Análisis paramétrico de las instalaciones de energía solar térmica para producción de agua caliente sanitaria

i AEquation Chapter 1 Section 1 Trabajo Fin de Grado Grado en Ingeniería en Tecnología Industriales Análisis paramétrico de las instalaciones de energía solar térmica para producción de agua caliente sanitaria Dpto. de Ingeniería Energética Escuela Técnica Superior de Ingeniería Universidad de Sevilla Autor: Jesús Chulián Sarmiento Tutor: D. José Guerra Macho Sevilla, 2021 Trabajo de Fin de Grado Grado en Ingeniería de las Tecnologías Industriales. Análisis paramétrico de las instalaciones de energía solar térmica para producción de agua caliente sanitaria ii iii Trabajo Fin de Grado Grado en Ingeniería de Tecnologías Industriales Análisis paramétrico de las instalaciones de energía solar térmica para producción de agua caliente sanitaria Autor: Jesús Chulián Sarmiento Tutor: D. José Guerra Macho Catedrático de Universidad Dpto. de Ingeniería Energética Escuela Técnica Superior de Ingeniería Universidad de Sevilla Sevilla, 2021 iv v Trabajo Fin de Grado: Análisis paramétrico de las instalaciones de energía solar térmica para producción de agua caliente sanitaria Autor: Jesús Chulián Sarmiento 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, 2021 El Secretario del Tribunal vi vii Agradecimientos A mis padres por el apoyo que me han dado en los momentos más duros de mi etapa universitaria. A mi hermano por ser mi inspiración de cada día. Jesús Chulián Sarmiento Sevilla, 2021 viii ix Resumen Este trabajo se ha dividido en 4 capítulos. El primer capítulo titulado memoria descriptiva y comentará los aspectos más importantes de una instalación solar térmica. Este explicará la configuración de los sistemas, distinguiendo entre sistemas solares prefabricados y sistemas solares a medida. Además, diferenciará los tres distintos tamaños en los que se dividen las instalaciones y definirá los sistemas y circuitos que componen a estas. En este apartado se tratará de definir los criterios de clasificación de las pequeñas, las medianas y las grandes instalaciones, por último, para acabar el apartado de configuración se comentará las configuraciones de las instalaciones en edificios multiviviendas. En la memoria descriptiva se hablará acerca de los componentes, de cuál será la temperatura de trabajo y de su compatibilidad con los fluidos de trabajo. Seguidamente, se explicará de manera breve la función de un captador solar plano y se describirán sus partes, así como los diferentes tipos de captadores solares planos que existen. Otro punto para tratar en la memoria descriptiva será las condiciones de trabajo, siendo estas las necesarias para sacar el máximo rendimiento y evitar problemas en nuestra instalación además se añadirá un subapartado en el cual se aporta una serie de indicaciones a la hora de incorporar una instalación a un edificio, a continuación, se describirán los sistemas de captación, acumulación e intercambio que son los tres sistemas que componen la parte hidráulica y térmica de la instalación. Para acabar este capítulo se explicarán algunas pautas a seguir para realizar un adecuado montaje, puesta en marcha, mantenimiento y uso de la instalación. El segundo capítulo, titulado métodos de cálculo realizará un pequeño estudio de herramientas de simulación como son el método TRNSYS, el método f-CHART, ACSOL y CHEQ4. Prestando mayor atención en este último. La herramienta TRNSYS es un programa de simulación para sistemas energéticos en régimen dinámico. Se diseñó con la intención de resolver sistemas complejos donde cada uno de los componentes se describe mediante subrutinas más simples, llamadas TYPEs. El método f-CHART es un método simplificado, cuyo fundamento es un día representativo de cada mes. Cabe destacar que el método f-Chart es reconocido como uno de los mejores métodos simplificados para cuantificar la contribución solar en base anual de una instalación de energía solar para la producción de agua caliente sanitaria. El método ACSOL es un programa de simulación que utiliza como motor de cálculo a TRNSYS, este método es un software que calcula los parámetros de los sistemas solares térmicos de baja temperatura ayudando al usuario a no tener que programar ni verificar modelos. El método CHEQ4 utiliza un software que IDAE ofrece de forma gratuita al sector de la energía solar térmica. Es un software desarrollado en un entorno que resulta agradable para el usuario, fácil de utilizar y con una estructura clara y organizada. Como se ha mencionado anteriormente se explicará cada ventana de CHEQ4 detalladamente, incluyendo imágenes de las mismas ventanas del programa y se comentará las posibles alternativas que se deben aplicar cuando el programa muestre algún problema, bien sea producido por un error en la introducción de datos o por la falta de convergencias de estos mismos. Para acabar el capítulo se mostrarán las ventajas del método de CHEQ4 con respecto a los demás métodos. El tercer capítulo se titula análisis de casos. Este capítulo comenzará describiendo la estructura y funcionamiento de los sistemas de producción de ACS que aparecen en CHEQ4. Cabe destacar que de los sistemas incluidos en CHEQ4 se estudiarán todos a excepción de la instalación con intercambiador y piscina cubierta dentro de los sistemas de consumo único. Se continuará el capítulo definiendo el caso base, este caso, es uno que se ha elegido en concreto para aplicar a cada sistema. El caso base es muy importante ya que a este caso se le establece una serie de parámetros y será la variación de estos parámetros lo que nos definan los demás 360 casos que se van a analizar. Para acabar este capítulo se estudiarán los demás casos diferentes definidos, considerando en cada uno de los siete sistemas la variación de parámetros como son la localidad, el número de captadores, longitud del circuito primario, distribución, subestaciones y temperatura de impulsión. Por último, el cuarto capítulo será un resumen del trabajo y las conclusiones obtenidas acerca del estudio realizado. 1 1 INTRODUCCIÓN 1.1. INTRODUCCIÓN En este primer capítulo se pretende poner de manifiesto todos los aspectos más importantes de una instalación considerando algunos aspectos más críticos que otros en cuanto a su diseño, montaje, operación, selección de materiales y mantenimiento. En primer lugar, se realizará un pequeño estudio sobre la configuración de una instalación solar térmica ya que es estrictamente necesario seleccionar la que más se adapte a las necesidades de uso exigidas por los usuarios o por el edificio en el que se quiere instalar, encontrando así un adecuado equilibrio entre lo técnico y lo económico. Dentro de este apartado de configuración se hará referencia a los sistemas solares prefabricados y a los sistemas solares a medida definiendo sus características y diferencias, ya sean de tamaño, estructuras, funcionamiento… Posteriormente, se mostrarán los componentes de una instalación ya que es muy importante saber hacer un buen uso de estos, así como seleccionarlos de un material adecuado para la instalación. Seguidamente se definirán las condiciones de trabajo como son las presiones y temperaturas máximas, ya que juegan un papel importante en las instalaciones térmicas. En este mismo capítulo se definirán algunas pautas a seguir para la incorporación de la instalación al edificio, además se explicará algunas partes del diseño hidráulico y térmico. Además de lo comentado anteriormente, en este capítulo se realizará un cálculo de prestaciones energéticas dando a conocer los dos objetivos claros que definen las condiciones a satisfacer. Para acabar la memoria de descripción se mostrarán dos apartados en los que se explica el funcionamiento, montaje, puesta en marcha, uso, etc… 1.2. CONFIGURACIÓN En este apartado se presta toda la atención a las instalaciones solares de producción de ACS, definiendo los diferentes tipos de instalación solar térmica, las denominaciones que se recomiendan utilizar, los distintos tipos de configuraciones que se pueden emplear y los criterios que se van a tomar para su selección. Se ha comprobado de manera más que suficiente que el empleo adecuado de estos esquemas maximizará la fiabilidad del funcionamiento de las instalaciones solares, a pesar de ello es necesario incidir en que no sólo basta una buena elección de una configuración para un buen funcionamiento de la instalación. Asimismo, existen otras configuraciones que no se han incluido en el trabajo, ya que para conocerlas suficiente se requeriría mayor experiencia en su utilización y de esta manera poder verificar su fiabilidad. En ese caso, se podría evaluar la idoneidad de sus estrategias de funcionamiento, así como definir los criterios de integración de los distintos componentes. Para finalizar, se debe enfatizar que para el diseño de la instalación se debe evitar la complejidad ya que las configuraciones más sencillas acostumbran a dar como resultados instalaciones más fiables. 1.2.1 Sistemas solares prefabricados y sistemas solares a medida. Por una parte, se encuentran los sistemas solares prefabricados también conocidos como sistema solar térmico (SST). Son sistemas cuya finalidad es producir ACS destinada a satisfacer pequeños consumos, estos sistemas se venden como una unidad directamente preparada para ser instalada. Para certificar su durabilidad y eficiencia, el SST puede estar constituido por un único componente integral, o bien, por un conjunto de componentes normalizados en cuanto a características, ensamblaje y configuración. Además, el SST debe ser ensayado como una unidad completa para certificar su eficiencia, durabilidad, etc. De manera que el resultado que proporcione sea representativo para todos los sistemas con la misma marca, componentes, configuración y dimensiones. Cabe destacar que, si un sistema prefabricado es modificado o alterado su configuración, ya sea cambiando uno 2 2 Análisis paramétrico de las instalaciones de energía solar térmica para producción de agua caliente sanitaria o más componentes, el sistema modificado se considero un sistema nuevo, para cuya caracterización sería necesario realizar un nuevo ensayo. Por otro lado, existen los sistemas solares de calentamiento a medida también se conocen por instalaciones solares térmicas (IST), están definidos como sistemas construidos de forma única y montados eligiéndolos de una lista de componentes. Las IST se consideran un conjunto de componentes que a pesar de ser ensayados separados unos de otros, los resultados de los ensayos se acoplan en una evaluación del sistema completo. Los sistemas solares de calentamiento a medida se dividen en sistemas pequeños a medida que forman parte del catálogo de un fabricante de productos, en el cual se especifican todos los componentes y posibles configuraciones de los sistemas. Cada posible combinación de componentes que conforma una configuración de la lista se considera un solo sistema a medida. La otra subdivisión es en sistemas grandes a medida que son diseñados de forma única para situaciones específicas. En general diseñados por fabricantes, ingenieros y otra serie de expertos. 1.2.2 Tamaño de las instalaciones solares térmicas. Se realiza una division en 3 tipos de instalaciones. Las primeras son instalaciones inferiors a 7 kW, estas son instalaciones de unos 10 𝑚2. Suelen ser sistemas prefabricados por lo que se elimina el riesgo a realizar un mal diseño y simplifica su montaje. Cabe destacar que las características constructivas del edificio, la radiación solar y la temperatura del lugar donde se encuentre la instalación condiciona la selección entre sistemas termosifón o de circulación forzada. En segundo lugar, se encuentran las instalaciones de tamaño mediano, las cuales suelen presentar entre 7 y 70 kW. Estas instalaciones abarcan entre 10 y 100 𝑚2 de superficie ocupada. Para las instalaciones de 7 a 35 kW para reducir el mantenimiento y el coste económico se emplean sistemas de intercambio de calor interiores al acumulador. Sin embargo, para instalaciones mayores, con una potencia de 35 a 70 kW, se recomienda el uso de sistemas de intercambio externo. Por último, se encuentran las instalaciones de gran tamaño o superiores a 70 kW, estas ocupan en torno a unos 100 𝑚2 aproximadamente. En este caso se emplean acumuladores de inercia en lugar de acumuladores de agua caliente sanitaria para compensar el coste económico a medida que aumenta el tamaño de la instalación. El coste del acumulador de inercia compensa el coste adicional del intercambiador y bomba. Tabla 1. Tamaño de las instalaciones solares térmicas Tamaño de las instalaciones Pequeñas Medianas Grandes Superficie de captación A < 10 10 < A < 100 A < 100 Potencia solar (Ps) Ps < 7 7 < Ps < 70 Ps > 70 Volumen de acumulación aproximado V < 1.000 1.000 < V < 10.000 V > 10.000 Como anotación acerca de las unidades de la Tabla 1, la superficie de captación (A) se ha evaluado en 𝑚2, el volumen de acumulación aproximado (V) en litros y la Potencia Solar (Ps) en kW. Por último, hacer mención a que Ps es igual a la superficie de captación por 0,7 kW/𝑚2. 3 3 Análisis paramétrico de las instalaciones de energía solar térmica para producción de agua caliente sanitaria 1.2.3 Definición de sistemas y circuitos de las instalaciones solares térmicas. Una instalación solar térmica se dividirá en partes, estas partes la formarán sistemas que se caracterizan por las distintas funciones que desempeñan. Se establece la denominación de los sistemas y circuitos que componen una instalación solar térmica para el ACS que, en el caso más general, pueden estar constituidas por siete sistemas básicos y dos sistemas de interconexión. De izquierda a derecha el primer sistema que aparece es el sistema de captación que se encarga de convertir la radiación que incide sobre el campo de captadores en energía térmica posteriormente, esta energía aumentará la temperatura de un fluido de trabajo que circula por el circuito primario. En segundo lugar, se tiene el sistema de intercambio cuya función es transferir el calor portado por el fluido de trabajo hacia el circuito secundario. En este caso se transfiere directamente al agua de consumo (Figura 1). Cuando ocurre esto se refiere a que tenemos un intercambio solar o de carga. Figura 1: Esquema simplificado ACS. Otra opción que aparece en este caso es el “intercambio de descarga”. Cuando el fluido de trabajo transfiere el calor al acumulador de inercia y este lo transfiere al agua de consumo. En cualquiera de los dos casos el intercambiador puede ser interno o externo dependiendo si se incorpora dentro del acumulador correspondiente o si es un componente externo o independiente de la instalación. El siguiente sistema de nuestro esquema simplificado es el sistema de acumulación cuya principal utilidad es la acumulación de la energía térmica hasta que se precise su uso, esta se almacena principalmente en un fluido líquido o en agua caliente. Diviéndose en acumulación de inercia cuando utiliza un fluido intermedio que no se consume o en acumulación de consumo cuando contiene agua para consumo humano. Otros dos sistemas importantes a tener en cuenta son el sistema de apoyo que ayuda a proporcionar la energía que nos falta para cubrir la demanda prevista y el sistema de consumo que se compone de aparatos sanitarios para dar servicio de ACS. Otro sistema es el sistema hidráulico que está compuesto por tuberías, bombas, válvulas y otros accesorios que conectan los distintos sistemas entre sí. Se distinguen siete tipos distintos de circuitos: 1.- Circuito primario o solar que transporta la energía térmica en el campo de captadores. 2.- Circuito de carga cuya función es realizar el calentamiento del sistema de acumulación de inercia. 3.- Circuito de descarga encargado de la extracción el calor del sistema de acumulación de inercia 4.- Circuito secundario que es un circuito de agua para consumo humano que realiza el calentamiento del sistema de acumulación de consumo. 5.- Circuito de consumo que está comprendido desde la entrada de agua fría hasta la salida de agua caliente del sistema de apoyo. 6.- Circuito de distribución, comprende desde la salida de agua caliente sanitaria del sistema de apoyo hasta los 4 4 Análisis paramétrico de las instalaciones de energía solar térmica para producción de agua caliente sanitaria puntos de uso. 7.- Circuito de recirculación, se encarga de canalizar el circuito de retorno desde puntos del circuito de distribución próximos a los de consumo hasta el sistema de apoyo. Para acabar, se encuentra el sistema de control, es el encargado, como su nombre indica, de controlar, bien sean las funciones de arranque y parada de bombas, así como otras actuaciones electromecánicas que se requieran. 1.2.4 Criterios de clasificación de las pequeña instalaciones. Las instalaciones pequeñas se rigen por el principio de circulación, este hace alusión al movimiento del fluido que se produce por el circuito primario de captadores. Estas pequeñas instalaciones tienen dos tipos de circulación. La circulación natural también conocido como termosifón. El fluido circula por convección libre que se produce por la diferencia de densidad entre el fluido caliente y el frío. Tiene la ventaja de que no necesita bomba de circulación y control, por tanto, se abaratan los costes, pero presenta mayor dificultad en cuanto a su integración arquitectónica. El otro tipo de circulación es la forzada. Esta se caracteriza por tener una bomba circuladora que produce el movimiento del fluido. Su integración arquitectónica es más sencilla y necesita un sistema de control. Cabe destacar que este tipo de circulación tiene costes adicionales como el de la energía eléctrica. Tabla 2. Comparación entre los dos tipos de circulación. CRITERIO Circulación Forzada Circulación Natural Bomba de circulación y control Si necesita No necesita Caudales de calentamiento Caudal fijo Función de la radiación solar Regulación de caudal Para ajustar saltos de temperatura No es necesaria. Es natural Posición relativa del captador y acumulador No afecta al funcionamiento Acumulador debe situarse más elevado que el captador Pérdida de carga componentes No es importante Baja facilita el efecto termosifón Integración arquitectónica Más sencilla Con mayor dificultad Salto temperatura en captador Pequeño (entre 5 y 10ºC) Mayor (entre 10 y 20 ºC) Temperatura máxima acumulador Necesario sistema de control Sólo controlable por diseño Coste de la inversión Normalmente es mayor Suele ser menor Coste de mantenimiento Mayor por control y bomba No tiene control ni bomba Coste de explotación Coste de la energía eléctrica No tiene costos adicionales 5 5 Análisis paramétrico de las instalaciones de energía solar térmica para producción de agua caliente sanitaria Las pequeñas instalaciones poseen un sistema de intercambio que ayuda a transferir energía del circuito del campo de captadores al circuito de consumo. Este sistema de intercambio puede ser un sistema directo cuando la transferencia es directa ya que el fluido de trabajo es el agua de consumo, o sistema indirecto cuando el fluido de trabajo se encuentra en un circuito independiente, separado para que no sea distribuido por el circuito de consumo. El hecho de poder utilizar un ntercambiador en los sistemas indirectos provoca que aumente la temperatura en el circuito primario, de esta manera se compensa la pérdida de efectividad del proceso de transferencia de calor a través de un interacambior entre acumulador y captadores, si el aumento de temperatura fuera lo suficientemente importante se podría producir una disminución en el rendimiento del captador pero el efecto no es importante si el dimensionado y el mantenimiento del intercambiador es adecuado. La utilización del intercambiador se justifica diciendo que este elimina o reduce los problemas que aparecen en los sistemas directos por depósitos calcáreos, heladas o presiones elevadas en el circuito primario. Se concluye comentando que no se recomienda el uso de los sistemas directos. En el cuadro siguiente se comparan varios criterios para la evaluación: Tabla 3. Comparación de criterios entre los dos tipos de intercambio Criterio Sistema directo Sistema indirecto Fluido de trabajo Agua de la red Agua y el fluido del primario Presión de trabajo en circuitos Todo a presión de suministro Pueden diseñarse los circuitos para presiones distintas Sistema de llenado No necesita Si necesita Sistema constructivo del conjunto Más sencillo Más complejo Evolución del rendimiento Empeora con el tiempo Se mantiene constante Uso en zonas con riesgo de heladas Desaconsejado Recomendado Coste de la inversión Menor Mayor Mayor costo de mantenimiento Limpieza interna del captador Fluido del circuito cerrado 6 6 Análisis paramétrico de las instalaciones de energía solar térmica para producción de agua caliente sanitaria Figura 2: Sistemas directos de circulación forzada. [1] El sistema de expansión es otro de los sistemas característicos de las instalaciones pequeñas, este se caracteriza porque el volumen del fluido se ve variado debido a la acción de la temperatura. Los sistemas de expansión se utilizan como medio para absorber dichas variaciones. La expansión puede ser abierta cuando el circuito se encuentra comunicado con la atmósfera de forma continua, o cerrada cuando el circuito no está en comunicación con la atmósfera. En la práctica solo se utilizan sistemas de expansión cerrados ya que el uso de sistemas abiertos provoca que el fluido se evapore y sea necesario una continua reposición de oxígeno y sales que producen corrosión. En relación con el contenido de líquido, los circuitos primarios de las instalaciones solares pueden ser de de dos tipos: De circuito lleno, cuando el circuito permanece siempre completamente lleno con el fluido caloportador, y cuando ha sido debidamente purgado, no contiene nada de aire. El otro tipo es de circuito con drenaje: cuando el circuito está a la vez parcialmente lleno de agua y de aire de forma que el líquido contenido en los captadores se puede vaciar dejando estos lleno solo con aire. El drenaje puede ser interior o exterior. El drenaje interior cuando el aire permite hacer el vaciado de parte del circuito cerrado se alberga en el interior de éste. Normalmente dispone de un depósito o volumen adicional para acumular el líquido caloportador drenado de tal forma que, cuando la bomba se detiene, el fluido contenido en los captadores cae por gravedad ocupando completamente el depósito que está situado en la parte inferior desplazando el aire contenido en él que ascenderá llenando los captadores que están en la parte superior. El drenaje exterior cuando el líquido caloportador puede ser drenado desde el captador hasta un desagüe o un recipiente extero si se quiere recuperar. El rellenado requeriría volver a aportar líquido al circuito y, por tanto, prever la reposición continua desde el exterior. No son recomendable las instalaciones que utilizan el sistema de drenaje exterior por el contacto del circuito con el aire exterior y la necesaria reposición continua de fluido que puede afectar a la durabilidad del circuito. Si el líquido es agua de consumo y la reposición es con agua de la red, los problemas de durabilidad pueden agravarse en función de la calidad del agua. Los sistemas de circuito lleno y los de drenaje interior deberían ser los utilizados en los circuitos primarios de las instalaciones solares. Desde el punto de vista constructivo, son más complejos los de drenaje interior ya que requieren un cuidadoso trazado de tuberías con pendiente para que el vaciado sea completo y para que el aire sea completamente evacuado cuando la instalación comienza a funcionar. Los sistemas de drenaje interior están siendo cada vez más utilizados en sistemas prefabricados para pequeñas instalaciones o como sistemas a medida de diseño normalizado desarrollado por fabricantes que lo comercializan con todas las garantías e instrucciones necesarias para su correcta ejecución. En lugar de proyectar estos sistemas, se recomienda el uso de los sistemas completos anteriormente referenciados que tienen resueltas las precauciones que es necesario adoptar en el diseño y dimensionado de estos sistemas para su correcto funcionamiento, entre otras: bomba de llenado y de circulación, distancias y alturas máximas y capacidades fluidos a acumular, etc. Dependiendo de la forma de acoplamiento de los principales componentes, captador y acumulador las pequeñas 7 7 Análisis paramétrico de las instalaciones de energía solar térmica para producción de agua caliente sanitaria instalaciones se pueden clasificar en tres tipos: Un sistema en el que todos los componentes, ya sean acumulador, captadores o los restos de accesorios se encuentran todos montados en una sola unidad lista para instalar, se le denomina sistema compacto, aunque físicamente estén diferenciados. Estos suelen ser carácterísticos por ser montamos en terrazas horitzontales, que van dotadas de estructuras con soportes, o en tejados inclinados donde destaca la complejidad de la integración arquitectónica. Otro sistema es el sistema integrado, este se denomina así cuando dentro del mismo sistema se realizan las funciones de captación y acumulación de energía, es decir, captador y acumulador constituyen un único componente y no es posible distinguirlos físicamente. Por último, se diferencia el sistema partido, se denomina de esta forma cuando existe una separación física y distancia considerable entre el sistema de captación y el de acumulación. Estos sistemas tienen más diversidad a la hora de la integración arquitectónica, ya que pueden tratar de forma independiente los sistemas de acumulación y los de captación. Estos sistemas son sisemas de ciculación forzada, a pesar de ello pueden funcionar por termosión si la ubicación, distancias, trazados de tuberías y diseños, son adecuadas. Figura 3. Distintos tipos de acoplamiento. [1] A excepción de los sistemas compactos e integrados, las pequeñas instalaciones solares térmicas de ACS suelen utilizar captadores y acumuladores estándar que ayudan a ser utilizados de forma segura, de tal manera, que el diseño en su conjunto puede resolverse bien como sistema prefabricado o como sistema a medida, dependiendo de las necesidades de consumo. Se dice que a excepción de los sistemas compactos e integrados porque estos sistemas pueden incluir componentes específicamentes desarrollados para ellos. Cuando se tiene el sistema prefabricado se entiende que el equipo se ha diseñado por el fabricante. Este mismo lo ensaya en sus instalaciones, busca el resultado óptimo y lo pone en el mercado. Además, el fabricante lo trata en el laboratorio para acreditar su certificación. Los resultados son muy fiables y nos aseguran que siempre se repetan las instrucciones de montaje. Por lo que se concluye que los sistemas funcionarán correctamente y con las mismas prestaciones. Con los sistemas pequeños a medida, no sucede lo mismo, al contrario de los sistemas prefabricados, el técnico tiene que diseñar pequeñas instalaciones conectando captadores solares, depósitos, estructuras, tuberías, etc. Este procedimiento se convierte en algo poco estable, sobre todo, si es necesario diseñar circuitos donde la circulación sea por termosifón, ya que el funcionamiento correcto de estos no se puede optimizar y en el caso de querer replicar el diseño, sería bastante difícil garantizar un funcionamiento uniforme de los mismos. 8 8 Análisis paramétrico de las instalaciones de energía solar térmica para producción de agua caliente sanitaria Figura 4: Sistemas directos de circulación natural.[1] Figura 5: Sistemas indirectos de circulación forzada. [1] Figura 6: Sistemas indirectos de circulación natural. [1] 1.2.5 Configuraciones de las instalaciones medianas y grandes. Los criterios de funcionamiento para este tipo de instalaciones son los mismos que para instalaciones pequeñas. Se le añadirán algunas observaciones: En cuanto al principio de circulación este tipo de instalación debería de ser siempre de circulación forzada ya que un funcionamiento por termosifón puede suponer una reducción en el rendimiento térmico de la instalación. Esto se debe a que la diferencia de temperaturas necesaria para vencer la pérdida de carga aumenta a medida que lo hace el tamaño de las instalaciones, por lo que las temperaturas de trabajo son mayores haciendo que los captadores trabajen con peor rendimiento. 9 9 Análisis paramétrico de las instalaciones de energía solar térmica para producción de agua caliente sanitaria Si nos referimos al sistema de intercambio se recomienda usar sistemas indirectos con intercambiador. El problema que existe con los sistemas directos es que en zonas con riesgo de heladas aumenta la posibilidad de congelación del agua. Se recomienda que el diseño de las instalaciones debe prever que las incrustaciones calcáreas, sean los más pequeñas posibles en caso de existir y en caso de existir lo hagan en un componente accesible y fácil de mantener como debe ser un intercambiador de calor. Se deberá tener en cuenta que cuanto mayor sea el campo de captadores más complejo es efectuar la instalación de drenaje interior por la dificultad que presenta el trazado de tuberías. Esto se debe a que debe haber una pendiente bastante pronunciada para que el vaciado sea completo. Para seleccionar los sistemas de acumulación y de intercambio es necesario conocer los criterios que nos van a indicar qué acumulador es el adecuado, si el de inercia o el de consumo. La limitación que presentan los acumuladores de consumo es la resistencia del tratamiento interior, sin embargo, los acumuladores de inercia solo están limitados por su propia resistencia a la temperatura máxima. Los acumuladores de consumo tienen como limitación la presión de red de alimentación de agua fría. El acumulador de inercia necesita dos sistemas de intercambio. El primer sistema el de carga que también lo necesita el acumulador de consumo, y el segundo sistema el de descarga. A continuación, se describirán 2 criterios más para tratar de ver cual es el tipo de intercambiador que se necesita, bien interno o externo: El primer criterio es el de estratificación, este se caracteriza porque con el intercambiador interno la estratificación es más fácil de realizarla. La instalación con intercambiador externo exige estudiar con más detalle las condiciones de circulación del agua producida por el circuito de carga. El segundo criterio es la simplicidad, el intercambiador externo necesita dos circuitos forzados para su funcionamiento por lo que el intercambiador interno que solo dispone de un único circuito es más sencillo. 1.2.6 Configuraciones de instalaciones en edificios multivivienda Todas las configuraciones anteriormente mencionadas se pueden utilizar para la instalación de producción de ACS de un edificio multivivienda, simplemente teniendo en cuenta que se necesita añadir un sistema de distribución a cada una de las viviendas. Los elementos diferenciales y adicionales más significativos en estas instalaciones son la distribución de agua caliente o calor a cada una de las viviendas efectuada mediante un circuito de distribución, normalmente de largo recorrido y con recirculación, por lo que será necesario cuidar su diseño y ejecución para evitar unas pérdidas térmicas elevadas. Además, es necesario controlar el consumo en viviendas para realizar la distribución del gasto. El primer sistema en clasificar será la instalación solar y sistema de apoyo centralizados. Toda la instalación incluyendo el sistema de apoyo, es centralizado y realiza la preparación del ACS que se suministra a las viviendas (Figura 7). El agua precalentada en la instalación solar pasa al sistema de apoyo donde, cuando es necesario, se termina de calentar hasta alcanzar la temperatura de consigna. Más tarde, el ACS se pone a disposición de cada una de las viviendas a través del circuito de distribución, en cada acometida a vivienda se debe instalar un contador para el control del consumo de agua caliente. Es importante que la lectura de contadores y la gestión de consumos como es la transmisión de datos, asignación de costes, emisión de recibos y gestión de cobro, sea lo más automatizada posible. Los sistemas de distribución requieren de un circuito de recirculación que permita garantizar la disponibilidad de agua caliente de forma casi instantánea en todas las viviendas. Para instalar este tipo de configuración se quiere espacio suficiente en las zonas comunes, para que sea posible albergar tanto al sistema de captación como al de acumulación solar y al sistema de apoyo. Por el contrario, para los equipos de agua caliente en el interior de las viviendas no es necesario ningún espacio. En relación con las redes de suministro de agua, cada vivienda dispone de una acometida de agua fría con su correspondiente contador de la empresa de abastecimiento de agua situado en la centralización de contadores, y una acometida de agua caliente procedente del sistema de apoyo centralizado con su correspondiente contador de la comunidad de propietarios normalmente se situan en los rellanos del edificio, lo que viene siendo el exterior de la vivienda. Hay que destacar que el sistema solar a su vez deberá tener una acometida de agua fría con sección suficiente 10 10 Análisis paramétrico de las instalaciones de energía solar térmica para producción de agua caliente sanitaria para abastecer el consumo de todas las viviendas. Figura 7: Instalación solar y sistema de apoyo centralizado. [1] Otra instalación a tener en cuenta es la instalación solar centralizada con la variante de que ahora posee un sistema de apoyo distribuido (Figura 8), en este caso, la instalación solar centralizada, realiza el precalentamiento del agua que será llevada a su correspondiente temperatura de consigna mediante el sistema de apoyo que estará distribuido en cada una de las viviendas. Existe una única acometida y contador de agua fría para la instalación centralizada. El circuito de distribución deberá poner a disposición de cada una de las viviendas agua precalentada por la instalación solar. Cada vivienda tendrá un contador de agua en la acometida de agua caliente que, en este caso, contabiliza el caudal de agua precalentada por la instalación solar. Cada vivienda tendrá un sistema de energía de apoyo individual que garantice que el agua alcance la temperatura de preparación y un circuito de distribución interior con recirculación para suministrar el agua caliente sanitaria a todos los puntos de consumo. Este tipo de instalaciones necesitan menos espacios comunes la instalación con todo centralizado, pero como defecto podríamos decir que necesita ocupar otros espacios de la vivienda donde se ubique el sistema de apoyo y los condicionantes que se necesitan para su instalación como son el suministro de energía, la ventilación y desagües, etc. Otra de las instalaciones a estudiar es la instalación solar con acumulación distribuida (Figura 9) la cual se caracteriza porque no precisa de la medida individualizada del consumo de agua caliente. En cada vivienda se instala un interacumulador solar donde el agua de consumo es precalentada antes de entrar en el sistema de apoyo. En un circuito cerrado se transfiere la energía solar captada a los circuitos primarios de todos los interacumuladores solares situados que se sitúan en cada vivienda. Este circuito de calentamiento puede ser directamente el circuito primario de captadores o bien un circuito de carga cuando se incorpora un intercambiador solar para independizar circuitos lo que se realiza normalmente para tener un circuito primario de menor tamaño lo que permite usar menos anticongelante y confinar las mayores temperaturas del circuito primario en las partes del edificio más fácilmente accesibles de la cubierta. En este caso, no se necesita contabilizar el aporte de energía solar térmica a cada vivienda debido a que no existe una asociación entre el consumo de combustible y la repercusión a cada usuario, que no justifica el sistema de medida. En su lugar, lo que se realiza es la contabilización de la energía solar producida de forma centralizada a los efectos de poder verificar su rendimiento. En la configuración con acumulación distribuida, el circuito de calentamiento únicamente funcionará durante las horas de funcionamiento de la captación solar lo que es una gran ventaja por la disminución de las pérdidas térmicas que se puede producir en el mismo. Por el contrario, las pérdidas térmicas en los acumuladores pueden ser globalmente más significativas y hay que controlarlas. Se requieren significativos espacios en las viviendas debido a la necesidad de tener que ubicar el acumulador solar y el sistema de apoyo lo que puede suponer un 17 17 Análisis paramétrico de las instalaciones de energía solar térmica para producción de agua caliente sanitaria en baterías de igual tamaño que deben estar distribuidas de forma homogénea en el espacio disponible. El equipo de apoyo se conectará en serie con el equipo solar para que de esta manera la temperatura de entrada al sistema de apoyo sea la misma que la de salida de la parte solar. En los puntos de consumo cuyo tratamiento térmico es 50ºC se debe colocar una válvula termostática para cuando se utilice el tratamiento de choque térmico a 70ºC para prevenir casos de legionelosis. Además, se tratará de reducir el consumo energético producido por el circuito de recirculación, para ello se utilizará una válvula de tres vías de forma que cuando el acumulador solar esté más caliente que el retorno, éste sea conducido a través del solar. En los edificios será necesario evacuar fluidos al exterior de la instalación, es en este momento donde se hace uso de válvulas de seguridad, drenajes, etc.). Comprobando la resistencia de las redes de saneamiento ya que se pueden producir a altas temperaturas. A veces puede ser necesario un sistema de recogida de agua de condensación en captadores. Se deberá proteger al usuario y limitar el acceso a determinados recintos para ayudar en las actividades de uso y vigilancia. 1.6. DISEÑO HIDRÁULICO Y TÉRMICO 1.6.1 Sistema de captación Siempre que sea posible se tratará de utilizar baterías y trazados iguales. Además, se optimizará el número de captadores de las baterías y el tipo de conexiones entre ellas mismas. Otra medida para tener en cuenta será el reducir la cantidad de válvulas del primario al mínimo imprescindible, ya que casi siempre ésta se instala en el exterior. Para reducir costes y pérdidas se tratará de minimizar lo máximo posible los recorridos del circuito primario. 1.6.2 Sistema de acumulación Se deberá tener un volumen de acumulación suficiente para almacenar toda la energía captada diariamente. Como recomendación se suele utilizar una relación entre el volumen de acumulación V en litros y superficie de captadores A en 𝑚2 de V/A=75 litros/𝑚2. Siempre se intentará que todo el volumen de acumulación se disponga en un único acumulador, vertical e instalado en el interior del edificio. Cuando esto no sea posible y se tenga que utilizar varios acumuladores, se deberá estudiar el funcionamiento de manera detallada. Se buscará una configuración vertical en cuanto a los sistemas de energía auxiliar incorporados en el acumulador solar para mejorar el rendimiento global de la instalación. En los sistemas de acumulación distribuida, es necesario minimizar las pérdidas térmicas de los acumuladores que en su mayoría serán mayores en el caso de los sistemas de acumulación centralizada. 1.6.3 Sistema de intercambio Es prioridad que la efectividad no sea inferior al 0,7. Para ello se deberá seleccionar correctamente los parámetros de diseño de un intercambiador externo, tales como la potencia, caudal, salto térmico… En el caso de intercambiadores internos la potencia de intercambio es proporcional a la superficie del intercambiador incorporado en el acumulador solar. Se recomienda tener una superficie de intercambio superior a 0,2 𝑚2 por cada 𝑚2 de superficie de captación. En edificios multiviviendas, es necesario garantizar que por cada intercambiador individual se tenga un caudal nominal correspondiente en el primario que asegure un salto térmico correcto en el intercambiador, a pesar de que el caudal total del circuito de distribución se calcule aplicando los coeficientes de simultaneidad correspondientes. 18 18 Análisis paramétrico de las instalaciones de energía solar térmica para producción de agua caliente sanitaria 1.6.4 Circuito hidráulico En primer lugar, se definen los caudales correspondientes al esquema de principio de la instalación elegida. Posteriormente, se necesitará racionalizar el consumo eléctrico de las bombas dimensionando correctamente las bombas de circulación. Se utilizará solo las válvulas que realmente sean necesarias para un mantenimiento correcto. Además, los sistemas de llenado de agua de red deben tener una válvula de corte que debe permanecer normalmente cerrada y los de llenado con anticongelante, cuya función es introducir la mezcla ya sea de forma manual o automática, no deben de tener ningún sistema de llenado directo del circuito con agua de red. 1.7. CÁLCULO DE PRESTACIONES ENERGÉTICAS Existen dos objetivos que definen las condiciones a satisfacer en cuanto a las prestaciones energéticas de las instalaciones solares térmicas para agua caliente sanitaria. En primer lugar, se debe cumplir los requisitos mínimos establecidos por la normativa local, regional o nacional. El cálculo tendrá que comprobar que la instalación cumple con todos los niveles normativos que se exigen. Se tendrá como finalidad verificar que se realiza en las mismas condiciones para cualquier tecnología distinta, lo que puede requerir la comparación con otros sistemas de producción térmica como son calderas convencionales o de biomasa, etc. En segundo lugar, el cálculo deberá seleccionar la solución óptima, comparando las configuraciones posibles. Tipos de captadores, sistema de acumulación, superficie de captación, volumen de acumulación, así como el resto de los componentes. Será necesario que los datos de partida sean iguales para poder comparar soluciones. Estos datos de partida serán los parámetros de uso con los que se determina la demanda de ACS. En cualquiera de los casos, buscando que las soluciones sean lo más comparables posible, los datos de partidas para efectuar los cálculos deberán ser los mismos: Los parámetros de uso con los que se determina la demanda energética de ACS, que son el caudal de consumo de agua caliente a una determinada temperatura y las temperaturas de agua fría. Los parámetros climáticos de radiación solar y temperatura ambiente que deberán ser referenciados a bases de datos de fuentes oficiales, y por último los criterios para calcular las pérdidas térmicas de las instalaciones, evaluar las demandas y consumo energéticos. A falta de verificar el cumplimiento de los requisitos establecidos por la normativa, se debe definir criterios y procedimientos que permitan evaluar y comparar las tecnologías de producción de energía térmica, tanto fósiles como renovables. Lo que significa que el proyectista deberá considerar en su análisis el uso de métodos de dimensionado y cálculos validados por modelos de simulación y contrastados con medidas experimentales. Además de datos de funcionamiento realesde las instalaciones que permitan contrastar que se van a alcanzar los resultados previstos. 1.8. MONTAJE, PRUEBAS Y PUESTA EN MARCHA Una de las fases más críticas en una instalación es el montaje, es por ello por lo que hay que prestar una mayor atención. Para asegurar un correcto funcionamiento es necesario, como se ha comentado previamente, prestar especial atención a la selección de soldaduras a realizar, anclaje y ubicación de equipos. Se deberá realizar una revisión previa al montaje de una instalación solar térmica comprobando que se cumpla especificaciones y normativa vigente. Una vez que se ha realizado la comprobación previa al montaje, se realiza el montaje. Posteriormente, antes de poner en marcha la instalación se realizarán pruebas y ajustes para comprobar que el montaje cumple la normativa, pliego de condiciones, etc. Una vez que se hayan realizado las pruebas es necesario comprobar las operaciones de limpieza, llenado, purga de aire y presurización de circuitos para empezar a funcionar. Por último, una vez puesta en marcha la instalación se deberán realizar pruebas de funcionamiento que indican el encendido y apagado diario, evolución diaria de temperaturas, entrega de agua caliente y sistemas de protección de la instalación. 19 19 Análisis paramétrico de las instalaciones de energía solar térmica para producción de agua caliente sanitaria 1.9. OPERACIÓN, USO Y MANTENIMIENTO Se tratará de realizar un adecuado uso y mantenimiento de las instalaciones solares para maximizar su aprovechamiento energético, y prolongar su vida útil. Las instalaciones solares térmicas tienen algunas características particulares que hacen necesario que los planes de vigilancia y mantenimiento incluyan esos aspectos que la diferencia de las instalaciones convencionales de manera más concreta. Hay constancia de instalaciones que han durado entre 20 y 35 años gracias a un adecuado mantenimiento, al igual, que hay instalaciones que por a causa del descuido y por falta de mantenimiento a los pocos años se vuelven inservibles. Un claro ejemplo es el caso de las instalaciones que se quedan sin anticongelante y cuyas captadores se rompen por culpa de las heladas. Para ello se necesita disponer de un adecuado Manual de Instrucciones (MI) con toda la información de la que deben disponer el usuario y el encargado de mantener el funcionamiento de la instalación para que se realice un uso adecuado, garantizando la seguridad y durabilidad. El plan de vigilancia estable una forma de realizar el seguimiento del funcionamiento para tener la seguridad de que los valores operacionales de la instalación sean los correctos. Los procedimientos se establecen en función de los sistemas de medida disponibles y se establece el criterio de decisión relativo a si la vigilancia la realiza un operador del servicio de mantenimiento o el propio usuario. En cuanto a los niveles de seguimientos podemos distinguir la observación simple de los principales indicadores y parámetros de funcionamiento. Los sistemas electromecánicos de avisos y los sistemas de tele-monitorización. Para la vigilancia manual de la instalación, se pueden detallar indicadores a utilizar para controlar el correcto funcionamiento de la instalación solar. Los indicadores son la presión del circuito primario, el sistema de control, la circulación de fluidos, la transferencia de alor y temperaturas de funcionamiento y la medida de energía y del rendimiento. Por último, descatar que el programa de mantenimiento deberá incluir las operaciones necesarias para que el sistema funcione correctamente y prolongar la instalación lo máximo posible. [1] 1.10 EL MERCADO DE LA ENERGÍA SOLAR EN ESPAÑA En España en el año 2019 ha incrementado un 1% los megavatios térmicos, con respecto al año 2018. Según un estudio realizado por ASIT, se instalaron 145 megavatios térmicos lo que equivale a 207.150 𝑚2 de superficie de captación. Esta es una cifra que supera los 3,15 gigavatios térmicos en el acumulado de potencia instalada en dicho año, lo que viene significando que más de 4,5 millones de 𝑚2 instalados operativos. La representación gráfica que se mostrará en la Figura 13 es la distribución por cada tipo de captador y sistema del nuevo parque que se ha instalado en 2019. Se observa que los captadores solares planos ocupan algo más de la mitad siendo esto significativo a unos 108.750 𝑚2. Otra singularidad de este gráfico es que, si unimos los captadores híbridos PVT, Tubos de vacío, y Captadores de Plástico ocupan un porcentaje que no alcanza los 7%, si los analizamos individualmente al lado de las otras dos grandes partes podríamos llegar incluso a despreciarlos. Por último, fijándonos en la otra gran pieza del gráfico, se observa que los sistemas prefabricados suponen un 41% del total, es decir, alcanza casi la mitad del total de la potencia térmica instalada en dicho año. Que a su vez equivale a 84.900 𝑚2. 20 20 Análisis paramétrico de las instalaciones de energía solar térmica para producción de agua caliente sanitaria Figura 13. Distribución por tipo de captador y sistema en 2019 [2] Este parque recién presentado, desarrolla la siguiente distribución comparándolo con los diferentes segmentos de mercado que ya existen (Figura 14). Figura 14. Distribución por segmentos de mercado [2] La conclusión que se puede extraer de este gráfico es que el segmento correspondiente al Código Técnico de la Edificación ha crecido con respecto al año anterior un 2%. H pasado de 182.300 𝑚2 frente a 180.000 𝑚2 lo que tiene su sentido ya que se relaciona con el incremento de viviendas finalizadas en 2019 respecto a 2018. [6] En esta tabla (Tabla 5) se muestran los datos de la superficie solar térmica acumulada en España hasta 2018 y distribuida por comunidades autónomas. Se observa que en España la superficie solar térmica total instalada supera los 4 millones de 𝑚2. Si hay que destacar una entre todas las comunidades de la Tabla 5, destacamos Andalucía que ocupa la mitad de la superficie total instalada a nivel nacional. En estas gráficas que se mostrarán a continuación se muestra la evolución de la vivienda desde antes de la recesión económica de 2008 y la superficie de captación instalada anual. De tal manera que nos ayudará a entender el desarrollo del mercado de la energía solar térmica en un rango amplio de tiempo. 21 21 Análisis paramétrico de las instalaciones de energía solar térmica para producción de agua caliente sanitaria Tabla 5. Superficie acumulada instalada en España en 2018 [3] Instalación Mixta Solar Térmica BT TOTAL ANDALUCÍA 888 1.177.380 1.178.268 ARAGÓN 30 90.792 90.822 CANARIAS 98 253.255 253.353 CANTABRIA 117 14.519 14.636 CASTILLA Y LEÓN 15 182.482 182.497 CASTILLA-LA MANCHA 228 229.096 229.325 CATALUÑA 72 591.025 591.097 CIUDAD DE CEUTA 3.452 3.452 CIUDAD DE MELILLA 4.490 4.490 COMUNIDAD DE MADRID 526 427.196 427.723 COMUNIDAD FORAL DE NAVARRA 29 48.168 48.197 COMUNIDAD VALENCIANA 906 276.672 277.578 EXTREMADURA 362 35.321 35.682 GALICIA 478 146.962 147.440 ISLAS BALEARES 100 143.613 143.712 LA RIOJA 2 11.053 11.055 PAIS VASCO 3 91.110 91.113 PRINCIPADO DE ASTURIAS 17 52.854 52.871 REGIÓN DE MURCIA 52 61.612 61.664 NO REGIONALIZABLE 61.612 61.664 TOTALES 3.923 4.198.847 4.202.770 22 22 Análisis paramétrico de las instalaciones de energía solar térmica para producción de agua caliente sanitaria Figura 15. Viviendas iniciadas 2000-2008 [2] Figura 16. Viviendas finalizadas 2000-2018 [2] Tanto en la Figura 15 como en la Figura 16 se observan las tendencias alcistas que presentan las vivientas iniciadas y finalizadas. Se puede ver que alcanzó sus máximos entre 2006 y 2007, justo antes de la gran crisis económica ocasionada por la burbuja inmobiliaria que sufrió España como país. La cifra desde el máximo que fue en 2007 se ha visto disminuida en unos 92/93% respecto al 2016. Pasó de 600.000 a tan solo unas 40.000. Sin embargo, a partir del año 2016 se aprecia una leve mejoría pues ya en 2017 se consolida el cambio de tendencia en cuanto a viviendas iniciadas y previsiblemente también las finalizadas en 2018. En 2017 pasó a ser 80.000 viviendas iniciadas frente a las 64.000 del año anterior. Los datos de los captadores solares fabricados en España e instalados en territorio español muestran una especie de contraste con la gran capacidad de producción de los fabricantes nacionales. España tiene una producción aproximadamente de 1.300.000 m2 fabricandose 206.675𝑚2 en el año 2019, se dice esto porque sólo es un 15% de su potencial, de los cuales 138.000 𝑚2 se exportaron y 68.675 𝑚2 se instalaron en España. 23 23 Análisis paramétrico de las instalaciones de energía solar térmica para producción de agua caliente sanitaria Figura 17. Desarrollo del mercado de 2006-2019 [2] Figura 18. Distribución por origen de fabricación en 2019 [2] En el Plan de Energías Renovables 2011-2020 se estableció como objetivo 10 millones de 𝑚2. Sin embargo, tomando los resultados globales acumulados a cierre de 2019, se preveía que en 2020 se alcanzara una cifra máxima de 5 millones de 𝑚2 instalados y operativos. Para acabar podemos añadir que el sector de la energía solar térmica en España representa 4.150 empleos directos, y en térmios económicos facturó una cantidad de 166 millones de euros en 2019. [2] y [3]. 24 2 MÉTODOS DE CÁLCULO 2.1 INTRODUCCIÓN A LOS MÉTODOS DE CÁLCULO En este capítulo se realizará un pequeño estudio de cada herramienta de simulación. Las herramientas de simulación seleccionadas son el método TRNSYS, el método f-CHART, ACSOL y el método CHEQ4. De cada herramienta se analizarán ciertos parámetros como la sencillez, alcance, y coste. Además, se definirá las principales características de cada método, así como las aplicaciones de los mismos en función del uso final previsto ya sea para verificar el cumplimiento de una reglamentación o para evaluar la viabilidad ténica y económica de diferentes soluciones, la aplicación a procesos de venta de energía, etc. A pesar de realizar un pequeño estudio de cada una de las herramientas, donde se centrará mayor parte de la atención será en el método CHEQ4 describiendo paso a paso su funcionamiento de manera bastante detallada y con imágenes del programa. 2.2 MÉTODO TRNSYS La herramienta TRNSYS (TRaNsient SYstem Simulator) es un programa de simulación dinámico para sistemas energéticos en régimen dinámico. Se diseñó con la intención de resolver sistemas complejos donde cada uno de los componentes se describe mediante subrutinas más simples, llamadas TYPEs. Cada Type se puede sumar como si fueran una especie de componentes separados que al unirlos permiten analizar un sistema completo. La primera versión original se desarrolló con la intención de que los sistemas que la herramienta analizara fueran para la producción de agua caliente sanitaria y calefacción, además el número de TYPEs era muy reducido siendo estos los justos y necesarios para poder simular los sistemas anteriores. En concreto eran los 23 TYPEs siguientes: Tabla 6. Diferentes TYPEs 1.Captador solar plano 2.Control diferencial 3.Bomba de circulación 4.Depósito de almacenamiento de líquido 5.Intercambiador de calor 6.Calentador auxiliar 7.Cálculo de la demanda de refrigeración 8.Termostato de tres etapas 9.Lector de datos 10.Almacenamiento de lecho de rocas 11.Controladores del caudal de aire 12.Cálculo de calefacción 13.Válvula de seguridad 14.Función dependiente del tiempo 15.Operador algebraico 16.Procesardor de radiación solar. 17.Cerramiento vertical 18.Cubierta 19.Local y suelo 20. Bomba de calor 21. Integrador 22. Impresora 23. Plotter Los TYPE independientemente unos de otros incorporan un modelo matemático o incluso a veces varios que simulan el comportamiento del elemento y utilizan Fortran como lenguaje de programación. Cada TYPE se puede interpretar como una caja negra con una variable de entrada y una de salida. Además, se define perfectamente su estructura y los protocolos que siguen de conexión entre ellos. Existen varios tipos distintos de variables, por ejemplo, las variables que siendo de entrada son función del tiempo y las que siendo de entrada no dependen del tiempo. Las primeras se denominan entradas y las segundas variables, parámetros. 25 25 Análisis paramétrico de las instalaciones de energía solar térmica para producción de agua caliente sanitaria Las variables que en vez de ser de entradas son de salidas y sí dependen del tiempo se denominan salidas. Figura 19. Equema de entradas, parámetros y salidass de TYPES Algo que da ventaja a TRNSYS es que está perfectamente descrito el protocolo de conexión entre TYPEs por lo que muchos investigadores incorporaron al software original nuevas TYPEs de manera que actualmente se puede simular cualquier tipo de instalación, aunque no sea una instalación de energía solar térmica. Por ejemplo, entre las nuevas TYPEs que incorpora la última versión de TRNSYS se pueden citar una planta enfriadora, calderas industriales, torre de refrigeración, aerorrefrigerantes, bomba de calor de todas las tipologías, batería de frío, sección de humectación, panel fotovoltaico, sistema de baterías, inversores, electrolizador, pila de combustible, almacenamiento de Hidrógeno, Tecnología solar de concretración y elementos de ciclos de potencia. No solo se incorporaron nuevos TYPEs sino que también se han ido incorporando TYPEs de elementos ya existentes pero con modelos más detallados o con nuevas tipologías del elemento que inicialmente no se contemplaba. TRNSYS puede simular tanto el comportamiento de componentes como de sistemas por lo que es bastante flexible. Se puede simular el comportamiento de cualquier instalación con el único requisito de que todos los elementos de la instalación estén dentro de la relación disponible de TYPEs. Incluso es posible incorporar al programa un elemento que aún no está, generando las ecuaciones del elemtno a través del TYPE “Nueva ecuación”. TRNSYS se compone de una parte que es un motor para leer y procesar datos de entrada. El motor se llama Kernel e irá resolviendo iterativamente el sistema, verificando que se cumplan las convergencias establecidas y graficando las variables del sistema elegidas. La otra parte es un conjunto de subrutinas (TYPEs) que sirven para modelar los diferentes componentes del sistema (bombas, turbinas, etc.). Para la simulación del sistema se deberá crear un fichero que consiste en la descripción de los TYPEs (bombas, acumulador, captadores, tuberías, válvulas, etc.) y la interconexión de los mismos. Para representar las iteraciones que aparecen en el sistema se crea un diagrama de flujo de información y habrá que definir todos los parámetros de todos los componentes, así como las variables de entrada y salida de cada uno de ellos. Alguna desventaja que presenta TRNSYS es que el usuario requerirá de formación técnica. Además, presenta una dificultad para definir la instalación a partir de los TYPEs correspondientes, la cantidad de datos de entrada necesarios, el trabajo previo para eliminar los posibles errores de conexión entre los TYPEs y el esfuerzo en conseguir que converja todo el proceso de cálculo. Por último, resaltar que requiere un tiempo grande de ejecución del programa. A modo de resumen del método TRNSYS: Será necesario obtener unos datos meteorológicos de partida como 26 26 Análisis paramétrico de las instalaciones de energía solar térmica para producción de agua caliente sanitaria es la radiación solar y temperatura ambiente, datos de consumo y sistemas de captación, el análisis que se realizará será bastante exacto y con una precisión alta, si se hace mención al tiempo de ejecución es importante saber que el periodo característico de cálculo será aproximadamente de una hora o algo menos. En cuanto al coste de la licencia ronda unos 4000 euros. Por último, se recuerda que se requiere una formación alta por parte del usuario y unos conocimientos previos de la materia de trabajo. 2.3 MÉTODO f-Chart El método f-chart es un método simplificado, este método trabaja con un día representativo de cada mes y se basa en correlaciones entre números adimensionales que caracterizan el funcionamiento del sistema. Un número adimensional se relaciona con la energía solar útil que se ha captado y otro número se relaciona con la energía perdida por el sistema de captación. La contribución solar del sistema, representada por f en este método, depende de los dos números adimensionales comentados previamente. Cabe destacar que la función que relaciona la f con los números adimensionales se obtendrá a partir de una base de datos generados simulando los sistemas con TRNSYS. Que este método sea capaz de identificar las variables adimensionales características le aporta un gran vapor y en este aspecto radica el reconomiento mundial al trabajo desarrollado por su inventor que fue Klein. Algo positivo para el método es que todas las variables adimensionales tienen un significado físico lo que facilita la interpretación de los resultados y lo que es más importante, como consecuencia del análisis dimensional del sistema, la función obtenida es fácilmente generalizable siempre que el valor de los parámetros adimensionales se encuentre dentro de un rango de validez que se propone en el método de cálculo. El rango de validez de los parámetros corresponde a los valores extremos de los mismos casos simulados con el método TRNSYS que se generaron en la base de datos utilizada para generar la función. Es muy importante el papel que juega la aplicación del análisis dimensional al sistema de energía solar, ya que provoca que se desvincule la generalización de la función obtenida del rango de variación de los parámetros de diseño de los sistemas simulados con TRNSYS en el proceso de obtención de la función. El método identifica dos variables adimensionales, son el factor de ganacias adimensional (Y) y el factor de pérdidas adimensional (X) que se definen como: 𝑌 = 𝐹𝑅 (𝜏𝛼)𝑚 𝐻  𝑁 𝐴 𝐷 ; 𝑋=𝐹𝑅𝑈𝐿 (𝑇𝑟𝑒𝑓 −𝑇𝑎𝑚)∆𝑡 𝐴 𝐷 FR : El factor de evacuación del captador solar ()m : El producto () medio durante el mes 𝐻 : Es la radiación global media diaria sobre la superficie de captación N: Es el número de días del mes A: Es el área de la superficie de captación D: Es la demanda mensual de la instalación UL: Es el coeficiente global de pérdidas del captador solar Tref : Es una temperatura de referencia, que el método f-Chart fija en 100 ºC Tamb: Es la temperatura ambiente exterior media mensual t : Es el paso de tiempo Teniendo en cuenta las condiciones de incidencia normal: 33 33 Análisis paramétrico de las instalaciones de energía solar térmica para producción de agua caliente sanitaria Figura 22. Distintas pantallas de CHEQ4 [5] La primera pantalla que aparece es la pantalla de “Localización” (Figura 23), en esta se pide que se introduzca la localización de la provincia y el municipio. Una vez se han introducido estos datos el programa nos responde proporcionándonos la zona climática a la que pertenece el municipio según HE4 del Código Técnico de la Edificación, su latitud y su altura. El programa mostrará la temperatura diaria mensual del agua de red, la temperatura ambiente diaria mensual y la Irradicación global media mensual sobre la superficie horizontal (según Atlas de Radiación Solar en España de la AEMET), todo ello recogido sobre una tabla. Una vez se completa esta pantalla, se puede acceder a la pantalla de “Configuración” (Figura 24) donde se muestran los esquemas de los ocho tipos de instalaciones de los que puede hacer uso el programa (Tabla 7) y (Tabla 8). A la izquierda de la pantalla se observan dos columnas, la posicionada más a la izquierda de las dos, muestra las instalaciones de consumo único, y la menos a la izquierda, o, mejor dicho, a la derecha de esta última se muestra las instalaciones de consumo múltiple. En esta pantalla se seleccionará el tipo de instalación que interesa y se procederá al siguiente punto que es la pantalla de “Demanda” (Figura 25) y (Figura 26). En la pantalla de “Demanda” (Figura 25 y Figura 26) se especifica la demanda total de ACS de la instalación Los parámetros son variables dependiendo del tipo de instalación que se haya escogido. Por ejemplo, en una instalación de consumo único (Figura 25) habrá que seleccionar el tipo de aplicación e indicar el número de personas y en una instalación de consumo múltiple (Figura 26) se tendrá que introducir el número de viviendas y dormitorios para obtener así el número de personas y el consumo en L/día, llegándose a diferenciar incluso cuatro tipos diferentes de viviendas. El programa calcula el consumo en L/día a 60 °C en función de los datos anteriores y los consumos unitarios del HE4 del Código Técnico de la Edificación. Además, en la siguiente zona de la pantalla se indicarán otros consumos de agua caliente de la instalación a 60ºC no contemplados en el consumo anterior, obteniéndose el consumo total de agua caliente de la instalación a 60ºC. El programa de CHEQ4 considera que el consumo es el mismo en todos los meses del año. En esta pantalla se incluye una tabla donde aparece el porcentaje de consumo mensual de la instalación. A pesar de aparecer el 100% en todos los meses se pueden modificar los porcentajes mensuales si la instalación tiene un consumo de agua caliente variable dependiendo del mes. 34 34 Análisis paramétrico de las instalaciones de energía solar térmica para producción de agua caliente sanitaria Figura 23. Localización. CHEQ4 Figura 24: Configuración. 35 35 Análisis paramétrico de las instalaciones de energía solar térmica para producción de agua caliente sanitaria Tabla 7. Configuraciones de CHEQ4. Enumeración y consumos. CONSUMO ÚNICO CONSUMO MÚLTIPLE 1.-Instalación con sistema prefabricado 4.-Instalación con todo centralizado 2.-Instalación con interacumulador 5.-Instalación con apoyo distribuido 3.-Instalación con intercambiador independiente 6.-Instalación con acumulación distribuida - 7.-Instalación con intercambio distribuido Tabla 8. Descripción de cada configuración La siguiente pantalla que se encuentra el “Solar/Apoyo” (Figura 27) que se estructura en cuatro bloques que son captadores, campo de captadores, circuito primario/secundario y el sistema de apoyo. El primer bloque, el de “captadores”. En este bloque lo primero que se realiza es la selección de la empresa, la marca y el modelo del captador solar. Estos datos se extraen de la base de datos del programa, es por ello por lo 1 Sistema solar térmico prefabricado para producción de ACS en instalaciones de consumo único con válvula termostática. 2 Sistema solar térmico para producción de ACS en instalaciones de consumo único con acumulador solar, interambiador interno y válvula termostática. 3 Sistema solar térmico para producción de ACS en instalaciones de consumo único con acumulador solar, intercambiador externo y válvula termostática. 4 Sistema solar térmico para producción de ACS en instalaciones de consumo múltiple con acumulación solar centralizada, intercambiador de calor externo, acumulación de apoyo centralizada y conexión directa del circuito de distribución. 5 Sistema solar térmico para producción de ACS en instalaciones de consumo múltiple con acumulación solar centralizada, intercambiador de calor externo, e intercambiador de calor centralizado para preparar el ACS. 6 Sistema solar térmico para producción de ACS en instalaciones de consumo múltiple con acumuladores individuales, intercambiador de calor interno y válvulas termostáticas. 7 Sistema solar térmico para producción de ACS en instalaciones de consumo múltiple con acumulación solar centralizada, intercambiador de calor externo, con intercambiadores de consumo distribuido y válvula termostática. 36 36 Análisis paramétrico de las instalaciones de energía solar térmica para producción de agua caliente sanitaria que se recomienda tener siempre la última versión de este. Una vez seleccionado el captador, se muestra, a la derecha de la pantalla en un cuadro, los parámetros de ensayo del captador. Posteriormente, se introducirán los siguientes datos en el siguiente bloque, el bloque de “campo de captadores”: El número de captadores o número de elementos. Se especifica que puede ser uno u otro, ya que para los sistemas prefabricados tendremos número de elemtos. Los demás elementos para introducir serán el número de captadores en serie, el porcentaje de pérdidas por sombra, la orientación y la inclinación. Una vez introducidos, el programa muestra en la pantalla el área total de captadores en función del área de un solo captador y del número de captadores. Claro que depende en su medida de los datos de ensayo de cada captador. A continuación, se pasará al apartado de “Circuito primario/secundario”. En este bloque se introduce el caudal del circuito primario, el porcentaje de anticongelante, la longitud equivalente, el diámetro de la tubería, espesor y tipo de aislante. El programa muestra el caudal del circuito primario calculado en función del caudal de ensayo, del número de captadores y del número de captadores n serie, además muestra el diámetro de tubería en función del caudal calculado. El programa ofrece la opción de que el usuario modifique el valor del caudal del circuito primario dentro de un rango establecido del valor calculado. Para seleccionar el aislante se elige una relación de ocho tipos diferentes que nos muestra el programa (Tabla 9). Tabla 9. Tabla de aislantes Tipos de aislantes que nos ofrece el programa CHEQ4 1. Genérico 2. Lana de vidrio 3. Poliestireno 4. Lana mineral 5. Espuma de poliuretano 6. Espuma elastomérica 7. Silicato de calcio 8. Espuma de polietileno Por último, se encuentra el apartado de “sistema de apoyo”. Se deberá elegir el tipo de sistema auxiliar y el tipo de combustible de entre los que nos ofrece la base de datos. En cuanto a sistema auxiliar se presentan los de la Tabla 10. En cuanto al tipo de combustible existe una relación de hasta tres combustibles (Tabla 11) en función del sistema de apoyo. La pantalla siguiente es la de “otros parámetros” (Figura 28 y Figura 29). Al igual que se ha hecho anteriormente con la pantalla de demanda, en este caso se rellenarán unos parámetros u otros dependiendo del tipo de instalación con la que se esté tratando, es decir, cuando tenemos instalaciones de consumo único se rellenarán los parmáetros señalados en la Figura 28. En cambio, cuando se esté haciendo uso de una instalación de consumo múltiple, se rellenará lo correspondiente a ella, véase en la Figura 29. 37 37 Análisis paramétrico de las instalaciones de energía solar térmica para producción de agua caliente sanitaria Tabla 10. Tipos de sistemas Tipos de sistemas Caldera convencional Caldera de condensación Caldera de baja temperatura Caldera de biomasa Caldera eléctrica Termo eléctrico Tabla 11. Tipos de combustible CHEQ4 Tipos de combustible Gas natural Gasóleo GLP Figura 25. Pantalla de “Demanda” para sistemas de consumo único Esta pantalla de CHEQ4 se divide en tres apartados que son el volumen de acumulación, distribución y piscina cubierta. 38 38 Análisis paramétrico de las instalaciones de energía solar térmica para producción de agua caliente sanitaria En el apartado de “Volumen de acumulación” se intrduce el volumen del depósito de acumulación solar. En las instalaciones con acumulación distribuida se indica el volumen de los acumuladores en las diferentes tipologías de viviendas. En ambos casos, el programa comprueba que el ratio volumen de acumulación/superficie de captación se encuentra dentro del rango establecido por el HE4 del Código Técnico. Figura 26. Pantalla de “Demanda” para sistemas de consumo múltiple En el apartado de “distribución” se encuentran dos subapartados que son “el circuito de distribución” y “circuitos de distribución en subestaciones”. En la ayuda de esta pantalla se dice “el circuito de distribución agrupa todas las tuberías situadas a partir de la sala de máquinas (normalmente después del acumulador, en el caso de que exista) y distribuyen el agua caliente sanitaria hasta el punto de consumo, y en su caso, recirculan. En el caso de consumo múltiple se considerarña que el circuito de distribución corresponderá a la general distribución sin incluir las derivaciones individuales a viviendas”. En el circuito de distribución se introducen los datos como: - Longitud del circuito. - Diámetro de la tubéria. - Espesor y tipo de aislante. - Temperatura de impulsión o potencia de los intercambiadores de consumo distribuido en función del tipo de sistema. En el circuito de distribución de las subestaciones se introduce: - Longitud del circuito. - Diámetro de la tubería. - Espesor y tipo de aislante. 39 39 Análisis paramétrico de las instalaciones de energía solar térmica para producción de agua caliente sanitaria Figura 27. Solar/ Apoyo En el bloque de “Piscina cubierta” se introduce la profundidad de la piscina, el tiempo de apertura diaria, la superficie de la lámina de agua, humedad relativa y temperatura ambiente, temperatura de consigna del agua de la piscina, porcentaje de renovación diaria del agua de la piscina, ratio de ocupación máximo de la piscina, que se expresa como el ratio entre el número de usuarios máximo en relación a la lámina de agua de la piscina. Una vez completada esta pantalla se pulsa el icono de “resultados” (Figura 30). En la parte superior izquierda de este apartado se indicará si cumple o no con la contribución solar mínima exigida por el HE4. Figura 28. Pantalla “otros parámetros” para instalaciones de consumo único 40 40 Análisis paramétrico de las instalaciones de energía solar térmica para producción de agua caliente sanitaria Figura 29. Pantalla “otros parámetros” para instalaciones de consumo múltiple Figura 30: Resultados. Una vez se haya finalizado con la pantalla de otros parámetros, se pasa a la siguiente “Resultados” (Figura 30). Lo primero que se debe mirar al entrar en esa pantalla es si cumplimos o no los requirementos de contribución solar mínima exigida por el HE4. Será un indicador en la parte superior a la izquierda el que nos lo indique. En el apartado “Tabla de resultados” se muestran los valores anuales de indicadores y resultados (Tabla 12). Se muestra gráficamente los valores mensuales de la fracción solar, demanda bruta, consumo de energía primaria 41 41 Análisis paramétrico de las instalaciones de energía solar térmica para producción de agua caliente sanitaria auxiliar y el consumo auxiliar. Al acceder a la pestaña de resultados, CHEQ4 verfica el cumplimiento de algunas de las condiciones de cálculo de la contribución solar, de diseño y de dimensionado que figuran en el HE4. El programa revisa el cumplimiento de los siguientes apartados: - Para la aplicación de ACS el área total de los captadores tendrá un valor tal que se cumpla 50 < V/A < 180; siendo A (𝑚2) la suma de áreas de los captadores y V (litros) el del depósito de acumulación solar. - Las pérdidas máximas por desorientación e inclinación y por sombra deberán estar por debajo de los límites establecidos en el HE4. - Si en algún mes la contribución solar real sobrepase el 110% de la demanda energética o en más de tres meses seguidos el 100%, se adoptarán algunas de las medidas de protección que se indican (Figura 31). Tabla 12. Indicadores de "Tabla de resultados" [5] Fracción solar (%) Es la fracción entre los valores anuales de la energía solar aportada exigida y la demanda energética anual. Demanda neta (kWh) La demanda energética anual sin tener en cuenta las pérdidas en acumulación y en distribución. Demanda bruta (kWh) La demanda energética anual teniendo en cuenta las pérdidas en acumulación y en distribución. Consumo de energía primaria (kWh) Energía aportada por la instalación auxiliar de apoyo para satisfacer la demanda total. Reducción de emisiones de CO2 Es la reducción de emisiones de CO2 asociada a la utilización del sistema solar térmico (kg). Aporte solar al sistema (kWh) Energía solar aportada por la instalación Figura 31: Revisión de seguimiento de normativa. [4] 42 42 Análisis paramétrico de las instalaciones de energía solar térmica para producción de agua caliente sanitaria Si la instalación solar térmica cumple con los requerimientos de contribución solar mínima exigida en el HE4, El programa de CHEQ4 genera un informe con los resultados en el cual muestran y especifican los datos del proyecto y los resultados (Figura 32). [5] Figura 32: Informe final. 2.6 COMPARACIÓN DEL MÉTODO CHEQ4 CON RESPECTO A LOS OTROS MÉTODOS DE CÁLCULO La herramienta CHEQ4 no es la más precisa y exacta de los cuatro métodos presentados, pero tampoco es la menos precisa. Se coloca por detrás del método TRNSYS y de ACSOL. En cuanto a su flexibilidad se puede decir que no es completamente flexible, ya que la única completamente flexible que existe es TRNSYS. Se dirá entonces que es un método cerrado como los otros 2 métodos ya que el usuario no podrá modificar nada. La complejidad de la interfaz con el usuario es minúscula, es por esto, por lo que se dirá que es la más sencilla de todas de utilizar. CHEQ4 presenta una base de datos meteorológicas, consumo y características de captadores existentes en el mercado. La herramienta CHEQ4 y f-Chart son las que requieren menos variables de entradas, son métodos más simplificados. El tiempo de ejecución vuelve a ser favorable para los dos programas que requieren menos variables a la entrada, necesitando menor tiempo que TRNSYS y que ACSOL. El tiempo de aprendizaje que se requiere para utilizar el método simplificado CHEQ4 es similar al de f-Chart, se precisa de un tiempo bastante menor que en el caso de TRNSYS y ACSOL. El tipo de usuario que utiliza el método CHEQ4 y f-Chart suelen ser usuarios que poseen unos conocimientos básicos sobre tecnología solar térmica. Sin embargo, para TRNSYS y ACSOL se exige un nivel técnico alto en el usuario, con amplios conocimientos en la materia. Solo TRNSYS y ACSOL permiten obtener la evolución horaria de las variables de interés incluyendo caudales y temperaturas, aunque en ACSOL las variables están predefinidas en el programa. En cuanto a las 49 49 Análisis paramétrico de las instalaciones de energía solar térmica para producción de agua caliente sanitaria independiente) con un valor de 0,82 para la contribución solar en base a la demanda bruta. Considerando la Fbruta los sistemas ordenados de mayor a menor son sistema 1, sistema 3, sistema 4 y 7, sistema 2 y 5 y por último el sistema 6. Dentro de los sistemas de consumo único el mejor es la instalación con sistema prefabricado a pesar de que la circulación en captadores es por convección natural y el peor corresponde al sistema 2 (Instalación con interacumulador). Dentro de los sistemas de consumo múltiple, los sistemas 4 y 7 son los que presentan mejor comportamiento frente al resto, siendo el sistema 6 (Instalación con acumulación distribuioda) el que tiene peor comportamiento. Tabla 14. Contribución solar en los sistemas del caso base Algunos de los resultados obtenidos pueden ser cuestionables, como el valor obtenido en el sistema 1 frente al resto, pero al no conocer en este caso el modelo utilizado en CHEQ4 es difícil de justificar. En otros casos los resultados obtenidos se corresponden a la física del problema. Por ejempo que el sistema 3 sea mejor que el sistema 2 o que el sistema 6 sea el peor de los sistemas de consumo múltiple, debido entre otras causas al mayor peso de las pérdidas térmicas en los depósitos de acumulación (uno por vivienda). Por último y con objeto de caracterizar los sistemas en función del ratio radiación solar (G)/demanda, se resumen los valores de este ratio (G/D) para cada sistema, considerando tanto la demanda neta como la demanda bruta (Tabla 15). El ratio G/Dbruta oscila entre 1,71 y 2,03. Tabla 15. Relación G/D en los sistemas del caso base Finalmente, en la Tabla 16 se resumen todos los parámetros de entrada del caso base para cada sistema, siguiendo la secuencia de las variables de entrada de cada pantalla de CHEQ4. Las “X” que aparecen en la indican que no se solicita en CHEQ4 como variable de entrada. Sistema Fneta Fbruta 1 0,90 0,89 2 0,74 0,73 3 0,83 0,82 4 0,94 0,80 5 0,73 0,73 6 0,64 0,64 7 0,80 0,80 Sistema G/DNeta G/DBruta 1 2,05 2,02 2 2,03 2,00 3 2,03 2,00 4 2,03 1,71 5 2,03 2,03 6 2,03 2,03 7 2,03 2,03 50 50 Análisis paramétrico de las instalaciones de energía solar térmica para producción de agua caliente sanitaria Tabla 16. Parámetros de entrada del caso base Parámetro Unid Sist 1 Sist 2 Sist 3 Sist 4 Sist 5 Sist 6 Sist 7 Localización Provincia -- Sevilla Sevilla Sevilla Sevilla Sevilla Sevilla Sevilla Municipio -- Sevilla Sevilla Sevilla Sevilla Sevilla Sevilla Sevilla Altura de la instalación (m) 12 12 12 12 12 12 12 Configuración Sistema -- -- -- -- -- -- -- -- Demanda Consumo único: Aplicación -- Vivienda Hotel 4* Hotel 4* X X X X Consumo único: Numero de personas -- 102 50 50 X X X X Consumo múltiple: Número viviendas Tipo A -- XXX40 40 40 10 Consumo múltiple: Número dormitorios Tipo A -- X X X 2 2 2 2 Consumo múltiple: Número viviendas Tipo B -- X X X 0 0 0 0 Consumo múltiple: Número dormitorios Tipo B -- X X X 0 0 0 0 Consumo múltiple: Número viviendas Tipo C -- X X X 0 0 0 0 Consumo múltiple: Número dormitorios Tipo C -- X X X 0 0 0 0 Consumo múltiple: Número viviendas Tipo D -- X X X 0 0 0 0 Consumo múltiple: Número dormitorios Tipo D -- X X X 0 0 0 0 Consumo total: Otra demanda a 60 C l/día 0 106 106 0 0 0 0 Ocupación estacional: 01 % 100 100 100 100 100 100 100 Ocupación estacional: 02 % 100 100 100 100 100 100 100 Ocupación estacional: 03 % 100 100 100 100 100 100 100 Ocupación estacional: 04 % 100 100 100 100 100 100 100 Ocupación estacional: 05 % 100 100 100 100 100 100 100 Ocupación estacional: 06 % 100 100 100 100 100 100 100 Ocupación estacional: 07 % 100 100 100 100 100 100 100 Ocupación estacional: 08 % 100 100 100 100 100 100 100 Ocupación estacional: 09 % 100 100 100 100 100 100 100 Ocupación estacional: 10 % 100 100 100 100 100 100 100 Ocupación estacional: 11 % 100 100 100 100 100 100 100 Ocupación estacional: 12 % 100 100 100 100 100 100 100 Captadores Empresa -- Termicol Termicol Termicol Termicol Termicol Termicol Termicol Marca/Modelo -- TA150UF T20US T20US T20US T20US T20US T20US Campo de Captadores Número de elementos -- 30 X X X X X X Número de captadores -- X30 30 30 30 30 30 Captadores en serie -- X 1 1 1 1 1 1 Pérdidas sombra % 0 0 0 0 0 0 0 Orientación º 0 0 0 0 0 0 0 Inclinación º 40 40 40 40 40 40 40 Área total captadores m2 Circuito primario/secundario Caudal primario l/h Anticongelante % X 0 0 0 0 0 0 Longitud circuito m X 50 50 50 50 50 50 Diámetro de tubería mm Espesor de aislante mm X35 35 35 35 35 35 Aislante -- XGenérico Genérico Genérico Genérico Genérico Genérico Sistema de apoyo Tipo de sistema -- Caldera Caldera Caldera Caldera Caldera Caldera Caldera Tipo de combustible -- Gas Nat Gas Nat Gas Nat Gas Nat Gas Nat Gas Nat Gas Nat Volumen de acumulación Volumen total l X 4.000 4.000 4.000 4.000 X 4.000 Volumen Subestación Tipo A -- XXXXX100 X Volumen Subestación Tipo B -- XXXXXXX Volumen Subestación Tipo C -- XXXXXXX Volumen Subestación Tipo D -- XXXXXXX Distribución Longitud del circuito m 100 100 100 100 100 100 100 Diámetro de tubería mm 40 40 40 40 40 40 40 Espesor aislante mm 35 35 35 35 35 35 35 Aislante - Genérico Genérico Genérico Genérico Genérico Genérico Genérico Temperatura de impulsión ºC 50 50 50 50 50 50 50 Potencia Intercambiador kW X X X X X X 30 Distribución subestaciones Longitud total m X X X 10 10 10 10 Diámetro de tubería mm XXX30 30 30 30 Espesor aislante mm XXX35 35 35 35 Aislante -- XXXGenérico Genérico Genérico Genérico Consumo múltiple Consumo único Lo calcula por defecto CHEQ4 Lo calcula por defecto CHEQ4 Lo calcula por defecto CHEQ4 51 51 Análisis paramétrico de las instalaciones de energía solar térmica para producción de agua caliente sanitaria 3.4 CASOS ANALIZADOS A partir del caso base se han definido 360 casos diferentes, considerando en cada uno de los siete sistemas la variación de las siguientes variables de entrada: - Localidad: Barcelona, Bilbao, Sevilla - Número de captadores: 20, 30, 40 - Longitud del circuito primario: 10, 50, 100 m - Longitud del circuito de distribución: 10, 100, 200 m - Longitud del circuito de subestaciones: 1, 10, 50 m - Temperatura de impulsión: 50, 60 C En el sistema 1 no se considera la variación de la longitud del circuito primario por corresponde a un sistema prefabricado. De la misma forma, en los sistemas 1 a 3 no se considera la longitud del circuito de subestaciones porque en estos sistemas CHEQ4 no la considera como un parámetro de entrada. Los 360 casos analizados se han simulado con CHEQ4 elaborando una base de datos con los resultados obtenidos y con los ratios nuevos calculados como Fneta, G/D bruta, G/D neta y las áreas específicas del sistema de captación. En cada caso se han mantenido las variables de entrada del caso base correspondiente salvo las variables que se han modificado. En primer lugar, se ha representado la contribución solar Fbruta en función de la relación G/Dbruta (Figura 40). Como era previsible se observa que la contribución solar aumenta al hacerlo la relación G/Dbruta. La relación no es lineal debido al número de variables diferentes que se han considerado. Figura 40. Fbruta vs G/Dbruta En la Figura 41 se representa la contribución solar “bruta” frente a la contribución solar “neta”. Se verifica siempre que Fneta es mayor o igual que Fbruta al ser la demana neta siempre menor o igual que la demanda bruta. En los sistemas de consumo múltiple, salvo en las instalaciones con todo centralizado (Sistema 4), CHEQ4 no considera las pérdidas térmicas en el circuito de las subestaciones al calcular la demanda bruta por lo que en estos sistemas coinciden la demanda neta con la demanda bruta y por tanto las contribuciones solares correspondientes. Estos casos se encuentran situados en la diagonal de la Figura 41. 52 52 Análisis paramétrico de las instalaciones de energía solar térmica para producción de agua caliente sanitaria Figura 41. Fbruta vs Fneta A partir de la base de datos generada se anlizan a continuación las siguientes variables: tipo de sistema, longitudes de los diferentes circuitos y temperatura de impulsión. - Influencia del sistema Para comparar un sistema frente a otro se ha analizado la contribución solar bruta (Fbruta). En particular se han considerado los siguientes casos: - Sistema 1 frente a sistema 2 (Figura 42) - Sistema 2 frente a sistema 3 (Figura 43) - Sistema 3 frente a sistema 4 (Figura 44) - Sistema 4 frente a sistema 5 (Figura 45) - Sistema 4 frente a sistema 6 (Figura 46) - Sistema 4 frente a sistema 7 (Figura 47) - Sistema 6 frente a sistema 7 (Figura 48) En la Figura 42 se comparan los sistemas prefabricados con el sistema con interacumulador, ambos dentro del grupo de sistemas de consumo único. La instalación con interacumulador es el más semejante a los sistemas prefabricados que nunca tienen un intercambiador de calor fuera del depósito de acumulación. Todos utilizan un interacumulador o en algunos casos no incorporan un intercambiador en el circuito primario. Se observa que en todos los casos, la contribución solar de los sistemas prefabricados es mayor que la correspondiente del sistema con interacumulador, con diferencias que en algunos casos llegan a 0,3. No se encuentra en principio una explicación a estos resultados porque era de esperar un mejor comportamiento del sistema con interacumulador en el que los captadores solares trabajan en convección forzada. Al no existir documentaiómn técnica complemetaria en CHEQ4 relativa al modelo de los sistemas prefabricados implementados, es casi imposible analizar las causas de este comportamiento tan favorables del sistema 1. Con las variables de entrada que utiliza CHEQ4 es imposible analizar la influencia de otras variables como es la estratificación en el depósito que favorece en principio el funcionamiento de los sistemas prefabricados que funcionan por termosifón. En la Figura 43 se comparan los dos sistemas de circulación forzada dentro de los sistemas de consumo único. En principio las instalaciones con el intercambiador independiente deberían de funcionar mejor que las instalaciones con interacumulador debido a que la efectividad de un intercambiador exterior es superior al del intercambiador del interacumulador. Como consecuencia los capatadores solares, a igualdad del resto de condiciones, pueden trabajar a menor temperatura en las instalaciones con intercambiador independiente y por tanto con un rendimiento de captación mayor. 53 53 Análisis paramétrico de las instalaciones de energía solar térmica para producción de agua caliente sanitaria Este comportamiento esperado se observa en la Figura 43 donde todos los puntos se encuentran por debajo de la diagonal. La diferencia máxima observada en la contribución solar de ambos sistemas es del orden de 0.10 en función del valor del resto de variables de los sistemas. Figura 42. Influencia del sistema (Sistema 1 frente a Sistema 2) Figura 43. Influencia del sistema (Sistema 2 frente a Sistema 3) En la Figura 44 se analiza el comportamiento de un sistema de consumo único (Sistema 3) frente a un sistema de consumo múltiple (Sistema 4). En ambos sistemas tanto el sistema de captación como la acumulación y el sistema auxiliar están centralizados y en ambos el intercambiador del circuito primario es independiente del depósito de acumulación. El sistema 4 es el único sistema de consumo múltiple que tiene centralizados los subsistemas citados anteriormente y dentro de los sistemas de consumo único el sistema con intercambiador independiente es el único que tiene esta característica. Se observa que en general el sistema con intercambiador independiente (Sistema 3) presenta un mejor comportamiento que el sistema todo centralizado (Sistema 4), debido fundamentalmente a las pérdidas térmicas del circuito de las subestaciones que no se consideran en los sistemas de consumo único. 54 54 Análisis paramétrico de las instalaciones de energía solar térmica para producción de agua caliente sanitaria Figura 44. Influencia del sistema (Sistema 3 frente a Sistema 4) En los sistemas de consumo múltiple se ha organizado el análisis en dos bloques. En el primero (Figura 45, Figura 46, Figura 47) se comparan todos los sistemas con la instalación todo centralizado (Sistema 4) para tener de esta manera una única referencia. En un segundo bloque (Figura 48) no se introduce el sistema 4 para poder analizar la influencia del número de depósitos de acumulación en la contribución solar. En las Figura 45, Figura 46 y Figura 47 se observa que en general la contribución solar del sistema 4 es mayor que en el de resto de sistemas. En la instalación con apoyo distribuido (Sistema 5) existen tres casos donde la contribución solar de este sistema es claramente mayor, con diferencias entorno a 0,15. Corresponden a casos donde se ha minimizado la influencia de las pérdidas térmicas en el circuito de distribución, fijando una longitud de 1 m para este circuito, por lo que se puede considerar que no son casos representativos. Figura 45. Influencia del sistema (Sistema 4 frente a Sistema 5) La misma situación se produce en la instalación con intercambio distribuido (Sistema 7), con tres casos donde la contribución solar de este sistema es claramente mayor, con diferencias entre 0,15 y 0,23. Corresponden a los mismos casos con una longitud de 1 m en el circuito de subestaciones, por lo que se puede considerar igualmente que no son casos representativos. De la misma manera, existen tres casos donde el sistema 4 es claramente mejor que el sistema 7, condiferencias comprendidas entre 0,11 y 0,16. Se corresponden a casos con la mayor longitud 55 55 Análisis paramétrico de las instalaciones de energía solar térmica para producción de agua caliente sanitaria del circuito de subestaciones (50 m). Se puede concluir, por tanto, que al aumentar la longitud del circuito de las subestaciones mejora el comportamiento del sistema 4 (Instalación todo centralizado) frente al sistema 7 (Instalación con intercambio distribuido). Figura 46. Influencia del sistema (Sistema 4 frente a Sistema 6) Figura 47. Influencia del sistema (Sistema 4 frente a Sistema 7) En la Figura 48 se compara la contribución solar del sistema 6 frenta a la del sistema 7. La diferencia fundamental entre ambos es la configuración del depósito de acumulación. Aunque el volumen total se mantiene, el número de depósitos en la instalación con acumulación distribuida es mayor (uno por vivienda) y por tanto las pérdidas térmicas asociadas son mayores al aumentar la superficie de transferencia. En todos los casos el sistema 6 (acumulación distribuida) presenta un peor comportamiento. Las mayores diferencias, con valores del orden de 0,25, corresponden de nuevo a los casos con longitudes mínimas del circuito de las subestaciones. - Influencia de la longitud del circuito primario de captación Para analizar la influencia de la longitud del circuito primario se han considerado longitudes de 10, 50 y 100 m salvo en el sistema 1 (Instalación con sistema prefabricado) donde está longitud está fijada y por tanto no se incluye en el análisis. 56 56 Análisis paramétrico de las instalaciones de energía solar térmica para producción de agua caliente sanitaria Figura 48. Influencia del sistema (Sistema 6 frente a Sistema 7) En concreto se han analizado los siguientes casos, utilizando de nuevo la contribución solar referida a la demanda bruta como variable de comparación: - Longitud de 10 m frente a 50 m (Figura 49) - Longitud de 10 m frente a 100 m (Figura 50) - Longitud de 50 m frente a 100 m (Figura 51) Como se puede observar en las figuras anteriores, la influencia de la longitud del circuito primario es muy pequeña, debido fundamentalmente a las longitudes considetadas (máxima de 100 m) y fundamentalmente al nivel de aislamiento de la red de tuberías. Si se hubiera analizado el comportamiento de los sistemas con un nivel de aislamiento deficiente, la influencia de la longitud del circuito primario hubiera sido importante. Figura 49. Influencia de la longitud del circuito primario (10 m frente a 50 m) - Influencia de la longitud del circuito de distribución Para analizar la influencia de la longitud del circuito de distribución se han considerado longitudes de 10, 100 y 57 57 Análisis paramétrico de las instalaciones de energía solar térmica para producción de agua caliente sanitaria 200 m. En concreto se han analizado los siguientes casos, utilizando de nuevo la contribución solar referida a la demanda bruta como variable de comparación: - Longitud de 10 m frente a 100 m (Figura 52) - Longitud de 10 m frente a 200 m (Figura 53) - Longitud de 100 m frente a 200 m (Figura 54) Figura 50. Influencia de la longitud del circuito primario (10 m frente a 100 m) Figura 51. Influencia de la longitud del circuito primario (50 m frente a 100 m) En todos los casos se observa que la contribución solar disminuye al aumentar la longitud del circuito. Es un comportamiento lógico porque aumentan las pérdidas térmicas en el circuito de distribución. Las mayores diferencias se obtienen evidentemente al comparar la contribución solar para una longitud de 10 m frenta a la contribución solar para una longitud de 200 m (Figura 53). La diferencia máxima observada es de 0,14. Analizando los casos con diferencias superiores a 0,10 se comprueba que todos los casos corresponden al sistema todo centralizado (Sistema 4). En este sistema el circuito 58 58 Análisis paramétrico de las instalaciones de energía solar térmica para producción de agua caliente sanitaria de distribución trabaja a la temperatura de salida del auxiliar, superior al resto de sistemas donde el auxiliar se encuentra en el interior de cada vivienda. Por este motivo las pérdidas del circuito de distribución son mayores en el sistema 4, a igualdad del resto de variables, y por tanto la longitud del circuito de distribución tiene una mayor influencia en la contribución solar del sistema todo centralizado. Algo semejante se podría argumentar en los sistemas con consumo único (Sistemas 1 a 3), pero a diferencia del sistema 4, en estos sistemas no existe circuito de retorno en el circuito de distribución. Figura 52. Influencia de la longitud del circuito de distribución (10 m frente a 100 m) Figura 53. Influencia de la longitud del circuito de distribución (10 m frente a 200 m) - Influencia de la longitud del circuito de subestaciones Para analizar la influencia de la longitud del circuito de subestaciones se han considerado longitudes de 1, 10 y 50 m. La longitud de 1 m correspondería en la realidad a una longitud despreciable de este circuito. En concreto se han analizado los siguientes casos, utilizando de nuevo la contribución solar referida a la demanda bruta como variable de comparación: - Longitud de 1 m frente a 10 m (Figura 55) - Longitud de 1 m frente a 50 m (Figura 56) - Longitud de 10 m frente a 50 m (Figura 57) 65 GLOSARIO A: Área 2 ACS:Agua caliente sanitaria 1 ASIT: Asociación Solar de la Industria Térmica 19 BT: Baja Temperatura 21 CPC: Captador Cilindro Parabólico 15 IDAE: Instituto para la Diversificación y Ahorro de la Energía 31 IST: Instalación Solar Térmica 2 kW: Kilovatios 2 MI: Manual de Instrucciones 19 Ps: Potencia Solar 2 PVT: Captadores de Tubos de Vacío 19 SST: Sistema Solar Térmico 1 TIM: Transparent Insulation Material 15 TRNSYS: Transient System Simulator 24 V: Volumen 2