Análisis comparativo de equipos solares térmicos prefabricados por termosifón

Equation Chapter 1 Section 1 Proyecto Fin de Carrera Ingeniería de la Energía Análisis comparativo de equipos solares térmicos prefabricados por termosifón Dpto. Ingeniería energética Escuela Técnica Superior de Ingeniería Universidad de Sevilla Autor: Raquel Díaz Fernández Tutor: Isidoro Lillo Bravo Sevilla, 2019 iii Proyecto Fin de Carrera Ingeniería de la Energía Análisis comparativo de equipos solares térmicos prefabricados por termosifón Autor: Raquel Díaz Fernández Tutor: Isidoro Lillo Bravo Profesor titular Dpto. de Ingeniería energética Escuela Técnica Superior de Ingeniería Universidad de Sevilla Sevilla, 2019 Proyecto Fin de Carrera: Análisis comparativo de equipos solares térmicos prefabricados por termosifón Autor: Raquel Díaz Fernández Tutor: Isidoro Lillo Bravo El tribunal nombrado para juzgar el Proyecto arriba indicado, compuesto por los siguientes miembros: Presidente: Vocales: v Secretario: Acuerdan otorgarle la calificación de: Sevilla, 2019 El Secretario del Tribunal A mi familia A mis amigos A mis profesores vii Resumen En este proyecto, se han analizado los resultados de los ensayos de la Norma 9459-5 de 37 sistemas solares térmicos de circulación por termosifón, llevados a cabo por el grupo de Termodinámica de la Escuela Técnica Superior de Ingenieros, junto con el CENER. En primer lugar, se ha definido los tipos de sistemas solares prefabricados que existen, en qué consiste los ensayos realizados a los equipos, según la Norma, y se han definido los parámetros característicos que se analizarán a posterior. Seguidamente, se han analizado los parámetros experimentales y la influencia de las características técnicas sobre los mismos. En segundo lugar, se ha realizado una predicción a largo plazo, anual y mensual, en cuatro ciudades de referencia distintos, y se ha estudiado el comportamiento de los equipos. En el análisis anual, se ha distinguido la energía producida, el rendimiento y la fracción solar como indicadores de comportamiento, primero con una media del conjunto de los equipos en los diferentes climas de referencia, y luego sus desviaciones respecto a estos valores medios. El estudio mensual ha consistido en diferenciar según algunas características de los equipos y comparar su energía producida para obtener aquel con mejor comportamiento. Abstract In this project, we have analyzed the resulto f the tests of Standard 9459-5 of 37 solar termal systems for thermosiphon circulation, carried out by the Thermodynamics group of Escuela Técnica Superior de Ingeniería, together with CENER. First, the types of prefabricated solar systems that exist are defined what the tests carried out on the equipment consisto f, according to the Standard, and the characteristic parameters that Will be analyzed later have been defined. Next, we analyze the experimental parameters and the influence of the technical characteristics on them. Secondly, a long-term, annual and monthly prediction has been made in four different reference cities, and the behavior of the teams has been studied. In the annual análisis, the energy produced the yield and the solar distinguished as behavioral indicators, first with an means of all the equipment in the different reference climates, and then their deviations with respect to there average values. The monthly study has consisted of differentiating according to some characteristics of the equipment and comparing their energy produced to obtain the one with better behavior. ix Índice RESUMEN VII ABSTRACT VIII ÍNDICE IX ÍNDICE DE TABLAS XII ÍNDICE DE FIGURAS XIII NOTACIÓN XVI 1 INTRODUCCIÓN 1 1.1 Energía solar térmica 1 1.1.1 Situación actual a nivel mundial 1 1.1.2 Situación actual en Europa 2 1.1.3 Situación actual en España 3 1.2 Producción de agua caliente sanitaria (ACS) 4 2 OBJETIVO DEL PROYECTO 5 3 SISTEMAS SOLARES DE CALENTAMIENTO 7 3.1.1 Clasificación de los sistemas solares de calentamiento 7 3.1.2 Componentes de un sistema solar prefabricado de agua caliene sanitaria 9 4 ASPECTOS GENERALES DE LA NORMAIVA ISO 9459 11 4.1 Aspectos técnicos de la Norma ISO 9455-5 11 4.1.1 Procedimientos del ensayo 11 4.1.2 Parámetros característicos del sistema 14 4.1.3 Indicadores de rendimiento a largo plazo. 15 5 DESCRIPCIÓN DE LOS CLIMAS Y ENERGÍA DEMANDADA 16 5.1 Características de los climas elegidos 16 5.2 Demanda de calor 17 Notación Símbolo Definición Unidad A Área de apertura del captador. [m2] AC* Área efectiva del circuito de captadores. [m2] CS Capacidad calorífica del acumulador. [-] DL Parámetro de mezcla debida a la extracción. [-] fS Fracción solar anual. [-] FR* Factor de renovación del calor en el circuito del captador. [-] Hmedia Radiación media mensual en orientación sur. [MJ/K] QL Calor producido por el sistema solar. [MJ] QD Demanda de calor. [MJ] SC Parámetro de estratificación desarrollada por el circuito del captador. [-] TW Temperatura media mensual del agua de la red. [ºC] T Temperatura media mensual. [ºC] uC* uC*= uC/(ατ) [W/m2K] uc Coeficiente de pérdida de calor en el circuito del captador. [W/m2K] US Coeficiente de pérdidas de calor del acumulador por unidad de diferencia de temperatura. [W/K] Vn Volumen neto del acumulador. [l] Vb Volumen bruto del acumulador. [l] VC Volumen de descarga. [l] α Coeficiente de absortividad. [-] ε Coeficiente de emisividad. [-] (ατ) Factor óptico. Producto de la transmisividad por la absortividad efectivas del captador. [-] t0 Hora de inicio de la primera extracción del día. [h;min;s] 1 1 INTRODUCCIÓN 1.1 Energía solar térmica La energía solar térmica es aquella capaz de transformar los rayos solares en calor para calentar un fluido que, por lo general, suele ser aire o agua. Una instalación solar térmica utilizará superficies de color oscuro para absorber la mayor cantidad de radiación solar posible. Los sistemas de captación están basados en la combinación de dos efectos: el efecto invernadero y el de cuerpo negro. El cristal funciona como la atmósfera de nuestro planeta, siendo fácil de atravesar por las ondas cortas de los rayos solares pero difícil para las radiaciones de onda larga. Los rayos solares quedan atrapados al incidir sobre la superficie del cristal provocando un aumento de temperatura, quedando el calor encerrado en el habitáculo. De esta manera, se aprovecha la mayor parte que llega al captador evitando fugas de energía. Este calor conseguido se utiliza para calentar el fluido de trabajo que se utilizará en aplicaciones como calefacción, producción de energía eléctrica o calentar ACS. 1.1.1 Situación actual a nivel mundial El consumo energético mundial de energía solar térmica sigue siendo muy escaso, aunque existe una tendencia creciente gracias a la implicación de la sociedad en este tipo de soluciones, la necesidad de cambios de consumo, la reducción de los precios de los sistemas solares térmicos y la mejora tecnológica de los mismos. Según los datos del Solar-Heat WorldWide de 2019, el incremento de la capacidad total instalada en los últimos tres años ha decelerado después de un periodo significativo de crecimiento entre 2005 y 2016. En la Figura 1-1 se muestra el incremento de la capacidad global de energía solar térmica los últimos 18 años. Figura 1-1. Capacidad global en operación de la enería solar térmica en los últimos 18 años. La cantidad de energía solar térmica instalada en 2018 corresponden a una reducción de 42.6 millones de toneladas de petróleo y 137.5 millones de toneladas de CO2. Esto muestra una significativa contribución de esta tecnología para afrontar la reducción global de emisiones de gas de efecto invernadero. En comparación con otras fuentes de energía renovable, los sistemas de energía solar térmica en operación ocupan el tercer lugar, con 480GWth instalados, o lo que es lo mismo 686.000.000 m2., por detrás de la energía fotovoltaica (502 GWel) y la energía eólica, siendo esta última la que se encuentra a la cabeza con 590 GWel (Figura 1-2). Figura 1-2. Tipos de energía renovable en operación. Introducción 2 Esta figura está basada en los últimos datos de mercado de Australia, Austria, Brasil, China, Alemania, India, Israel, México, Sudáfrica, Turquía y Estados Unidos, los once países que representan el 88% de la capacidad en operación durante el año 2017. Los sistemas solares térmicos suministran un total de 396 TWh de calor, mientras que las turbinas eólicas aportan 1470 TWh y los sistemas fotovoltaicos 640 TWh de electricidad. 1.1.2 Situación actual en Europa En las últimas décadas, las energías renovables han ido ganando popularidad en Europa, al igual que en el resto del mundo, gracias a las políticas de apoyo implantadas por los países y la necesidad de un nuevo modelo energético para combatir el cambio climático. Por detrás de China, Europa es el segundo continente con mayor capacidad mundial instalada, siendo ésta poco más del 11% del total, como se muestra en la figura de abajo. Figura 1-3. Porcentaje de capacidad instalada mundial de energía solar térmica. La superficie instalada en la Unión Europea está encabezada por Alemania, con 19.647.980 m2, el resto de países no superan los 10 millones de m2 instalados. Por detrás de Alemania, destacan Austria con 5.172.185 m2, Grecia, 4.618.000 m2, Italia 4.574.529 m2 y España 4.108.293 m2 de superficies instaladas. 3 3 Análisis comparativo de equipos solares térmicos prefabricados por termosifón 1.1.3 Situación actual en España España es uno de los países europeos con más horas de sol al año. Por ello, sería normal que el gobierno apostase por energías renovables y obtener así una energía más barata. A finales del siglo pasado se impulsó la energía solar y las renovables en general, con un marco regulador que las favorecía. Sin embargo, cambios legislativos posteriores frenaron el desarrollo de este sector en cuanto a producción eléctrica, aunque la producción de energía térmica doméstica no se vio afectada. Actualmente, vuelve a incentivarse el uso de tecnologías alternativas a las tradicionales gracias a los desarrollos tecnológicos y la necesidad de un futuro más sostenible. Para asegurar un uso racional de la energía en los edificios, fomentando la sostenibilidad, y conseguir que parte de la energía consumida procediese de fuentes renovables, España incluyó en el Código Técnico de la Edificación (CTE) la exigencia que una parte de las necesidades energéticas derivadas de la demanda doméstica se cubran mediante la incorporación en los edificios de una contribución solar mínima. Desde 2007, el CTE DB HE-4 exige que debe existir un uso mínimo de energía térmica para agua caliente sanitaria en edificios de nueva construcción o edificios existentes en los que se reforme íntegramente el edificio en sí o la instalación térmica y en climatizaciones de piscinas cubiertas nuevas o existentes en las que se renueve la instalación térmica En la Figura 1-4, puede verse la distribución de la energía térmica instalada en el panorama español. Sólo seis comunidades autónomas tienen estas instalaciones, siendo Andalucía la que más potencia instalada tiene, seguida de Extremadura, sumando entre ambas el 80% de la potencia total instalada de esta tecnología. Figura 1-4. Distribución de energía térmica instalada en España. Introducción 4 1.2 Producción de agua caliente sanitaria (ACS) El uso en el sector residencial de las energías renovables es cada vez mayor, en particular, la energía solar para la producción de ACS. Clásicamente, esta necesidad se satisfacía a partir de dos tecnologías, principalmente, las calderas de gas (butano, propano o gas natural) o gasóleo y los calentadores eléctricos. Sin embargo, el consumo de combustibles fósiles como energía primaria que estas dos vías de producción requieren perjudican al futuro sostenible e independiente de recursos energéticos agotables al que se aspira. La energía solar térmica es una buena alternativa, estando ampliamente distribuida e implementada actualmente, consigue reducir el consumo de energía primaria en la producción de ACS, e incluso puede integrarse en un equipo de calefacción o de refrigeración. El mercado ofrece instalaciones solares básicas, económicas y con un manejo simple para el usuario. Las empresas de fabricación deben garantizar la seguridad, fiabilidad, durabilidad y eficiencia de las instalaciones. Para ello, existen unos indicadores de rendimiento anuales del equipo, los cuales se analizan en una serie de Normas de ámbito europeo, que además, permite a los fabricantes a establecer criterios de diseño y construcción y a los usuarios a conocer información sobre las características técnicas de los equipos. El grupo de Termodinámica de la Escuela Técnica Superior de Ingenieros tiene un banco de ensayo acreditado para la realización de ensayos a sistemas solares prefabricados de acuerdo a la Norma EN 12976. Esta norma europea presentan dos métodos de ensayo para la caracterización de los indicadores de rendimiento anuales de los sistemas solares: la Norma ISO 9459-2 o método CSTG (“Collector and System Testing Group”) y la Norma ISO 9459-5 o método DST (“Dynamic System Testing”). 5 2 OBJETIVO DEL PROYECTO En este proyecto, se han analizado los 37 sistemas solares térmicos de circulación por termosifón con el fin de conocer la influencia de los parámetros constructivos en los parámetros característicos que define la Norma ISO 9459-5, además de estudiar su comportamiento a largo plazo, tanto anual como mensualmente en las cuatro ciudades de referencia: Atenas, Davos, Wurzburgo y Estocolmo. Estos ensayos se han llevado a cabo en el banco de ensayos del grupo de Termodinámica de la Escuela Superior de Ingenieros, junto con el CENER. Las cuatro localidades presentan diferencias notables en su clima y, por tanto, en su demanda de calor, por lo que la predicción a largo plazo consigue relacionar las características técnicas de los sistemas con su rendimiento para conocer aquel con mejor comportamiento. 7 3 SISTEMAS SOLARES DE CALENTAMIENTO En este apartado se presenta un resumen de los tipos de instalaciones solares térmicas de baja, media y alta temperatura. Posteriormente, centrándose en el ámbito de estudio de este proyecto, se describen los tipos de sistemas solares de calentamiento de agua sanitaria y definen todos los componentes que los constituyen. 3.1. Sistemas solares térmicos Existen diferentes instalaciones solares para producir energía térmica en función de la temperatura de uso que se quiera alcanzar, la configuración o la tecnología utilizada para convertir la radiación solar en energía térmica asociada a un fluido. Distinguiendo según la temperatura de uso, tenemos: - Sistemas de baja temperatura: para aplicaciones que no requieran temperaturas del agua superiores a los 95ºC. Como ejemplos de utilización tenemos: o Sistemas de agua caliente sanitaria (ACS) y apoyo a la calefacción de baja temperatura. o Calor de proceso para la industria. o Calefacción de espacios y piscinas. o Climatización. - Sistemas de media temperatura: destinado a procesos cuya temperatura de trabajo está comprendida entre los 80ºC y los 250ºC. Algunos ejemplos de aplicación son la refrigeración por máquinas de absorción, los procesos industriales o la desalinización de agua de mar. - Sistemas de alta temperatura: dedicados a aplicaciones que exijan temperaturas del agua superiores a los 250ºC, como la producción de electricidad a gran escala o cubrir las demandas de energía térmica en procesos industriales donde se precisan altos niveles térmicos, como el minero. Los equipos que se emplean en estas aplicaciones son los captadores cilindro parabólicos, captadores fresnes, disco parabólicos y receptor central o de torre. 3.1.1 Clasificación de los sistemas solares de calentamiento Según la norma EN 12976, se distinguen dos categorías de sistemas solares de calentamiento: sistemas solares de calentamiento prefabricado y los sistemas solares de calentamiento a medida. El sistema prefabricado es un tipo particular de instalación solar térmica para el aprovechamiento de la energía solar con el fin de producir agua caliente sanitaria, son fabricados mediante un proceso estandarizado, vendiéndose como una unidad, con configuraciones fijas y listos para instalar. Se definen como lotes de productos con una marca registrada, encontrándose en el mercado bajo un nombre comercial único. - Sistema con captador y depósito integrado. Instalación solar térmica donde el captador solar funciona también como acumulador de calor. - Sistema de circulación por termosifón. Basado en los cambios de densidad del fluido portador para conseguir la circulación entre el captador y el acumulador o el intercambiador de calor. - Sistema de circulación forzada. Instalación que emplea una bomba o un ventilador con el fin de hacer circular el fluido portador a través del captador. Sistemas solares de calentamiento 8 Los sistemas solares de calentamiento a medida son considerados como un conjunto de componentes dado que son sistemas construidos de forma única o eligiendo los componentes. Pueden ser: - Sistemas de circulación forzada para agua caliente y/o calefacción, construidos usando componentes y configuraciones descritos en un archivo de documentación. Suelen ser principalmente sistemas pequeños. - Sistemas únicos en diseño y montaje para agua caliente y/o calefacción. Principalmente, sistemas grandes. De acuerdo a la misma norma, los sistemas solares de agua caliente sanitaria se clasifican según siete atributos, cada uno con diferentes categorías. La clasificación de sistemas solares de agua caliente sanitaria se indica en la Tabla 3-1. Tabla 3-1. Clasificación de equipos solares prefabricados según la Norma EN 12976. Atributo Categoría a b c 1 Sólo solar Precalentamiento solar Solar con auxiliar 2 Con circuito directo Con circuito directo -- 3 Con circuito abierto Con circuito ventilado Con circuito cerrado 4 Con captador lleno Con drenaje interior Con drenaje exterior 5 Por termosión Con circulación forzada -- 6 Circulante Conectado en serie -- 7 Con almacenamiento separado Instalación solar compacta Con captador y depósito integrado Grupo 1: a) Sistema sólo solar: sistema diseñado para proporcionar agua caliente sanitaria por energía solar sin el uso de energía distinta de las exigidas para el transporte de fluidos y el control. b) Sistema de precalentamiento solar: equipo que no incorpora ningún sistema de calentamiento complementario y que está instalado para precalentar el agua fría antes de su entrada en cualquier otro tipo de calentador de agua del hogar. c) Sistema solar con auxiliar: sistema solar que utiliza tanto fuentes de energía solar como auxiliar de forma integrada y es capaz de proporcionar un determinado servicio de agua caliente independientemente de la disponibilidad de energía solar. Grupo 2: a) Instalación con circuito directo: sistema en el que el agua que se calienta en el captador es utilizada para consumo. b) Instalación con circuito indirecto: sistema que tiene un fluido que se calienta en el captador el cual intercambia calor con otro que es que va a consumo (cuenta con un intercambiador de calor). Grupo 3: a) Instalación con circuito abierto: sistema en el que el fluido de transferencia de calor está en contacto con la atmósfera. b) Instalación con circuito ventilado: sistema en el que el contacto entre el fluido de transferencia de calor y el ambiente está restringido ya sea por una superficie libre de alimentación y vaso de expansión o sólo una tubería de ventilación abierta. 9 Análisis comparativo de equipos solares térmicos prefabricados por termosifón c) Instalación con circuito cerrado (sellados o sin ventilación): sistema en el que el fluido de transferencia de calor está completamente sellado de la atmósfera. Grupo 4: a) Instalación con captador lleno: sistema en el que el captador se mantiene lleno con el fluido de transferencia de calor. b) Instalación con drenaje interior: sistema en el que, como parte del ciclo normal de trabajo, el fluido de transferencia de calor es drenado desde el captador a un acumulador para su posterior reutilización. c) Instalación con drenaje exterior: sistema el cual el fluido de transferencia de calor puede ser drenado desde el captador y salir como residuo. Grupo 5: a) Instalación por termosifón: sistema que utiliza sólo cambios en la densidad del fluido de transferencia de calor para lograr la circulación entre captador y acumulador. b) Instalación con circulación forzada: sistema el cual el fluido de transferencia de calor se ve obligado a circular a través del captador, ya sea por medios mecánicos o por presión generada de forma externa. Grupo 6: a) Circulante: sistema el cual circula un fluido de transferencia de calor entre el captador y el acumulador o un intercambiador de calor durante los periodos de operación. b) Conectado en serie: sistema el cual el agua para a ser calentada directamente desde un punto de suministro del captador al acumulador o un punto de uso. Grupo 7: a) Instalación con almacenamiento separado: sistema el cual el acumulador está separado del captador y se encuentra a cierta distancia de él. b) Instalación solar compacta: sistema el cual el acumulador colinda con el captador y está montado en un soporte de apoyo común. c) Instalación con captador y depósito integrado: sistema en el que las funciones de captación y almacenamiento de la energía solar son ejecutadas en el mismo dispositivo. Los equipos utilizados para este estudio se pueden clasificar como sistemas de sólo solares, con circuito indirecto y cerrado; de captador lleno, circulante; de circulación por termosifón. 3.1.2 Componentes de un sistema solar prefabricado de agua caliene sanitaria Los elementos que constituyen un sistema solar prefabricado son: - Sistema de captación. - Sistema de acumulación. - Sistema de intercambio. - Circuito de transporte o de circulación. - Sistemas de apoyo o auxiliar. - Sistemas de control. - Fluido de trabajo. 3.1.2.1 Sistema de captación El captador solar térmico, característico de las instalaciones solares, es un dispositivo con la finalidad de transferir al fluido térmico que circula por su interior la mayor cantidad de radiación Aspectos generales de la normaiva iso 9459 14 14 o Para sistemas de circulación forzada, la circulación en el circuito del captador debe ser detenida. La medida de salida del piranómetro y el sensor de temperatura ambiente del colector fijado a cero. Este método sólo debe ser aplicado si se garantiza que no existe efecto termosifónico desde el acumulador que provoque pérdidas de calor en el circuito del captador cuando la bomba está apagada. No se instalará ninguna válvula en el circuito del captador con este propósito. Si existe la posibilidad de controlar la temperatura del aire en las inmediaciones del depósito, la temperatura más baja posible será la elegida durante toda esta secuencia. 4.1.1.3 Secuencia S-Aux El objetivo de este ensayo es caracterizar la fracción de volumen de la parte calentada por el calentador auxiliar. Se evalúa la operación de sistemas con un sistema de calentador auxiliar por debajo de una baja irradiación solar. Después de acondicionar como se detalló anteriormente, se requieren cuatro días de Test B. La irradiación solar debe estar por debajo de 200W/m2 o artificialmente mantenerse por debajo de lo descrito en la secuencia S-store. El calentador auxiliar debe estar disponible desde t0 ± 9h a t0 ± 23h y deshabilitado el resto del tiempo. Si el mantenimiento específico del auxiliar no le permite estar apagado durante el día entero, el sistema deberá operar como se especifica. 4.1.2 Parámetros característicos del sistema A continuación, se describen los parámetros característicos que analizaremos más adelante, y gracias a los cuales se ha podido obtener la predicción del comportamiento del sistema a largo plazo. Símbolo Unidades Significado físico AC* [m2] “Effective collector loop area”. Ac*=FR(ατ)AC. Área efectiva del circuito del captador. Representa el área útil o efectiva equivalente del circuito de captadores. FR se define como “heat removal factor of the collector loop”. Se puede considerar que FR(ατ) representa la eficiencia óptica de todo el circuito de captadores. Ac es el área de apertura del captador. US [W/K] “Heat-loss rateo f the store per unit temperature difference”. Coeficiente de pérdidas de calor del acumulador por unidad de diferencia de temperatura. UC* [W/m2K] “Heat-loss coefficient of the collector loop”. Coeficiente de pérdidas de calor del circuito del captador. UC*=uc/(ατ). CS [MJ/K] “Heat capacity of the store” Capacidad calorífica del acumulador. Se interpreta como su inercia térmica. SC [-] “Collector loop stratification parameter.” Parámetro de estatificación en el acumulador. DL [-] “Draw-off mixing parameter”. Parámetro de mezcla debido a la extracción. Describe los efectos de mezcla durante la entrada de agua fría. Si DL=0 significa que no hay mezcla. 15 Análisis comparativo de equipos solares térmicos prefabricados por termosifón 4.1.3 Indicadores de rendimiento a largo plazo. Según la Norma UNE-EN 12976-2, para sistemas solo solares o sistemas de precalentamiento, es decir, sistemas que no incluyen apoyo auxiliar, los indicadores que se deben obtener a través del ensayo de rendimiento son: - Calor producido por el sistema solar de calentamiento QL. Se mida a la salida del sistema solar. - Fracción solar: fS. Relación entre la energía suministrada por la parte solar de la instalación y la energía total suministrada por dicha instalación (energía demandada, QD).𝑓𝑠=𝑄𝐿 𝑄𝐷% - Energía parásita, Qpar, si existe. Se refiere a la energía eléctrica anual consumida por las bombas y sistema de control. Dado que todos los sistemas ensayados para este proyecto son de termosifón, no existen componentes eléctricos, por lo que no existe energía parásita. Descripción de los climas y energía demandada 16 16 5 DESCRIPCIÓN DE LOS CLIMAS Y ENERGÍA DEMANDADA 5.1 Características de los climas elegidos Para predecir el comportamiento de los equipos según el método descrito en el apartado anterior se necesitan datos meteorológicos de cualquier localidad. La Norma EN 12976-2 que recoge los métodos de ensayo a sistemas solares prefabricados propone cuatro localidades para los cálculos relacionados con el rendimiento: Atenas, Davos, Wurzburgo y Estocolmo. Por tanto, una vez ensayados los equipos y obtenido los parámetros característicos se puede calcular la predicción a largo plazo (fsol) para cada localidad de referencia a partir de los datos de radiación, temperatura ambiente y temperatura de agua fría. En las siguientes figuras (Figura 5-1, Figura 5-2 y Figura 5-3) se han representado los datos climáticos mensualmente. La temperatura de agua fría se ha obtenido a partir del cálculo establecido en la Norma EN 12976-2. Figura 5-1. Radiación media diaria mensual. Debido a su situación geográfica, Atenas es la ciudad que presenta una mayor radiación media diaria mensual, seguida de Davos, cuya radiación es un 3% menor, en Wurzburgo un 29% menor que la de Atenas y en Estocolmo un 33% que la de Atenas para la inclinación y orientación de los captadores. 12345678910 11 12 Atenas 12,85 13,20 14,42 18,23 19,27 20,61 21,73 22,68 21,80 16,75 12,95 10,75 Davos 11,50 16,60 20,34 21,32 19,24 18,42 18,97 18,50 17,31 15,15 12,30 9,69 Wurzburgo 5,41 6,60 9,19 18,40 17,58 20,11 20,44 15,73 14,28 8,90 5,48 3,20 Estocolmo 2,39 6,60 11,83 16,17 19,84 20,40 19,04 16,52 12,33 6,99 3,04 1,54 0,00 5,00 10,00 15,00 20,00 25,00 H [MJ/m2] Radiación media dia MJ/m2 17 Análisis comparativo de equipos solares térmicos prefabricados por termosifón Atenas corresponde también la mayor temperatura ambiente diaria anual y de agua fría, siendo en Davos la temperatura un 82% menor que en Atenas, un 51% menor en Wurzburgo y un 59% en Estocolmo, siendo Davos el lugar con la temperatura ambiente más fría de las cuatro ciudades, debido a su altitud. Figura 5-2. Temperatura ambiente media. Respecto al agua fría, dependiendo del mes puede aumentar hasta el doble la temperatura de la misma, siendo Atenas nuevamente la que dispone de temperaturas más altas, con una diferencia de casi el 70% con Davos, 43% con Wurzburgo y un 52% con Estocolmo. Figura 5-3. Temperatura media de agua fría 5.2 Demanda de calor Conociendo la temperatura del agua fría y considerando como 45ºC la temperatura del agua demandada por el usuario, podemos conocer la demanda de calor QD en cada una de las ciudades de referencia para los distintos volúmenes de carga, según la fórmula: -10,00 -5,00 0,00 5,00 10,00 15,00 20,00 25,00 30,00 Temperatura ambiente media Atenas Davos Wurzburgo Estocolmo 0,00 5,00 10,00 15,00 20,00 25,00 30,00 T (ºC) Temperatura media de agua Atenas Davos Wurzburgo Estocolmo Descripción de los climas y energía demandada 18 18 𝑄𝐷= ∑𝜌∙𝑉𝑠∙𝐶𝑝𝑤 ∙(𝑇𝑆−𝑇𝐴𝐹(𝑑)) 365 𝑑=1 - QD (MJ). Energía demandada por el usuario al año - ρ (kg/m3). Densidad del agua - VS (m3/día). Caudal de agua caliente extraído al día - Cpw (kJ/kgºC). Calor específico del agua. Se considera 4,186 kJ/kgºC - TD (ºC). Temperatura demandada de agua caliente (45ºC) - TAF (d) (ºC). Temperatura de agua fría del día número d del año. El balance energético de un solo sistema solar se muestra en la Figura 5-6, extraído de la propia Norma. Figura 5-4. Balance energético de la Norma 1. Captador - Hc. Radiación solar hemisférica en el plano del captador. 2. Bomba - Qsol. Calor cedido por el circuito de captadores al acumulador. 3. Acumulador - Ql. Pérdida de calor del acumulador. 4. Sistema de control - Qohp. Calor liberado por el acumulador como sistema de protección contra sobrecalentamientos. 5. Agua fría - Qd. Demanda de calor. La demanda energética obtenida a partir de este cálculo se expone en la Figura 5-5. Figura 5-5. Demanda de calor. 19 Análisis comparativo de equipos solares térmicos prefabricados por termosifón Puede observase como para un mismo volumen de carga, la demanda en las diferentes localidades va variando, siendo mayor en Davos (45% mayor respecto a Atenas), y menor en Atenas. Esto se debe, a la temperatura fría del agua, como ya se ha mencionado con anterioridad. Parámetros constructivos 20 20 6 PARÁMETROS CONSTRUCTIVOS En este apartado se describen los parámetros constructivos de los 37 sistemas termosifónicos ensayados de acuerdo a la norma ISO 9459-5:2007. En las Tablas 6-1, se exponen las características de diseño de los sistemas ensayados. En los apartados posteriores se explican detalladamente estas características. Tabla 6-1. Parámetros constructivos de los equipos ensayados. PARÁMETROS CONSTRUCTIVOS Número de sistema Tipo de captador Aislamiento del fondo del captador Espesor aislamiento del captador (mm) Tipo de perfil Modelo del intercambiador Área de apertura A (m2) Volumen bruto del acumulador Vb (l) Aislamiento del acumulador Espesor de aislamiento del acumulador (mm) Vb/A (l/m2) Área de intercambio (m2) Presión 1º (bar) 1 SEL 3 Lana Mineral 40 ALTO DE 4,14 300 Poliuretano 50 72,46 1,8 2,5 2 SEL 1.3 Lana de Vidrio 40 ALTO DE 1,91 200 Poliuretano 50 104,71 0,97 2,5 3 SEL 1.3 Lana de Vidrio 40 ALTO DE 3,82 300 Poliuretano 50 78,53 1,78 2,5 4 SEL 1.3 Lana de Vidrio 40 ALTO DE 2,4 200 Poliuretano 50 83,33 0,97 2,5 5 SEL 1.3 Lana de Vidrio 40 ALTO DE 1,9 149 Poliuretano 50 78,42 0,8 2,5 6 SEL 1.3 Poliuretano + Lana Mineral 38 ALTO DE 2,58 209 Poliuretano 38 81,01 1,2 3 7 SEL 1.3 Poliuretano + Lana Mineral 38 BAJO DE 2,58 209 Poliuretano 38 81,01 1,2 3 8 PN Poliuretano 23 ALTO DE 2,58 209 Poliuretano 38 81,01 1,2 3 9 PN Poliuretano 23 BAJO DE 2,58 209 Poliuretano 38 81,01 1,25 3 10 SEL 1.2 Lana de Vidrio 20 ALTO DE 3,54 301 Poliuretano 40 85,03 1,57 3 11 SEL 1.1 Lana Mineral 40 ALTO DE 1,92 154 Poliuretano 43 80,21 1,16 2,5 12 SEL 4 Lana de Roca 55 ALTO DE 1,95 192 Poliuretano 40 98,46 1,2 3 13 SEL 1.1 Lana de Roca 40 ALTO DE 3,24 318 Poliuretano 50 98,15 1,8 3 14 SEL 2 Espuma de Poliisocianurato 20 ALTO DE 2,08 158 Poliuretano 55 75,96 1 3 15 SEL 1.3 Lana de Roca 50 ALTO DE 1,94 155 Poliuretano 50 79,90 0,73 3 16 SEL 1.3 Lana de Roca 50 ALTO DE 3,88 314 Poliuretano 50 80,93 2,03 3 17 PN Lana de Vidrio 40 ALTO DE 1,88 157 Poliol+Isocianato 25 83,51 0,81 3 18 SEL 1.2 Lana de Vidrio 40 ALTO DE 1,88 157 Poliol+Isocianato 25 83,51 0,81 3 19 SEL 1.2 Lana de Vidrio 40 BAJO DE 3,76 317 Poliol+Isocianato 25 84,31 1,78 3 21 Análisis comparativo de equipos solares térmicos prefabricados por termosifón 20 SEL 1.2 Lana de Vidrio 20 BAJO DE 1,77 145 Poliuretano 40 81,92 0,98 3 21 SEL 1.3 Lana de Vidrio 60 BAJO DE y SERP 1,99 145 Poliuretano 50 72,86 0,48 3 22 SEL 1.3 Lana de Vidrio 25 BAJO DE 2,01 157 Poliuretano 50 78,11 0,78 3 23 SEL 1.3 Lana de Roca 40 ALTO DE 2,4 210 Poliol+Isocianato 30 87,50 0,97 2,5 24 SEL 1.3 Lana de Vidrio 60 BAJO DE 3,98 282 Poliuretano 40 70,85 1,51 3 25 SEL N/E Lana de Roca 30 ALTO DE 4,2 241 Poliuretano 50 57,38 1,32 3,5 26 SEL 1.3 Lana Mineral 30 ALTO DE 4,46 282 Poliuretano 50 63,23 1,51 3 27 SEL 1.3 Lana de Roca 40 ALTO DE 4,8 315 Poliol+Isocianato 30 65,63 1,78 2,5 28 SEL 1.1 Lana de Vidrio 50 ALTO DE 1,94 155 Poliuretano 45-50 79,90 1,6 3 29 SEL 1.2 Lana de Vidrio 40 ALTO DE 3,76 300 Poliuretano 38 79,79 1,88 2,5 30 SEL 1.3 Lana de Roca 40 BAJO DE 1,92 156 Poliuretano 40 81,25 0,74 2,5 31 SEL 1.3 Lana Mineral 35 ALTO DE 4,72 314 Poliuretano 38 66,53 2 3 32 SEL 1.2 Lana de Vidrio 40 ALTO DE 1,88 152 Poliuretano 25 80,85 0,81 2,5 33 PN Lana de Vidrio 40 ALTO DE 1,88 152 Poliuretano 25 80,85 0,81 2,5 34 SEL 1.2 Lana Mineral 40 ALTO DE 2,65 170 Poliuretano 60 64,15 1,93 3 35 PN Poliuretano + Lana Mineral 50 ALTO DE 2,16 170 Poliuretano 60 78,70 1,93 3 36 SEL 1.3 Lana de Vidrio 20 ALTO DE 3,84 317 Poliuretano 50 82,55 1,66 2,5 37 SEL 1.2 Lana Mineral 30 ALTO DE 4,02 282 Poliuretano 38 70,15 1,49 2,5 6.1. Características técnicas del captador. 6.1.1 Tipos de captador. Se distinguen dos tipos diferentes de captador, en función del tratamiento realizado en el absorbedor: selectivo (SEL) y pintura negra (PN). Dentro de los selectivos distinguimos también siete tipos: - SEL 1.1. Tratamiento Tinox. - SEL 1.2. Tratamiento Bluetec Eta-Plus. - SEL 1.3. Tratamiento Mirotherm. - SEL 2. Tratamiento Mirosol. - SEL 3. Tratamiento de óxido de cromo. - SEL 4. Tratamiento con capa de poliéster en polvo. - SEL N/E. Tratamiento selectivo, no se especifica el tipo. Parámetros constructivos 22 22 Según la Norma ISO-9488, una superficie selectiva es aquella cuyas propiedades ópticas de reflectancia, absortancia y transmitancia dependen de la longitud de onda, mientras que una superficie no selectiva es independiente a la longitud de onda. Según esta definición, la pintura negra debería considerarse tratamiento selectivo, sin embargo, se excluye de este conjunto. Una clasificación más adecuada es según las características ópticas del tratamiento superficial: - Absortividad (α): ratio entre la radiación absorbida y la radiación emitida por un cuerpo incidente. - Emisividad (ε): ratio entre la radiación emitida por un cuerpo y la radiación emitida por un cuerpo negro a la misma temperatura. En el caso de los captadores solares, interesa tener una alta absortividad en la gama de onda corta y una baja emisividad para onda larga, característica que cumplen los recubrimientos selectivos, a diferencia de la pintura negra tiene una alta emisividad para onda larga, aunque si posee una alta absortividad para dicha longitud de onda. Los valores de absortividad y emisividad de los distintos tratamientos se recogen en la Tabla 6-2. Tabla 6-2. Características ópticas según el tipo de tratamiento. Tipo de tratamiento α ε Selectivo 1 0,95 0,05±0,01 Selectivo 2 0,9 0,2 Selectivo 3 0,87 0,09 Pintura negra 0,98 0,98 Para el aislamiento de fondo del captador se han ensayado diversos tipos de aislante con espesores que varían entre 20-60 mm. Los tipos de aislante son: - Lana de vidrio. Tipo de lana mineral. - Lana de roca. Tipo de lana mineral. - Poliuretano + lana mineral. - Espuma de poliisocianurato. 6.2 Características del acumulador 6.2.1 Volumen El volumen bruto del acumulador es aquel que incluye el volumen del intercambiador, siendo éste en torno al 10% del volumen bruto. En los equipos ensayados, el volumen bruto del acumulador varía entre 140 y 300l, diferenciándose durante el análisis en tres grupos según sean de 150l (±20 l), 200l (±20 l) y 300l (±20 l). En total se han estudiado 15 equipos de 150l, 9 de 200l y 13 de 300l. 6.2.2 Tipos de aislamiento del acumulador El material de aislamiento utilizado en la mayoría de los sistemas objeto de estudio es el poliuretano, aunque hay equipos en los que se ha utilizado poliol+isocianato u otro material que no ha sido especificado. El espesor del aislante varía entre 38-50mm, sin embargo, la densidad del mismo es desconocida al no haber sido aportada por los fabricantes, a pesar de pod er tener efecto significativo para el coeficiente de pérdidas del acumulador. 6.2.3 Tipos de perfil del acumulador El tipo de perfil alto y bajo, hace referencia a la posición del acumulador, requiriendo aquellos con perfil bajo una válvula anti-retorno en el circuito de captadores. Perfil alto se refiere cuando 23 Análisis comparativo de equipos solares térmicos prefabricados por termosifón el acumulador está ubicado encima de los captadores, y perfil bajo cuando se encuentra detrás de los captadores. Figura 6-1. Tipos de perfil de los sistemas prefabricados. Izquierda: Perfil alto. Derecha: Perfil bajo. 6.2.4 Intercambiador Todos los equipos tienen intercambiadores doble envolvente (DE) en el interior del acumulador, excepto el equipo 21 que cuenta con un acumulador con doble intercambio (DE + Serpetín). La presión máxima que soporta el intercambiador se incluye en los parámetros constructivos, pero no se analizará en este proyecto dado que no afecta a las prestaciones energéticas, sino a la fiabilidad. Parámetros experimentales 30 30 7.4 Capacidad calorífica del acumulador (Cs) Se puede distinguir una relación directa entre el volumen del depósito y el valor de Cs, aumentando éste cuanto mayor es el volumen del acumulador. En los sistemas de 200l, este parámetro es un 24% menor que en los sistemas de 300l, y en los de 150l un 40% menor. Figura 7-8. Capacidad calorífica del acumulador vs volumen del acumulador. 0 0,5 1 1,5 2 2,5 3 3,5 4 4,5 5 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 Us[W/K] Vb/espesor del aislamiento Poliuretano Poliol+Isocianato 0 0,2 0,4 0,6 0,8 1 1,2 1,4 1,6 050 100 150 200 250 300 350 Cs(MJ/K) Vb (l) Capacidad calorífica del acumulador vs volumen del acumulador sistemas 300l sistemas 200l sistemas 150l 31 Análisis comparativo de equipos solares térmicos prefabricados por termosifón 7.5 Constante de mezcla (DL) Este parámetro representa el grado de mezcla que se produce en el acumulador debido a la extracción, es decir, a la entrada de agua fría. Interesa que su valor no sea muy alto, ya que esto significaría una mayor zona de mezcla en el depósito, y como consecuencia, menor fracción solar. En la Figura 7-9, se puede observar que la gran mayoría de los sistemas ensayados tienen un valor entre 0-0,2. Los puntos que destacan son de los cuales no se tiene información completa de ellos (no se conoce el tipo de tratamiento o de aislante o espesor del mismo), por lo que no se puede justificar adecuadamente por qué presentan una constante de mezcla tan elevada respecto a los otros. Figura 7-9. Constante de mezcla vs volumen del acumulador. 7.6 Parámetro de estratificación (Sc) Este parámetro indica la capacidad del circuito solar para desarrollar estratificación en el depósito acumulador. Cuanto mayor es su valor, mayor es su capacidad, y en consecuencia, la fracción solar del sistema será mayor. Este parámetro se ve claramente afectado por el perfil del acumulador más que por su volumen. Los valores de todos los sistemas son muy próximos, sin embargo, los equipos de perfil bajo tienen un valor de este parámetro menor que los de perfil alto, con una diferencia media de casi el 40%. Es decir, los sistemas con perfil alto presenta mejor estratificación que los de perfil bajo. Figura 7-10. Parámetro de estratificación vs volumen del acumulador. 0 0,2 0,4 0,6 0,8 1 1,2 1,4 050 100 150 200 250 300 350 Dl Vb (l) Constante de mezcla sistemas 300l sistemas 200l sistemas 150l Parámetros experimentales 32 32 0 0,2 0,4 0,6 0,8 1 1,2 050 100 150 200 250 300 350 Sc Vb (l) Parámetro de estratificación vs volumen del acumulador sistemas 300l sistemas 200l sistemas 150l 33 Análisis comparativo de equipos solares térmicos prefabricados por termosifón 8 PREDICCIÓN A LARGO PLAZO 8.1 Comportamiento anual En este apartado se ha analizado el comportamiento anual de todos los sistemas ensayados evaluando su energía producida, eficiencia y fracción solar. En primer lugar, se han tomado los valores medios de los equipos diferenciándolos según el volumen de acumulación en dos grupos, uno de 150l y otro de 300l. Posteriormente, se han estudiado las desviaciones respecto a los valores medios con el fin de conocer qué equipo presenta mejor comportamiento. La producción de energía de un equipo solar por termosifón situado en un emplazamiento, con determinadas características técnicas (área de apertura, tipo de absorbedor, inclinación de captadores, volumen del acumulador) dependerá de la temperatura del agua contenida en el interior del depósito. Esta temperatura dependerá de la temperatura de entrada del agua fría, diferente en cada localización, y de la demanda de agua caliente. Para conseguir una menor temperatura en el depósito necesitamos un mayor volumen de agua y menor temperatura de agua fría de entrada al equipo. Los datos se han obtenido a partir de los ensayos de la Norma en la que está basado este estudio, descrita en el capítulo 4. Tal y como se detalla en la Norma, los sistemas se han evaluado para diferentes caudales de descarga: 50l, 80l, 110l, 140l, 170l, 200l, 250l, 300l, 400l y 600l. 8.1.1 Energía producida 8.1.1.1 Energía producida media en cada localidad 8.1.1.1.1 Equipos de 150l En la Figura 8-1, se ha representado las curvas referentes a la media de producción de todos los sistemas ensayados de 150l para los diferentes caudales de descarga. Las curvas de las cuatro localidades presentan la misma forma, creciendo de manera lineal para valores de Vr menores de 1, relentizando su crecimiento hasta un valor prácticamente constante conforme aumenta Vr. Atenas es la ciudad que presenta una curva más abierta, alcanzando la constancia a partir de valores de Vr superiores a 2, mientras que en en las otras tres ciudades sucede en valores de Vr entre 1-1,5. Para caudales de descarga pequeños, los sistemas se comportan igual en Wurzburgo y Estocolmo, produciéndose más en Wurzburgo a medida que aumenta el caudal. Para caudales pequeños, Davos es la localidad donde mayor producción se obtiene, aunque una vez superado el volumen de descarga al volumen de acumulación, Atenas se sitúa por encima con mayor producción. Figura 8-1. Energía producida media de los sistemas de 150l para distintos caudales de descarga en cada localidad de referencia. Predicción a largo plazo 34 34 8.1.1.1.2 Equipos de 300l En la Figura 8-2 se exponen las curvas de energía producida media de los sistemas ensayados con acumulador de 300l. A dferencia de los equipos de 150l, la energía producida a pequeños caudales es la misma en Atenas, Wurzburgo y Estocolmo, siendo Davos donde sucede una producción más alta de partida. Como ocurría con los sistemas con los sistemas de 150l, podemos ver que para valores de Vr inferiores a 1, la curva de la energía producida es aproximadamente lineal, creciendo de manera significativa hasta alcanzar un valor, diferente para cada ciudad, y a partir de este punto (Vr>1), por encima del volumen de acumulación la energía producida se incrementa de manera menos relevante, pudiendo considerarse constante, en el caso de Davos, Wurzburgo y Estocolmo. En Atenas parece seguir creciendo, pero llegará un valor de Vr donde tomará la misma tendencia que las otras ciudades. Figura 8-2. Energía producida media de los sistemas de 300l para distintos caudales de descarga en cada localidad de referencia. 35 Análisis comparativo de equipos solares térmicos prefabricados por termosifón 8.1.1.2 Desviaciones respecto a los valores medios En las gráficas se han diferenciado los equipos según su tratamiento superficial y a relación V/A. Puede observarse como en todas las localidades, las curvas poseen la misma tendencia. Para valores de Vr menores de 0.5, las curvas de todos los equipos crecen de manera prácticamente idéntica, separándose a medida que Vr aumenta, viéndose claramente diferenciados para valores de Vr mayores que 1. Las gráficas se exponen en los apartados siguientes. 8.1.1.2.1 Equipos de 150l Figura 8-3. Energía producida por cada sistema de 150l en Atenas. Figura 8-3. Energía producida por cada sistema de 150l en Davos. 2000 2500 3000 3500 4000 4500 5000 5500 6000 6500 50 100 150 200 250 300 QL(MJ) Volumen de carga (l/día) Sistemas de 150 litros. Atenas S 1.1 V/A 79.9 S 1.2 V/A 83.5 S 1.2 V/A 81.9 S 1.2 V/A 80.9 S 1.2 V/A 64.2 S 1.3 V/A 79.9 S 1.3 V/A 72.9 S 1.3 V/A 78.1 S 1.3 V/A 81.3 S 1.3 V/A 78.4 S 2 V/A 76.0 PN V/A 83.5 PN V/A 80.9 PN V/A 78.7 S NE V/A 80.2 Predicción a largo plazo 36 36 Figura 8-4. Energía producida por cada sistema de 150l en Wurzburgo. Figura 8-5. . Energía producida por cada sistema de 150l en Estocolmo. 1000 2000 3000 4000 5000 6000 7000 0.0 1.0 2.0 3.0 4.0 5.0 QL(MJ) Vr =Vc/Vn (1/día) Sistemas de 150 litros. Davos S 1.1 V/A 79.9 S 1.2 V/A 83.5 S 1.2 V/A 81.9 S 1.2 V/A 80.9 S 1.2 V/A 64.2 S 1.3 V/A 79.9 S 1.3 V/A 72.9 S 1.3 V/A 78.1 S 1.3 V/A 81.3 S 1.3 V/A 78.4 S 2 V/A 76.0 PN V/A 83.5 PN V/A 80.9 PN V/A 78.7 S NE V/A 80.2 1000 2000 3000 4000 5000 6000 7000 0.0 1.0 2.0 3.0 4.0 5.0 QL(MJ) Vr =Vc/Vn (1/día) Sistemas de 150 litros. Wurzburgo S 1.1 V/A 79.9 S 1.2 V/A 83.5 S 1.2 V/A 81.9 S 1.2 V/A 80.9 S 1.2 V/A 64.2 S 1.3 V/A 79.9 S 1.3 V/A 72.9 S 1.3 V/A 78.1 S 1.3 V/A 81.3 S 1.3 V/A 78.4 S 2 V/A 76.0 PN V/A 83.5 PN V/A 80.9 PN V/A 78.7 S NE V/A 80.2 37 Análisis comparativo de equipos solares térmicos prefabricados por termosifón 8.1.1.2.2 Equipos de 300l Figura 8-7. Energía producida por cada sistema de 300l en Atenas. Figura 8-8. Energía producida por cada sistema de 300l en Davos. 1000 2000 3000 4000 5000 6000 7000 0.0 1.0 2.0 3.0 4.0 5.0 QL(MJ) Vr =Vc/Vn (1/día) Sistemas de 150 litros. Estocolmo S 1.1 V/A 79.9 S 1.2 V/A 83.5 S 1.2 V/A 81.9 S 1.2 V/A 80.9 S 1.2 V/A 64.2 S 1.3 V/A 79.9 S 1.3 V/A 72.9 S 1.3 V/A 78.1 S 1.3 V/A 81.3 S 1.3 V/A 78.4 S 2 V/A 76.0 PN V/A 83.5 PN V/A 80.9 PN V/A 78.7 S NE V/A 80.2 0 10 20 30 40 50 60 0 0.5 1 1.5 2 2.5 η (%) Vr =Vc/Vn (1/día) Sistemas de 300 litros. Atenas S 1.1 V/A 98.2 S 1.2 V/A 85.0 S 1.2 V/A 84.3 S 1.2 V/A 79.8 S 1.3 V/A 78.5 S 1.3 V/A 80.9 S 1.3 V/A 70.9 S 1.3 V/A 63.2 S 1.3 V/A 65.6 S 1.3 V/A 66.3 S 1.3 V/A82.5 S 3 V/A 72.5 S NE V/A 70.2 Predicción a largo plazo 38 38 Figura 8-9. Energía producida por cada sistema de 300l en Wurzburgo. Figura 8-10. Energía producida por cada sistema de 300l en Estocolmo. 0 10 20 30 40 50 60 0 0.5 1 1.5 2 2.5 η (%) Vr =Vc/Vn (1/día) Sistemas de 300 litros. Davos S 1.1 V/A 98.2 S 1.2 V/A 85.0 S 1.2 V/A 84.3 S 1.2 V/A 79.8 S 1.3 V/A 78.5 S 1.3 V/A 80.9 S 1.3 V/A 70.9 S 1.3 V/A 63.2 S 1.3 V/A 65.6 S 1.3 V/A 66.3 S 1.3 V/A82.5 S 3 V/A 72.5 S NE V/A 70.2 0 10 20 30 40 50 60 0 0.5 1 1.5 2 2.5 η (%) Vr =Vc/Vn (1/día) Sistemas de 300 litros. Wurzburgo S 1.1 V/A 98.2 S 1.2 V/A 85.0 S 1.2 V/A 84.3 S 1.2 V/A 79.8 S 1.3 V/A 78.5 S 1.3 V/A 80.9 S 1.3 V/A 70.9 S 1.3 V/A 63.2 S 1.3 V/A 65.6 S 1.3 V/A 66.3 S 1.3 V/A82.5 S 3 V/A 72.5 S NE V/A 70.2 39 Análisis comparativo de equipos solares térmicos prefabricados por termosifón 8.1.2 Rendimiento 8.1.2.1 Rendimiento medio en cada localidad 8.1.2.1.1 Equipos de 150l La Figura 8-11 representa las curvas de rendimieno medio para las cuatros ciudades de referencia. Las curvas de Davos, Wurzburgo y Estocolmo crecen de manera prácticamente idéntica para Vr menor de 1, mientras que la curva de Atenas lo hace con menor pendiente. Para volúmenes de descarga pequeños, Atenas es el que presenta un menor rendimiento, mientras que Davos y Wurzburgo parten prácticamente del mismo valor, y Estocolmo cuenta con el rendimiento es más alto, situación que cambia cuando los volúmenes de descarga superan al volumen de acumulación. Se aprecia como todas las curvas crecen hasta alcanzan un valor constante similar, cercano al 45% a excepción de Davos, cuyo máximo se encuentra cercano al 42%. Esto puede justificarse porque, los valores mostrados en la gráfica hacen referencia a valores medios de todos los equipos, con diferentes características técnicas, y a medida que el Vr es mayor que 1, quiere decir que el depósito se ha vaciado y vuelto a llenar, y dado que la temperatura del agua en Davos es la más fría, pero tiene una radiación muy alta, el rendimiento para demandas altas se ve desfavorecido en comparación con las otras ciudades. Sin embargo, este análisis nos sirve para comprobar que los sistemas funcionarán correctamente en los diferentes escenarios ya que las curvas tienen la misma forma y alcanzan valores muy cercanos. Figura 8-11. Rendimiento medio de los equipos de 150l para distintos caudales de descarga en cada localidad de referencia. 0 10 20 30 40 50 60 0 0.5 1 1.5 2 2.5 η (%) Vr =Vc/Vn (1/día) Sistemas de 300 litros. Estocolmo S 1.1 V/A 98.2 S 1.2 V/A 85.0 S 1.2 V/A 84.3 S 1.2 V/A 79.8 S 1.3 V/A 78.5 S 1.3 V/A 80.9 S 1.3 V/A 70.9 S 1.3 V/A 63.2 S 1.3 V/A 65.6 S 1.3 V/A 66.3 S 1.3 V/A82.5 S 3 V/A 72.5 S NE V/A 70.2 Predicción a largo plazo 46 46 considerado Vr mayores, lo que indica que la renovación del agua del depósito se realiza más veces, afectando a la diferencia de temperaturas del depósito y, por tanto, a la energía producida, alejando el valor de ésta al de la energía demandada. Figura 8-21. Fracción solar media de los equipos de 150l para distintos caudales de descarga en cada localidad de referencia. 8.1.3.1.2 Equipos de 300l En los equipos de 300l (Figura 8-22), para los climas de Atenas y Davos, es posible conseguir valores superiores al 80%, mientras que en localidades como Wurzburgo y Estocolmo resulta imposible. Destacar, además, como en lugares donde la temperatura ambiente y del agua son más frías (Davos, Wuzburgo y Estocolmo), la pendiente de la curva es más pronunciada, con un valor final tres veces inferior al inicial, mientras que en Atenas, la caída es más suave. Podemos explicar este hecho, debido a que, para un volumen de extracción superior al volumen del depósito, la diferencia de temperatura en el depósito no es tan notable (debido al vaciado y llenado del mismo), por lo que los valores de la energía producida y demandada se van alejando, provocando fracciones solares más pequeñas. Figura 8-22. Fracción solar media de los equipos de 300l para distintos caudales de descarga en cada localidad de referencia. 47 Análisis comparativo de equipos solares térmicos prefabricados por termosifón 8.1.3.2 Desviaciones respecto a los valores mínimos Las curvas de la fracción solar son decrecientes a medida que el Vr aumenta, debido a que a medida que el volumen de carga es mayor que el volumen nominal, aumenta la diferencia entre la energía producida y la energía demandada. Al igual que pasaba con las curvas de la energía producida, para valores de Vr inferiores de 0.5 estas curvas se encuentran más unidas, disgregándose a medida que crece Vr. Se observa como en las localidades como Atenas y Davos, la fracción solar supera el 90%, mientras que en Wurzburgo y Estocolmo no se alcanza nunca el 80%. En los valores mínimos también encontramos también se aprecian grandes diferencias, en climas como Atenas la fracción solar apenas baja del 40% en ningún caso, mientras que en los otros tres climas los valores son cercanos al 20%. 8.1.3.2.1 Equipos de 150l Figura 8-23. Fracción solar de cada sistema de 150l en Atenas. Predicción a largo plazo 48 48 Figura 8-24. Fracción solar de cada sistema de 150l en Davos. Figura 8-25. Fracción solar de cada sistema de 150l en Wurzburgo. 0 10 20 30 40 50 60 70 80 90 100 0.0 1.0 2.0 3.0 4.0 5.0 fSOL (%) Vr =Vc/Vn (1/día) Sistemas de 150 litros. Atenas S 1.1 V/A 79.9 S 1.2 V/A 83.5 S 1.2 V/A 81.9 S 1.2 V/A 80.9 S 1.2 V/A 64.2 S 1.3 V/A 79.9 S 1.3 V/A 72.9 S 1.3 V/A 78.1 S 1.3 V/A 81.3 S 1.3 V/A 78.4 S 2 V/A 76.0 PN V/A 83.5 PN V/A 80.9 PN V/A 78.7 S NE V/A 80.2 0 10 20 30 40 50 60 70 80 90 0.0 1.0 2.0 3.0 4.0 5.0 fSOL (%) Vr =Vc/Vn (1/día) Sistemas de 150 litros. Davos S 1.1 V/A 79.9 S 1.2 V/A 83.5 S 1.2 V/A 81.9 S 1.2 V/A 80.9 S 1.2 V/A 64.2 S 1.3 V/A 79.9 S 1.3 V/A 72.9 S 1.3 V/A 78.1 S 1.3 V/A 81.3 S 1.3 V/A 78.4 S 2 V/A 76.0 PN V/A 83.5 PN V/A 80.9 PN V/A 78.7 S NE V/A 80.2 49 Análisis comparativo de equipos solares térmicos prefabricados por termosifón Figura 8-26. Fracción solar de cada sistema de 150l en Estocolmo. 8.1.3.2.2 Equipos de 300l Figura 8-27. Fracción solar de cada sistema de 300l en Atenas. 0 10 20 30 40 50 60 70 0.0 1.0 2.0 3.0 4.0 5.0 fSOL (%) Vr =Vc/Vn (1/día) Sistemas de 150 litros. Wurzburgo S 1.1 V/A 79.9 S 1.2 V/A 83.5 S 1.2 V/A 81.9 S 1.2 V/A 80.9 S 1.2 V/A 64.2 S 1.3 V/A 79.9 S 1.3 V/A 72.9 S 1.3 V/A 78.1 S 1.3 V/A 81.3 S 1.3 V/A 78.4 S 2 V/A 76.0 PN V/A 83.5 PN V/A 80.9 PN V/A 78.7 S NE V/A 80.2 0 10 20 30 40 50 60 70 0.0 1.0 2.0 3.0 4.0 5.0 fSOL (%) Vr =Vc/Vn (1/día) Sistemas de 150 litros. Estocolmo S 1.1 V/A 79.9 S 1.2 V/A 83.5 S 1.2 V/A 81.9 S 1.2 V/A 80.9 S 1.2 V/A 64.2 S 1.3 V/A 79.9 S 1.3 V/A 72.9 S 1.3 V/A 78.1 S 1.3 V/A 81.3 S 1.3 V/A 78.4 S 2 V/A 76.0 PN V/A 83.5 PN V/A 80.9 PN V/A 78.7 S NE V/A 80.2 Predicción a largo plazo 50 50 Figura 8-28. Fracción solar de cada sistema de 300l en Davos. Figura 8-29. Fracción solar de cada sistema de 300l en Wurzburgo. 30 40 50 60 70 80 90 100 0 0.5 1 1.5 2 2.5 fSOL (%) Vr =Vc/Vn (1/día) Sistemas de 300 litros. Atenas S 1.1 V/A 98.2 S 1.2 V/A 85.0 S 1.2 V/A 84.3 S 1.2 V/A 79.8 S 1.3 V/A 78.5 S 1.3 V/A 80.9 S 1.3 V/A 70.9 S 1.3 V/A 63.2 S 1.3 V/A 65.6 S 1.3 V/A 66.3 S 1.3 V/A82.5 S 3 V/A 72.5 S NE V/A 70.2 20 30 40 50 60 70 80 90 100 0 0.5 1 1.5 2 2.5 fSOL (%) Vr =Vc/Vn (1/día) Sistemas de 300 litros. Davos S 1.1 V/A 98.2 S 1.2 V/A 85.0 S 1.2 V/A 84.3 S 1.2 V/A 79.8 S 1.3 V/A 78.5 S 1.3 V/A 80.9 S 1.3 V/A 70.9 S 1.3 V/A 63.2 S 1.3 V/A 65.6 S 1.3 V/A 66.3 S 1.3 V/A82.5 S 3 V/A 72.5 S NE V/A 70.2 51 Análisis comparativo de equipos solares térmicos prefabricados por termosifón Figura 8-30. Fracción solar de cada sistema de 300l en Estocolmo. 8.1.4 Conclusiones Desde el punto de punto de vista energético, ambiental y económico, los equipos prefabricados de 150l deberían dimensionarse para un valor de Vr superior a 1. Del orden de 1.5 para climas como Atenas, 1.4 para Davos, 1.2 para Wurzburgo y 1.1 para Estocolmo. Esto da lugar a fracciones solares cubiertas del orden del 60%, 45%, 43% y 42% respectivamente y a rendimientos medios de los equipos del 45% en todas las localidades analizadas, muy cerca de los máximos. El dimensionado de los equipos prefabricados de 150l, debería hacerse también para valores de Vr superiores a 1. Del orden de 1.6 para Atenas, 1.3 para Davos, 1.1 para Wurzburgo y 1.2 para 20 30 40 50 60 70 80 0 0.5 1 1.5 2 2.5 fSOL (%) Vr =Vc/Vn (1/día) Sistemas de 300 litros. Wurzburgo S 1.1 V/A 98.2 S 1.2 V/A 85.0 S 1.2 V/A 84.3 S 1.2 V/A 79.8 S 1.3 V/A 78.5 S 1.3 V/A 80.9 S 1.3 V/A 70.9 S 1.3 V/A 63.2 S 1.3 V/A 65.6 S 1.3 V/A 66.3 S 1.3 V/A82.5 S 3 V/A 72.5 S NE V/A 70.2 10 20 30 40 50 60 70 80 0 0.5 1 1.5 2 2.5 fSOL (%) Vr =Vc/Vn (1/día) Sistemas de 300 litros. Estocolmo S 1.1 V/A 98.2 S 1.2 V/A 85.0 S 1.2 V/A 84.3 S 1.2 V/A 79.8 S 1.3 V/A 78.5 S 1.3 V/A 80.9 S 1.3 V/A 70.9 S 1.3 V/A 63.2 S 1.3 V/A 65.6 S 1.3 V/A 66.3 S 1.3 V/A82.5 S 3 V/A 72.5 S NE V/A 70.2 Predicción a largo plazo 52 52 Estocolmo. De esta manera, conseguimos un rendimiento medio del 40% y unas fracciones solares de 50%, 40%, 38% y 32% para Atenas, Davos, Wurzburgo y Estocolmo, respectivamente. 8.2 Comportamiento mensual En este apartado se ha estudiado el comportamiento mensual de cada sistema en los distintos escenarios planteados con el fin de comparar los equipos y encontrar el más adecuado para cada clima. Para obtener los datos se han utilizado los parámetros experimentales de la Norma, detallados en el capítulo 4. Al igual que en el caso anterior, se han distinguido según la capacidad del acumulador, en grupos de equipos de 150l y 300l. Luego, se han diferenciado según el tratamiento selectivo del captador, según el aislante empleado en el acumulador y según el perfil. Al igual que en el análisis anual, y tal y como exige la Norma, los sistemas se han evaluado para diferentes caudales de descarga: 50l, 80l, 110l, 140l, 170l, 200l, 250l, 300l, 400l y 600l. 8.2.1 Energía producida En la Figura 8-31, se muestran las curvas para los caudales de 50l, 170l y 600l, para ver la progresión de las mismas, dado que a pequeños caudales de descarga, el comportamiento de los equipos es muy similar, aumentando la diferencia de producción a medida que se incrementa el caudal. Por ello, las gráficas finales que se muestran en este análisis corresponden a un volumen de descarga de 600l, dado que se ve hace más evidente que sistema trabaja mejor. Figura 8-31. Energía mensual producida por cada sistema en las cuatro localidades para caudales de descarga de 50l, 170l y 600l. 53 Análisis comparativo de equipos solares térmicos prefabricados por termosifón Tal y como se aprecia en las gráficas de arriba, el comportamiento de algunos sistemas presenta anomalías respecto a los otros. Esto se debe a que el ensayo no se ha realizado adecuadamente, ya sea por algún problema meteorológico o técnico. Esto ha sucedido con los equipos 28, 30 y 35, en los sistemas de 150l, y con los equipos 27, 29 y 31, en los sistemas de 300l. Estos equipos se han obviado durante el análisis desarrollado a continuación. Comentar, además, el cambio de curva que experimentan los equipos en Atenas (Figura 8-32), sufriendo a pequeños caudales una bajada de producción durante los meses Abril y Octubre, mientras que a grandes caudales, estos meses corresponde a los de máxima producción. Figura 8-32. Comportamiento mensual de Atenas. Predicción a largo plazo 54 54 8.2.1.1 Según el tratamiento selectivo del captador En este apartado, debido a su repetición, hemos diferenciado tres tipos de tratamiento, para los sistemas de 150l, Selectivo 1.3, Selectivo 1.2 y Pintura negra, y sólo Selectivo 1.3 y 1.2 para los de 300l. También se han analizado los equipos en su conjunto, para tener en cuenta aquellos en los que se ha utilizado un tratamiento diferente. 8.2.1.1.1 Equipos de 150l Comenzaremos por los equipos de 150, con Selectivo 1.3 (Figura 8-33). Con valores máximos de 804,08 MJ en Atenas, 744,00 MJ en Davos, 674,44 MJ en Wurzburgo y 698,39 MJ en Estocolmo, el equipo 22 es el que mayor producción consigue, a diferencia del equipo 21, que es el que peor comportamiento presenta. Consultando las características técnicas de los equipos, podemos ver que el 21 es el único que incluye un serpentín en su intercambiador y el que posee un acumulador de menor capacidad entre los cinco analizados, lo que penaliza su comportamiento. 55 Análisis comparativo de equipos solares térmicos prefabricados por termosifón Figura 8-33. Comportamiento mensual de los equipos de 150l con Selectivo 1.3. En Atenas, Wurzburgo y Estocolmo, entre los meses de Enero y Abril, los equipos 5 y 15 presentan un comportamiento prácticamente igual, entre los meses de Abril a Octubre, el equipo 15 produce un poco más que el 5, volviendo a producir lo mismo a final de año. A continuación, en la Figura 8-34, se presentan las gráficas de los tres climas: Figura 8-34. Comportamiento de los equipos 5 y 15 en las distintas localidades. Predicción a largo plazo 62 62 En Wurzburgo, en Enero el equipo 24 supera, además de los dos equipos con los que lo estamos comparando, al equipo 36, hecho que no sucede en el resto de las ciudades. Al igual que en Atenas, en Abril, el equipo 16 se sitúa por encima hasta Octubre, y entre los meses Junio y Septiembre, el equipo 3 también aventaja al equipo 24. Como en los casos anteriores, en los meses más fríos, este último equipo presenta una mayor producción que los otros dos. Figura 8-41. Comportamiento mensual de los equipos de 3, 16 y 24 en Wurzburgo. 63 Análisis comparativo de equipos solares térmicos prefabricados por termosifón A diferencia del resto de ciudades, en Estocolmo el equipo 3 sólo supera al equipo 24 a finales de Junio y principios de Julio. El equipo 16 muestra una producción mejor entre Abril y Septiembre, mes a partir del cual el 24 vuelve a estar por encima, pero con muy poca diferencia. Figura 8-42. Comportamiento mensual de los equipos de 3, 16 y 24 en Estocolmo. Predicción a largo plazo 64 64 Para explicar este comportamiento, consultamos los parámetros constructivos de estos sistemas, y vemos que entre los equipos 24 y 16, la diferencia significativa es de perfil, siendo alto en el caso del equipo 24 y bajo en el 16, y en el tipo de aislamiento, Lana de Roca para el 16 y Lana de Vidrio en el 24. Entre el equipo 24 y 3, la podríamos asociar esta diferencia de comportamiento al perfil, y entre el 3 y el 16 al tipo de aislamiento. En los equipos de 300l con tratamiento Selectivo 1.2 (Figura 8-43), resulta evidente que el sistema 19 es el que mayor producción es capaz de obtener, con máximas de 1315,50 MJ para Atenas en Agosto, 1227,87MJ para Davos, 1279,34 MJ para Wurzburgo y 1152,02 MJ en Estocolmo en Julio. Figura 8-43. Comportamiento mensual de los equipos de 300l con tratamiento selectivo 1.2. 65 Análisis comparativo de equipos solares térmicos prefabricados por termosifón 8.2.2 Según el aislante del acumulador. En este apartado se han diferenciado los equipos según el aislante del acumulador, diferenciando Lana de Roca, Lana de Vidrio y Lana Mineral en los equipos de 300l y sólo Lana de Vidrio en el caso de los equipos de 150l, debido a la escasa reiteración de los otros. Al igual que en el caso anterior, tras analizar estos tres grupos, se analizarán los equipos en su conjunto para evaluar si algún sistema con un aislamiento diferente muestra un comportamiento relevante. 8.2.2.1.1 Equipos de 150l Comenzaremos por los equipos de 150l con aislamiento de Lana de Vidrio, el equipo que mejor comportamiento presenta es el 22, con máximos de 1284,03 MJ, 1212,43 MJ, 1249,54MJ y 1117,70 MJ en Atenas, Davos, Wurzburgo y Estocolmo, respectivamente. Figura 8-44. Comportamiento mensual de los equipos de 150l con aislamiento Lana de Vidrio. Predicción a largo plazo 66 66 Analizando el resto de equipos, observamos que el equipo 5 y 33 tienen un comportamiento casi idéntico. Consultando sus parámetros constructivos, observamos que las diferencias entre estos sistemas son el tipo de tratamiento en el captador, el espesor del aislamiento de fondo del captador y el espesor del aislamiento del acumulador. Figura 8-45. Comportamiento mensual de los equipos de 5 y 33. 67 Análisis comparativo de equipos solares térmicos prefabricados por termosifón Con los equipos 20 y 22 sucede lo mismo, presentan un comportamiento muy similar, en especial en los meses más fríos, pero en este caso las características que varían son el tipo de tratamiento, el área de apertura y el volumen del acumulador, aunque respecto a estos últimos parámetros, la relación Volumen bruto del acumular/área de apertura es muy cercana. Figura 8-46. Comportamiento mensual de los equipos 20 y 22. Predicción a largo plazo 68 68 8.2.2.1.2 Equipos de 300l En los sistemas de 300l, con aislante de lana de vidrio (Figura 8-47), el que mejor comportamiento presenta es el equipo 36, con valores máximos de 1446,70 MJ en Atenas, 1356,82 MJ en Davos, 1413,01 MJ en Wurzburgo y 1265,80 MJ en Estocolmo. Figura 8-47. Comportamiento mensual de los equipos de 300l con Lana de vidrio. 69 Análisis comparativo de equipos solares térmicos prefabricados por termosifón Entre los equipos de 300l con tratamiento de lana de roca (Figura 8-48), el que mejor comportamiento presenta es el equipo 16, con máximas de 1358,20 MJ en Atenas, 1233,24 MJ en Davos, 1296,38 MJ en Wurzburgo y 1173,58 en Estocolmo. Figura 8-48. Comportamiento mensual de los equipos de 300l con lana de roca. En el caso de los sistemas con aislamiento de lana mineral, el equipo 26 es el que mayor producción obtiene, con valores máximos de 1505,046MJ, 1424,105MJ, 1490,59MJ, 1349,056MJ para Atenas, Davos, Wurzburgo y Estocolmo, respectivamente. Figura 8-49. Comportamiento mensual de los equipos de 300l con lana mineral. Predicción a largo plazo 70 70 8.2.3 Según el tipo de perfil Respecto al tipo de perfil, en los sistemas de 150l, tan sólo vamos a comparar los equipos 20 y 18 dado que tienen las mismas características, a excepción del tipo de perfil para señalar la influencia de este factorOtros dos equipos que tienen las mismas características a excepción del perfil son el 30 y el 15, pero como se ha comentado anteriormente, en ensayo al equipo 30 no se ha realizado adecuadamente, por lo que se excluyen estos equipos del estudio. Entre los equipos de 300l estudiados, tan sólo tenemos dos de perfil bajo, por lo que los compararemos con aquellos de perfil alto que tengan las mismas características en su mayoría. 8.2.3.1.1 Equipos de 150l Siendo de perfil bajo el equipo 20, y de perfil alto el 18, podemos observar como los sistemas de perfil bajo desarrollan un comportamiento mejor a los de perfil alto, siendo la producción media entre un 20% y 28% mayor en el equipo 20 respecto al 18. Figura 8-50. Comportamiento mensual de los equipos de 150l según el tipo de perfil. 71 Análisis comparativo de equipos solares térmicos prefabricados por termosifón 8.2.3.1.2 Equipos de 300l Los sistemas de perfil bajo son el 19 y el 24. El 19 lo compararemos con los equipos 10 y 29 (Figura 8-52), ya que tienen el mismo tratamiento selectivo y aislamiento de fondo del captador, aunque el espesor de este último varía en los tres casos, al igual que el aislamiento del acumulador y espesor del mismo, siendo poliuretano en el 10 y 29 y Poliol+Isocianato en el 19. El sistema 24 lo evaluaremos junto con el 3 (Figura 8-51), puesto que tienen las mismas características. Como se ha comentado en los sistemas de 150l, aquellos equipos con perfil bajo tienen un comportamiento mejor que los de perfil alto, siendo la producción media en torno al 17% mayor en el caso del equipo 19 respecto al 10, y un 80% respecto al 29; menos de un 5% mayor en el equipo 24 respecto al 3. Figura 8-51. Comportamiento mensual de los equipos 3 y 24, según el tipo de perfil.