INSTALACIONES SOLARES TÉRMICAS Predimensionado y Dimensionado GRUPO FORMADORES ANDALUCÍA

Transcripción

1 Predimensionado y Dimensionado GRUPO FORMADORES ANDALUCÍA

2 DISEÑO DE UNA INSTALACIÓN SOLAR TÉRMICA Para el diseño de la instalación se seguirán los siguientes puntos, los cuales deberán ir recogidos y justificados en la Memoria del Proyecto: Predimensionado: - Datos de Partida. - Esquema de Principio de la Instalación. - Cálculo de la carga de consumo. - Cálculo de la energía disponible. - Determinación de la superficie de captadores y del volumen de acumulación.

3 Dimensionado: - Selección de la configuración básica. - Selección del fluido de trabajo. - Diseño del sistema de captación. - Diseño del sistema de acumulación. - Dimensionado del sistema de intercambio. - Diseño del circuito hidráulico. - Diseño del sistema de energía auxiliar. - Diseño del sistema eléctrico y de control. - Características técnicas de los componentes. - Materiales y protecciones. - Diseño de la estructura soporte. - Recepción y pruebas funcionales de la instalación. - Mantenimiento de las instalaciones.

4 PROCEDIMIENTO DE CÁLCULO 1. Datos de partida. 2. Cálculo de la demanda de ACS Demanda de referencia unitaria a 60ºC Número de unidades de consumo (personas, usuarios, Demanda de referencia a 60ºC Demanda a la temperatura elegida. 3. Contribución solar mínima 4. Demanda de energía térmica 5. Energía solar aportada (F-chart) 6. Superficie de captadores y volumen de acumulación 7. Dimensionado del sistema de intercambio 8. Cálculo de pérdidas por orientación e inclinación 9. Cálculo de pérdidas de radiación por sombras 10.Balance energético anual

5 1. Datos de partida Bloque de 20 viviendas (10 viviendas de 3 dormitorios y 10 de 4 dormitorios) Tipo de combustible sistema auxiliar: gas natural. Temperatura del ACS: 45ºC Situación: SEVILLA. Latitud: 37ºN Temperaturas AFS localidad según meses: (Compañía suministradora o UNE 94002:2005) Enero: 10ºC Febrero: 11ºC Marzo: 12ºC Abril: 13ºC Mayo: 14ºC Junio: 15ºC Julio: 16ºC Agosto: 16ºC Septiembre: 15ºC Octubre: 13ºC Noviembre: 11ºC Diciembre: 10ºC

6 1. Datos de partida

8 2. Cálculo de la demanda de ACS Demanda de referencia a 60ºC (Tabla 3.1.) Viviendas multifamiliares: 22 litros/día persona (60ºC) Criterio de demanda Viviendas unifamiliares Viviendas multifamiliares Hospitales y clínicas Hotel **** Hotel *** Hotel/Hostal ** Camping Hostal/Pensión * Residencia (ancianos, estudiantes, Vestuarios/Duchas colectivas Escuelas Cuarteles Fábricas y talleres Administrativos Gimnasios Lavanderías Restaurantes Litros ACS/día a 60º C 30 por persona 22 por persona 55 por cama 70 por cama 55 por cama 40 por cama 40 por emplazamiento 35 por cama 55 por cama 15 por servicio 3 por alumno 20 por persona 15 por persona 3 por persona 20 a 25 por usuario 3 a 5 por kilo de ropa 5 a 10 por comida Cafeterías 1 por almuerzo

9 2. Cálculo de la demanda de ACS Número de unidades de consumo En este caso personas: Número de dormitorios: 10 x x 4 = 70 dormitorios Simultaneidad según tabla apartado (sólo viviendas) Más de 7 dormitorios» nº personas = nº dormitorios = 70 Nº de dormitorios más de 7 Número de personas nº dormitorios

10 2. Cálculo de la demanda de ACS Demanda de referencia a 60ºC nº personas = litros/día persona x 70 personas = D i (60ºC)=1540 litros/día (Valores constantes durante todos los meses del año) Demanda anual de ACS: D(60ºC) = 1540 l/d x 365 días» D(60ºC) = litros

11 2. Cálculo de la demanda de ACS Demanda a la temperatura elegida (45ºC) 12 D ( T ) = D ( T ) ( ) 60 T i i D = i ( T ) Di 60 C x 1 T Ti donde: D(T) = demanda de ACS a la temperatura T D i (T)= demanda de ACS para el mes i a la temperatura T D i (60ºC)= demanda de ACS para el mes I a la temperatura de 60ºC T = temperatura del acumulador final. T i = Temperatura media del AFS en el mes I.

12 2. Cálculo de la demanda de ACS Demanda a la temperatura elegida (45ºC) (Enero) D i = = l / d per l / d per x 70 per = 2200 l/ d Temperaturas AFS localidad según meses: Enero: 10ºC Febrero: 11ºC Marzo: 12ºC Abril: 13ºC Mayo: 14ºC Junio: 15ºC Julio: 16ºC Agosto: 16ºC Septiembre: 15ºC Octubre: 13ºC Noviembre: 11ºC Diciembre: 10ºC

13 2. Cálculo de la demanda de ACS Demanda a la temperatura elegida (45ºC) MES Demanda diaria (l/d) Personas Demanda mensual D i (l/d) nº días mes Total (litros) Enero Febrero Marzo Abril Mayo Junio Julio Agosto Septiembre Octubre Noviembre Diciembre D T =

14 2. Cálculo de la demanda de ACS Demanda a la temperatura elegida (45ºC) Como la demanda total anual D(45ºC) = litros la demanda diaria será: litros / 365 días = 2364 litros/días Esta demanda supone un consumo por persona de: litros / día personas = 33,77 litros / día persona frente a los 22 litros/día persona a la temperatura de 60ºC

16 3. Contribución solar mínima Datos necesarios: Demanda ACS = 2364 litros/día Localidad: SEVILLA Zona climática: (según Fig o tabla 3.3.) ZONA V Energía auxiliar: Gás natural (Tabla 2.1.)

17 3. Contribución solar mínima

18 3. Contribución solar mínima

19 3. Contribución solar mínima Datos necesarios: Demanda ACS = 2364 litros/día Localidad: SEVILLA Zona climática: (según Fig o tabla 3.3.) ZONA V Energía auxiliar: Gás natural (Tabla 2.1.) CONTRIBUCIÓN SOLAR MÍNIMA 70%

21 4. Demanda de energía térmica D ACS = D( T ) ρ C p ( Tuso TAF ) donde: D ACS = D(T) = r = Cp = T uso = T AF = demanda de energía térmica para ACS (kw/día) consumo de ACS en cada mes (litros/día) densidad del agua (1 Kg/litro) calor específico del agua ( kw/kgºc) temperatura de uso (ºC) temperatura del agua fría (ºC) Temperaturas agua distribución en Sevilla Enero 10ºC Julio 16ºC Febrero 11ºC Agosto 16ºC Marzo 12ºC Septiembre 15ºC Abril 13ºC Octubre 13ºC Mayo 14ºC Noviembre 11ºC Junio 15ºC Diciembre 10ºC

22 4. Demanda de energía térmica D ACS = D( T ) ρ C p ( Tuso TAF ) En nuestro caso: tomando una temperatura media del agua de 13ºC D ACS = kw/h Temperaturas agua distribución en Sevilla Enero 10ºC Julio 16ºC Febrero 11ºC Agosto 16ºC Marzo 12ºC Septiembre 15ºC Abril 13ºC Octubre 13ºC Mayo 14ºC Noviembre 11ºC Junio 15ºC Diciembre 10ºC

24 5. Energía solar aportada (F-chart)

28 6. Superficie de captadores y volumen de acumulación El área total de los captadores tendrá un valor tal que se cumpla la siguiente condición: donde: V 50 < A 180 V = A = volumen del depósito de acumulación solar (litros) la suma de las áreas de los captadores 50: Relación de consumo en horas de captación 80: Relación de consumo en horario nocturno

29 6. Superficie de captadores y volumen de acumulación El volumen de acumulación debe ser acorde con la demanda a lo largo del día, luego: V Demanda (litros/día) En nuestro caso: Demanda = 2364 litros/día luego: V = 2500 litros

30 6. Superficie de captadores y volumen de acumulación Otras recondaciones (no establecidas en el HE-4): 60 M/A 100 0,8 V/M 1,2 1,25 100A/M 2 donde: V = volumen del depósito de acumulación solar (litros) A = la suma de las áreas de los captadores (m 2 ) M = demanda diaria (litros/día)

31 6. Superficie de captadores y volumen de acumulación

33 7. Dimensionado del sistema de intercambio INSTALACIONES SOLARES TÉRMICAS

34 7. Dimensionado del sistema de intercambio En nuestro caso: P 500 A donde A = m 2 luego: P = W

36 8. Cálculo de pérdidas por orientación e inclinación Caso Orientación e inclinación Sombras Total General 10 % 10 % 15 % Superposición 20 % 15 % 30 % Integración arquitectónica 40 % 20 % 50 % Tabla 2.4 Pérdidas límite

37 8. Cálculo de pérdidas por orientación e inclinación Objetivo es determinar los límites en la orientación e inclinación de los módulos de acuerdo con las perdidas máximas permisibles. Las perdidas se calcularan en función del: Angulo de inclinación ß y del ángulo de acimut α ORIENTACIÓN ÓPTIMA: Sur INCLINACIÓN ÓPTIMA: Demanda constante anual: la latitud geográfica. Demanda preferente en invierno: +10º Demanda preferente en verano: - 10º

38 8. Cálculo de pérdidas por orientación e inclinación

39 8. Cálculo de pérdidas por orientación e inclinación Objetivo es determinar los límites en la orientación e inclinación de los módulos de acuerdo con las perdidas máximas permisibles. Las perdidas se calcularan en función del: Angulo de inclinación ß y del ángulo de acimut α

40 8. Cálculo de pérdidas por orientación e inclinación Dimensionado gráfico en el que se obtienen directamente las ganancias para 41ºN de latitud. Para otras latitudes se aumentan o disminuyen los ángulos de inclinación

42 9. Cálculo de pérdidas de radiación por sombras Elevación (º) 0h -1h 1h D1 D2-2h D3 D4 2h C1 C2-3h D5 C3 C4 D6 3h B1 B2 C5-4h B4 C6 D7 B3 D8 4h A1 A2 B6 C7 B5 C8-5h D9 A3 A4 D10 5h B7 A5 A6 B8 C9 C10-6h D11 A7 A8 D12 6h B9 B10 C11-7h C12 D13 A9 A10 D14 7h B11 B Acimut (º) Sobre la carta solar se perfila el obstáculo y con él se obtienen las porciones afectadas por sombra. Se confecciona una expresión con la que se obtiene el porcentaje de pérdidas

43 9. Cálculo de pérdidas de radiación por sombras

46 9. Cálculo de pérdidas de radiación por sombras Elevación (º) 0h -1h 1h D1 D2-2h D3 D4 2h C1 C2-3h D5 C3 C4 D6 3h B1 B2 C5-4h B4 C6 D7 B3 D8 4h A1 A2 B6 C7 B5 C8-5h D9 A3 A4 D10 5h B7 A5 A6 B8 C9 C10-6h D11 A7 A8 D12 6h B9 B10 C11-7h C12 D13 A9 A10 D14 7h B11 B Acimut (º) Sobre la carta solar se perfila el obstáculo y con él se obtienen las porciones afectadas por sombra. Se confecciona una expresión con la que se obtiene el porcentaje de pérdidas Porción: A10: 0.75 Porción: B10: 0.75 Porción: B12: 0.25 Porción: B8: 0.25

48 9. Cálculo de pérdidas de radiación por sombras Luego las pérdidas por sombra serán: Porción: A10: 0.75 Porción: B10: 0.75 Porción: B12: 0.25 Porción: B8: 0.25 P (%) = 0.75 x x x x 0.99 P (%) = 0.65 % Caso Orientación e inclinación Sombras Total General 10 % 10 % 15 % Superposición 20 % 15 % 30 % Integración arquitectónica 40 % 20 % 50 %

50 10. Balance energético anual BALANCE ENERGÉTICO ANUAL Kw*h Ene Feb Mar Abr May Jun Jul Ago Sep Oct Nov Dic Meses Demanda Energética Aporte Solar

51 SEPARACIÓN ENTRE CAPTADORES k = d h

52 CIRCUITO HIDRÁULICO Y SISTEMA AUXILIAR Dimensionado del circuito hidráulico Igual que en una red de fontanería. Dimensionado del sistema auxiliar Calculado para el 100% de la demanda.

53

54

55

56

57

58 Tabla 1. Datos Climáticos Mensuales Mes Tª ambiente (ºC) Horas diarias Tª agua fría (ºC) Radiación Horizontal (MJ/m 2 ) (Kwh /m 2 ) Radiación Inclinada (45º) (MJ/m 2 ) (Kwh /m 2 ) Enero 10,5 7, ,96 61,66 496,62 137,91 Febrero 12,3 8, ,98 86,94 517,94 143,47 Marzo 14,6 8, ,83 133,01 685,10 190,25 Abril 17,2 9, ,60 164,33 632,40 175,72 Mayo 19,9 9, ,40 192,89 672,70 186,34 Junio 24,8 9, ,70 195,75 648,90 179,75 Julio 27,9 9, ,24 204,79 702,15 194,50 Agosto 27,8 9, ,09 186,41 713,31 197,58 Septiembre 24,8 9, ,32 146,20 686,40 190,13 Octubre 19,8 8, ,86 103,85 621,24 172,08 Noviembre 15,0 7, ,90 69,42 539,10 149,33 Diciembre 11,4 7, ,30 58,42 448,88 124,34 Datos obtenidos de la Tabla II del punto 6 del Texto Refundido de las especificaciones Técnicas de Diseño y Montaje de las Instalaciones Solares Térmicas para producción de Agua Caliente y las modificaciones de aplicación en el Programa Prosol.

59 DATOS DE PARTIDA. DEMANDA: ESCALERA 1: Nº de unidades de consumo: 94 Uds. Consumo unitario: 40 litros/día Consumo total máximo: 94x40=3760 litros En la siguiente tabla se muestran los consumos Consumo Número de A.C.S. Energía Final Útil Litros de Ocupación % Uds consumo (l/día) Agua Caliente (kw h) Agua Caliente Enero 100, Febrero 100, Marzo 100, Abril 100, Mayo 100, Junio 100, Julio 100, Agosto 100, Septiembre 100, Octubre 100, Noviembre 100, Diciembre 100, TOTAL AÑO 100,

60 CÁLCULO DE LA CARGA DE CONSUMO ESCALERA 1 Consumo diario máximo Consumo medio anual Consumo medio en temporada estival Variación mensual litros litros litros/día Ver tabla de dimensionado

61 SUPERFICIE DE COLECTORES Y VOLUMEN DE ACUMULACIÓN El dimensionado de la instalación deberá realizarse de forma que en ningún mes del año la energía producida por la instalación solar supere el 110 % de la demanda de consumo y no más de tres meses seguidos el 100 %. Para el cálculo hemos utilizado tablas de cálculo de SODEAN basado en el método de las curvas F-Chart. En instalaciones solares térmicas para ACS, el área total de captadores A, el volumen de acumulación solar V y la carga de consumo diaria M deben cumplir ciertas condiciones: 50 < V/A < 120 (V en litros y A en m2). 60 < M/A < 100 (M en litros y A en m2). 0.8 < V/M < 1.2 Adimensional. ESCALERA 1 Método de cálculo utilizado: Demanda anual de energía: Aporte solar anual: Fracción solar: Superficie total de captación (A): Volumen total de acumulación solar (V): Relaciones: 100*A/M: V/M V/A: M/A: Curvas de F. Chart kw*h kw*h 69,10% 38,40 m litros 1,02 0,93 91,15 97,92

62 BALANCE ENERGÉTICO ANUAL Kw*h Ene Feb Mar Abr May Jun Jul Ago Sep Oct Nov Dic Meses Demanda Energética Aporte Solar

63

64

65 SELECCIÓN DE LA CONFIGURACIÓN BÁSICA El sistema elegido para el calentamiento de ACS mediante energía solar térmica consistirá en un sistema de captación para calentar un depósito acumulador centralizado mediante un intercambiador exterior de placas por bloque. De este acumulador partirá un circuito de agua caliente cerrado que servirá a interacumuladores individuales por vivienda. Configuración elegida: Circuito primario: Sistema de energía auxiliar: Centralizada por campos Sistema de circulación forzada con intercambiador de calor de placas independiente. Termo de gas natural modulante por vivienda.

66 SELECCIÓN DEL FLUIDO DE TRABAJO Riesgo de heladas: Fluido seleccionado: Protección contra heladas: Si Etilen-glicol 30% Anticongelante A continuación se presentan las características de del fluido de resultante de trabajo. Agua glicolada (concentración del 30%), según RITE: Tª de congelación: -14.1ºC Densidad: 1,05 kg/m 3 Calor específico: 3,642 kj/(kg K) Conductividad térmica 0,447 W/(m K) Viscosidad dinámica 2,99 mpa s

67 ESCALERA 1 Número de depósitos: Volumen de cada depósito: = litros Datos técnicos de los acumuladores Tipo: Acumulador directo Modelo: MV-1500-RB de Lapesa Capacidad: litros Longitud: mm Diámetro: mm Peso vacío: 373 kg Peso en servicio: kg Tipo: Acumulador directo Modelo: MV-2000-RB de Lapesa Capacidad: litros Longitud: mm Diámetro: mm Peso vacío: 446 kg Peso en servicio: kg

68

69

70

71

72

73

74 DIMENSIONADO DEL SISTEMA DE INTERCAMBIO La potencia mínima de diseño del intercambiador independiente P, en W, en función del área de captadores A, en m 2, cumplirá la condición: P 500 A (W) Tipo: Intercambiador de placas Potencia escalera 1: 500 x = W =19,20 Kw ESCALERAS 1 (Intercambiador 1) Potencia: 26,45 Kw Rendimiento: 75% Aislamiento: poliuretano Espesor de aislamiento: 5 cm Nº de placas: 20 Pérdida de carga: 1,89 mca < 3 mca Superficie de intercambio:

75 DISEÑO DEL CIRCUITO HIDRÁULICO El sistema hidráulico de la instalación comprende varios circuitos: 1. Circuito primario: captador intercambiador de placas. 2. Circuito secundario: intercambiador de placas acumulador. 3. Circuito de consumo: acumulador interacumuladores individuales en viviendas. El caudal de circulación en el circuito primario se determinará en función de la superficie del captador instalado. Para aplicaciones de ACS se aconseja un parámetro de diseño de 55 l/h por cada m 2 de captador. La velocidad de circulación del fluido será inferior a 2 m/s. Las pérdidas de carga por metro de tubería han de ser en todos los tramos menores que 40 mmca/m.

76

77

78

79 DISEÑO DEL SISTEMA ELÉCTRICO Y DE CONTROL Control diferencial: Limitación de temperatura máxima: Actuación temperatura máxima: Limitación de temperatura mínima: Actuación temperatura mínima: Sí (El sistema de control actuará y estará ajustado de manera que las bombas no estén en marcha cuando la diferencia de temperatura sea menor de 2ºC y no estén paradas cuando la diferencia sea mayor de 7ºC. La diferencia de arranque y de parada del termostato diferencial no será mayor que 2ºC.) Sí (60ºC) Sí Sí (35ºC) Sí

80

81 AISLAMIENTO Fluido interior caliente Diámetro exterior Temperatura del fluido (ºC) (**) (mm) (*) 40 a a a a 200 D < D < D < D < D (*) Diámetro exterior de la tubería sin aislar (**) Se escoge la temperatura máxima de red