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PROYECTO FIN DE CARRERA INGENIERÍA INDUSTRIAL INTEGRACIÓN DE UNA INSTALACIÓN SOLAR TÉRMICA CON UN SISTEMA DE CALEFACCIÓN EXISTENTE Autor: Natalia Moreno Bruned Director del Proyecto: Dr. José María Marín Herrero Zaragoza, Marzo 2010 Área de Máquinas y Motores térmicos Departamento de Ingeniería Mecánica CENTRO POLITÉCNICO SUPERIOR DTO. INGENIERÍA MECÁNICA FUNDACIÓN HIDRÓGENO ARAGÓN ii Agradecimientos En primer lugar, me gustaría agradecer a mi familia y a mi novio Ángel el constante apoyo recibido en los últimos años, sus ánimos han sido necesarios para concluir esta etapa llena de buenos y malos momentos. También, a mis compañeros y amigos por los momentos vividos en el día a día del CPS. Agradezco a la Fundación Hidrógeno en Aragón el brindarme la oportunidad de realizar un Proyecto Fin de Carrera basado en una instalación real. A Leire, mi tutora en la empresa, por su constante apoyo y su colaboración en el desarrollo del proyecto, su entrega ha sido muy importante para la evolución del mismo. Y a todos los compañeros de la Fundación, por su ayuda desinteresada y por crear entre todos un inmejorable ambiente de trabajo. A José María Marín, por su confianza y por la labor desempeñada como director para la realización de este proyecto. A todos, gracias. Natalia Moreno Bruned Zaragoza, Marzo 2010. iii INTEGRACIÓN DE UNA INSTALACIÓN SOLAR TÉRMICA CON UN SISTEMA DE CALEFACCIÓN EXISTENTE RESUMEN El objetivo principal del proyecto es evaluar técnica y económicamente una instalación solar térmica de baja temperatura como apoyo al sistema de calefacción existente en la Fundación Hidrógeno en Aragón, ubicada en el Parque Tecnológico Walqa (Huesca). En el presente proyecto se desarrolla el análisis y dimensionamiento de una instalación de energía solar cuya aportación servirá para precalentar el agua de retorno del sistema de calefacción antes de su entrada a las calderas, resultando en un ahorro de combustible del 20%. Se busca reducir las emisiones de CO 2 derivadas del consumo de propano y lograr así un edificio más sostenible. Tras un dimensionado inicial basado en el Método F-Chart se simula el funcionamiento del sistema solar con un modelo en EES, que calcula la aportación solar mensual a partir de las contribuciones horarias. Tomando como datos iniciales las condiciones ambientales y la curva de rendimiento del captador seleccionado, se plantean balances de energía en los equipos principales, a partir de los cuales se calculan diferentes parámetros de interés como el calor recuperado o la temperatura del fluido en diferentes puntos de la instalación. Así mismo, se analizan en detalle las demandas energéticas actuales del edificio, calculadas a partir de datos reales de consumo, que serán la base para el cálculo de nuevas instalaciones. Partiendo de los resultados de la simulación se decide la configuración del sistema solar y se realiza el proyecto de instalación, que contempla el dimensionado de los componentes principales, el diseño del circuito hidráulico y el desarrollo de planos y presupuesto. Además, se plantea la posibilidad de instalar un sistema de frío solar que aproveche el excedente de energía generado durante el verano, el cual será utilizado para refrigerar alguna zona del edificio. La ampliación de la instalación con una máquina de absorción se ejecutará en la siguiente fase del proyecto, una vez comprobado el comportamiento real de sistema solar. El proyecto concluye con un análisis de rentabilidad que confirma la necesidad de financiación externa si se quiere promover una mayor implantación de las energías renovables en la sociedad. iv Acrónimos AC Corriente alterna ACS Agua Caliente Sanitaria COP Coeficiente de Operación DC Corriente continua EES Engineering Equation Solver EER Energy Efficiency Ratio (Factor de energía) EERR Energías renovables FHa Fundación para el Desarrollo de las Nuevas Tecnologías del Hidrógeno en Aragón ICB Índice Coste-Beneficio IC Intercambiador de calor IDAE Instituto para la Diversificación y Ahorro de la Energía ITHER Infraestructura Tecnológica de Hidrógeno y Energías Renovables IVA Impuesto sobre el Valor Añadido PER Plan de Energías Renovables PCI Poder Calorífico Inferior del combustible PCT Pliego de Condiciones Técnicas PR Periodo de retorno VAN Valor Actual Neto TIR Tasa Interna de Rentabilidad v Tabla de contenidos Agradecimientos ................................................................................................................ ii Acrónimos ......................................................................................................................... iv Tabla de contenidos .......................................................................................................... v Índice de figuras ............................................................................................................. viii Índice de tablas .................................................................................................................. x 1. Introducción .............................................................................................................. 1 1.1 Objetivos y alcance del proyecto ....................................................................... 1 1.2 Metodología de trabajo ..................................................................................... 3 2 Demandas energéticas .............................................................................................. 4 2.1 Demanda de calefacción .................................................................................... 4 2.2 Demanda eléctrica ............................................................................................. 5 2.3 Demanda de refrigeración ................................................................................. 5 2.4 Resultados del análisis de demandas ................................................................ 6 3 Descripción y ubicación de la instalación solar ......................................................... 8 4 Simulación de la instalación .................................................................................... 13 4.1 Metodología de cálculo ................................................................................... 13 4.2 Resultados de la simulación ............................................................................. 15 4.2.1 Cobertura solar del sistema ...................................................................... 18 4.2.2 Resultados medioambientales ................................................................. 21 4.3 Frío solar con máquina de absorción ............................................................... 22 5 Componentes seleccionados ................................................................................... 24 5.1 Fluido caloportador ......................................................................................... 24 5.2 Sistema de captación ....................................................................................... 24 5.3 Sistema de acumulación-intercambio ............................................................. 27 5.4 Circuito hidráulico ............................................................................................ 27 5.4.1 Tuberías .................................................................................................... 28 5.4.2 Bomba de circulación ............................................................................... 28 5.4.3 Vaso de expansión .................................................................................... 28 5.4.4 Purgadores y desaireadores ..................................................................... 29 5.4.5 Elemento disipador................................................................................... 29 vi 5.5 Sistema de regulación y control ...................................................................... 29 6 Presupuesto............................................................................................................. 30 7 Estudio de rentabilidad ........................................................................................... 31 8 Conclusiones y acciones siguientes ......................................................................... 34 9 Bibliografía .............................................................................................................. 36 Anexos ............................................................................................................................ 39 Anexo A: Energía solar térmica ...................................................................................... 41 A.1 Tipos de colectores y principales características ................................................. 41 A.2 Esquema básico de una instalación solar térmica ................................................ 44 Anexo B: Descripción de la instalación de actual ........................................................... 45 B.1 Descripción general del edificio ............................................................................ 45 B.2 Descripción de los cerramientos. Cálculo del K G . ................................................. 46 B.3 Condiciones exteriores de cálculo. ....................................................................... 47 B.4 Condiciones interiores de cálculo ......................................................................... 47 B.5 Cálculo de las cargas térmicas .............................................................................. 47 B.6 Descripción de la instalación de climatización ..................................................... 48 Anexo C: Estudio de demandas energéticas .................................................................. 51 C.1 Demanda de calefacción ....................................................................................... 51 C.1.1 Escenarios de consumo .................................................................................. 56 C.2 Demanda de refrigeración .................................................................................... 57 C.2.1 Escenarios de consumo .................................................................................. 60 C.3 Consumo eléctrico de la oficina 1 ......................................................................... 63 C.4 Cargas térmicas en las zonas no climatizadas ...................................................... 63 C.5 Conclusiones del estudio de demandas energéticas ............................................ 65 Anexo D: Selección del tipo de captador ........................................................................ 67 Anexo E: Método f-Chart ................................................................................................ 69 E.1 Aplicación del método f-Chart .............................................................................. 74 Anexo F: Análisis de opciones ........................................................................................ 77 F.1 Solar térmica para apoyo a calefacción ................................................................ 77 F.2 Solar térmica para calefactar zonas no climatizadas ............................................ 77 Anexo G: Datos climatológicos ....................................................................................... 79 Anexo H: Ecuaciones características de los equipos principales .................................... 85 vii H.1 Ecuación y curva característica del captador plano ............................................. 85 H.2 Intercambiador de calor ....................................................................................... 86 Anexo I: Modelo de simulación EES y resultados ........................................................... 89 Anexo J: Cálculo de pérdidas .......................................................................................... 99 J.1 Pérdidas por orientación e inclinación .................................................................. 99 J.2 Pérdidas de radiación solar por sombras ............................................................ 101 Anexo K: Proyecto de instalación ................................................................................. 109 1. Memoria descriptiva y cálculo ........................................................................... 110 2. Esquemas y planos ............................................................................................ 125 3. Presupuesto ....................................................................................................... 133 4. Estudio de viabilidad económica ....................................................................... 134 5. Manual de uso ................................................................................................... 137 Anexo L: Ficha técnica de equipos principales ............................................................. 139 Anexo M: Máquinas de refrigeración solar .................................................................. 143 M.1 Tipos de sistemas............................................................................................... 143 M.2 Mercado actual .................................................................................................. 144 Anexo N: Fundación Hidrógeno en Aragón .................................................................. 149 N.1 Infraestructura tecnológica e instalaciones ....................................................... 151 Anexo O: Descripción de la instalación en aislada ....................................................... 153 O.1 Dispositivos......................................................................................................... 153 O.2 Acondicionado de potencia: reguladores, baterías e inversores ....................... 156 O.3 Hidrogeno: electrolizador, almacenamiento y pila ............................................ 157 viii Índice de figuras Figura 1: Esquema de la instalación en asilada ............................................................................. 2 Figura 2: Demanda de calefacción del edificio .............................................................................. 4 Figura 3: Demanda eléctrica del edificio ....................................................................................... 5 Figura 4: Consumo eléctrico debido a la climatizadora y a las estufas ......................................... 5 Figura 5: Demanda de refrigeración del edificio ........................................................................... 6 Figura 6: Esquema básico de una instalación solar térmica ......................................................... 8 Figura 7: Estimación de la rentabilidad según el número de colectores ...................................... 9 Figura 8: Conexión de los colectores en serie ............................................................................. 10 Figura 9: Conexión de los colectores en paralelo ....................................................................... 10 Figura 10: Ubicación en cubierta de los equipos principales de la instalación solar .................. 11 Figura 11: Cubierta del edificio y cuarto de calderas. ................................................................. 11 Figura 12: Cuarto de calderas del edificio ................................................................................... 12 Figura 13: Temperatura máxima del fluido caloportador ........................................................... 15 Figura 14: Evolución de temperaturas en el intercambiador de calor........................................ 16 Figura 15: Temperatura de impulsión a calderas ........................................................................ 16 Figura 16: Evolución del incremento de temperatura y del calor recuperado ........................... 17 Figura 17: Evolución del rendimiento en cada fila de cinco colectores en serie ........................ 17 Figura 18: Rendimiento medio en cada fila de colectores .......................................................... 18 Figura 19: Correspondencia entre la energía solar y la demanda térmica. ................................ 18 Figura 20: Aporte solar a la demanda de calefacción ................................................................. 19 Figura 21: Cantidad de energía generada de refrigeración solar ................................................ 22 Figura 22: Potencia de refrigeración solar .................................................................................. 22 Figura 23: Captador solar CPC ML 3.0 (IMS, 2009) ..................................................................... 24 Figura 24: Curva de rendimiento ML 3.0 (IMS, 2009) ................................................................. 24 Figura 25: Ubicación de colectores en la cubierta del edificio .................................................... 25 Figura 26: Sombreamientos sobre el campo solar (21 diciembre y 21 junio) ............................ 25 Figura 27: Proyección de ángulos de elevación y azimut para el perfil de obstáculos ............... 26 Figura 28: Perfil de obstáculos dibujado sobre el diagrama de trayectorias del sol .................. 26 Figura 29: Acumulador solar Coral Vitro (Lapesa, 2009) ............................................................. 27 Figura 30: Bomba UPS Solar 25-120 180 (Grundfos, 2009) ........................................................ 28 Figura 31: Periodo de retorno de la inversión ............................................................................ 32 Figura 32: Tasa interna de rendimiento ...................................................................................... 32 Figura 33: Retorno de la inversión según el precio del combustible .......................................... 33 Figura 34: Colector solar de placa plana ..................................................................................... 43 Figura 35: Colector de tubos de vacío y acumulador solar ......................................................... 43 Figura 36: Esquema básico de una instalación solar térmica ..................................................... 44 Figura 37: Caldera y climatizadora actual ................................................................................... 48 Figura 38: Esquema de la instalación de climatización actual .................................................... 50 Figura 39: Tendencia del consumo de gas propano en Walqa ................................................... 52 Figura 40: Curvas de tendencia del consumo de calefacción ..................................................... 53 Figura 41: Evolución del consumo de propano ........................................................................... 54 Figura 42: Consumo eléctrico mensual ....................................................................................... 58 Figura 43: Evolución de temperaturas en Huesca durante julio de 2009. .................................. 61 ix Figura 44: Evolución de la potencia eléctrica (Julio 2009) .......................................................... 62 Figura 45: Demanda calefacción en zonas no calefactadas. ....................................................... 65 Figura 46: Demanda refrigeración en zonas no calefactadas. .................................................... 65 Figura 47: Comparación del rendimiento de los captadores. ..................................................... 68 Figura 48: Comparación de la cobertura solar mensual ............................................................. 76 Figura 49: Aporte solar con 25 colectores .................................................................................. 77 Figura 50: Aporte solar con 10 colectores .................................................................................. 78 Figura 51: Ángulo óptimo de inclinación y temperatura media diurna ...................................... 79 Figura 52: Irradiancia mes de marzo ........................................................................................... 80 Figura 53: Temperatura ambiente mes de marzo ...................................................................... 80 Figura 54: Evolución de las temperaturas en un intercambiador de calor ................................. 86 Figura 55: Ángulo de inclinación y ángulo de azimut. ................................................................. 99 Figura 56: Pérdidas por orientación e inclinación para una latitud de 41° ............................... 100 Figura 57: Ángulo de elevación de los obstáculos .................................................................... 102 Figura 58: Perfil de obstáculos dibujado sobre el diagrama de trayectorias del sol ................ 102 Figura 59: Distribución de los colectores en cubierta ............................................................... 105 Figura 60: Proyección de sombras (1 de febrero) ..................................................................... 107 Figura 61: Proyección de sombras (21 diciembre y 21 junio) ................................................... 107 Figura 62: Calor específico y densidad de la mezcla con propilenglicol ................................... 113 Figura 63: Pérdida por rozamiento para tubería de cobre ....................................................... 118 Figura 64: Bomba Grundfos UPS Solar 25-120 180 ................................................................... 121 Figura 65: Periodo de retorno de la inversión .......................................................................... 135 Figura 66: Tasa interna de rendimiento .................................................................................... 135 Figura 67: Retorno de la inversión según el precio del combustible ........................................ 136 Figura 68: Esquema de una enfriadora de absorción ............................................................... 143 Figura 69: Máquina de absorción Thermax .............................................................................. 144 Figura 70: Máquina de absorción Yazaki ................................................................................... 145 Figura 71: Máquina de adsorción Gasokol coolySum .............................................................. 145 Figura 72: Máquina Climatewell ............................................................................................... 146 Figura 73: Procesos de carga y descarga – Máquina Climatewell............................................. 146 Figura 74: Esquema de instalación de la máquina ClimateWell (ClimateWell, 2009) .............. 147 Figura 75: Máquina de absorción Rotartica .............................................................................. 147 Figura 76: Patronos de la Fundación Hidrógeno en Aragón ..................................................... 149 Figura 77: Infraestructura del proyecto ITHER .......................................................................... 151 Figura 78: Paneles silicio Amorfo .............................................................................................. 153 Figura 79: Paneles de CdTe ....................................................................................................... 154 Figura 80: Seguidor solar de concentración .............................................................................. 155 Figura 81: Generador Air-X........................................................................................................ 155 Figura 82: Reguladores Outback MX60 ..................................................................................... 156 Figura 83: Inversores/Cargadores Outback VFX3048E ............................................................. 156 Figura 84: Baterías EXIDE .......................................................................................................... 157 Figura 85: Electrolizador Polimérico Hogen 20 ......................................................................... 158 Figura 86: Balas de hidruros Lab-Tech y cuadro del control del hidruro .................................. 158 Figura 87: Pila de combustión ................................................................................................... 159 2. Demanda energéticas Integración de una instalación solar térmica con un sistema de calefacción existente 5 2.2 Demanda eléctrica Los datos eléctricos han sido extraídos de los informes semanales que realiza el personal de la Fundación Hidrógeno en Aragón, en los que se toman datos de los consumos eléctricos del edificio y de la generación eléctrica de la infraestructura de energías renovables (fotovoltaica y eólica) que forma el Proyecto ITHER, la cual se comenta en el Anexo N.1. La evolución anual del consumo eléctrico del edificio se refleja en la Figura 3. Figura 3: Demanda eléctrica del edificio 2.3 Demanda de refrigeración La demanda de refrigeración se ha deducido del consumo de electricidad durante el verano, porque el aire es enfriado mediante una climatizadora convencional que consume electricidad. Para ello se ha analizado la evolución del consumo a lo largo del año, deduciendo el consumo debido a la refrigeración. En la Figura 4 se muestra el consumo eléctrico que es debido a la climatizadora y al uso ocasional de estufas eléctricas durante el invierno. Figura 4: Consumo eléctrico debido a la climatizadora y a las estufas 0 1.000 2.000 3.000 4.000 5.000 6.000 7.000 8.000 9.000 kWh eléctricos Demanda eléctrica FHa 0 500 1.000 1.500 2.000 2.500 3.000 3.500 4.000 4.500 may - 08 jun - 08 jul - 08 ago - 08 sep - 08 oct - 08 nov - 08 dic - 08 ene - 09 feb - 09 mar - 09 abr - 09 may - 09 jun - 09 jul - 09 ago - 09 sep - 09 oct - 09 nov - 09 dic - 09 0 5 10 15 20 25 30 Electricidad para frío y estufas Electricidad frío y estufas (kWh) T media (ºC) 2. Demanda energéticas Integración de una instalación solar térmica con un sistema de calefacción existente 6 A la vista de gráfica se comprueba la fuerte relación existente entre el consumo eléctrico y la temperatura ambiente tanto en los meses fríos como durante el verano. La demanda de refrigeración del edificio se obtiene directamente multiplicando el consumo eléctrico anterior por el rendimiento de la climatizadora EER=2.58 en los meses de verano. La Figura 5 muestra la evolución de la demanda de frío en los dos últimos años, aunque los datos realmente fiables son los de 2009 porque la climatizadora presentó algunos problemas de funcionamiento en 2008. Figura 5: Demanda de refrigeración del edificio 2.4 Resultados del análisis de demandas Además de los resultados anteriores, en el estudio de demandas energéticas se han planteado una serie de escenarios de consumo que permiten justificar las cargas de diseño de la instalación existente y analizar consumos actuales y futuros. Finalmente, se estiman las demandas energéticas de unas zonas del edificio que no se encuentran climatizadas y que se pretenden integrar con la instalación actual. La Tabla 2 muestra los resultados de las cargas de dichas zonas. Tabla 2: Carga térmicas de las zonas no climatizadas ZONA CALOR (kW) FRÍO (kW) Cocina 0,90 0,93 Vestuario M 2,08 1,09 Vestuario F 2,22 1,17 Aseo M 1,99 2,05 Aseo F 1,59 1,65 TOTAL 8,78 6,90 2982 6233 10493 8088 5312 9458 9463 4533 0 2000 4000 6000 8000 10000 12000 may - 08 jun - 08 jul - 08 ago - 08 sep - 08 oct - 08 nov - 08 dic - 08 ene - 09 feb - 09 mar - 09 abr - 09 may - 09 jun - 09 jul - 09 ago - 09 sep - 09 oct - 09 nov - 09 dic - 09 kWh refrigereación Demanda de refrigeración 2. Demanda energéticas Integración de una instalación solar térmica con un sistema de calefacción existente 7 A continuación, se van a comentar las conclusiones más relevantes que han sido extraídas del análisis de las demandas del edifico (Anexo C). La instalación de climatización actual está bastante sobredimensionada, ya que fue dimensionada considerando la carga total del edificio, incluyendo el taller, que supone la carga térmica más importante. Hasta el momento, la zona del taller sólo se climatiza de forma esporádica porque no hay personal trabajando de forma continua en él. En consecuencia, las calderas funcionan a carga parcial y la climatizadora trabaja con una carga del 20%. Actualmente, la carga máxima de calefacción es de 74 kW frente a los 165,6 kW que son capaces de dar las calderas, por lo que sería posible cubrir las necesidades de calefacción con una sola caldera. Así mismo, se ha comprobado que la carga máxima de refrigeración es de 30 kW, muy por debajo de la potencia nominal de la climatizadora 154 kW. Por otro lado, se va a calcular el aumento que supondría sobre el consumo actual que la zona del taller fuera calefactada de forma continuada. Actualmente, con una carga térmica de calefacción de 74 kW el consumo es de 83.459 kWh al año. Si se añadiera la carga del taller 39,10 kW, el consumo alcanzaría los 127.636 kWh al año, lo que supone un incremento del 53%. En términos económicos, significa pasar de una factura anual de 6.281 € por 4.509 m 3 de gas propano a una factura de 9.610 € por 6.898 m 3 de gas. Es decir, calefactar el taller de forma continuada durante todo el año vendría a costar unos 3.000 € anuales. Haciendo una estimación similar se va a analizar el caso de la refrigeración. La electricidad total consumida anualmente por la climatizadora es de 16.500 kWh, lo que supone un coste económico de 2.475 €. Sin embargo, si a la carga térmica de frío anterior 23,2 kW se le añade la carga del taller 85,70 kW, el consumo eléctrico anual debido a la climatización asciende a 60.950 kWh, aumentando el consumo un 269 %. Esto se traduce en un incremento del coste de la factura eléctrica anual de unos 9.000 €, solo por el hecho de refrigerar el taller. Por lo tanto, llegado el momento habrá que analizar en detalle la decisión de refrigerar el taller para que el gasto esté justificado. Una medida importante de ahorro es asegurar que cada zona esté climatizada a la temperatura óptima para garantizar el confort térmico, ya que cada grado que aumenta o disminuye la temperatura tiene un coste significativo sobre la factura, llegando a incrementarla hasta un 5% por cada grado adicional (IDAE, 2007). Los valores de las temperaturas de confort obligatorios son de 20 a 23ºC en invierno y de 23 a 25ºC en verano (RITE, 2007). Para ello, sería recomendable tener la instalación monitorizada y que su funcionamiento se modificase automáticamente en función de las condiciones climáticas y de la temperatura de los diferentes locales a climatizar (Proyecto EnerBuilding.eu). Por otro lado, sería interesante revisar la iluminación interna del edificio como medida de ahorro eléctrico. La idea principal es no iluminar innecesariamente y sacar partido de la iluminación natural. La mejor forma de optimizar la iluminación es monitorizar el alumbrado con un sistema de regulación y control que ajuste la potencia lumínica a la necesidad de iluminación de los espacios, por ejemplo, mediante el uso de interruptores temporizados o detectores de presencia en zonas con un uso puntual como lavabos, pasillos y recepción, así como otras medidas de eficiencia energética (HE, 2004). 3. Descripción general Integración de una instalación solar térmica con un sistema de calefacción existente 8 3 Descripción y ubicación de la instalación solar La instalación se proyecta mediante un conjunto de colectores solares planos de baja temperatura, intercambio de calor, depósitos de acumulación para la producción de agua caliente, circuito hidráulico de ida y retorno y apoyo mediante las calderas existentes. En general, una instalación solar térmica consta de dos circuitos básicos, primario y secundario, conectados por medio de un intercambiador de calor. Los componentes principales se nombran a continuación : • Subsistema de captación: compuesto por varios colectores solares conectados entre sí con el fin de alcanzar la temperatura deseada en el fluido. • Subsistema de acumulación: formado por uno o varios depósitos de almacenamiento de agua caliente, conocido como acumulador. • Subsistema de distribución: conjunto de equipos que se encargan de transportar el agua caliente producida hasta los puntos de consumo. Está formado por el equipo de regulación, las tuberías, las bombas y los elementos de seguridad, entre otros. • Subsistema auxiliar: suele ser una caldera convencional o un calentador eléctrico que entra en funcionamiento para apoyar a los colectores cuando la temperatura del agua de salida del acumulador es inferior a la demandada. El esquema básico de una instalación solar térmica se muestra en la Figura 6. Figura 6: Esquema básico de una instalación solar térmica El funcionamiento básico es el siguiente: el calor cedido por los colectores al fluido caloportador se transfiere a través de un intercambiador de calor al depósito de acumulación por medio de bombas controladas desde el regulador, que suele ser un termostato diferencial de temperaturas. Cuando la temperatura de salida del colector supera en más de 7ºC a la temperatura del acumulador, el regulador pone en marcha la bomba y comienza la transferencia térmica desde el colector al acumulador. En el momento en que esa diferencia de temperatura es inferior a 2ºC, el regulador para la bomba con el fin de no enfriar el agua 3. Descripción general Integración de una instalación solar térmica con un sistema de calefacción existente 9 acumulada y favorecer el calentamiento del fluido en el interior del colector. Finalmente, si el agua caliente del acumulador está a la temperatura de consigna ésta pasa directamente al consumo, en caso contrario se hará pasar por una caldera auxiliar donde será calentada hasta la temperatura deseada (Salvador Escoda, 2008). Para dimensionar la superficie captadora se ha tenido en cuenta la cobertura solar del sistema para diferente número de colectores, la cual ha sido obtenida con el Método f-Chart, que es recomendado por el Pliego de Condiciones Técnicas del IDAE (PCT, 2008). La rentabilidad económica de la inversión se ha valorado con su periodo de retorno (Figura 7), calculado a partir del ahorro de combustible debido al aporte solar. El procedimiento de cálculo del Método f-Chart se explica en el Anexo E. Figura 7: Estimación de la rentabilidad según el número de colectores A la vista de los resultados, se decide instalar 25 colectores, adaptándose perfectamente a la superficie disponible en cubierta. Un número mayor de colectores no estaría justificado debido al aumento de los excedentes no aprovechados. Los resultados del Método f-Chart para el caso seleccionado se muestran en el Anexo E.1. Se ha optado por una configuración serie-paralelo, para garantizar temperaturas más elevadas en el acumulador. Los colectores están distribuidos en 5 baterías unidas en paralelo, cada batería consta de 5 colectores conectados en serie. La posibilidad de conectar todos los colectores en paralelo ha sido rechazada porque no se alcanzan las temperaturas requeridas por el sistema de calefacción actual, donde la temperatura de impulsión es 58ºC y la de retorno 50ºC (se ha simulado también este comportamiento y como mucho es posible alcanzar 54ºC en el acumulador). Además, la previsión de instalar una máquina de absorción también obliga a alcanzar temperaturas elevadas, pues dichas máquinas operan a temperaturas superiores a los 70ºC (Absorsystem, 2009) . 0,0 5,0 10,0 15,0 20,0 25,0 30,0 35,0 5 10 15 20 25 30 35 40 45 Retorno (años) Nº Colectores Retorno inversión 3. Descripción general Integración de una instalación solar térmica con un sistema de calefacción existente 10 Figura 8: Conexión de los colectores en serie Figura 9: Conexión de los colectores en paralelo La diferencia entre ambas configuraciones es que en paralelo (Figura 9) todos los colectores funcionan térmicamente del mismo modo, calentando unos grados el agua que circula por cada colector; el caudal de la instalación es la suma de los caudales de cada captador y por tanto, el caudal total es mayor. La configuración en paralelo es adecuada cuando se requiere mucho caudal a baja temperatura, además es la más eficiente desde un punto de vista energético ya que el rendimiento de los colectores disminuye al aumentar la temperatura del fluido (Censolar, 2004). Por el contrario, en la configuración en serie (Figura 8), el caudal de cada captador es el que circula a lo largo de la fila de colectores, el cual se va calentando a medida que avanza por la fila. Así pues, conforme aumenta la temperatura va disminuyendo la eficiencia del colector y el calor total recuperado es algo menor; pero de esta forma se asegura que la temperatura alcanzada en el acumulador permite calentar el agua de calefacción. A modo ejemplo, la Tabla 3 recoge la temperatura y energía recuperada por cada fila de cinco colectores para los dos tipos de conexión en función de la radiación, se ha tomado una temperatura exterior fija de 5ºC. La radiación de la zona suele estar comprendida entre 500 y 650 W/m 2 . Se observa una pérdida en el calor recuperado debido a disminución del rendimiento en los últimos colectores de la fila y se comprueba que con la conexión en paralelo no es posible alcanzar las temperaturas requeridas. Tabla 3: Diferencias entre la conexión en serie y en paralelo. Por otro lado, el Plan de EERR 2005-2010, en el capítulo dedicado al Sector Solar Térmico (PER, 2005-2010) reconoce como líneas de innovación tecnológica la producción de energía solar a temperaturas superiores a 60ºC y su aplicación a sistemas combinados de calefacción y refrigeración con energía solar, propósito que se busca alcanzar con esta instalación. 3. Descripción general Integración de una instalación solar térmica con un sistema de calefacción existente 11 En la Figura 10 se muestra la distribución de los principales equipos de la instalación sobre el plano de cubierta del edificio: captadores, acumuladores, calderas y aerotermo. Figura 10: Ubicación en cubierta de los equipos principales de la instalación solar El colector seleccionado es un colector plano de alta eficiencia, concretamente el modelo CPC ML 3.0 que presenta una curva rendimiento bastante similar a un colector de tubo de vacío. En el Anexo D se presenta una comparación entre ambas tecnologías desde el punto de vista técnico y económico. 0,75 2,9 Te Ta I η − = − La superficie colectora total a instalar es de 64,75 m 2 . Los colectores van ubicados en la cubierta del edifico, la cual presenta una inclinación de 10º en las vertientes este y oeste, los colectores estarán orientados perfectamente al sur con una inclinación de 50º respecto a la horizontal, maximizando así la ganancia solar durante el invierno. La Figura 11 muestra la zona de la cubierta donde se van a instalar los captadores. Figura 11: Cubierta del edificio y cuarto de calderas. 3. Descripción general Integración de una instalación solar térmica con un sistema de calefacción existente 12 El volumen total de acumulación será de 3000 litros, el cual va a ser almacenado en tres depósitos de 1000 litros con serpentín interior donde se efectúa el intercambio de calor, limitando al máximo las pérdidas de calor. Los acumuladores van ubicados en el cuarto de calderas, próximo la zona donde se instalan los colectores, de esta forma se reduce la longitud de tuberías y se disminuyen las pérdidas. El agua caliente del acumulador será impulsada hacia las calderas donde se producirá un calentamiento adicional, en caso necesario, para alcanzar la temperatura de consigna de 58ºC. La conexión del sistema solar con la instalación de calefacción existente se produce justo antes de las calderas. El retorno de la calefacción, que antes era introducido directamente a las calderas, ahora se hace pasar previamente por los acumuladores y es la salida caliente de éstos la que se introduce a las calderas. Además, se dispone de una conexión directa del retorno de calefacción a las calderas, la cual será activada por un termostato diferencial cuando la temperatura de retorno sea superior a la temperatura del agua almacenada para evitar que ésta se enfríe. La integración de ambos sistemas es bastante sencilla, logrando muy buenos resultados si la regulación del sistema opera adecuadamente (AAE, 2009). La Figura 12 muestra la sala de calderas del edificio, donde se pueden ver las calderas y las tuberías de distribución del agua caliente de calefacción. Figura 12: Cuarto de calderas del edificio En proyecto de instalación del Anexo K se recogen los planos principales de la instalación: • PLANO 1: Distribución en cubierta de la instalación solar térmica. Ubicación de los principales equipos: captadores, aerotermo, acumuladores y calderas. • PLANO 2: Conexión de los colectores solares. Configuración en retorno invertido. • PLANO 3: Esquema de principio de la instalación. Esquema hidráulico y conexión de componentes. 4. Simulación Integración de una instalación solar térmica con un sistema de calefacción existente 13 4 Simulación de la instalación El funcionamiento del sistema solar se ha simulado en detalle con un modelo realizado con el software EES “Engineering Equation Solver”. Previamente, se calculó la cobertura solar con el Método f-Chart (Beckman & Klein, 1977), que es el utilizado actualmente por la mayor parte de los instaladores y el recomendado en el Pliego de Condiciones Técnicas del IDAE (PCT, 2008). En el Método f-Chart, la fracción f de la carga calorífica mensual aportada por el sistema de energía solar se obtiene con la siguiente expresión: 2 2 3 1.029· – 0.065· – 0.245· 0.0018· 0.02 15·Y f Y X Y X= + + De forma general: X = Energía perdida por el captador / Carga calorífica mensual Y = Energía absorbida por el captador / Carga calorífica mensual Los resultados obtenidos son bastante similares, comprobando así la validez del Método f- Chart como método de cálculo inicial, comparación comentada en el Anexo E.1. En el presente caso se ha optado por analizar más en detalle el funcionamiento del sistema, puesto que el Método f-Chart sólo asegura buenos resultados para instalaciones destinadas a producir ACS, sistemas que aprovechan la energía solar durante todo el año y calientan directamente el agua de red, a temperatura muy inferior a la temperatura de retorno de cualquier sistema de calefacción (ASIT, 2009). Sin embargo, a la vista de los resultados, se puede afirmar que el Método f-Chart hace una aproximación bastante real de las contribuciones solares también en el caso de calefacción, siempre que se entienda el funcionamiento del método y se aplique con cuidado. 4.1 Metodología de cálculo El programa EES permite desarrollar un análisis detallado del funcionamiento de cada uno de los componentes principales del sistema, es decir, captación, intercambio y acumulación. Para simular el sistema se han realizado un balance de energía en cada captador en función de la radiación global incidente y la temperatura exterior durante cada hora del año, ver el Anexo H donde se explican los fundamentos físicos de los equipos. Los datos atmosféricos horarios para Huesca (radiación global y temperatura exterior) han sido extraídas de la aplicación informática “Solar irradiation data utility” (European Commission, 2009). El sistema de captación está formado por 25 colectores planos, conectados en filas de cinco colectores en serie. El calor recuperado por cada fila se determina a partir de la curva de rendimiento del captador, de su superficie y de la radiación incidente. A su vez, el rendimiento depende de la temperatura de entrada del fluido, la cual aumenta sucesivamente a medida que el caudal de agua circula por la fila de captadores. El proceso de cálculo para cada uno de los cinco captadores de la fila se muestra esquemáticamente a continuación. 4. Simulación Integración de una instalación solar térmica con un sistema de calefacción existente 14 Desde i=1 hasta 5 Donde: i η : Rendimiento del colector i i Te : Temperatura de entrada del fluido al captador i Ta : Temperatura exterior i Ts : Temperatura de salida del fluido del captador i I : Radiación global incidente (W/m 2 ) i Q : Calor recuperado (W) m : Caudal que circula por el captador c S : Superficie del colector (m 2 ) Cada fila de captadores recupera la misma cantidad de calor, por lo que el calor recuperado por el sistema de captación es: 12345 º ·( ) Q n filas Q Q Q Q Q = + + + + A continuación, se hacen balances de energía en el sistema de intercambio y en el de acumulación, en base a sus eficiencias de intercambio térmico (Marín & Monné, 2006). La temperatura de entrada al primario del intercambiador de calor (IC) es la temperatura de salida del quinto captador, que tras intercambiar calor con el secundario del IC vuelve al primer colector. El calor intercambiado se utiliza en aumentar la temperatura del agua de retorno calefacción (50ºC) que se impulsa luego a las calderas. Se considera una efectividad de intercambio de 0,8 que es el máximo recomendado para instalaciones utilizadas preferentemente en invierno (Roca Calefacción, 2007). Además se asumen un 10% de pérdidas de calor en todo el conjunto, debido a las pérdidas en el transporte desde los colectores al acumulador, aislamientos e intercambio (Censolar, 2004). El balance final en el acumulador tiene en cuenta el caudal que demandan las bombas de las calderas (2 m 3 /h cada una), el cual es mayor que el caudal del circuito primario (950 l/h), por lo que habrá que decidir entre alimentar sólo a una de las calderas hasta la temperatura deseada (58ºC) o alimentar a las dos a una temperatura inferior a la de consigna. En el primer caso, una caldera funcionará de forma normal y la otra no estará operativa mientras haya aporte solar. Por el contrario, si se impulsa el agua del acumulador a ambas calderas éstas funcionarán de forma continua a carga parcial. Esta decisión se tomará una vez esté en marcha la instalación y se puedan comprobar los resultados, simplemente es cuestión de abrir o cerrar válvulas en función del modo de operación. La simulación se ha realizado considerando que se alimenta a una sola caldera porque parece la solución más razonable. El modelo completo desarrollado en ESS se recoge en el Anexo I. A continuación se comentan los resultados de la simulación. ( ) 1 0.75 2.9 · · · · i i i i c i p i i i i Te Ta I Q I S Q mC Ts Te Te Ts η η − −   = −     = = − = 4. Simulación Integración de una instalación solar térmica con un sistema de calefacción existente 21 4.2.2 Resultados medioambientales La instalación de un sistema solar, además de ahorro energético, producirá una gran reducción de las emisiones producidas al entorno. En la Tabla 6 se presenta el cálculo de la cantidad de CO 2 que dejará de emitirse gracias al aprovechamiento del recurso solar, así como el ahorro resultante, de casi 1.400 €/año. La proporción emitida de CO 2 es de 2.7 kg por cada kg de propano (CNE, 2009). Tabla 6: Ahorro de gas propano y reducción de las emisiones Mes Consumo gas (m3) Ahorro gas (m3) Ahorro kg CO2 Enero 966 87 465 Febrero 882 102 547 Marzo 617 167 898 Abril 365 154 829 Mayo 81 81 435 Junio 0 0 0 Julio 0 0 0 Agosto 0 0 0 Septiembre 0 0 0 Octubre 165 159 853 Noviembre 454 103 551 Diciembre 907 81 438 ANUAL 4437 934 5016 COSTE 6622 €/año AHORRO 1393 €/año Finalmente, la Tabla 7 recoge las equivalencias entre el ahorro energético y la reducción de las emisiones de CO 2 expresadas en función de varios indicadores utilizados para valorar el impacto medioambiental. Tabla 7: Indicadores medioambientales Combustible CO2 evitados (kg/año) Propano 5016 Ahorro energético anual - Energía (kWh/año) 22029 kWh/año Ahorro de emisiones - kg de CO2 en 20 años * 100319 kg CO2 Reducción de emisiones en millones de km equivalentes de coches nuevos (CO2 evitado en 20 años) ** 0,83 Millones de km Número de árboles equivalentes (CO2 acumulado en 20 años) *** 1824 árboles Hectáreas de bosques equivalentes (CO2 acumulado en 20 años) *** 0,44 hectáreas *EMEP/CORINAIR Atmospheric Emission Inventory Guidebook (SNAP-97) **Comisión Europea. Objetivo 2005 *** ECCM Edinburgh Centre for Carbon Management 4. Simulación Integración de una instalación solar térmica con un sistema de calefacción existente 22 4.3 Frío solar con máquina de absorción A partir de los resultados de la simulación se va a calcular la energía de refrigeración aportada por una máquina de refrigeración que aprovechara el excedente de calor generado durante el verano. El COP de las máquinas absorción es de aproximadamente 0.7, lo que implica que por cada kW de calor suministrado se generan 0.7 kW de frío (Soliclima Energía Solar, 2009). La Figura 21 muestra la cantidad de energía al mes que sería posible generar en forma de frío con la energía excedente de los meses de verano. Figura 21: Cantidad de energía generada de refrigeración solar Asimismo, se va a comprobar la potencia instantánea de frío que se tendría partiendo del calor recuperado cada hora por el sistema solar. La Figura 22 muestra los resultados para los cuatro meses en los que se precisa refrigeración. Figura 22: Potencia de refrigeración solar 3032 3406 3468 3389 0 1000 2000 3000 4000 5000 6000 Junio Julio Agosto Septiembre kWh Refrigeración solar Qrec Qfrío 4,0 6,0 8,0 10,0 12,0 14,0 16,0 18,0 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 Potencia (kw) hora Potencia refrigeración solar Junio Julio Agosto Septiembre 4. Simulación Integración de una instalación solar térmica con un sistema de calefacción existente 23 Hay que señalar que la máquina de absorción sólo estará en funcionamiento cuando el agua suministrada esté a la temperatura necesaria (Marín, J.M., 2007), la cual suele oscilar entre los 60-80ºC, dependiendo del tipo de máquina seleccionado, por lo que la potencia anterior sólo se dará cuando la temperatura del agua sea lo suficientemente alta (Aiguasol, 2009). A la vista de la gráfica, parece lógico pensar que el agua haya alcanzado la temperatura necesaria entre las 10 y las 11 de la mañana y esté a la temperatura adecuada hasta las 16 o las 17 horas, suministrando una potencia de refrigeración de entre los 12 y los 16 kW, durante aproximadamente cinco horas al día, hecho contrastado con los fabricantes de sistemas de absorción (Absorsystem, 2009). Una vez que la instalación solar esté en marcha y se tengan medidas reales de funcionamiento se podrá definir con más detalle la operación de la máquina de absorción. Por tanto, hay que buscar una aplicación para la cantidad de frío generado por la máquina de absorción. La potencia disponible no es muy elevada por lo que se podrá refrigerar solamente una pequeña parte del edificio. A continuación se comentan dos posibles alternativas: 1) Refrigerar la oficina 1 mediante frío solar, la cual presenta una carga de refrigeración de 12.24 kW, ver Anexo C. Esta carga de diseño encaja bastante bien con la potencia suministrada por la máquina de absorción y además es la zona del edifico que más movimiento de personal tiene. Se podría ejecutar una instalación alternativa, por ejemplo, mediante fancoils de suelo que operara siempre que fuera posible, permaneciendo apagada mientras tanto la instalación convencional que suministra el aire frío mediante fancoils de techo. 2) Refrigerar la zona del taller donde se ubican los principales puestos de trabajo. Se podrían colocar fancoils de suelo que inyecten el aire frío directamente sobre los puestos de trabajo, mejorando considerablemente las condiciones de trabajo durante el verano. La aplicación de la refrigeración solar será definida con más detalle en futuras fases del proyecto, una vez comprobado el funcionamiento real del sistema solar. A modo de información, el Anexo M recoge la situación del mercado actual de las máquinas de absorción en España, así como datos relevantes de las diferentes máquinas, los cuales han sido facilitados directamente por fabricantes o distribuidores. La refrigeración con energía solar es una aplicación muy prometedora, con un alto potencial para la energía solar térmica, ya que la demanda de refrigeración en los edificios está creciendo considerablemente, con el consiguiente aumento del consumo de electricidad. La aportación que la energía solar térmica puede realizar supondría claras ventajas energéticas y medioambientales. El mayor potencial se encuentra en los sistemas combinados que proporcionan calefacción en invierno, refrigeración en verano y agua caliente todo el año. No obstante, para que se produzca esta evolución es necesario el esfuerzo de adaptar los sistemas de absorción a las aplicaciones solares, así como lograr un precio más competitivo frente a las climatizadoras convencionales (PER, 2005-2010). 5. Componentes Integración de una instalación solar térmica con un sistema de calefacción existente 24 5 Componentes seleccionados En este apartado se van a comentar las características los principales componentes y el dimensionado básico de la instalación. Básicamente, se va a resumir el contenido del “Proyecto de instalación” que se recoge en el Anexo K. 5.1 Fluido caloportador El fluido caloportador a utilizar en el circuito primario será una mezcla de agua con un 40% de propilenglicol como anticongelante para garantizar la protección contra heladas (PCT, 2008). Las propiedades de la mezcla a una temperatura de 60ºC se recogen a continuación. El calor específico es de 0.92 kcal/(kgºC) y la densidad es de 1.005 g/cm 3 . (Censolar, 2004) 5.2 Sistema de captación El captador seleccionado es un colector plano de alta eficiencia, concretamente el modelo ML3.0, fabricado por la empresa IMS Calefacción (Zaragoza). La ficha técnica del captador se adjunta en el Anexo L. Figura 23: Captador solar CPC ML 3.0 (IMS, 2009) La curva característica del equipo se muestra a continuación. Figura 24: Curva de rendimiento ML 3.0 (IMS, 2009) La instalación de los 25 captadores se efectuará en la cubierta del edificio formando una superficie de captación de 64.75 m 2 . Los colectores van anclados en estructuras soporte para 5 colectores ML 3.0 de aluminio extrusionado anodizado para su montaje en cubierta inclinada y estarán orientados perfectamente al sur con una inclinación de 50º respecto a la horizontal, maximizando así la ganancia solar durante el invierno. Se disponen en filas separadas entre sí 5. Componentes Integración de una instalación solar térmica con un sistema de calefacción existente 25 una distancia de 4 metros para garantizar los sombreamientos. La Figura 25 muestra la ubicación de los colectores en cubierta, en la foto se puede ver parte de la instalación fotovoltaica en aislada y el cuarto de calderas donde se instalarán los acumuladores. Figura 25: Ubicación de colectores en la cubierta del edificio La configuración de los colectores será serie-paralelo, para garantizar temperaturas elevadas en el acumulador. Los colectores están distribuidos en cinco baterías unidas en paralelo, cada una consta de cinco colectores conectados en serie. Para favorecer el equilibrado hidráulico entre ramales se diseña un retorno invertido que garantiza el equilibrado del sistema, si fuera preciso se instalarán válvulas de equilibrado. ANÁLISIS DE SOMBRAS SOBRE EL CAMPO DE CAPTACIÓN Se ha prestado una atención especial al análisis de los sombreamientos sobre el campo solar debidos a la caseta del cuarto de calderas y a las paredes laterales, resultando unas pérdidas inferiores al 4%. La Figura 26 muestra las sombras proyectadas el 21 de diciembre y 21 de junio, ambas a las 13 horas (SketchUp, 2009). En ellas se observa la diferencia en la altura del sol, esto evidencia la necesidad de colocar los colectores a 50º de inclinación sobre la horizontal para favorecer la captación solar durante el invierno. Figura 26: Sombreamientos sobre el campo solar (21 diciembre y 21 junio) 5. Componentes Integración de una instalación solar térmica con un sistema de calefacción existente 26 A continuación, se va resumir el estudio detallado de sombras que se presenta en el Anexo J.2. El procedimiento de cálculo se explica en el PCT del IDAE (PCT, 2008). En la Figura 27 se muestran las figuras utilizadas para calcular los ángulos de elevación y azimut (respecto al sur) de las sombras creadas por los obstáculos circundantes sobre cada una de las cinco filas. 4000 4000 7500 4000 7500 4500 4500 A B C D E SUR 5500 Figura 27: Proyección de ángulos de elevación y azimut para construcción del perfil de obstáculos Los ángulos anteriores se utilizan para dibujar el perfil de obstáculos sobre el diagrama de trayectorias del sol (Figura 28), tomando como puntos de partida los ángulos de las esquinas de los obstáculos. A partir de las porciones ocultas por el perfil se utilizan unas tablas (PCT, 2008) para calcular el tanto por ciento de pérdidas por sombras. El resultado del estudio es que las pérdidas por sombras representan el 3,6%. Figura 28: Perfil de obstáculos dibujado sobre el diagrama de trayectorias del sol 5. Componentes Integración de una instalación solar térmica con un sistema de calefacción existente 27 5.3 Sistema de acumulación-intercambio La superficie colectora total es de 64,75 m 2 , por lo que se precisa un volumen de acumulación de 3000 litros. Para este tipo de instalaciones se recomienda (PCT, 2008): 25   ó   ó    50 El acumulador elegido es el modelo CV1000-HL de la serie CORAL VITRO con serpentín de alto rendimiento (Lapesa, 2009), fabricado por la empresa LAPESA (Zaragoza). El intercambio de calor se va a efectuar en el intercambiador de calor interno. El acumulador es de acero vitrificado y tiene un serpentín interior de 6.2 m 2 , maximizando así el intercambio térmico. Se adjunta ficha técnica en el Anexo L. Figura 29: Acumulador solar Coral Vitro (Lapesa, 2009) Los acumuladores van a colocados en el cuarto de calderas para facilitar su conexión con las calderas y disminuir la longitud de tuberías. Debido a las limitaciones constructivas impuestas por el edificio hay que instalar 3 acumuladores de 1000 litros que están preparados para pasar por puertas de hasta 800 mm. La superficie de intercambio total es de 16.18 m 2 . 5.4 Circuito hidráulico El circuito hidráulico cumplirá, entre otras, las siguientes condiciones (Censolar, 2004): - Trazado de tuberías con retorno invertido para garantizar que el caudal se distribuya uniformemente entre los captadores y longitud de tuberías lo más corta posible para reducir las pérdidas térmicas. Los trazados horizontales de tubería tendrán una pendiente mínima del 1% en el sentido de circulación. - Se montarán válvulas de corte para facilitar la sustitución o reparación de componentes sin necesidad de realizar el vaciado completo de la instalación. Estas válvulas independizarán baterías de captadores, acumuladores y bomba. El circuito irá provisto de válvulas de seguridad taradas a una presión que garantice que en ningún punto del circuito se supere la presión máxima de trabajo de los componentes. Se colocarán válvulas antirretorno donde sea preciso. 5. Componentes Integración de una instalación solar térmica con un sistema de calefacción existente 28 - Las tuberías y accesorios se aislarán y protegerán con materiales que cumplan las normas especificadas. El aislamiento térmico de tuberías y otros elementos del circuito primario será de espuma elatométrica, con espesor mínimo de 20 mm en tramos interiores y de 30 mm en tramos exteriores (PCT, 2008). En el Anexo K: “Proyecto de instalación”, se define en detalle el cálculo y dimensionado de cada uno de los elementos de la instalación. 5.4.1 Tuberías El material utilizado para las tuberías será cobre tanto en el circuito primario como en el secundario. La longitud total de tubería es de 80 metros. El diámetro interior de las tuberías será 25 mm y cumple las tres condiciones (PCT, 2008): - Pérdida de carga por metro lineal de tubo no superior a 40 mm ca. - Velocidad de circulación del líquido inferior a 1.5 m/s. - Pérdida total de carga en el circuito principal no superior a 7 m ca. 5.4.2 Bomba de circulación La bomba de circulación se calcula a partir de las pérdidas de carga de la instalación, debidas a las pérdidas en las singularidades (válvulas, codos, derivaciones…) y a las pérdidas en los colectores y los acumuladores. La bomba seleccionada es el modelo UPS Solar 25-120 180 de la marca Grundfos (Grudfos Spain, 2009), la curva característica se muestra en la Figura 30, siendo capaz de vencer una pérdida de carga de 6,1 m.c.a. para el caudal de la instalación que es 0,95 m 3 /h. Figura 30: Bomba UPS Solar 25-120 180 (Grundfos, 2009) 5.4.3 Vaso de expansión En el circuito primario se instalará un vaso de expansión cerrado con el propósito de absorber las dilataciones del fluido en el circuito primario, este sistema protege a la instalación frente a incrementos de presión causados por aumento de temperatura. La capacidad del depósito de expansión será mayor de 29 litros, por lo que se selecciona un vaso de expansión de 50 litros. 5. Componentes Integración de una instalación solar térmica con un sistema de calefacción existente 29 5.4.4 Purgadores y desaireadores La instalación dispondrá de un sistema de purga de aire en la parte más elevada de la batería de colectores. Se dispondrá de un botellín de desaireación por cada fila de colectores, por lo que se instalarán 5 purgadores de 200 cm 2 cada uno a la salida de cada fila de cinco colectores en serie. 5.4.5 Elemento disipador Como en principio, la instalación proyectada va a ser utilizada solamente como apoyo al sistema de calefacción, hay que prever la instalación de elementos que garanticen la disipación del excedente de calor. El sistema disipador de calor tendrá una potencia de 30 kW y será de tipo aerotermo o disipador por gravedad. 5.5 Sistema de regulación y control La regulación del circuito primario se realiza mediante un control diferencial de temperatura que compara la temperatura a la salida de los colectores con la existente en la parte baja de los acumuladores. Cuando la primera sea mayor que la última en una cantidad fijada por el regulador, éste ordenará a la bomba que se ponga en marcha. Es preciso ajustar la diferencia de temperaturas de tal manera que en ningún caso pueda disiparse el calor del acumulador a través del colector, exigiendo que la temperatura en el colector sea varios grados mayor que en el acumulador para que se ponga en marcha la bomba del primario (Censolar, 2004). Según el PCT del IDAE, el sistema de control actuará y estará ajustado de manera que las bombas no estén en marcha cuando la diferencia de temperaturas sea menor de 2ºC y no estén paradas cuando la diferencia sea mayor de 7ºC. La diferencia de temperaturas entre los puntos de arranque y de parada de termostato diferencial no será menor de 2ºC (PCT, 2008). Un posible modo de operación de la bomba del circuito primario se muestra en la Tabla 8. Tabla 8: Regulación de la bomba del circuito primario MARCHA PARO (T colector - T parte baja acumulador ) ≥ 6ºC T parte alta acumulador ≤ 60ºC (T colector - T parte baja acumulador ) ≤ 2ºC T parte alta acumulador ≥ 60ºC Por otro lado, el agua caliente que vuelve del circuito de calefacción es dirigida mediante una válvula de 3 vías motorizada controlada también por el regulador. Si la temperatura del agua de retorno de calefacción es superior a la temperatura del acumulador, el agua de retorno se impulsa directamente a calderas, donde se producirá un calentamiento adicional hasta la temperatura de consigna, para después impulsarla al circuito de calefacción. Por el contrario, cuando la temperatura de retorno es inferior a la del acumulador, el agua de retorno se introduce al acumulador, que al enfriarse favorece nuevamente la aportación solar. Hay que señalar que la regulación de la instalación solar térmica va ha ser ejecutada por una empresa especializada en automatización, la cual se va a encargar de realizar la regulación completa del sistema de climatización del edifico para la correcta integración de la energía solar térmica con el sistema de calefacción existente. 6. Presupuesto Integración de una instalación solar térmica con un sistema de calefacción existente 30 6 Presupuesto El presupuesto desglosado de las diferentes partidas de la instalación se detalla a continuación. Hay que señalar que el presupuesto no incluye el IVA. Ud. PVP Importe total Partida 1.1 Colectores solares 25 794,42 € 19.860 € Colector solar térmico CPC ML3.0, de 2,59 m2. Absorbedor Cobre - Tinox Selectivo alto rendimiento. Base Aluminio Anodizado con fijaciones Inox. Cristal templado de alta transmitancia 4 mm. Presión máxima de trabajo 10 bares. Rendimiento óptico: 0,75; coeficiente de pérdidas 2,9 W/m2K. Partida 1.2 Estructura anclaje colectores 5 352 € 1.760 € Estructura soporte para 5 captadores ML3.0 de aluminio extrusionado anodizado para su montaje en cubierta inclinada. Partida 1.3 Acumuladores solares 3 2.300 € 6.900 € Acumulador solar marca Lapesa de 1000L de capacidad, serie Coral Vitro, modelo CV1000-HL. Depósito de acero vitrificado. Incorpora un serpentín de intercambio de 6,2 m 2 de superficie. Calorifugado con espuma rígida de poliuretano compacto inyectado en molde, libre de CFC, espesor de 50 mm y coeficiente de transmisión térmica de 0,02 W/mK. Presión máxima de trabajo 8Kg/cm 2 . Partida 1.4 Centralita de control 1 500 € 500 € Centralita de control DeltaSol M, marca Tasol con monitorización iluminada. 7 esquemas básicos de control, programable mediante PC (RS232). Visualización de sistema, de balance de calor y hasta 12 entradas de sonda. 9 relés de salida. Control de 4 bombas con velocidad regulable. Partida 1.5 Bomba solar primario 1 650 € 650 € Bomba de impulsión del circuito primario marca Grundfos. Serie UPS Solar 25-120 180, conexión a 230 V. Potencia máxima absorbida de 230 W. Altura de impulsión máxima: 12 m.c.a. Caudal máximo: 3,2 m 3 /h Partida 1.6 Fluido caloportador 40 3,4 140 € Fluido caloportador: mezcla de agua con 40% de propilenglicol Partida 1.7 Depósito de expansión 1 150 € 150 € Depósito de expansión de 50L marca Zilmet con presión de trabajo máxima de 10 bar y temperatura de -10/99ºC Partida 1.8 Disipación 1 1.000 € 1.000 € Aerotermo disipador dinámico mediante circulación de aire. Potencia nominal de 24 kW con disipación térmica Partida 1.9 Valvulería y tubería - 4.000 € 4.000 € Válvulas de seguridad para cicuitos primario y secundarios, válvulas de corte, válvulas reductoras de presión,… Partida 1.10 Mano de obra - 5.000 € 5.000 € Transporte, montaje, puesta en marcha y verificación TOTAL 39.960 € 9. Bibliografía Integración de una instalación solar térmica con un sistema de calefacción existente 37 EnerBuilding. (diciembre de 2007). EnerBuilding.eu. EnerBuilding Project. Eficiencia energética en viviendas. Recuperado el abril de 2009, de http://www.cecu.es/campanas/medio%20ambiente/Guia%20Viviendas.pdf Espada, R. (2003). Energía Solar Térmica de Baja Temperaturas (Viessmann). Madrid. European Commission. (2009). Solar Irradiation Data Utility. Recuperado el Octubre de 2009, de http://re.jrc.ec.europa.eu/pvgis/apps/radmonth.php?lang=es&map=europe Fernández, P. (2009). Ciclos de máquinas frigoríficas no convencionales, capítulo 15. Recuperado el abril de 2009, de http://libros.redsauce.net/Termodinamica/PDFs/Capitulo15.pdf Gas Natural. (2009). Gas Natural report. Eficiencia Energética. Recuperado el marzo de 2009, de http://www.gasnatural.com/esp/eficiencia/eficiencia_energetica_cast.pdf Grudfos Spain. (2009). Obtenido de http://www.grundfos.es/ Grundfos. (2009). Catálogo de bombas solares. Recuperado el diciembre de 2009 HE 4. (2004). Contribución solar mínima de agua caliente sanitaria. HE. (2004). Documento Básico. HE Ahorro de Energía. Código Técnico de la Edificación. IDAE. (2007). Guía práctica de la energía: Consumo eficiente y responsable. 2ª edición. IMS. (2009). Catálogo de productos CPC IMS Calefacción. Recuperado el junio de 2009 INDEL. (1998). Atlas de la demanda eléctrica española. Proyecto INDEL. Red Eléctrica Española. Inhouse. (julio de 2009). Oferta de Inhouse-engineering: inhouse5000 hydrogen system (5 kW PEM fuel cell). Alemania. Lapesa. (2009). Obtenido de http://www.lapesa.es/ Lapesa. (2009). Catálogo de productos - acumuladores solares. Recuperado el octubre de 2009 Marín, J., & Monné, C. (2006). Transferencia de calor. Zaragoza. Marín, J.M. (2007). Ciclos de refrigeración por absorción.Capítulo 10. Apuntes de la asignatura: Ingeniería Térmica. José María Marín, José María Cózar.Universidad de Zaragoza. Zaragoza. PCT. (2008). Pliego de Condiciones Técnicas de Instalaciones de Baja Temperatura. PER. (2005-2010). Plan de Energías Renovables en España 2005-2010. Sector Solar Térmica. Posse L. (13 de mayo de 2009). Proyectos de frío solar. Departamento de Energía Solar. IDAE. Recuperado el julio de 2009 Proyecto EnerBuilding.eu. El uso racional de la energía en los edificio públicos y Eficiencia energética en viviendas. Proyecto. (2007). Proyecto del edificio de la Fundación Hidrógeno en Aragón. 9. Bibliografía Integración de una instalación solar térmica con un sistema de calefacción existente 38 REE. (2009). Red Eléctrica de España. Recuperado el julio de 2009, de http://www.ree.es RITE. (2007). Reglamento de instalaciones Térmicas en los Edificios. Roca Calefacción. (2007). Utilización de la energía solar a baja temperatura por medio de captadores planos. Salvador Escoda. (2008). Manual Técnico de Energía Solar Térmica. 3ª Edición (ampliada). SketchUp. (2009). Google SketchUp. Recuperado el noviembre de 2009, de http://sketchup.google.com/intl/es/ Soliclima Energía Solar. (2009). Obtenido de http://www.soliclima.com/frio_solar.html Viessmann. (2009). Recuperado el julio de 2009, de http://www.viessmann.es/ Zabalza, I. (2007). Apuntes de Energía Solar Térmica. Master Energías Renovables. Universidad de Zaragoza. Zaragoza.