de producción continua de ACS a diferentes temperaturas y caudal del circuito primario predeterminado Instalación de energía solar térmica para producción de agua caliente sanitaria en una vivienda unifamiliar en Larraul, Guipúzcoa. Escuela Universitaria de Ingeniería Técnica Industrial. Universidad de Zaragoza MEMORIA ~ 130 ~ La cantidad total de anticongelante a utilizar se determina en la siguiente gráfica teniendo en cuenta que se ha optado por un acumulador de 200 litros. Tabla 1.85.Volumen de anticongelante para acumulador de 200 litros 1.3.3.4.4.4. INTERCAMBIADOR DE CALOR El intercambiador de calor es un dispositivo que se introduce en una instalación solar cuando se necesitan dos circuitos independientes. Se utilizarán en: - Instalaciones de ACS en las que se desea que no pase el agua sanitaria por los colectores, para evitar riesgos de heladas, incrustaciones, corrosión del circuito, sobrepresiones,… - Instalaciones de calefacción con almacenamiento térmico por agua caliente, en las que se quiere limitar la cantidad de anticongelante necesario, gracias a un circuito primario de volumen reducido. Instalación de energía solar térmica para producción de agua caliente sanitaria en una vivienda unifamiliar en Larraul, Guipúzcoa. Escuela Universitaria de Ingeniería Técnica Industrial. Universidad de Zaragoza MEMORIA ~ 131 ~ - Instalaciones de ACS y calefacción en las que el ACS y el sistema de distribución de calefacción se calientan en un interacumulador. De los datos técnicos aportados por el fabricante se establece que el intercambiador de serpentín tiene una superficie de intercambio de 1,4 m 2 . 1.3.3.4.4. BOMBAS DE CIRCULACIÓN Se instalará una bomba de circulación en el circuito primario para producir la presión necesaria para la circulación del agua y del fluido caloportador, evitando que el fluido caliente se estanque y produzca averías. Las bombas podrán ser de diferentes tipos: en línea, de rotor seco o húmedo o de bancada. Se utilizarán bombas tipo circuladoras en línea que se montarán en las zonas más frías del circuito, teniendo en cuenta que no se produzca ningún tipo de cavitación y siempre con el eje de rotación en posición horizontal. En circuitos de agua caliente para usos sanitarios, los materiales de la bomba serán resistentes a la corrosión, a las averías producidas por incrustaciones calizas, a la presión máxima del circuito y serán compatibles con el fluido de trabajo. Instalación de energía solar térmica para producción de agua caliente sanitaria en una vivienda unifamiliar en Larraul, Guipúzcoa. Escuela Universitaria de Ingeniería Técnica Industrial. Universidad de Zaragoza MEMORIA ~ 132 ~ DIMENSIONADO DE LA BOMBA DE CIRCULACIÓN DEL CIRCUITO PRIMARIO: Para el correcto dimensionado de la bomba de circulación es necesario saber el caudal de fluido que debe circular por la instalación y las pérdidas de carga total de la instalación que la bomba tiene que vencer, es decir: - Las pérdidas de carga en la red de tuberías (lineales). - Las pérdidas de carga locales en accesorios. - Las pérdidas de carga en colectores. - Las pérdidas de carga en el intercambiador. Caudal de fluido: Según lo especificado en el dimensionado de las tuberías del circuito primario, el caudal de fluido caloportador que circulará por dicho circuito será de 93,34 litros/hora. Pérdida de carga en la red de tuberías: Las pérdidas de carga en la red de tuberías se calculan multiplicando la pérdida de carga unitaria por metro, que hemos fijado en 8 mmca por metro, por la longitud total de tubería. Instalación de energía solar térmica para producción de agua caliente sanitaria en una vivienda unifamiliar en Larraul, Guipúzcoa. Escuela Universitaria de Ingeniería Técnica Industrial. Universidad de Zaragoza MEMORIA ~ 133 ~ Se realiza el cálculo para el colector o batería de colectores más alejado de la bomba, ya que si la bomba a seleccionar es capaz de vencer las pérdidas de carga para dicha batería, lo será también para cualquiera de las baterías restantes de la instalación, debido a que el camino de ida y retorno para el fluido es igual. Se ha estimado una longitud total de la tubería del circuito primario de 38 metros, por lo que la pérdida de carga total será: Pérdida de carga unitaria = 8 mmca/m * 38 m = 304 mmca. Pérdida de carga locales en accesorios: El cálculo de las pérdidas de carga locales en accesorios se realizará por el procedimiento de expresar estas como un % de las pérdidas de carga lineales de la instalación. Generalmente se fija entre un 20% y un 30%, dependiendo de la cantidad de curvas y complejidad de la instalación. En esta instalación se fijarán en un 30% de las pérdidas de carga lineales de las tuberías, es decir: 0,3* 304 mmca = 91,2 mmca Instalación de energía solar térmica para producción de agua caliente sanitaria en una vivienda unifamiliar en Larraul, Guipúzcoa. Escuela Universitaria de Ingeniería Técnica Industrial. Universidad de Zaragoza MEMORIA ~ 134 ~ Pérdida de carga en el intercambiador: Las pérdidas de carga en el intercambiador es un dato que nos facilita el fabricante del mismo; en este caso, Lapesa nos facilita la siguiente gráfica: Gráfica 1.86 Pérdidas de carga entre conexiones de entrada y salida de circuito primario para diferentes caudales de circulación. Según la gráfica de pérdidas de carga entre conexiones de entrada y salida de circuito primario para diferentes caudales de circulación, se establece que la pérdida de carga para el caudal del circuito primario de la instalación ( 93,4 litros/hora = 0,0934 m3/h) es de 5 mbar, 50 mmca. Instalación de energía solar térmica para producción de agua caliente sanitaria en una vivienda unifamiliar en Larraul, Guipúzcoa. Escuela Universitaria de Ingeniería Técnica Industrial. Universidad de Zaragoza MEMORIA ~ 135 ~ Pérdida de carga total en el circuito primario de la instalación: Conocidos los datos anteriores se calcula la pérdida de carga total, que es el sumatorio de las tres pérdidas citadas anteriormente, de forma que: Pérdida de carga total = ∑ Pérdida de carga elementos = = 304 mmca + 91,2 mmca + 50 mmca = 445 ,2 mmca. Selección de la bomba: Una vez calculado el valor definitivo de la pérdida de carga total que tendrá que vencer la bomba (445 ,2 mmca), ésta se seleccionará según las curvas características de los diferentes modelos, teniendo en cuenta que el caudal unitario que debe suministrar es de unos 94 litros/hora para el caso de fluido caloportador con anticongelante. Se ha seleccionado la bomba circuladora de rotor húmedo de la marca WILO, modelo Wilo-Star-Z. Dicha bomba está diseñada para sistemas de reticulación de ACS y sistemas del mismo tipo en el campo de la industria y edificación, instalándose mediante conexión roscada. Instalación de energía solar térmica para producción de agua caliente sanitaria en una vivienda unifamiliar en Larraul, Guipúzcoa. Escuela Universitaria de Ingeniería Técnica Industrial. Universidad de Zaragoza MEMORIA ~ 136 ~ Figura 1.87. Bomba de circulación de rotor húmedo Wilo-Star-Z Características del producto: - Bomba de motor monofásico con conexión eléctrica rápida. - Todos los componentes de material sintético que están en contacto con el fluido cumplen los requisitos KTW - Aislamiento térmico de serie para Star-Z 15. Instalación de energía solar térmica para producción de agua caliente sanitaria en una vivienda unifamiliar en Larraul, Guipúzcoa. Escuela Universitaria de Ingeniería Técnica Industrial. Universidad de Zaragoza MEMORIA ~ 137 ~ Figura 1.88. Gráfica de caudal – pérdida de carga se las bombas WILO-Star Datos básicos técnicos - Rango de temperaturas permitido: Agua potable hasta 18°dH máx. +65°C, en el servicio de corta duración (2 h) hasta +70°C. Agua de calefacción: 10°C a +110 °C. - Agua potable hasta 18 °dH: máx. +65 °C, en el servicio de corta duración (2h) hasta +70°C. - Agua de calefacción: -10 °C a +110 °C - Alimentación eléctrica 1~230 V, 50 Hz. - Tipo de protección IP 44. - Conexión roscada Rp ½, Rp 1 - Presión de trabajo máx. 10 bar Instalación de energía solar térmica para producción de agua caliente sanitaria en una vivienda unifamiliar en Larraul, Guipúzcoa. Escuela Universitaria de Ingeniería Técnica Industrial. Universidad de Zaragoza MEMORIA ~ 144 ~ Los hidrómetros se utilizan en circuitos o sistemas abiertos, mientras que en las instalaciones solares provistas de vaso de expansión cerrado se suelen utilizar manómetros, generalmente con escalas inferiores a 6 kg/cm2. VÁLVULAS: La elección de las válvulas se realizará de acuerdo a la función que desempeñan y las condiciones extremas de funcionamiento (presión y temperatura), siguiendo preferentemente los criterios que se indican en la tabla siguiente: FUNCIÓN TIPO Aislamiento (corte) Válvula de esfera Equilibrado de circuitos Válvula de asiento Vaciado Válvulas de esfera o macho Llenado Válvula de esfera Purga de aire Válvula de esfera o macho Seguridad Vál vula de resorte Retención Válvula de clapeta o disco de doble compuerta Tabla 1.93. Funciones de las válvulas según el tipo No se permitirá la utilización de válvulas de compuerta. Instalación de energía solar térmica para producción de agua caliente sanitaria en una vivienda unifamiliar en Larraul, Guipúzcoa. Escuela Universitaria de Ingeniería Técnica Industrial. Universidad de Zaragoza MEMORIA ~ 145 ~ El acabado de las superficies de asiento y obturador deberá asegurar la estanqueidad al cierre de las válvulas, para las condiciones de servicio especificadas. El volante y la palanca deberán ser de dimensiones suficientes para asegurar el cierre y la apertura de forma manual aplicando una fuerza razonable, sin la ayuda de otros medios auxiliares. El órgano de mando no deberá interferir con el aislamiento térmico de la tubería y del cuerpo de la válvula. Las superficies del asiento y del obturador deberán ser recambiables. La empaquetadura será recambiable en servicio, con la válvula abierta a topa, sin tener que desmontarla. En el cuerpo de las válvulas irán troquelados la presión nominal PN, expresada en bares o kp/cm2, y el diámetro nominal DN, en mm o pulgadas, al menos cuando el diámetro sea mayor o igual a 25 mm. La presión nominal mínima de todo tipo de válvulas y accesorios deberá ser igual o superior a 4 kg/cm2. Las válvulas de seguridad, por su importancia, deberán ser capaces de derivar la potencia máxima del colector o grupo de colectores, incluso en forma de vapor, de forma que en ningún caso se sobrepase la máxima presión de trabajo del colector o del sistema. Instalación de energía solar térmica para producción de agua caliente sanitaria en una vivienda unifamiliar en Larraul, Guipúzcoa. Escuela Universitaria de Ingeniería Técnica Industrial. Universidad de Zaragoza MEMORIA ~ 146 ~ Las válvulas de retención se situarán en la tubería de impulsión de la bomba, entre la boca y el manguito antivibratorio y, en cualquier caso, aguas arriba de la válvula de interceptación. VALVULA 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 (colectores, tuberías, acumuladores, etc.). Se deben colocar en todos los circuitos sometidos a presión y a variaciones de temperatura. El tarado de la válvula, o presión a la que esta actúa dejando escapar el fluido, tendrá que ser inferior a la presión que pueda soportar el elemento más delicado del circuito que proteja, que en este caso es el vaso de expansión cerrado, o los colectores en el circuito primario y el depósito de acumulación en el secundario. Su elección y colocación resulta fácil al existir en el mercado válvulas previamente taradas a una determinada presión. Su funcionamiento es muy sencillo, constando básicamente de un muelle que es vencido por la sobrepresión del circuito. El tamaño de la válvula viene determinado por su diámetro de conexión al circuito y este se selecciona en función del tamaño de la instalación, según la normativa vigente en materia de seguridad. Instalación de energía solar térmica para producción de agua caliente sanitaria en una vivienda unifamiliar en Larraul, Guipúzcoa. Escuela Universitaria de Ingeniería Técnica Industrial. Universidad de Zaragoza MEMORIA ~ 147 ~ Para los circuitos primarios, los tamaños más habituales son ½”, ¾” y 1” y el para circuitos secundarios, por tener más capacidad que los primarios la evacuación en caso de sobrepresión tendrá que ser más rápida, por lo que las válvulas son mayores, generalmente de diámetro igual o superior a 1 ½”. Se colocarán para proteger depósitos acumuladores con capacidad igual o superior a 2000 litros. Si se quiere saber cuándo actúa una válvula de seguridad, conviene colocar en la descarga un embudo desagüe que permita observar el funcionamiento de la misma. VÁLVULAS ANTIRRETORNO: Una válvula antirretorno solo permite el paso del fluido en un sentido, impidiendo la circulación en el sentido contrario. Existen varios tipos: de clapeta vertical u horizontal, de muelle, de bola, etc. Figura 1.94 Válvula antirretorno Instalación de energía solar térmica para producción de agua caliente sanitaria en una vivienda unifamiliar en Larraul, Guipúzcoa. Escuela Universitaria de Ingeniería Técnica Industrial. Universidad de Zaragoza MEMORIA ~ 148 ~ En las válvulas antirretorno de clapeta vertical, el fluido, al circular, empuja una compuerta que, por su posición, se cierra de forma inmediata cuando cesa la circulación, no permitiendo el paso de líquido en sentido contrario. Figura 1.95 Sección de válvula antirretorno En las de clapeta horizontal el elemento de cierre es un obturador que cierra o abre el paso del fluido en función del sentido de circulación de este. Este tipo de válvulas produce poca pérdida de carga, por lo que se utilizan en circuitos primarios colocándose para evitar la recirculación por termosifón inverso. En las válvulas antirretorno de muelle, el fluido empuja un muelle, que mueve a su vez el obturador, permitiendo la circulación del fluido. Este tipo de válvulas origina una pérdida de carga mayor que la del tipo clapeta por lo que solo se aconseja su colocación en circuitos secundarios sometidos a mayor presión. VÁLVULAS DE PASO: Su función es interrumpir de forma total o parcial el paso del fluido por las tuberías. Instalación de energía solar térmica para producción de agua caliente sanitaria en una vivienda unifamiliar en Larraul, Guipúzcoa. Escuela Universitaria de Ingeniería Técnica Industrial. Universidad de Zaragoza MEMORIA ~ 149 ~ Las de cierre total se usan para separar una parte de la instalación o aislarla del servicio, mientras que las de cierre parcial sirven para producir una pérdida de carga adicional en el circuito, con objeto de regular el caudal o equilibrar la instalación. Cada función específica dentro de la instalación exige un tipo determinado de válvula, siendo las más utilizadas en las instalaciones de energía solar las válvulas de asiento y las de bola. Válvulas de asiento: En estas válvulas, el elemento obturador (el que no deja pasar el fluido) es un disco, que puede tener diferentes formas, y que se cierra sobre un asiento. En ellas el fluido cambia de dirección, siendo obligado a pasar entre el asiento y el obturador, originándose pérdidas de carga. Son muy utilizadas en las instalaciones de energía solar para equilibrar el circuito, regulando el caudal. Figura 1.96 Válvula de paso de asiento Instalación de energía solar térmica para producción de agua caliente sanitaria en una vivienda unifamiliar en Larraul, Guipúzcoa. Escuela Universitaria de Ingeniería Técnica Industrial. Universidad de Zaragoza MEMORIA ~ 150 ~ Válvulas de bola o de esfera: Las válvulas de esfera o de bola son válvulas cuyo elemento obturador es una bola de acero inoxidable con un orificio del mismo diámetro que la tubería donde se coloca. El asiento del cuerpo de la válvula es una junta de plástico, generalmente teflón. La apertura o cierre de la válvula se efectúa por medio de una palanca accionada de forma manual. Figura 1.97 Válvula de paso de bola o de esfera La principal ventaja de este tipo de válvulas es que presenta una pérdida de carga mínima cuando está abierta. VÁLVULAS REDUCTORAS DE PRESIÓN: Su misión es impedir que, a partir del punto donde se instalen, la presión en el circuito no supere un valor prefijado. Instalación de energía solar térmica para producción de agua caliente sanitaria en una vivienda unifamiliar en Larraul, Guipúzcoa. Escuela Universitaria de Ingeniería Técnica Industrial. Universidad de Zaragoza MEMORIA ~ 151 ~ Constan de mando giratorio para fijar la presión deseada, una toma para instalar un manómetro y un portafiltro desmontable para facilitar su limpieza. Este tipo de válvulas se monta de manera que la flecha que lleva grabada en su parte inferior indique el sentido de la corriente líquida. La válvula mantiene la presión constante a la salida dependiendo del valor a la que se regule, aunque la presión en la línea de entrada pueda variar. Figura 1.98 Válvulas reductoras de presión Instalación de energía solar térmica para producción de agua caliente sanitaria en una vivienda unifamiliar en Larraul, Guipúzcoa. Escuela Universitaria de Ingeniería Técnica Industrial. Universidad de Zaragoza MEMORIA ~ 152 ~ NOMBRE SÍMBOLO DIÁMETRO UNIDADES Válvula de esfera ¼” 13 Válvula de retención ¼” 3 Válvula de tres vías ¼” 1 Purgador ¼” 1 Contador ¼” 1 Manómetro ¼” 2 Tabla 1.99. Detalles de las válvulas a instalar 1.3.3.4.7. SISTEMA DE ENERGÍA AUXILIAR El sistema convencional de apoyo o sistema de energía auxiliar tendrá una potencia térmica suficiente para que pueda proporcionar la energía necesaria para la producción total de agua caliente. Instalación de energía solar térmica para producción de agua caliente sanitaria en una vivienda unifamiliar en Larraul, Guipúzcoa. Escuela Universitaria de Ingeniería Técnica Industrial. Universidad de Zaragoza MEMORIA ~ 153 ~ Su función será asegurar la continuidad en el abastecimiento de la demanda térmica añadiendo la cantidad de energía auxiliar estrictamente precisa para conseguir la temperatura mínima aceptable para el uso, aprovechándose lo máximo posible la energía extraída del campo de colectores. El sistema convencional de apoyo o auxiliar deberá estar colocado en serie con el acumulador y siempre después de este, admitiéndose la producción instantánea de la energía de apoyo o producción de energía de apoyo en un acumulador independiente. Se deberá prever un bypass del agua de red al sistema auxiliar para garantizar el abastecimiento de ACS en caso de paro de la instalación solar por avería, reparación o mantenimiento. Para ACS, el sistema de aporte de energía auxiliar con acumulación o en línea siempre dispondrá de un termostato de control sobre la temperatura de preparación que en condiciones normales de funcionamiento permitirá cumplir con el Real Decreto 865/2003. Este punto no será de aplicación en los calentadores instantáneos de gas o no modulantes. Queda prohibido el uso de sistemas de energía auxiliar en el circuito primario de colectores. En la instalación proyectada se utilizará como sistema auxiliar una caldera de calentamiento instantáneo. Instalación de energía solar térmica para producción de agua caliente sanitaria en una vivienda unifamiliar en Larraul, Guipúzcoa. Escuela Universitaria de Ingeniería Técnica Industrial. Universidad de Zaragoza ANEXOS ~ 65 ~ Agua fría: 2*Caudal tramo C = 2*2160 litros/ hora = 4320 litros/ hora. Agua caliente: 2*Caudal tramo C = 2*1620 litros/ hora = 3240 litros/ hora. Diámetro tubería agua fría: 35/38 mm. Diámetro tubería agua caliente: 28/31mm. TRAMO E: Salida acumulador El tramo de tubería E es el que sale del acumulador hasta el primer piso, donde se bifurca en los dos tramos D que distribuyen el agua por las plantas baja Instalación de energía solar térmica para producción de agua caliente sanitaria en una vivienda unifamiliar en Larraul, Guipúzcoa. Escuela Universitaria de Ingeniería Técnica Industrial. Universidad de Zaragoza ANEXOS ~ 66 ~ y primera. Dicho tramo tiene que abastecer un caudal total de: Agua fría: 2*Caudal tramo D = 2*4320 litros/ hora = 8640 litros/ hora. Agua caliente: 2*Caudal tramo D = 2*3240 litros/ hora = 6480 litros/ hora. Diámetro tubería agua fría: 42/45 mm. Diámetro tubería agua caliente: 35/38 mm. En la siguiente tabla se resumen los valores obtenidos para los diámetros Instalación de energía solar térmica para producción de agua caliente sanitaria en una vivienda unifamiliar en Larraul, Guipúzcoa. Escuela Universitaria de Ingeniería Técnica Industrial. Universidad de Zaragoza ANEXOS ~ 67 ~ del circuito secundario, tanto tuberías de agua fría como caliente, según los tramos definidos inicialmente: TRAMO CAUDAL (l/h) PÉRDIDA DE CARGA (mmca) DIÁMETRO (mm) AGUA FRÍA AGUA CALIENTE AGUA FRÍA AGUA CALIENTE A 720 540 20 18/20 15/17 B 720 540 20 18/20 15/17 C 2160 1620 20 28/31 22/24 D 4320 3240 20 35/38 28/31 E 8640 6480 20 42/45 35/38