Fundación Asturiana de la Energía

Transcripción

1 Realizado por Jesús Ignacio Prieto García para la Fundación Asturiana de la Energía (ref. CN , Universidad de Oviedo) Enero de 2004

2 ÍNDICE INTRODUCCIÓN... 3 INSTALACIONES DE ENERGÍA SOLAR TÉRMICA... 3 PROCEDIMIENTO TÉCNICO PARA EL DIMENSIONAMIENTO PRELIMINAR DE INSTALACIONES DE A.C.S Tipo de Construcción y Consumos de Agua Caliente... 4 Zonas Climáticas... 7 Necesidades energéticas... 8 Esquema básico de la instalación... 8 Características de los captadores fototérmicos... 9 Características del fluido portador de calor Orientación e inclinación de los captadores Conexión de los captadores Proyección de sombras Características del intercambiador de calor Características del acumulador Energía auxiliar Accesorios y control de la instalación Conducciones hidráulicas Conducciones eléctricas Mantenimiento Fracción de cobertura solar Estudio económico ANEXO 1: ESQUEMAS ANEXO 2: SÍMBOLOS ANEXO 3: EJEMPLO

3 INTRODUCCIÓN Uno de los objetivos de la Fundación Asturiana de la Energía (F. A. E. N. ) consiste en fomentar el desarrollo de las energías renovables en el Principado de Asturias, particularmente la energía solar. Entre las posibles aplicaciones de la energía solar destaca la preparación de agua caliente sanitaria (A. C. S.) mediante instalaciones de energía solar térmica, con notable influencia en el ahorro de energía primaria y en la reducción de emisiones de CO 2 a la atmósfera. Para potenciar en la región tal tipo de instalaciones se ha considerado interesante realizar la presente Aplicación para la Valoración de Instalaciones Solares Térmicas en Asturias (A. V. I. S. T. A.), basada en la simulación numérica de procesos, pues es conocido que la carencia de métodos de cálculo fiables y accesibles ha sido en ocasiones una barrera a la hora de sugerir algunos instaladores la alternativa solar a sus clientes. La mayor ventaja de la simulación numérica es quizá la realización de estudios paramétricos para evaluar, por ejemplo, la influencia del número de captadores, la influencia de la distribución horaria de la demanda de A. C. S. para un consumo total diario dado, la influencia del volumen del acumulador, la influencia de las consignas de control automático de las bombas, etc. siendo probablemente TRNSYS, del Solar Energy Laboratory de la Universidad de Wisconsin, el software más potente y utilizado en los últimos 25 años. En contrapartida, aplicaciones para simulación dinámica como TRNSYS tienen un coste elevado, tanto económico como de tiempo de aprendizaje, por lo que se han empleado habitualmente métodos de cálculo basados en valores medios mensuales o correlaciones basadas en simulaciones, como, por ejemplo, el clásico f Chart, derivado de TRNSYS, que es verdaderamente interesante, y casi imprescindible para cálculos de calefacción solar, pero predice, en general, fracciones de cobertura solar altas para nuestra región en algunos meses. A. V. I. S. T. A. se ha concebido teniendo en cuenta que la mayoría de los usuarios dispone actualmente de potentes y económicos ordenadores personales y emplean paquetes de software muy generalizados. Con su divulgación se pretende contribuir al conocimiento preciso acerca de cómo influyen los diversos parámetros en el funcionamiento. INSTALACIONES DE ENERGÍA SOLAR TÉRMICA Aunque la energía solar térmica puede ser empleada para diversas aplicaciones, el presente documento, como ya se ha dicho, sólo se refiere a instalaciones para preparación de A. C. S. Los componentes de dichas instalaciones consisten generalmente en: Zona destinada a la instalación de captadores solares. Zona destinada a sala de máquinas. Tuberías hidráulicas de impulsión y retorno entre las zonas antedichas. Tubería para cableado eléctrico de control entre las mismas zonas. PROCEDIMIENTO TÉCNICO PARA EL DIMENSIONAMIENTO PRELIMINAR DE INSTALACIONES DE A.C.S. Es de aplicación a las instalaciones de energía solar térmica para preparación de A. C. S. el Reglamento de Instalaciones Térmicas en Edificios (R. I. T. E.), aprobado por Real Decreto 1751/1998 de 31 de julio. No obstante, se ha comprobado que algunas de las 3

4 recomendaciones de dicho Reglamento, actualmente en revisión, no son congruentes con conocimientos corroborados por especialistas en la materia, por lo que el usuario deberá en ocasiones apoyarse en el Artículo 7º del propio R. I. T. E. para justificar "soluciones técnicas diferentes a las exigidas, que no impliquen una disminución de las exigencias mínimas del reglamento, siempre que su necesidad, derivada de la singularidad del proyecto, quede suficientemente justificada, técnica y documentalmente." A. V. I. S. T. A. proporciona dos utilidades para abordar el estudio de una instalación solar de A. C. S.: Prediseño: Simulación de la instalación con parámetros prefijados no modificables por el usuario, lo que permite realizar un dimensionamiento preliminar rápido. Análisis: Simulación de la instalación con parámetros modificables por el usuario, lo que permite realizar análisis de tendencias y cálculos de optimización. Se advierte al lector que en el presente documento sólo se emplean unidades del Sistema Internacional. Tipo de Construcción y Consumos de Agua Caliente La primera fase del Anteproyecto de la instalación consiste en determinar la demanda de A. C. S. Si no se dispone de una estadística o criterios específicos proporcionados por el propietario, se sugiere utilizar los valores de la Tabla 1, obtenidos tras consultar publicaciones especializadas. Tabla 1. Tipos de construcción y consumos diarios de A. C. S. a 60ºC Tipo de construcción Consumos diarios de A. C. S. a 60ºC Viviendas unifamiliares Comunidades de vecinos Bares y Restaurantes Hoteles Hospitales Cuarteles Polideportivos Industrias No clasificada L/persona L/persona 5-10 L/asiento L/cama L/cama L/persona L/ducha 5-25 L/persona A justificar La conversión entre demandas a las temperaturas típicas de preparación de 45ºC y de 60ºC puede realizarse mediante la siguiente ecuación: D ( 45º C) 1.45 D (60º C) 4

5 En la utilidad de 'Prediseño', el consumo total diario considerado en los cálculos es introducido indirectamente por el usuario al seleccionar el tipo de construcción y el número de ocupantes en el formulario de datos de partida de la Figura 1. La cifra resultante se supone constante para todos los meses del año y se distribuye horariamente a lo largo del día medio de cada mes conforme a los siguientes criterios: HORA SOLAR PORCENTAJE DEL CONSUMO TOTAL DIARIO 7 a 8 h 12 8 a 9 h a 13 h a 14 h a 21 h a 22 h 5 Fig. 1. Formulario de Datos de Partida para el Prediseño de Instalaciones de A. C. S. 5

6 En la utilidad de 'Análisis', la distribución horaria de la demanda de A. C. S. (Figura 2) puede editarse independientemente para cada mes mediante otro formulario (Figura 3), por lo que el formulario de datos de partida no hace referencia al tipo de construcción ni a la ocupación (Figura 4). Fig. 2. Aspecto de la distribución de la demanda de A. C. S. en un mes. Fig. 3. Formulario de Edición de Demanda de A. C. S. para el Análisis de Instalaciones El formulario de la Fig.3 también permite considerar temperaturas de utilización T u diferentes de unos meses a otros. En la utilidad de 'Análisis' puede ser elegido el período de utilización de la instalación, mientras que en la utilidad de 'Prediseño' está prefijado para utilización durante todo el 6

7 año. El período de utilización es importante a los efectos del cálculo de sombras proyectadas entre filas de captadores, o procedentes de obstáculos externos. Fig. 4. Formulario de Datos de Partida para el Análisis de Instalaciones de A. C. S. Zonas Climáticas Definir las características climáticas de la variada geografía asturiana es un requisito que condiciona la calidad de los cálculos de anteproyecto. Pendientes de disponer de datos de temperaturas e intensidades de radiación suficientemente específicos y derivados de mediciones experimentales en amplios intervalos temporales, A. V. I. S. T. A. utiliza los datos de radiación publicados para Oviedo en Anón. (1981) Radiación solar sobre superficies inclinadas, Centro de Estudios de la Energía, Ministerio de Industria y Energía. Con respecto a las temperaturas ambientales y del agua de red, A. V. I. S. T. A. utiliza los valores que figuran en la Tabla 2. A partir de las temperaturas máxima y mínima medias mensuales, se realiza una distribución armónica de la temperatura horaria mediante la siguiente ecuación: T a Ta,max + Ta,min Ta,max Ta,min π = + sen H ( H + 6) Este procedimiento implica algunos errores en las horas nocturnas, pues la distribución real de temperaturas es más compleja. No obstante, como en las primeras 6 horas del día no hay aportación solar y no suele haber consumo de A. C. S., los errores son presumiblemente aceptables. max 7

8 Tabla 2. Temperaturas medias ambientales y del agua de red en Oviedo Por otro lado, en la versión actual de A. V. I. S. T. A. se ha previsto de cara al futuro una clasificación en cinco Zonas Climáticas, a las que provisionalmente se asignan las capitales de los 78 concejos asturianos con los siguientes criterios: Zona Climática A: Oviedo y municipios de altitud intermedia. Zona Climática B: Municipios costeros del Centro y Occidente. Zona Climática C: Municipios costeros del Oriente. Zona Climática D: Municipios de la Cordillera Occidental. Zona Climática E: Municipios de la Cordillera Oriental. No obstante, se advierte que de momento esta asignación no tiene reflejo en los resultados, pues los cálculos se realizan con los mismos datos climáticos para cualquier localidad asturiana. Necesidades energéticas Los consumos de A. C. S. se traducen en una demanda de energía. En cada instante, la potencia útil Q & se puede computar mediante: u Q& u = m& u 4180 ( Tu TR ) donde m& u es el caudal másico de A. C. S. consumido a la temperatura T u y T R es la temperatura del agua fría procedente de la red de abastecimiento. Esquema básico de la instalación Aunque en la práctica los esquemas de las instalaciones solares de A. C. S. pueden presentar algunas variaciones, A. V. I. S. T. A. realiza cálculos basados en el esquema básico de la Figura 5. 8

9 Fig. 5. Esquema básico de la instalación solar de A. C. S. En el esquema se pueden diferenciar los tres subsistemas siguientes: Subsistema de conversión: Formado por los captadores solares, el intercambiador de calor y el circuito 'primario' de tuberías, que conecta los elementos del subsistema. Subsistema de acumulación: Formado por el depósito acumulador de A. C. S. y el circuito 'secundario', que lo conecta con el intercambiador. Subsistema de distribución: Formado por los conductos de suministro de A. C. S. y de llenado de agua de la red de abastecimiento. Dependiendo del tamaño de la instalación, el intercambiador puede ser exterior al acumulador (típicamente un intercambiador 'de placas') o interior al mismo (depósitos con doble envolvente o con serpentines internos, por ejemplo). En instalaciones pequeñas, se prescinde de las bombas, a costa de aumentar el diámetro de tuberías para lograr la circulación del fluido por convección natural. En la utilidad de 'Prediseño', se supone que el intercambiador es exterior al acumulador a partir de una superficie total de captación de 50 m 2. Características de los captadores fototérmicos La definición del rendimiento instantáneo η de un captador plano establece la siguiente relación entre la potencia calorífica útil Q &, la intensidad de radiación solar I s incidente sobre el captador y la superficie de captación A: η = 9 Q& I A El rendimiento también puede expresarse mediante la siguiente ecuación: η = F ( t a ) R s s n s F U R L Te Ta I s

10 donde las variables tienen el siguiente significado: F R Factor de ganancia del captador (t s a s ) n Producto entre el coeficiente de transmisión de la cubierta y el coeficiente de absorción de la placa del captador, para la radiación solar y con incidencia normal al captador U L T e T a Coeficiente total de pérdidas caloríficas en el captador Temperatura del fluido a la entrada de los captadores Temperatura del aire ambiental El producto F ( t a ) suele denominarse 'rendimiento óptico' del captador. R s s n En la utilidad de 'Prediseño', se supone que los captadores tienen la siguiente ecuación característica de rendimiento: Te T η = I En la utilidad de 'Análisis', el usuario puede editar una base de datos con las características de cada modelo. Se advierte que las ecuaciones de rendimiento están referidas a la temperatura del fluido a la entrada del captador. La ordenada en el origen y la pendiente de una ecuación de rendimiento referida a la temperatura media del fluido son iguales a las correspondientes a la ecuación referida a la temperatura de entrada, multiplicadas por el siguiente factor: 1 K = FRU L A 1 2m& c donde m& 1 y c e1 designan, respectivamente, el caudal másico y el calor específico del fluido primario. s 1 e1 Características del fluido portador de calor La potencia Q & también puede expresarse mediante la siguiente ecuación: Q& = m& 1 ce 1 a ( T T ) siendo T s la temperatura del fluido a la salida de los captadores. En la utilidad de 'Prediseño', los cálculos se realizan con los valores prefijados de m& 1 = kg/s y c e1 = 3975 J/(kg.ºC). El caudal másico equivale a 50 kg/(h.m 2 ) para un captador de 2 m 2 y cumple los criterios del R. I. T. E.. Con respecto al calor específico, la cifra corresponde a una mezcla de agua y anticongelante con una temperatura de congelación de 9 ºC, aproximadamente. s e 10

11 Orientación e inclinación de los captadores Cuando los captadores no disponen de regulación del ángulo de inclinación β y las instalaciones tienen período de utilización anual, el aprovechamiento energético resulta más favorable con ángulos de inclinación aproximadamente iguales a la latitud λ: β λ Si el período de utilización corresponde al invierno, el ángulo de inclinación más favorable es unos 10º mayor: β λ +10º En cambio, en verano resulta más favorable reducir la inclinación unos 10º: β λ 10º Aunque la utilidad de 'Prediseño' se refiere a utilización durante todo el año, se permite seleccionar el valor de β para considerar captadores que puedan tener varias posiciones de inclinación a lo largo del año. Con respecto al ángulo α de orientación respecto a la dirección Sur, la presente versión de A. V. I. S. T. A. sólo considera el valor α = 0, que siempre está próximo a la solución óptima. Conexión de los captadores Se supone que todos los captadores están conectados en paralelo con retorno invertido para equilibrar caudales (Figura 6). Con esta solución se persigue que las temperaturas del fluido en los captadores sean lo más bajas posible para no penalizar su rendimiento. Si se conectan varias filas de captadores, se supone que estarán en paralelo entre sí. Proyección de sombras Fig. 6. Conexión en paralelo con retorno invertido A. V. I. S. T. A. calcula mediante la siguiente ecuación la mínima distancia d que debe existir entre filas paralelas de captadores, situados sobre el mismo plano horizontal, de longitud L e inclinación β, para que no proyecten sombras entre sí: sen β d = L cos β + tg Amin siendo A min la mínima altitud solar en el período de utilización de la instalación (Figura 7). Por otro lado, para obtener coordenadas solares, orto, ocaso y horas de sol teóricas, así como analizar sombras procedentes de obstáculos ajenos, se facilita la utilidad 'Soltime' (Figura 8). 11

12 L A min d Fig. 7. Proyección de sombras entre filas de captadores Fig. 8. Ventana de Cálculos de la utilidad Soltime. El análisis de sombras usa la proyección estereográfica, donde las coordenadas de altitud A y acimut Z de cada rayo solar corresponden a un punto de un diagrama polar (Figura 9). El procedimiento de análisis comienza con la representación de la 'ventana solar' correspondiente a la localidad, esto es, las posiciones de los rayos solares en los solsticios de verano e invierno, entre las 9 y las 15 horas (Figura 10). A continuación se determinan las coordenadas de los rayos que unen los vértices superiores de cada obstáculo (edificio, árbol, valla publicitaria,...) con los captadores (puede considerarse inicialmente el centro de los mismos o, en caso de análisis detallado, pueden realizarse cálculos sucesivos para los extremos de las filas de captadores). Si las coordenadas de estos rayos están fuera de la ventana solar no se producen sombras sobre los captadores. 12

13 SUR -100 OESTE -90 Z A CAPTADOR NORTE SUR Fig. 9. Proyección de sombras por obstáculos exteriores ESTE 90 RAYO SOLAR DE COORDENADAS A = 40, Z = 30 Fig. 10. Proyección estereográfica y Ventana solar 13

14 Características del intercambiador de calor En un intercambiador de calor con pérdidas despreciables, el calor cedido por el fluido primario es íntegramente absorbido por el secundario. Se denomina relación de capacidades al cociente entre las capacidades caloríficas del fluido secundario y del primario, es decir: m& c R = m& c 2 e2 La calidad del intercambiador se mide por su eficiencia P. Si R 1, la eficiencia se relaciona con las temperaturas de los fluidos primario y secundario a la entrada (T e1, T e2 ) y salida (T s1, T s2 ) del intercambiador mediante: T P = T e1 e1 1 e1 T T Con tuberías bien calorifugadas, se cumplira: T e1 T s, T s1 T e. Si R < 1, la eficiencia viene dada por: T P' = T Cuando el intercambiador es interior al acumulador se emplea la siguiente definición: s2 e1 T P = T siendo T m la temperatura del agua en el acumulador. Obviamente, si no hay intercambiador P = 1. Por otro lado, cuando existe intercambiador el fluido primario entra en los captadores a una temperatura más alta, lo que se traduce en una pérdida de rendimiento. Esta pérdida se cuantifica corrigiendo el factor de ganancia del captador mediante el siguiente factor: F' F R R = FRU 1+ m& c L e1 e1 s1 e2 T T T T e2 e2 s1 m 1 A m& 1c P 1 e1 e e1 1 ( mc & ) min Todas estas ecuaciones son consideradas por el programa. Características del acumulador En el acumulador, la variación de energía almacenada durante un intervalo de tiempo t es igual a la diferencia entre la potencia Q & aportada por el sistema captadores/intercambiador y la potencia perdida como consecuencia del consumo de A. C. S. y de la transferencia de calor por las paredes del depósito: siendo: Tm M 4180 = Q& m& u 4180 u R A A m a t ( T T ) U S ( T T ' ) 14

15 M U A S A T' a masa del acumulador Coeficiente total de pérdidas caloríficas a través de los cerramientos del acumulador Superficie de los cerramientos del acumulador Temperatura del aire ambiental en torno al acumulador Cuando el acumulador está en ambiente interior se supone que T ' ( T + 20) / 2. a = a A. V. I. S. T. A. resuelve la última ecuación en diferencias finitas a intervalos de una hora, calculando la temperatura T m del agua en el acumulador. Los cálculos se inician para cada mes suponiendo el depósito lleno de agua a la temperatura de red T m T R y finalizan cuando las temperaturas T m al inicio y al final de las 24 horas difieren en menos de 0.1ºC (criterio de convergencia). Cuando no se cumple el criterio de convergencia se genera un mensaje de advertencia al usuario. En la utilidad de 'Prediseño' el volumen del acumulador está prefijado para cumplir los criterios del R. I. T. E. y se supone que el acumulador es un cilindro metálico de 2 m de altura en ambiente interior, que tiene un aislamiento térmico de 50 mm con conductividad térmica igual a W/(m.ºC), que el coeficiente de transferencia convectiva del agua interior vale 50 W/(m 2.ºC) y que el coeficiente de transferencia convectiva del aire exterior vale 10 W/(m 2.ºC). Energía auxiliar Para garantizar la temperatura de utilización T u en el consumo, se requiere el uso de energía auxiliar. El calentamiento, desde la temperatura de acumulación T m hasta la de utilización T u, suele hacerse en serie con el circuito de distribución (calentamiento instantáneo o "al paso") (Figura 11a), o en el interior de un acumulador con capacidad ajustada al consumo diario (Figura 11b). La aportación de energía auxiliar en el circuito primario es inadecuada, ya que haría que el fluido primario entrase a los captadores con mayor temperatura, reduciendo el rendimiento a valores inadmisibles. Por el mismo motivo, la aportación de energía auxiliar en el interior del acumulador principal, también llamado "de inercia", mediante un serpentín, resistencias de calefacción o similares, sólo debe realizarse excepcionalmente, como en los tratamientos esporádicos anti-legionella. Los esquemas reales pueden ser variados. En el Anexo 1 se muestran dos soluciones a título orientativo. T u CONSUMO m u M ' T u CONSUMO m u T m M Q AUX T m M Q AUX T R RED T R RED (a) (b) Fig. 11. Equipos de energía auxiliar 15

16 Cuando se emplea un calentador auxiliar instantáneo en serie con el acumulador, la potencia auxiliar correspondiente se calcula mediante: Q& AUX = m& 4180 u 16 ( T T ) En A. V. I. S. T. A. se computa el consumo de energía auxiliar mediante esta ecuación. Accesorios y control de la instalación Entre los accesorios de la instalación solar se incluyen bombas de circulación, vasos de expansión, válvulas, filtros, purgadores y otros elementos que por ser convencionales en una instalación de A. C. S. no requieren normas específicas de diseño. Merece especial comentario el control automático de la instalación, que suele realizarse mediante uno o más termostatos diferenciales a los que llegan las señales de las sondas de temperatura dispuestas, como mínimo, a la salida de los captadores y en el acumulador. En A. V. I. S. T. A. se simula el arranque de la bomba del circuito primario cuando se verifican simultáneamente las siguientes condiciones: La parada se simula cuando se verifica: T T s m T m < T m,max T T s m < Tm T m,max Con respecto a la bomba del secundario, se supone que funciona siempre que lo haga la del primario, aunque en la realidad no siempre es aceptable esta condición. Los parámetros T ON, T OFF y T m,max pueden ser modificados por el usuario en la utilidad de 'Análisis', mientras que en la de 'Prediseño' están prefijados, respectivamente, en los valores 5, 2 y 58ºC. Se advierte que el R. I. T. E. especifica una diferencia mínima de 2ºC entre T ON y T OFF. Conducciones hidráulicas Los elementos principales y accesorios descritos están conectados mediante tuberías de impulsión y retorno, vistas o empotradas, que deberán cumplir las normas de aislamiento y seguridad prescritas en las normas UNE y UNE Conducciones eléctricas Se instalará una tubería para cableado de sondas eléctricas entre zona de captadores y sala de máquinas. Asimismo se dispondrá otra tubería para alimentar bombas y equipos de control y medida en sala de máquinas. Mantenimiento Al objeto de garantizar el correcto funcionamiento de la instalación solar térmica se deben cumplir unas condiciones técnicas de mantenimiento para los cuatro componentes T ON T OFF u m

17 característicos de la instalación: Zona de captadores, sala de máquinas, conducciones hidráulicas y conducciones eléctricas. El coste anual de mantenimiento debe ser estimado para analizar la viabilidad económica del anteproyecto. Fracción de cobertura solar La fracción de cobertura solar se define como la relación entre la energía aportada por la instalación solar y la energía total necesaria para atender la demanda. Esta última se define en A. V. I. S. T. A. considerando no sólo la energía asociada al consumo de A. C. S. sino también las pérdidas caloríficas a través de los aislamientos y la energía que se precisa para establecer la distribución horaria de temperaturas en el acumulador. Los cálculos pueden referirse a cada mes o al total del año y representarse gráficamente (Figura 12). Estudio económico Fig. 12. Fracción de cobertura solar Como complemento, A. V. I. S. T. A. facilita la utilidad 'Solmoney' con el objetivo principal de calcular el período de amortización o retorno del capital invertido. Los datos de partida necesarios son el importe de la inversión, de los gastos anuales de mantenimiento, ambos como cifras diferenciales respecto de la instalación convencional, y del ahorro proporcionado por la instalación solar, así como estimaciones del coste del dinero, de la tasa de inflación anual y del incremento de precio del combustible sustituido (Figura 13). Además, se calcula la tasa de rentabilidad interna, esto es, la rentabilidad que produciría la inversión del capital durante un plazo igual a la vida útil de la instalación. Obviamente, se considera que la instalación es viable cuando el período de amortización es menor que la vida útil, y cuando la tasa de rentabilidad interna es superior al coste del dinero. 17

18 Fig. 13. Ventana de análisis económico 18

19 ANEXO 1: ESQUEMAS Esquema 1. Sistema doméstico interior sin retorno con calentador de gas 19

20 Esquema 2. Sistema industrial interior con retorno 20

21 ANEXO 2: SÍMBOLOS 21

22 ANEXO 3: EJEMPLO 22

23 Resultados de Simulación de Enero 23

24 Resultados de Simulación de Abril Resultados de Simulación de Julio 24

25 14/01/

26 26