Instalación solar para la producción de ACS en un hotel de tres estrellas

Equation Chapter 1 Section 1 Trabajo Fin de Grado Grado en Ingeniería de las Tecnologías Industriales Instalación solar para la producción de ACS en un hotel de tres estrellas Autor: José Antonio Marín Martín Tutor: D. José Guerra Macho Dep. de Ingeniería Energética Escuela Técnica Superior de Ingeniería Universidad de Sevilla Sevilla, 2016 iii Trabajo Fin de Grado Grado en Ingenierías de las Tecnologías Industriales Instalación solar para la producción de ACS en un hotel de tres estrellas Autor: José Antonio Marín Martín Tutor: D. José Guerra Macho Catedrático de Universidad Dep. de Ingeniería Energética Escuela Técnica Superior de Ingeniería Universidad de Sevilla Sevilla, 2016 v Proyecto Fin de Carrera: Instalación solar para la producción de ACS en un hotel de tres estrellas Autor: José Antonio Marín Martín Tutor: D. José Guerra Macho El tribunal nombrado para juzgar el Proyecto arriba indicado, compuesto por los siguientes miembros: Presidente: Vocales: Secretario: Acuerdan otorgarle la calificación de: Sevilla, 2016 El Secretario del Tribunal vii A mi familia A mis maestros ix Índice Índice ix Índice de Tablas xi Índice de Figuras xiii 1 MEMORIA DESCRIPTIVA 1 1.1 Objeto del proyecto 2 1.2 Antecedentes 2 1.3 Método de cálculo 2 1.4 Descripción del edificio 6 1.5 Descripción de la instalación 7 1.5.1 Principio de funcionamiento 7 1.5.2 Elementos principales de la instalación 9 1.6 Características técnicas de los equipos 11 1.6.1 Captadores solares planos 11 1.6.2 Interacumulador 11 1.6.3 Bomba del circuito solar 12 1.6.4 Vaso de expansion 13 1.6.5 Caldera auxiliar 13 1.6.6 Acumulador auxiliar 15 1.7 Normativa 16 1.8 Bibliografía 17 2 Memoria de cálculo 19 2.1 Introducción 20 2.2 Datos de partida 20 2.3 Cálculo de la demanda 25 2.4 Cálculo de la superficie de captación 27 2.5 Cálculo del volumen de acumulación y potencia del intercambiador 30 2.6 Dimensionado del vaso de expansion 31 2.7 Cálculo de la red de tuberías 34 2.8 Dimensionado del grupo de bombeo 38 2.9 Cálculo del equipo auxiliar 39 2.9.1 Acumulador auxiliar 39 2.9.2 Caldera auxiliar 40 2.10 Cálculo del espesor de aislamiento 41 2.11 Selección de accesorios 42 3 pliego de condiciones técnicas 43 MEMORIA DESCRIPTIVA 2 1.1 Objeto del proyecto Este proyecto tiene como objeto la instalación de un sistema de energía solar térmica de baja temperatura para la producción de agua caliente sanitaria en un hotel de tres estrellas en la ciudad de Sevilla, Andalucía. 1.2 Antecedentes La demanda energética ha aumentado en los últimos años de forma exponencial, donde el 64.3% de la energía consumida en España, en los últimos siete años, la aportan los combustibles fósiles. Además, España solo produce el 26.8% de la energía primaria demandada, lo que provoca una alta dependencia energética. Por otra parte, el uso de este tipo de energía conlleva un grave impacto medioambiental, con altas presiones socio-políticas. Una alternativa a este panorama nacional es la apuesta por las energías renovables, en nuestro caso solar, que nos proporciona las siguientes ventajas:  Independencia energética  Reducción del impacto medioambiental  Reducción de costes de operación y mantenimiento Por otra parte, el gobierno proporciona ayudas para fomentar el uso de esta energía no contaminante, lo que reduce el coste principal de la instalación. Por todas estas razones, y porque el emplazamiento del hotel se sitúa en una de las zonas con mayor radiación solar de Europa, se ha optado por la instalación de un sistema solar de baja temperatura para la producción de agua caliente sanitaria. 1.3 Método de cálculo El método de diseño que utilizaremos es el método F-Chart. Es un método que nos proporcionará el porcentaje de demanda cubierta para cada uno de los meses del año, dada una determinada superficie de captación y un volumen de acumulación. Este método está basado en una serie de correlaciones entre números adimensionales con el que podremos comprobar si nuestro sistema cumple con los requisitos mínimos que nos exige el código técnico de la edificación. La ecuación que nos proporciona el porcentaje de demanda cubierta es: 𝑓=1,029 𝑌–0,065 𝑋–0,245 𝑌2+0,0018 𝑋2+0,0215 𝑌3 Donde los parámetros adimensionales son:  Factor de pérdidas, nos relaciona las pérdidas en el sistema de captación con la carga calorífica del mes. 3 Instalación solar para la producción de ACS en un hotel de tres estrellas 𝑋=𝐹𝑅·𝑈𝐿·(𝑇𝑟𝑒𝑓 −𝑇𝑎𝑚)·∆𝑡·𝐴 𝐿 Donde:  𝐹𝑅 es el factor de eficacia del captador  UL Coeficiente global de perdida de calor del captador, W/m2·K  Tref temperatura de referencia, 100 ºC.  Tam temperatura media mensual del ambiente, ºC.  ∆𝑡 periodo de tiempo considerado, s.  A área del captador, m2.  L carga calorífica, J/mes.  Factor de ganancias, nos relaciona la ganancia térmica en el sistema de captación con la carga calorífica del mes. 𝑌=𝐹𝑅(𝜏𝛼)𝑚·𝐻 ·𝑁·𝐴 𝐿 Donde  (𝜏𝛼)𝑚 producto transmitancia-absortancia efectivo medio mensual del captador.  𝐻  radiación incidente media mensual en base diaria, J/m2·día.  N número de días del mes, día/mes. Figura 1.1 Curvas de fracción de demanda cubierta MEMORIA DESCRIPTIVA 4 El alcance de este método es el siguiente:  Basado en datos diarios medios mensuales.  Aplicable a sistemas de calefacción y producción de ACS, con la demanda de ACS inferior al 20% de la demanda de calefacción.  Considera un sistema base de energía solar sin intercambiador en el circuito de captación y con una acumulación de 75 l/m2 de superficie de captación. No obstante, la recta de rendimiento de los captadores solares varía si:  El caudal real de funcionamiento es diferente al teórico.  Existen dos o más captadores conectados en serie.  El ángulo de incidencia de la radiación es distinto a la normal. Por lo que será necesario hacer las correcciones siguientes para obtener una recta de rendimiento real: 1. Corrección por caudal. Se corrigen los parámetros de la recta de rendimiento del captador. 𝐹𝑅𝑈𝐿∗=𝐶𝑀·𝐹𝑅·𝑈𝐿 𝐹𝑅(𝜏𝛼)𝑛∗=𝐶𝑀·𝐹𝑅(𝜏𝛼)𝑛 Obteniendo el coeficiente corrector de la Figura 1.2 Figura 1.2 Corrección por caudal 2. Corrección por agrupación de captadores en serie. Se define el área y los parámetros de la recta de rendimiento para un captador equivalente a la agrupación. Para N captadores el factor corrector es: 5 Instalación solar para la producción de ACS en un hotel de tres estrellas 𝐶𝐴=1−(1−𝐾)𝑁 𝑁·𝐾 Siendo 𝐾=𝐴·𝐹𝑅·𝑈𝐿 𝑀·𝐶𝑝 Donde:  𝐴 es el área de un captador plano, m2.  𝑀 es el caudal de un captador plano, kg/s.  𝐶𝑝 es el calor específico del fluido caloportador, Por lo que 𝐹𝑅𝑈𝐿∗=𝐶𝐴·𝐹𝑅·𝑈𝐿 𝐹𝑅(𝜏𝛼)𝑛∗=𝐶𝐴·𝐹𝑅(𝜏𝛼)𝑛 3. Corrección por ángulo de incidencia. En el caso que nos ocupa usaremos un factor corrector igual a 0,96 puesto que la inclinación del captador es similar a la normal. No obstante, experimentalmente se ha obtenido la siguiente ecuación para el cálculo del factor corrector: 𝐾𝜏𝛼 =1−𝑏0·( 1 cos𝜃−1) (𝜏𝛼)=𝐾𝜏𝛼·(𝜏𝛼)𝑛 Donde  𝑏0 depende del tipo de captador solar, toma un valor de 0,1 para un captador solar plano.  𝜃 ángulo de incidencia de la radiación directa. De igual forma se calcula el factor corrector para la radiación difusa, calculando el ángulo de la radiación difusa como: 𝜃𝑑𝑖𝑓𝑢𝑠𝑎 =59.7−0.1388·𝑠+0.001497·𝑠2 Siendo s la inclinación del captador. El método se desarrolló para instalaciones donde la capacidad de acumulación es de 75 l/m2, una demanda de ACS inferior al 20% de la demanda de calefacción y donde no existen elementos acoplados al captador como puede ser un intercambiador de calor. Por lo que, además, de las correcciones anteriores sobre la curva de rendimiento del captador solar el método f-Chart posee las siguientes correcciones: 4. Corrección por la capacidad de almacenamiento. Si la acumulación es diferente a 75 l/ m2 de superficie de captación, se corrige el factor adimensional X mediante la siguiente ecuación: 𝑋𝑐 𝑋=(𝑉 75)−0.25 MEMORIA DESCRIPTIVA 6 5. Corrección por intercambiador de calor. Es usual que en el circuito de captación exista un intercambiador de calor, lo que provoca un aumento del gradiente de temperaturas que tiene como consecuencia una disminución del rendimiento del sistema. Se obtendrá, por tanto, un sistema equivalente donde los parámetros de la recta de rendimiento se verán afectados por el siguiente factor corrector. 𝐶𝐼=[1+𝐹𝑅𝑈𝐿·𝐴 𝑀𝑝·𝐶𝑝𝑝·(𝑀𝑝·𝐶𝑝𝑝 𝜀·𝐶𝑚𝑖𝑛)]−1 Siendo  𝑀𝑝 caudal del circuito primario, kg/s.  𝐶𝑝𝑝 calor específico del circuito primario, J/g·K.  𝜀 rendimiento del intercambiador  𝐶𝑚𝑖𝑛 es el menor valor entre el circuito primario y secundario de 𝑀·𝐶𝑝 6. Corrección por consumo de ACS. Si la demanda de ACS es inferior al 20% de la demanda de calefacción se corrige el facto de pérdidas X: 𝑋𝑐 𝑋=11.6+1.18·𝑇𝑎𝑐+3.86·𝑇𝑎𝑓−2.32·𝑇𝑎𝑚 100−𝑇𝑎𝑚 Siendo:  𝑇𝑎𝑐 temperatura de preparación del agua caliente, ºC.  𝑇𝑎𝑓 temperatura del agua fría, ºC.  𝑇𝑎𝑚 temperatura ambiente, ºC. La carga calorífica mensual se calcula como: 𝐿𝐴𝐶𝑆 =𝑀𝑎𝑐·𝜌·𝐶𝑝·(𝑇𝑎𝑐 −𝑇𝑎𝑓)·𝑁 Donde  𝑀𝑎𝑐 consumo de agua caliente, l/día.  𝜌 densidad del agua, 1 kg/l.  𝐶𝑝 calor específico, 4190 J/kg·K.  N número de días del mes en estudio. 1.4 Descripción del edificio El edificio es un hotel de tres estrellas situado en la calle Santillana, número 5-7, de la ciudad de Sevilla. El edificio cuenta con cuatro plantas, asumiendo la planta baja como la primera. Lo cual nos proporciona una 7 Instalación solar para la producción de ACS en un hotel de tres estrellas altura superior a todos los edificios colindantes, ofreciéndonos la posibilidad de aprovechar la totalidad de la radiación sola. El hotel posee 25 habitaciones dobles, 5 de ellas en la planta baja, 9 en la primera y segunda, y una habitación para el director en el ático, junto a la cual está el cuarto para las instalaciones de producción de ACS. Figura 1.3 Planta ático En la planta ático nos encontramos con dos tipos de cubierta, una azotea transitable y una cubierta inclinada con teja sobre la cubierta. 1.5 Descripción de la instalación 1.5.1 Principio de funcionamiento El funcionamiento de la instalación solar de baja temperatura, inferior a 100 ºC, se basa en la captación de la radiación solar mediante una serie de captadores, por el interior de los cuales circula un fluido caloportador que la transporta a un sistema de almacenamiento. En nuestro caso el sistema de almacenamiento lo componen un interacumulador, en el interior del cual se dará el intercambio de energía entre el fluido caloportador y el agua de consumo, y un depósito independiente. El interacumulador abastecerá al depósito por su parte inferior. Además, nuestra instalación cuenta con un sistema auxiliar que proveerá de ACS al depósito cuando la demanda así lo requiera. Para el correcto funcionamiento de nuestra instalación contaremos con una serie de sensores conectados a un sistema de control que pondrá en marcha el sistema de captación o auxiliar según sea necesario. Para que la bomba del circuito primario se ponga en funcionamiento la diferencia entre la salida de los captadores y la parte inferior del interacumulador debe ser mayor que 7 ºC. La bomba se detendrá cuando esta diferencia sea igual o inferior a 2 ºC. Por otro lado, el sensor a la salida del depósito indicará al sistema auxiliar la necesidad, o no, de su puesta en marcha, siendo la temperatura de consumo más 5ºC la mínima por debajo de la cual entrará en funcionamiento el sistema auxiliar. Los principios básicos por los que se rigen estos sistemas son:  Aporte de energía no controlable  La demanda y el aporte de energía están desfasados  La orientación e inclinación del captador afecta gravemente al rendimiento  La radiación solar debe ser captada a la mayor temperatura posible MEMORIA DESCRIPTIVA 8 Figura 1.4 Esquema de principio 9 Instalación solar para la producción de ACS en un hotel de tres estrellas Por todo ello, la instalación solar cuenta con cuatro subsistemas que se pueden diferenciar claramente:  Subsistema de captación  Subsistema de intercambio  Subsistema de acumulación  Subsistema de apoyo 1.5.2 Elementos principales de la instalación a. Captador solar plano El captador solar es un dispositivo que transforma la radiación solar en energía térmica. Consiste en una caja aislada, excepto por su parte superior que posee una superficie acristalada, por la que circula un fluido caloportador que es calentado por la radiación solar. Combina el efecto invernadero y el efecto de cuerpo negro para aumentar su rendimiento, obteniendo la mayor radiación posible con las menores pérdidas. El tipo de superficie absorbente suele ser selectiva, compuesto de un material que conduzca eficazmente la energía como el cobre o el aluminio. Nuestro sistema contará con una superficie total de captación de 23 m2. Con 2 baterías en paralelo, donde cada una de ellas contará con 5 paneles conectados en paralelo entre sí. Para el retorno de la red se ha optado por la variante retorno invertido de la alimentación, la cual consiste en comenzar a retornar el agua de la red desde la primera fila, obteniendo circuitos equivalentes en el de ida y vuelta. Proporcionándonos, de esta forma, un circuito hidráulicamente equilibrado, compensando las pérdidas de carga entre los emisores más alejados y los más próximos. La orientación e inclinación de los captadores juega un papel fundamental en el rendimiento de nuestro sistema. Utilizaremos, por tanto, los que maximicen el rendimiento, orientación sur. La inclinación será de 45º, puesto que la de máximo rendimiento para una demanda predominante en invierno sería igual a la latitud +10º (47º), puesto que es una zona muy calurosa en verano donde la demanda de acs disminuye drásticamente. b. Intercambiador de calor y acumulador de calor. El intercambiador es un dispositivo que transfiere el calor extraído desde el circuito primario al secundario. En nuestro caso, el intercambiador de calor vendrá incorporado en el interior del acumulador, este tipo de dispositivos se llaman interacumuladores. El interacumulador posee en su interior un serpentín por el cual circula el caudal del circuito primario, calentando de esta forma, el agua almacenada en el interior del tanque. Al aumentar la temperatura del agua su densidad disminuye, lo que provoca que ascienda, creando una circulación natural y estableciendo la estratificación de temperaturas. El uso de acumuladores es necesario debido al desfase entre la demanda y la radiación solar. Por lo que, un buen dimensionado de este equipo es fundamental para poder abastecer la demanda necesaria que se produce en horas puntas donde la captación es mínima, independizando de esta forma, el circuito de captación del circuito de consumo en la mayor medida posible. El depósito debe poseer ciertas características, como una superficie exterior mínima para un volumen dado, que favorezcan la estratificación. Por lo que se suele optar por depósitos cilíndricos en posición vertical. El aislamiento también es un factor importante, así como el material de construcción que debe disminuir la corrosión en la mayor medida posible. Nuestra instalación cuenta con un interacumulador de 2500 litros que almacenará el agua calentada por el sistema solar y un segundo acumulador de 2000 litros abastecido por el sistema de apoyo. MEMORIA DESCRIPTIVA 10 c. Sistema auxiliar El sistema auxiliar es el encargado de abastecer de ACS al edificio cuando el sistema solar no es capaz, no obstante, la potencia debe ser tal que aporte la totalidad de la demanda de agua caliente sanitaria cuando sea necesaria. La caldera instalada es del fabricante Viessmann modelo VITOCROSSAL 300 CM3, es una caldera de condensación a gas, con una potencia térmica nominal de 87 hasta 142 kW, capaz de elevar la temperatura hasta la necesaria de utilización. En el presente documento comprobaremos que la caldera que existente cumple con los requisitos del sistema. d. Sistema hidráulico Para el circuito hidráulico las tuberías que se utilizarán serán de cobre, debido a su afinidad con las mezclas de glicol y agua, además de por ser resistente a la corrosión, duradero y elástico. Otra ventaja es que permite inhibir el crecimiento de hongos, bacterias y virus. Además, el cobre se define como material liso, en su comportamiento hidráulico, lo que proporciona una baja pérdida de carga lineal. El circuito primario, aquel que une los captadores con el interacumulador, estará formado por agua neutra y propilenglicol, con un 40% en peso, aumentando de esta forma la capacidad de transferencia, así como la protección contra la congelación del fluido en épocas de heladas. Por otro lado, en el circuito secundario, aquél formado por las tuberías que abastecen los distintos puntos de uso desde el interacumulador, fluirá agua potable proveniente de la red de agua municipal. El dimensionado de la red se obtiene teniendo en cuenta los diferentes tramos del sistema y calculando la pérdida de carga en cada uno de ellos, así como la velocidad, para el diámetro más adecuado que cumpla con las condiciones técnicas impuestas por el reglamento de instalaciones térmicas de la edificación. Estos cálculos se han obtenido en el apartado 2.6 de la memoria de cálculo. Una vez se tenga la pérdida de carga total, se instalará el grupo de bombeo con la potencia que más se adecue al sistema. En el circuito primario, la bomba se colocará en el punto más frío del sistema, tubería de retorno a los captadores. El grupo de bombeo contará con una válvula de retención, que evitará el flujo inverso de la corriente, así como válvulas de corte que posibilitarán el aislamiento del equipo para su posible manipulación. Se instalarán purgadores en las zonas más altas de la red de circulación, donde se concentran las bolsas de aire que pueden llegar a bloquear el sistema. El circuito primario es un circuito cerrado donde se producen variaciones del volumen del fluido caloportador debido a la variación de su temperatura, por lo que será necesario instalar un vaso de expansión, en nuestro caso cerrado, que anule este efecto perjudicial para el sistema. El lugar de colocación del vaso será en la aspiración de la bomba. e. Sistema de regulación y control Toda instalación solar necesita de un sistema de regulación y control que gestione el intercambio de energía entre captadores, interacumulador y consumo, proporcionando un funcionamiento óptimo del sistema. El circuito primario se controla mediante la puesta en marcha o parada de la bomba del circuito primario. El uso de la bomba viene determinado por la variación de temperatura del fluido caloportador a la salida de los captadores y la parte baja del interacumulador. La diferencia de temperaturas para que la bomba se ponga en marcha debe ser de 7ºC, mientras que si la diferencia es de menos de 2ºC la bomba se parará. 11 Instalación solar para la producción de ACS en un hotel de tres estrellas Por otro lado, necesitaremos un sensor a la salida del depósito, que indicará al sistema auxiliar la necesidad o no de su puesta en marcha, siendo la temperatura de consumo más 5ºC la mínima por debajo de la cual entrará en funcionamiento el sistema auxiliar. 1.6 Características técnicas de los equipos 1.6.1 Captadores solares planos Los captadores solares planos que se instalarán de la marca Sonnenkraft poseen las siguientes características:  Nombre: SKR500  Superficie bruta: 2.57 m2  Superficie de apertura: 2.26 m2  Superficie de absorbedor: 2.3 m2  Altura: 2079 mm  Ancho: 1240 mm  Profundidad: 95 mm  Capacidad del captador: 1.45 l  Presión máx. de trabajo: 10 bar  Temperatura de estanqueidad: 174 ºC  Caudal recomendado: 10-35 l/m2·h  Conexión en serie: Máx. 12 uds en paralelo  Inclinación mín. y máx. 15-75 º  Conexiones: 18 m cobre  Absorbedor: Absorbedor de aluminio de superfcie completa; recubrimiento al vacío altamente selectivo  Rendimiento óptico: 0.82  Factor de pérdidas: 3.821 / 3.758 W/m2·K 1.6.2 Interacumulador El interacumulador seleccionado de la marca Lapesa tiene las siguientes características:  Modelo: MVV2500SB  Depósito de acero vitrificado con serpentín  Capacidad de ACS: 2500 l  Aislamiento: espuma rígida de poliuretano PU inyectada en mode de 80 mm con pieza aislante del mismo material en la BH DN400 lateral  Temperatura máxima depósito ACS: 90 ºC  Presión máx depósito ACS: 8 bar  Temperatura máxima circuito de calentamiento: 120 ºC  Presión máxima circuito de calentamiento: 25 bar  Número de serpentines: 3 MEMORIA DESCRIPTIVA 18  “Datos climáticos para el dimensionado de instalaciones térmicas” AEONOR, Norma UNE 94003. 2007 Referencias web  http://www.aenor.es.fama.us.es  http://www.codigotecnico.org/  http://www.salvadorescoda.com  http://www.ree.es/es/nuestra-gestion/principales-indicadores/integracion-de-renovables  http://www.lapesa.es.com  https://www.grundfos.com  http://www.sonnenkraft.es/ 2 MEMORIA DE CÁLCULO Memoria de cálculo 20 20 2.1 Introducción En la memoria de cálculo se detallarán y justificarán todos los resultados numéricos obtenidos para la instalación de un sistema solar térmico de baja temperatura, para un hotel de tres estrellas situado en la ciudad de Sevilla. Además, se dimensionará y seleccionarán todos los elementos que componen el sistema acorde a la normativa española vigente. 2.2 Datos de partida a. Geográficos El edificio se encuentra en la ciudad de Sevilla, a una altura de 7 m sobre el nivel del mar, latitud igual a 37.39 grados y orientación de la fachada al este, con una azotea plana transitable que se eleva por encima de los edificios colindantes, con posibilidad de orientar los captadores en dirección sur. b. Climáticos La zona climática que nos corresponde es V, según el Documento Básico HE Ahorro de Energía, puesto que la radiación solar diaria media anual es mayor o igual a 18 MJ/m2 según la norma 94003:2007, donde la radiación solar diaria media mensual sobre una superficie horizontal y la temperatura ambiente media para cada uno delos meses del año se pueden observar en la Tabla 2-1. Sin embargo, nuestros captadores solares están inclinados, por lo que habrá que corregir la radiación incidente para superficies horizontales. De esta forma, se descompondrá la radiación en dos componentes, directa y difusa, para después ver su equivalente en una superficie inclinada. Por último, se suman ambas componentes inclinadas para volver a obtener la global. Mes Radiación solar diaria media mensual (MJ/m2·día) Temperatura ambiente diaria media mensual (ºC) Enero 9.1 10.7 Febrero 12.2 11.9 Marzo 16.0 14 Abril 19.8 16 Mayo 24.1 19.6 Junio 25.9 23.4 Julio 27.2 26.8 Agosto 24.8 26.8 Septiembre 19.2 24.4 Octubre 14.3 19.5 Noviembre 10.2 14.3 Diciembre 8.3 11.1 Tabla 2-1 Radiación solar y temperatura ambiente diaria media mensual. 21 Instalación solar para la producción de ACS en un hotel de tres estrellas Para empezar, se calcula la declinación solar, que es el ángulo que forma el plano ecuatorial y la línea que une los centros de la tierra y el sol, para cada uno de los meses del año. Para ello utilizamos la ecuación de Cooper. 𝛿=23,45·𝑠𝑒𝑛(360 365·(𝑛+284)) Siendo n el número del día del año Obteniendo los resultados para cada uno de los meses en la Tabla 2-2 Él ángulo horario de la salida del sol, que es el arco en grados descrito por el sol desde el amanecer hasta su culminación será: 𝑤𝑠=cos−1 (−tan𝛿· tan𝜙) Siendo 𝝓 la latitud. Nótese que el ángulo de la salida del sol es igual al ángulo de la puesta del sol excepto por su signo. Será, por tanto, el ángulo total el valor de dos veces 𝑤𝑠, Tabla 2-3. El índice de claridad o de transparencia atmosférica se define como: 𝑘𝑡=𝐻𝑔0 𝐻0 Siendo:  𝐻𝑔0 la irradiación global horizontal.  𝐻0 la irradiación extraterrestre horizontal para la latitud correspondiente a la ciudad de Sevilla. Mes Día del año Declinación (º) Enero 17 -20.92 Febrero 47 -12.95 Marzo 75 -2.42 Abril 105 9.41 Mayo 135 18.79 Junio 162 23.09 Julio 198 21.18 Agosto 228 13.45 Septiembre 258 2.22 Octubre 288 -9.6 Noviembre 318 -18.91 Diciembre 344 -23.05 Tabla 2-2Declinación solar Memoria de cálculo 22 22 Mes Ángulo solar de la salida del sol (º) Ángulo solar total (º) Enero 73.02 146.03 Febrero 79.87 159.75 Marzo 88.15 176.30 Abril 97.28 194.56 Mayo 105.07 210.15 Junio 109.01 218.02 Julio 107.23 214.46 Agosto 100.54 201.072 Septiembre 91.70 183.39 Octubre 82.57 165.15 Noviembre 74.82 149.64 Diciembre 70.96 141.91 Tabla 2-3 Ángulo solar Para hallar la irradiación difusa, 𝐼𝑑, a partir de la irradiación global media mensual sobre una superficie horizontal, 𝐼ℎ, usamos la correlación de Ersb, Klein y Duffie (1982): 𝐼𝑑 𝐼ℎ=1.39−4.03·𝑘𝑡+5.53·𝑘𝑡2−3.11·𝑘𝑡3 Entendiendo que la irradiación global, 𝐼ℎ, es la suma de la difusa, 𝐼𝑑, y la directa, 𝐼𝐷, ya se tienen descompuestas la irradiación en sus dos componentes. Obteniendo para cada mes los resultados de la Tabla 2-4. A continuación, se calcula la relación entre la radiación directa sobre una superficie inclinada y la radiación directa sobre una superficie horizontal: 𝑅𝐷=cos(Φ−𝑠)·cos(𝛿)·𝑠𝑒𝑛(𝑤𝑠′)+𝜋 180·𝑤𝑠′·𝑠𝑒𝑛(Φ−𝑠)·𝑠𝑒𝑛(𝛿) cos(Φ)·cos(𝛿)·𝑠𝑒𝑛(𝑤𝑠)+𝜋 180·𝑤𝑠·𝑠𝑒𝑛(Φ)·𝑠𝑒𝑛(𝛿) Donde:  𝑠 es la inclinación del panel solar sobre la horizontal  𝑤𝑠′ ángulo solar en una superficie inclinada 23 Instalación solar para la producción de ACS en un hotel de tres estrellas Mes Irradiación extraterrestre horizontal (MJ/m2·dia) Índice de claridad Irradiación difusa superficie horizontal (MJ/m2·dia) Irradiación directa superficie horizontal (MJ/m2·dia) Enero 16.8 0.542 3.052 6.048 Febrero 22.3 0.547 4.040 8.160 Marzo 28.8 0.556 5.194 10.806 Abril 35.4 0.559 6.371 13.429 Mayo 39.8 0.606 6.914 17.186 Junio 41.7 0.621 7.125 18.775 Julio 40.9 0.665 6.553 20.647 Agosto 37.5 0.661 6.049 18.751 Septiembre 31.7 0.606 5.506 13.694 Octubre 25 0.572 4.464 9.836 Noviembre 18.7 0.545 3.391 6.809 Diciembre 15.5 0.535 2.823 5.477 Tabla 2-4 Irradiación directa y difusa sobre superficie horizontal e índice de claridad Calculando el ángulo solar sobre la superficie inclinada como: 𝑤𝑠′=𝑀𝐼𝑁(𝑤𝑠,arccos (−tan(Φ−𝑠)·tan (𝛿)) Obteniendo de esta forma los valores de la Tabla 2-5. Finalmente, se define la irradiación global en una superficie inclinada como: 𝐼𝐼=𝑅𝐷·𝐼𝐷·1+cos𝑠 2·𝐼𝑑 Obteniendo, en la tabla Tabla 2-6 los valores de la irradiación solar global media sobre una superficie inclinada, así como de sus dos componentes, directa y difusa, para cada mes. En la Figura 2.1 podemos comprobar cómo varía la irradiación recibida para una superficie inclinada y horizontal, observando cómo en los meses más desfavorables la superficie inclinada recibe una mayor irradiación solar Memoria de cálculo 24 24 Mes 𝒘𝒔 ′ 𝑹𝑫 Enero 73.02 2.182 Febrero 79.87 1.733 Marzo 88.15 1.324 Abril 88.66 0.998 Mayo 87.26 0.804 Junio 86.57 0.727 Julio 86.88 0.760 Agosto 88.07 0.909 Septiembre 89.69 1.182 Octubre 82.57 1.587 Noviembre 74.82 2.052 Diciembre 71.02 2.337 Tabla 2-5 Ángulo solar sobre superficie inclinada y relación entre la radiación directa sobre superficie inclinada y horizontal . Figura 2.1 Irradiación global sobre superficie inclinada y horiontal 0 5 10 15 20 25 30 12345678910 11 12 MJ/m2·dia Mes Irradiación Global sobre superficie inclinada y horizontal Superficie Horizontal Superficie Inclinada 45º 25 Instalación solar para la producción de ACS en un hotel de tres estrellas Mes Irradiación global sobre superficie inclinada (MJ/m2·dia) Irradiación difusa sobre superficie horizontal (MJ/m2·dia) Irradiación directa sobre superficie horizontal (MJ/m2·dia) Enero 15.80 2.60 13.19 Febrero 17.59 3.44 14.14 Marzo 18.74 4.43 14.30 Abril 18.83 5.43 13.39 Mayo 19.71 5.90 13.81 Junio 19.73 6.08 13.65 Julio 21.29 5.59 15.69 Agosto 22.21 5.16 17.04 Septiembre 20.88 4.70 16.18 Octubre 19.41 3.81 15.60 Noviembre 16.86 2.89 13.97 Diciembre 15.20 2.41 12.79 Tabla 2-6 Irradiaciones sobre superficie horizontal. 2.3 Cálculo de la demanda a. Cálculo del consumo Según el código técnico de edificación apartado HE4, para un hotel de tres estrellas le corresponde un consumo de 41 l/día·persona, Para una temperatura en el acumulador final de 60ºC. Él consumo se calcula bajo la máxima demanda posible por lo que cada habitación contará con dos personas puesto que son habitaciones dobles: 𝑄𝐴𝐶𝑆 =41𝑙 𝑝𝑒𝑟𝑠𝑜𝑛𝑎 ⁄·𝑑í𝑎·50 𝑝𝑒𝑟𝑠𝑜𝑛𝑎𝑠=2050 𝑙𝑖𝑡𝑟𝑜𝑠/𝑑í𝑎 b. Demanda energética La demanda de energía térmica mensual se calcula mediante: 𝐿𝐴𝐶𝑆 =𝑄𝐴𝐶𝑆·𝜌𝑎𝑔𝑢𝑎·𝐶𝑝·(𝑇𝑎𝑐 −𝑇𝑎𝑓)·∆𝑡 Donde:  𝐿𝐴𝐶𝑆 demanda de energía (J/mes)  𝑄𝐴𝐶𝑆 consumo unitario diario medio (l/día)  𝜌𝑎𝑔𝑢𝑎 densidad del agua 1kg/l. Memoria de cálculo 26 26  𝐶𝑝 calor específico del agua, 4190 J/kg·K  𝑇𝑎𝑐 temperatura de referencia del agua caliente, 60ºC  𝑇𝑎𝑓 temperatura del agua de red, tabulados por la UNE94002:2005, ºC  ∆𝑡 número de días del mes correspondiente. Obteniendo en la Tabla 2-7 los valores para cada uno de los meses del año. Mes Temperatura del agua fría de red para Sevilla (ºC) Demanda de energía (MJ/mes) Enero 11.00 13047.45 febrero 11.00 11784.79 Marzo 13.00 12514.90 Abril 14.00 11853.51 Mayo 16.00 11716.07 Junio 19.00 10565.08 Julio 21.00 10384.70 Agosto 21.00 10384.70 Septiembre 20.00 10307.40 Octubre 16.00 11716.07 Noviembre 13.00 12111.19 Diciembre 11.00 13047.45 Tabla 2-7 Demanda de energía Figura 2.2 Demanda de energía 0 2000 4000 6000 8000 10000 12000 14000 Demanda de energía (MJ/mes) 27 Instalación solar para la producción de ACS en un hotel de tres estrellas En la Figura 2.2 vemos cómo varía la demanda para cada mes. Si, además, por experiencia se sabe que en los meses de más radiación se consume menos ACS, se ratifica la decisión de elevar la inclinación de los paneles solares a 45º. 2.4 Cálculo de la superficie de captación a. Determinación de la fracción de demanda cubierta La fracción de demanda cubierta exigida por el CTE nos proporcionará la superficie de captación requerida, definiendo dicha fracción como: 𝑓=𝑄𝑠𝑜𝑙𝑎𝑟 𝐿 Siendo:  𝑄𝑠𝑜𝑙𝑎𝑟 energía útil solar captada, MJ/año  𝐿 demanda de energía anual, MJ/año Según la zona climática que nos corresponda la fracción de demanda cubierta exigida es diferente, para nuestro caso, zona V, y un consumo de entre 50-50.000 l/día nos corresponde un porcentaje del 60%, siempre que las fuentes de energía auxiliares provengan de fuentes no renovables fósiles. Tomando como datos de partida los siguientes datos:  Inclinación de los captadores respecto a la horizontal: 45º  Acimut: 0º  Numero de captadores en serie: 1  Coeficiente característico del captador seleccionado: 𝐹𝑅(𝜏𝛼)𝑛=0.82; 𝐹𝑅·𝑈𝐿=3.82 𝑊/𝑚2𝐾  Caudal de ensayo del captador: 0.008 kg/s m2  Caudal específico del captador: 0.006 kg/s m2. El fabricante del panel recomienda un valor entre 0.0027 y 0.0097 kg/s m2. Área total (m2) Número de captadores Fracción de demanda cubierta 4.6 2 16.25 9.2 4 31.04 13.8 6 44.44 18.4 8 56.53 20.7 9 62.11 23 10 67.39 27.6 12 77.10 32.2 14 85.73 Tabla 2-8 Fracción de demanda cubierta Memoria de cálculo 34 34  𝑃𝑚 la presión mínima del vaso, 1,2 bar. Debe elegirse de tal forma que, en cualquier régimen de funcionamiento y lugar, sea mayor que la atmosférica o la tensión de saturación del vapor de agua a la máxima temperatura de funcionamiento. Tomando un margen de seguridad de 0,2 para temperaturas inferiores a 90 ºC. Usando estos coeficientes podemos calcular el volumen mínimo del vaso de expansión mediante la siguiente ecuación: 𝑉𝑚𝑖𝑛 =𝑉𝑡𝑜𝑡𝑎𝑙 ·𝐶𝑒,𝑐𝑜𝑟𝑟𝑒𝑔𝑖𝑑𝑜 ·𝐶𝑝=1.63 𝑙 Por lo que usaremos el vaso de expansión de capacidad inmediatamente superior, 2 litros, de la marca Thermowave, modelo TWB2LX. Dicho modelo posee las siguientes características: 2.7 Cálculo de la red de tuberías a. Fluido del circuito primario Para la selección del fluido de trabajo se tendrá en cuenta la imposición del CTE de protección contra heladas donde nos obliga a usar un fluido cuyo calor específico no sea inferior a 3 kJ/kg K, en 5ºC por debajo de la mínima histórica registrada con objeto de no producir daños en el circuito primario de captadores por heladas. La mínima histórica en la ciudad de Sevilla se dio en 1956 y alcanzó los -5.5ºC. Por lo que se estudiarán las propiedades del fluido a -10.5ºC. El fluido caloportador será una mezcla de propilenglicol, TYFOCOR-L, y agua neutra (calidad del agua potable con máx. 100 mg/kg de cloruro) o agua desmineralizada con un porcentaje del volumen mínimo de 25 % a un máximo de 75 % vol. Para una mezcla del 30% en volumen de tyfocor-L su punto de congelación alcanza los -14ºC. Suficiente para nuestra instalación. No obstante, el fabricante nos recomienda por motivos de protección contra la corrosión que usemos un porcentaje en peso mínimo para instalaciones solares del 40%. Obteniendo las siguientes propiedades de la mezcla a 60ºC:  Densidad 1012 g/cm3.  Capacidad térmica específica 3,83 J/g·K  Viscosidad cinemática 1,8·10-6 m2/s Datos obtenidos de los gráficos del anejo 1 y 2 Para obtener el caudal másico total que circula por el circuito primario usamos la siguiente ecuación: 𝑀𝐵=𝐺·𝐴𝑇 𝑁=𝐺·𝑁𝐶·𝐴 𝑁 Siendo:  𝑀𝐵 caudal del circuito de captación (kg/s). 35 Instalación solar para la producción de ACS en un hotel de tres estrellas  𝐺 caudal específico en el captadorsolar (kg/s·m2)  𝑁𝐶 número de captadores.  𝑁 numero de captadores en serie.  𝐴𝑇 área total de captadores solares (m2).  𝐴 área de un captador solar (m2). Resultando para nuestro sistema: 𝑀𝐵=𝐺·𝑁𝐶·𝐴 𝑁=0.006·10·2.3 1=0.138 𝑘𝑔/𝑠 b. Pérdida de carga en los captadores La pérdida de carga asociada a los captadores nos la proporciona la Figura 2.8 para el modelo seleccionado, obtenida del catálogo del fabricante. Con la superficie del captador y el caudal másico que nos corresponde se halla la pérdida de carga. De esta forma se estima una pérdida de carga en nuestros captadores de 100 mbar, equivalente a 1,02 m.c.a. c. Pérdida de carga en el interacumulador El proveedor de nuestro interacumulador nos proporciona la Figura 2.9 para el modelo MVV2500SB Para el caudal que nos ocupa, 0,5 m3/h, y haciendo una extrapolación de la recta, la pérdida de carga en el interacumulador es de 2,5 mbar, equivalentes a 2.55m.c.a. Figura 2.8 Pérdida de carga en captadores Memoria de cálculo 36 36 Figura 2.9 Pérdida de carga interacumulador d. Pérdida de carga en la red de tuberías Según el CTE el diámetro de las tuberías se seleccionará de forma que la velocidad de circulación del fluido sea inferior a 2 m/s cuando la tubería discurra por locales habitados y a 3 m/s cuando el trazado sea al exterior o por locales no habitados. Puesto que nuestro sistema es exterior la velocidad máxima será de 3m/s. El dimensionado de las tuberías se realizará de forma que la pérdida de carga unitaria en tuberías nunca sea superior a 40 mm de columna de agua por metro lineal cuando sea agua. El método que se seguirá será: Dividir la red en distintos tramos, en nuestro caso como se muestra en Figura 2.10 y partiendo del caudal en cada tramo, se seleccionará un diámetro, con el cual se obtendrá la velocidad mediante la siguiente ecuación: 𝑣=𝑄 𝐴=4·𝑄 𝜋·𝐷2 Donde:  𝑄: caudal de circulación, l/h  𝐷: diámetro interior, mm. Una vez veamos que cumple con la restricción de la velocidad, se comprobará mediante la ecuación de FLAMANT, que cumple, además, con la restricción de la pérdida de carga. En nuestro caso, al no usar agua sino una mezcla de agua y anticongelante será necesario usar un factor corrector de 1.3. ∆𝑃𝑙𝑖𝑛𝑒𝑎𝑙 =1.3·378·𝑄1.75 𝐷4.75 Donde:  ∆𝑃𝑙𝑖𝑛𝑒𝑎𝑙 pérdida lineal de carga por cada metro de longitud (mm.c.a./m). 37 Instalación solar para la producción de ACS en un hotel de tres estrellas Figura 2.10 División tramos red de tuberías Obteniendo de esta forma la Tabla 2-10: TRAMOS Longitud (m) Caudal (l/h) Velocidad (m/s) Dint (mm) AP/m (mm.c.a/m) 1 15.9058 502.7616 0.4445 20 17.3350998 2 6.7230 251.3808 0.3473 16 14.8746384 3 6.8688 251.3808 0.3473 16 14.8746384 4 4.3513 502.7616 0.4445 20 17.3350998 Tabla 2-10 Tramos red de tuberías Una vez calculado la pérdida de carga de cada tramo se debe calcular la pérdida de carga para cada accesorio de cada tramo usando la Tabla 2-11, obteniendo de esta forma la perdida de carga equivalencia a un tramo recto. En la Tabla 2-12 podemos ver los resultados de cada tramo. Tabla 2-11 Longitud equivalente accesorios Tra mos Long (m) Cauda l (l/h) Velocida d (m/s) Dint (mm) AP/m (mm.c.a/ m) Leqac c (m) APacc (m.c.a) APtub (m.c.a) APequi (m.c.a) APtotal (m.c.a) 1 15.9 1 502.76 0.44 20.00 17.34 0.29 0.01 0.28 0.00 0.28 2 6.72 251.38 0.35 16.00 14.87 1.88 0.03 0.10 1.02 1.15 3 6.87 251.38 0.35 16.00 14.87 1.59 0.02 0.10 1.02 1.15 4 4.35 502.76 0.44 20.00 17.34 0.75 0.01 0.08 2.55 2.64 Tabla 2-12 Pérdida de carga en cada tramo de tubería Memoria de cálculo 38 38 Los accesorios en cada tramo son: Tramo 1: Un codo. Tramo 2: T en rama derivada, 3 codos, válvula de compuerta y válvula de retención. Tramo 3: T en rama alineada, 3 codos, válvula de compuerta y válvula de retención. Tramo 4: T en rama alineada, 2 codos. 2.8 Dimensionado del grupo de bombeo Para la selección de la bomba primero se debe conocer la pérdida de carga que debe vencer y el caudal con el que trabajará, y se elegirá aquella que trabaje en la zona de rendimiento óptimo con estas características. Para ello, se calcula la pérdida de carga en cada uno de los circuitos del sistema, Tabla 2-13, la bomba debe ser capaz de vencer el circuito más desfavorable, en nuestro caso será el circuito 1-2-4, nótese que en ambos circuitos la pérdida es similar debido al diseño con retorno invertido. Circuitos AP (m.c.a) 1-2-4 4.067 1-3-4 4.065 Tabla 2-13 Pérdida de carga en circuitos El caudal que debe hacer circular la bomba es de 0,5 m3/h. La marca seleccionada para nuestra bomba será GRUNDFOS, en cuya página web dispone de un buscador de bombas. Introduciendo los siguientes de caudal y altura para el tipo de instalación que tenemos, nos proporciona una lista de las bombas más acorde a nuestras necesidades. Figura 2.11 Gráfico de funcionamiento de la bomba ALPHA1 25-50 180 En nuestro caso la seleccionada es el modelo ALPHA1 25-50 180, con las siguientes características generales: 39 Instalación solar para la producción de ACS en un hotel de tres estrellas  Caudal 0.1487 l/s (+8%)  Alt. 4.757 m (+16%)  Entrad presión mín 0.2 bar (60 °C, contra la atmosfera)  Pot. Pl 0.032 kW  Bomb+motor Eta 21.9 % =Bomba Eta *motor Eta  Total Eta 21.9 % =Eta relativa punto de trabajo 2.9 Cálculo del equipo auxiliar El Sistema solar no aporta el 100% de la demanda por lo que será necesario contar con un sistema de apoyo que aporte la energía restante. Sin embargo, es requisito indispensable dimensionar el subsistema de apoyo para que pueda abastecer la totalidad del consumo de agua caliente sanitaria. El subsistema de apoyo contará con un interacumulador, una caldera y una bomba. Puesto que no se permite la conexión del sistema auxiliar al interacumulador solar. La norma tampoco nos permite disponer de un sistema de calentamiento eléctrico en el interacumulador, por lo que si nuestro interacumulador dispone de uno deberá ser anulado de forma permanente. 2.9.1 Acumulador auxiliar Para dimensionar el interacumulador primero calculamos el caudal instantáneo mínimo total instalado, 𝑄𝑡, recurriendo a la Tabla 2-15 suministrada por el CTE. Obteniendo para nuestro edificio un total de 8.845 l/s según los resultados de la Tabla 2-14. Una vez calculado los caudales instantáneos mínimos se deberá hallar el caudal simultáneo o caudal de cálculo, 𝑄𝑐, mediante la siguiente expresión, particular para nuestro caso: 𝑄𝑐=0.682·𝑄𝑡0.45−0.14=1.679 𝑙/𝑠 Finalmente, el volumen mínimo de nuestro interacumulador será: 𝑉=𝑄𝑐·𝑡·60=1.679·17·60=1712.4 𝑙 siendo t el tiempo estimado entre 15 y 20 min, en nuestro caso hemos seleccionado 17 min. Tipo de aparato Número Caudal mínimo ACS (l/s) Total (l/s) Lavabo 29 0.065 1.885 Bidé 24 0.065 1.56 Bañera 20 0.2 4 Ducha 6 0.1 0.6 Lavavajillas industrial 1 0.2 0.2 Fregadero no doméstico 1 0.2 0.2 Lavadora industrial 1 0.4 0.4 Total 8.845 Tabla 2-14 Consumo total Memoria de cálculo 40 40 Por lo que el interacumulador seleccionado será de 2000 litros. El acumulador seleccionado pertenece a la compañía Lapesa, modelo MVV-2000RB. Tabla 2-15 Caudal instantáneo mínimo para diferentes aparatos (Qmin) 2.9.2 Caldera auxiliar Para dimensionar la caldera auxiliar primero debemos calcular su potencia nominal mediantela siguiente ecuación: 𝑃ú𝑡𝑖𝑙 =𝐶𝑝·𝑉· 𝑇𝐴𝐶𝑆−𝑇𝐴𝐹 𝑡𝑝𝑟𝑒𝑝𝑎𝑟𝑎𝑐𝑖ó𝑛 =4.187·2000·50−11 3600 =90.7 𝑘𝑊 Siendo  𝐶𝑝 calor específico del agua, kJ/kg·K 41 Instalación solar para la producción de ACS en un hotel de tres estrellas  𝑉 volumen de acumulación, l  𝑇𝐴𝐶𝑆 temperatura de preparación del ACS, ºC.  𝑇𝐴𝐹 temperatura del agua fría o de red, ºC  𝑡𝑝𝑟𝑒𝑝𝑎𝑟𝑎𝑐𝑖ó𝑛 tiempo de preparación, 1 hora aproximadamente, 3600 segundos. Se tomará el caso más desfavorable para estos cálculos, la temperatura de red correspondiente a los meses de enero y diciembre, 11 ºC, siendo la temperatura de consumo de 50 ºC. Puesto que se entima que las pérdidas de calor en los distintos componentes son del 25%, se usará un factor corrector de 1,25, resultando: 𝑃𝑛𝑜𝑚𝑖𝑛𝑎𝑙 =1.25·𝑃ú𝑡𝑖𝑙 =113.4 𝑘𝑊 La caldera seleccionada es del fabricante Viessmann modelo VITOCROSSAL 300 CM3, es una caldera de condensación a gas, con una potencia térmica nominal de 87 hasta 142 kW. 2.10 Cálculo del espesor de aislamiento Puesto que nuestras tuberías contendrán un fluido con temperatura mayor de 40 ºC, el RITE nos obliga a aislar todas las tuberías que lo contengan, así como equipos depósitos y aparatos. Además, las tuberías de exterior deberán poseer un asilamiento donde la terminación final deberá tener la proteccion suficiente contra la intemperie. Los equipos elegidos en el presente documento cumplen con la normativa específica en materia de aislamiento. Además, el reglamento nos obliga a tener unas pérdidas térmicas globales en toda la instalación térmica menores al 4% de la potencia máxima que transporta. Para el cálculo del espesor mínimo hemos optado por el siguiente procedimiento simplificado: a. Aislamiento en tuberías Los espesores mínimos de las tuberías y accesorios serán los correspondientes a la Tabla 2-16 y Tabla 2-17 para interior y exterior de edificios respectivamente, correspondiente a un material de conductividad térmica de referencia a 10 ºC de 0.04 W/m·K. Por lo que, para nuestro caso, con una conductividad térmica del material igual y una temperatura máxima del fluido de 60 ºC, nos corresponde un espesor mínimo de 25 y 35 mm respectivamente. La marca seleccionada es Rockwool, se trata de un aislamiento de lana mineral con capa externa resistente a la intemperie, sus espesores son de 25 y 35 mm como exige la norma y su conductividad 0.04 W/m·K. Los espesores de los accesorios de la red como válvulas, filtros, etc. serán los mismos que los de las tuberías en que estén instalados. Memoria de cálculo 42 42 Tabla 2-16 Espesores mínimos de aislamiento (mm) en tuberías y accesorios que transportan fluidos calientes que discurren por el exterior de edificios según el RITE Tabla 2-17 Espesores mínimos de aislamiento (mm) en tuberías y accesorios que transportan fluidos calientes que discurren por el exterior de edificios según el RITE 2.11 Selección de accesorios Según la normativa vigente los accesorios necesarios para el circuito vigente son:  Válvula de rentención: situada en el grupo de bombeo  Válvula de compuerta: o Entrada y salida del campo solar y de cada batería o Entrada y salida del grupo de bombeo o Entradas y salidas del acumulador e interacumulador  Purgador automático: a la salida del campo solar y vaso de expansión  Purgador de aire: a la salida de cada batería de captadores 43 Instalación solar para la producción de ACS en un hotel de tres estrellas 3 PLIEGO DE CONDICIONES TÉCNICAS pliego de condiciones técnicas 50 50 3.3.6.2 Modelo de captador Todos los captadores que integren la instalación se recomienda que sean del mismo tipo y modelo. Si no fuera posible mantener el mismo modelo en la rehabilitación o ampliación, se dispondrá de un sistema de regulación de caudal por baterías que permita que las nuevas baterías presenten el mismo caudal (diferencia máxima del 10%) que las existentes cuando circule por el circuito primario el caudal de diseño. En el caso que la instalación disponga de captadores en una única batería, se podrán utilizar captadores distintos siempre que:  No implique modificaciones en el caudal que circula por dicho captador fuera del rango ±5% respecto del caudal original de diseño unitario.  No suponga una disminución del rendimiento térmico del sistema de captación en las condiciones habituales de operación.  Estéticamente sean similares. 3.3.6.3 Estructura soporte y sujeción del captador La estructura soporte cumplirá los requisitos establecidos en el CTE-SE. Todos los materiales de la estructura soporte se deberían proteger contra la acción de los agentes ambientales, en particular contra el efecto de la radiación solar y la acción combinada del aire y el agua. Las estructuras de acero deberían protegerse mediante galvanizado por inmersión en caliente, pinturas orgánicas de zinc o tratamientos anticorrosivos equivalentes. La realización de taladros en la estructura se debería llevar a cabo antes de proceder al galvanizado o protección de la estructura. La tornillería y piezas auxiliares deberían estar protegidas por galvanizado o cincado, o bien serán de acero inoxidable. 3.3.7 Sistema eléctrico y de control La instalación eléctrica cumplirá con el vigente Reglamento Electrotécnico para Baja Tensión (REBT) y sus Instrucciones Técnicas Complementarias. Se construirá un cuadro eléctrico específico para la instalación solar. El sistema de control consistirá en un controlador digital programable e incorporará una adquisición de datos de la instalación en tiempo real, telegestionable a distancia a través de un módem ya incorporado. Los datos a chequear serán: caudales, temperaturas en captadores, acumuladores, potencia y energía inyectadas en cada servicio y número de horas de funcionamiento de las bombas. Las funciones de regulación y control que han de realizarse son las siguientes:  Activar la bomba de circulación en función del salto de temperatura entre la salida de la batería de captadores y la parte baja del acumulador.  La ubicación de las sondas ha de realizarse de forma que detecten exactamente las temperaturas que se desean, instalándose los sensores en el interior de vainas y evitándose las tuberías separadas de la salida de los captadores y las zonas de estancamiento (en el caso de la piscina).  La precisión de los sistemas de control y la regulación de los puntos de consigna asegurará que en ningún caso las bombas estén en marcha con diferencias de temperaturas menores de 3ºC ni paradas con diferencias superiores a 7ºC.  La diferencia de temperatura entre el punto de arranque y parada del termostato diferencial no será inferior a 3ºC.  El sistema de control incluirá señalizaciones luminosas de alimentación del sistema de funcionamiento de las bombas. 51 Instalación solar para la producción de ACS en un hotel de tres estrellas 3.3.8 Aparatos de medida Los sistemas de medida de temperatura, caudales y energía proporcionan información del estado de funcionamiento de la instalación y permiten realizar la evaluación de las prestaciones energéticas de la instalación. a) Medida de temperatura Las medidas de temperatura se realizarán mediante sondas, termopares, termómetros de resistencia o termistores. Las diferencias de temperatura del fluido de trabajo se realizarán mediante termopilas, termómetros de resistencia (conectados en dos brazos de un circuito en puente) o termopares emparejados, de forma que la señal de salida sea única en todos los casos. Las sondas de temperatura deben ser, preferentemente, de inmersión y deben estar bañadas por el fluido cuya temperatura se pretende medir o situadas, como máximo, a una distancia de 5 cm del fluido. b) Medida de caudal Los contadores de caudal de agua estarán constituidos por un cuerpo resistente a la acción del agua conteniendo la cámara de medida, un elemento con movimiento proporcional al caudal de agua que fluye y un mecanismo de relojería para transmitir este movimiento a las esferas de lectura por medio de un acoplamiento magnético. La esfera de lectura, herméticamente sellada, será de alta resolución. Cuando exista un sistema de regulación exterior, este estará precintado y protegido contra intervenciones fraudulentas. Se suministrarán los siguientes datos, que deberán ser facilitados por el fabricante:  Calibre del contador.  Temperatura máxima del fluido.  Caudales: o en servicio continuo. o máximo (durante algunos minutos). o mínimo (con precisión mínima del 5%). o de arranque.  Indicación mínima de la esfera.  Capacidad máxima de totalización.  Presión máxima de trabajo.  Dimensiones.  Diámetro y tipo de las conexiones.  Perdida de carga en función del caudal. La medida de caudales de líquidos se realizará mediante turbinas, medidores de flujo magnético, medidores de flujo de desplazamiento positivo o procedimientos gravimétricos, de forma que la exactitud sea igual o superior a ± 3% en todos los casos. c) Medida de energía térmica. Los contadores de energía térmica estarán constituidos por los siguientes elementos:  Contador de agua, descrito anteriormente.  Dos sondas de temperatura.  Microprocesador electrónico, montado en la parte superior del contador o separado. La posición del contador y de las sondas define la energía térmica que se medirá. pliego de condiciones técnicas 52 52 El microprocesador podrá estar alimentado por la red eléctrica o mediante pilas con una duración de servicio mínima de 3 años. El microprocesador multiplicara la diferencia de ambas temperaturas por el caudal instantáneo de agua y su peso específico. La integración en el tiempo de estas cantidades proporcionara la cantidad de energía. 3.3.9 Acumuladores El acumulador seleccionado deberá especificar el tipo y las siguientes características técnicas:  Volumen cubicado real.  Principales dimensiones.  Presión de máximo trabajo.  Situación y diámetro de las bocas de conexión.  Situación y especificación de los puntos de sujeción o apoyos.  Máxima temperatura de utilización.  Tratamiento y protección.  Material y espesor de aislamiento y características de su protección. El depósito estará fabricado de acuerdo con lo especificado en el Reglamento de Aparatos a Presión, instrucción Técnica Complementaria MJE-AP11 y probado con una presión igual a dos veces la presión de trabajo y homologado por el Ministerio de Industria y Energía. El acumulador llevara una placa de identificación situada en lugar claramente visible y escrito con caracteres indelebles en las que aparecerán los siguientes datos: - Nombre del fabricante y razón social. - Contraseña y fecha de registro de tipo. - Numero de fabricación. - Volumen neto de almacenamiento en litros. - Presión máxima de servicio. Los depósitos vendrán equipados de fábrica con las bocas necesarias soldadas antes de efectuar el tratamiento de protección interior. Al objeto de este pliego de condiciones podrán utilizarse depósitos de las siguientes características y tratamientos:  Depósitos de acero galvanizado en caliente de cualquier tamaño, con espesores de galvanizado no inferiores a los especificados en la Norma UNE 37.501.  Depósitos de acero con tratamiento epoxídicó.  Depósitos de acero inoxidable de cualquier tamaño.  Depósitos de cobre de cualquier tamaño.  Acumuladores no metálicos que, además de soportar las condiciones extremas del circuito, resistan la acción combinada de presión y temperatura más desfavorable y esté autorizada su utilización por la Administración Competente. Cuando el intercambiador está incorporado al acumulador solar, éste estará situado en la parte inferior de este último y podrá ser de tipo sumergido o de doble envolvente. El intercambiador sumergido podrá ser de serpentín o de haz tubular. 53 Instalación solar para la producción de ACS en un hotel de tres estrellas 3.3.10 Intercambiadores de calor El intercambiador llevara una placa de identificación situada en lugar claramente visible y escrita con caracteres indelebles en las que aparecerán los siguientes datos:  Fabricante.  Marca.  Modelo.  Número de placas.  Temperatura máxima.  Presión nominal.  Potencia nominal.  Caudal nominal en primario y secundario.  Salto de temperatura nominal en primario y secundario. Se podrán utilizar intercambiadores de placas desmontables o electro soldadas. El material de las placas será acero inoxidable o cobre. 3.4 Provisión del material Los componentes instalados deberán ser de marcas acreditadas y en su caso homologados, para que ofrezcan las máximas garantías posibles. Se dispondrá de un lugar adecuado y seguro para almacenar los materiales y elementos de la instalación hasta el momento en que estos vayan a ser puestos en obra. Los captadores, por su especial fragilidad, deberán ser suministrados apilados sobre una base de madera adecuada para su traslado mediante carretilla elevadora. En el supuesto de que los captadores una vez desembalados deban quedarse temporalmente a la intemperie, se colocaran con un Angulo mínimo de 20º y máximo de 80º. 3.5 Condiciones de montaje Las condiciones de montajes serán las indicadas por los fabricantes de los diferentes materiales, aparatos o equipos. La instalación de las distintas partes de la obra se realizará teniendo en cuenta la práctica normal conducente a obtener un buen funcionamiento durante el periodo de vida que se le puede atribuir. 3.6 Pruebas, puesta en marcha y recepción. 3.6.1 General La ejecución de la instalación termina con la entrega de la instalación al promotor o usuario para iniciar el periodo de uso, así como el de mantenimiento. Para realizar la recepción de la instalación debería estar realizado, además del montaje completo, las pruebas y ajustes especificados, así como la puesta en marcha. El instalador se responsabilizará de la ejecución de las pruebas funcionales, del buen funcionamiento de la instalación y del estado de la misma hasta su entrega a la propiedad. La memoria de diseño contemplará la relación de las pruebas a realizar. En el documento de Control de Ejecución se recogerán las pruebas parciales, finales y funcionales realizadas, la fecha en la que tuvieron lugar, los resultados obtenidos y el grado de cumplimiento de las expectativas. Al objeto de la recepción de la instalación se entenderá que el funcionamiento de la misma es correcto, cuando la instalación satisfaga como pliego de condiciones técnicas 54 54 mínimo las pruebas parciales incluidas en el presente capitulo. 3.6.2 Pruebas parciales Todas las pruebas estarán precedidas de una comprobación de los materiales al momento de su recepción a obra. Durante la ejecución de obra, todos los tramos de tubería, uniones o elementos que vayan a quedar ocultos, deberían ser expuestos para su inspección y debería quedar expresamente aprobado su montaje antes de quedar ocultos. Adicionalmente, se inspeccionarán los soportes de tubería utilizados, los diámetros, trazados y pendientes de tuberías, la continuidad de los aislamientos, etc. 3.6.2.1 Pruebas de equipos Los materiales y componentes deberían llegar a obra con Certificación de Origen Industrial, que acredite el cumplimiento de la normativa en vigor. Su recepción se realizará comprobando el cumplimiento de las especificaciones de proyecto y sus características aparentes. 3.6.2.2 Pruebas de estanqueidad de redes hidráulicas Todas las redes de circulación de fluidos portadores deberían ser probadas hidrostáticamente, a fin de asegurar su estanquidad, antes de quedar ocultas por obras de albañilería, material de relleno o por el material aislante. Son aceptables las pruebas realizadas de acuerdo a UNE-EN 14336:2005, en función del tipo de fluido transportado. 3.6.2.3 Pruebas de libre dilatación Una vez que las pruebas anteriores de las redes de tuberías hayan resultado satisfactorias y se haya comprobado hidrostáticamente el ajuste de los elementos de seguridad, las instalaciones equipadas con captadores solares se llevaran hasta la temperatura de estancamiento de los elementos de seguridad, habiendo anulado previamente la actuación de los aparatos de regulación automática. Durante el enfriamiento de la instalación y al finalizar el mismo, se comprobará visualmente que no hayan tenido lugar deformaciones apreciables en ningún elemento o tramo de tubería y que el sistema de expansión haya funcionado correctamente. 3.6.3 Pruebas finales Las pruebas finales permitirán garantizar que la instalación reúne las condiciones de calidad, fiabilidad y seguridad exigidas en proyecto. Son aceptables, las pruebas finales que se realicen siguiendo las instrucciones indicadas en la norma UNE-EN 12599. Las pruebas de libre dilatación y las pruebas finales de la instalación solar se realizarán en un día soleado y sin demanda. En la instalación solar se llevará a cabo una prueba de seguridad en condiciones de estancamiento del circuito primario, a realizar con este lleno y la bomba de circulación parada, cuando el nivel de radiación sobre la apertura del captador sea superior al 80% del valor de irradiación que defina como máxima el proyectista, durante al menos una hora. 3.6.4 Ajustes y equilibrado La instalación solar debería ser ajustada a los valores de proyecto dentro de los márgenes admisibles de tolerancia. Se realizarán de acuerdo con lo establecido en la Norma UNE 100.010 (partes 1, 2 y 3), "Climatización. Pruebas de ajuste y equilibrado", que habrá que particularizar para las características específicas de cada sistema o instalación. 55 Instalación solar para la producción de ACS en un hotel de tres estrellas 3.6.4.1 Sistemas de distribución de agua Se comprobará que el fluido anticongelante contenido en los circuitos expuestos a heladas cumple con los requisitos especificados en el proyecto. Cada bomba, de la que se debería conocer la curva característica, debería ser ajustada al caudal de diseño, como paso previo al ajuste de los caudales en circuitos. De cada circuito hidráulico se deberían conocer el caudal nominal y la presión, así como los caudales nominales cada uno de los ramales. Los distintos ramales, o los dispositivos de equilibrado de los mismos, serán equilibrados al caudal de diseño. Se debería comprobar el correcto equilibrado hidráulico de los diferentes ramales mediante el procedimiento previsto en el proyecto. De cada intercambiador de calor se deberían conocer la potencia, temperatura y caudales de diseño, debiéndose ajustar los caudales de diseño que lo atraviesan. Cuando exista más de un grupo de captadores solares en el circuito primario del subsistema de energía solar, se debería probar el correcto equilibrado hidráulico de los diferentes ramales de la instalación mediante el procedimiento previsto en el proyecto. Se comprobará el mecanismo del subsistema de energía solar en condiciones de estancamiento, así como el retorno a las condiciones de operación nominal sin intervención del usuario con los requisitos especificados en el proyecto. 3.6.4.2 Control automático Se ajustarán todos los parámetros del sistema de control automático a los valores de diseño especificados en el proyecto y se comprobara el funcionamiento de todos los componentes que configuran el sistema de control. 3.6.5 Recepción 3.6.5.1 Recepción provisional El objeto de la recepción es comprobar que la instalación está de acuerdo con los servicios contratados y que se ajusta, por separado cada uno de sus elementos y globalmente, a lo especificado en el proyecto. Una vez realizadas las pruebas funcionales con resultados satisfactorios, se procederá al acto de Recepción Provisional de la instalación por parte de la propiedad, con lo que se da por finalizado el montaje de la instalación. El acto de recepción provisional quedara formalizado por un acta donde figuren todos los intervinientes y en la que se formalice la entrega conforme de la documentación referida. La documentación disponible y entregada debería ser, al menos, la siguiente:  Una memoria descriptiva de la instalación, en la que se incluyen las bases de proyecto y los criterios adoptados para su desarrollo.  Una copia reproducible de los planos definitivos, comprendiendo, como mínimo, los esquemas de principio de todas las instalaciones, los planos de sala De máquinas y los planos de plantas donde se debería indicar el recorrido de las conducciones y la situación de las unidades terminales.  Una relación de todos los materiales y equipos empleados, indicando fabricante, marca, modelo y características de funcionamiento.  Las hojas desopilativas de los resultados de las pruebas parciales y finales.  Un manual de instrucciones de funcionamiento de los equipos principales de la instalación. 3.6.5.2 Recepción definitiva Desde el acta de recepción provisional, la propiedad podrá y deberá notificar cualquier incidencia en el funcionamiento de la instalación. Transcurrido el plazo estipulado desde el acta de recepción, la Recepción Provisional se transformará en pliego de condiciones técnicas 56 56 Recepción Definitiva. A partir de la Recepción Definitiva entrara en vigor la garantía. 3.7 Mantenimiento Se definen tres escalones de actuación para englobar todas las operaciones necesarias durante la vida útil de la instalación para asegurar el funcionamiento, aumentar la fiabilidad y prolongar la duración de la misma:  Vigilancia.  Mantenimiento preventivo.  Mantenimiento correctivo. 3.7.1 Vigilancia El plan de vigilancia se refiere básicamente a las operaciones que permiten asegurar que los valores operacionales de la instalación sean correctos. Es un plan de observación simple de los parámetros funcionales principales, para verificar el correcto funcionamiento de la instalación. Puede ser llevado a cabo por el usuario. 3.7.2 Mantenimiento preventivo El plan de mantenimiento ha de incluir todas las operaciones de mantenimiento necesarias para que el sistema funcione correctamente durante su vida útil. El mantenimiento preventivo implicara operaciones de inspección visual, verificación de actuaciones y otros, que aplicados a la instalación deberían permitir mantener dentro de límites aceptables las condiciones de funcionamiento, prestaciones, protección y durabilidad de la instalación. El mantenimiento preventivo implicara, como mínimo, una revisión anual de la instalación para instalaciones con área de apertura de captación inferior a 20 m2 y una revisión cada seis meses para instalaciones superiores a 20 m2. En la siguiente hoja se definen las operaciones de mantenimiento preventivo que deben realizarse, la periodicidad mínima establecida (en meses) y observaciones en relación con las prevenciones a observar. 3.7.3 Mantenimiento corrective Las actividades de mantenimiento correctivo no pueden estar sometidas a un plan, dado el carácter impredecible de estas acciones. Como su propio nombre indica, las acciones de mantenimiento correctivo se realizarán para corregir anomalías observadas durante el funcionamiento normal de la instalación. No obstante, si es posible llevar un control de las acciones de mantenimiento correctivo realizado, mediante el uso de un parte de mantenimiento correctivo. En este parte aparecerá recogido el componente afectado, la causa aparente del problema, la acción correctiva realizada, además de la fecha y la firma del responsable de dicha acción. 57 Instalación solar para la producción de ACS en un hotel de tres estrellas 4 PRESUPUESTO presupuesto 58 58 4.1 Sistema de captación Concepto cantidad unidad precio unitario (€) Total (€) Ud. Captador solar SKR500 marca Sonnenkraft o similar, características: - Superficie absorbedor 2.3 m - Dimensiones: 2079x1240x95 mm - Peso del captador: 38 kg - Presión máxima de trabajo:10 bar - Rendimiento óptico: 0.82 - Factor de pérdidas: 3.821 10 Ud 830 8,300.00 sistema de fijación QUICK&EASY Soporte SSA45 o similar 10 Ud 321 3,210.00 Purgador de aire de 18 mm 2 Ud 80 160.00 Anticongelante Tyfocor-L 100 litros o similar 1 Ud 768.9 768.90 Conexión hidráulica easy-click entre captadores SKR-HV 5 Ud 22.2 111.00 Total 12,549.90 4.2 Sistema de acumulación Concepto cantidad unidad precio unitario (€) Total (€) Depósito de acero vitrificado de 2500 l con serpentín marca Lapesa modelo MVV2500SB o similar 1 Ud 11896 11,96.00 Depósito de acero vitrificado de 2000 l marca Lapesa modelo MVV2000RB o similar 1 Ud 6771 6,771.00 Total 18,667.00 4.3 Sistema hidráulico Concepto cantidad unidad precio unitario (€) Total (€) Bomba circuladora de rotor húmedo marca Grundfos modelo ALPHA1 25-50 180 o similar Caudal 0.1487 l/s Alt. 4.757 m 2 Ud 654 1,308.00 Vaso de expansion 2 l marca Thermowave, modelo TWB2LX o similar Presion máxima de trabajo 10 bar 1 Ud 45.5 45.50 Tubería de cobre de 3/4" con 1 mm de espesor. 25 m 7.79 194.75 Tubería de cobre de 1/2" con 1 mm de espesor. 20 m 5.65 113.00 Bifurcacion en T de cobre 3/4"-1/2"-1/2" 2 Ud 6.15 12.30 Aislamiento tubería 25 mm espesor ROCKWOOL 133 o similar 25 m 7.79 194.75 Aislamiento tubería 35 mm espesor ROCKWOOL 133 o similar 20 m 10.77 215.40 59 Instalación solar para la producción de ACS en un hotel de tres estrellas Codo 90º de cobre 1/2" 6 Ud 12.55 75.3 Válvula de compuerta de 1/2" 18 ud 4.79 86.22 Concepto cantidad unidad precio unitario (€) Total (€) Válvula de compuerta de 3/4" 4 Ud 5.84 23.36 Válvula de retención de acero inoxidable de 3/4" 2 Ud 54.8 109.60 Purgador automático 3 Ud 58.5 175.5 Total 2,553.68 4.4 Sistema de control Concepto cantidad unidad precio unitario (€) Total (€) Termómetro con vaina con escala de 0 a 120ºC 5 Ud 23.97 119.85 Manómetro de esfera de 40 mm y con escala de regulación de 0 a 12 bar 3 Ud 3.6 10.8 Centralita solar Sonnenkraft Modelo: SKSC3 o similar 1 Ud 514 514.00 Total 644.65 4.5 Presupuesto total Sistema ded captación 12,549.90 Sistema de acumulación 18,667.00 Sistema hidráulico 2,553.68 Sistema de control 644.65 TOTAL 34,415.23 Beneficio Industrial (11%) 3,785.68 Total sin IVA 38,200.91 I.V.A (21%) 8,022.19 Presupuesto Total 46,223.10 Presupuesto por m2 2,009.70 Anejos 66 66 6.1 Densidadde las mezclas TYFOCOR L/AGUA 67 Instalación solar para la producción de ACS en un hotel de tres estrellas 6.2 Capacidad térmica específica de las mezclas TYFOCOR L/AGUA Anejos 68 68