CAPÍTOL 5: INSTALLACIÓ DEL SISTEMA SOLAR TÈRMIC PER L AIGUA CALENTA SANITÀRIA

Transcripción

1 CAPÍTOL 5: INSTALLACIÓ DEL SISTEMA SOLAR TÈRMIC PER L AIGUA CALENTA SANITÀRIA En aquest capítol es duran terme tots els procediments per realitzar la installació d ACS amb plaques solars de la vivenda

2 Xavier Barcons Tejero 5.1 Determinació de la superfície captador Dades pel càlcul de la superfície del captador. Taula5.1: Temperatura mitja xarxa a Barcelona Mesos Temperatura [ºC] Gener 8 Febrer 9 Març 11 Abril 13 Maig 14 Juny 15 Juliol 16 Agost 15 Setembre 14 Octubre 13 Novembre 11 Desembre 8 Taula extreta dels apunts d estalvi i optimització energètica [3] Taula 5.2: Hores de sol a Barcelona Mesos Hores sol Gener 7.5 Febrer 8 Març 9 Abril 9.5 Maig 9.5 Juny 9.5 Juliol 9.5 Agost 9.5 Setembre 9 Octubre 9 Novembre 8 Desembre 7 Taula extreta dels apunts d estalvi i optimització energètica [3]

3 Sistema de climatització i aigua calenta sanitària d una vivenda unifamiliar Taula 5.3: Temperatura mitja ambient diürna a Barcelona Mesos Temperatura [ºC] Gener 11 Febrer 12 Març 14 Abril 17 Maig 20 Juny 24 Juliol 26 Agost 26 Setembre 24 Octubre 20 Novembre 16 Desembre 12 Taula extreta dels apunts d estalvi i optimització energètica [3] Taula 5.4: Radiació global diària a Manresa Orientació Sud,inclinació 50º Mesos MJ/m²dia Gener Febrer Març Abril Maig Juny Juliol Agost Setembre Octubre Novembre Desembre Taula extreta de l ICAEN (Institut català d energia) La inclinació òptima és la latitud ± 10º segons es prioritzi l hivern o l estiu, com el que es vol és prioritzar l hivern la inclinació òptima és de 50º Equacions pel càlcul de la superfície del captador - Rendiment del radiador: Aquesta equació és característica del captador PS 2.0 que és el seleccionat

4 Xavier Barcons Tejero Tm T η = I s a I s Tm T I s a 2 Eq(5.1) T m : Temperatura mitja al captador [ºC] T : Temperatura ambient [ºC] a I : Irradiació solar [W/m²] s - Radiació absorbida pel captador: R abs. capt = η Re [KWh/m²dia] Eq(5.2) η : Rendiment del captador R e : Radiació efectiva [KWh/m²dia]. Radiació absorbida pel captador. - Radiació aprofitada pel sistema: R apr. sistem = η Rabs. capt [KWh/m²dia] Eq(5.3) η : Rendiment del sistema R abs. capt : Radiació absorbida pel captador [KWh/m²dia]. - Demanda tèrmica: E= V ρ cp ( T T ) [J/dia] ACS wl s a EQ(5.4) V ACS : Volum d ACS [l/dia] ρ : Densitat de l aigua Kg/m³ cp wl : Calor específic de l aigua J/KgK T : Temperatura de subministrament. [ºC] s

5 Sistema de climatització i aigua calenta sanitària d una vivenda unifamiliar T a : Temperatura d entrada de la xarxa. [ºC] - Superfícies del captador: S E = [m²] R apr. sistem Eq(5.5) Determinació de la superfície del captador. A continuació es detallarà el càlcul de la superfície del captador pel mes de gener. La metodologia a seguir és la següent: Radiació efectiva És la radiació que agafa el captador realment, ja que no aprofita tota la radiació global degut a pèrdues degudes al marc del captador, la reflexió que no s aprofita i altres factors. Aquestes pèrdues són d un 6%. Re=12.13*0.94=11.40 MJ/m²dia=3.17 KWh/m²dia Irradiació solar Potència radiant que incideix en un pla, en un interval de temps, en aquest mes son 7.5 hores de sol. I s =(3.17/7.5)*1000= W/m² Rendiment del captador Utilitzant l equació 5.1 amb una temperatura mitja al captador de 50ºC (Temperatura d entrada al captador 45ºC i de sortida 55ºC), una temperatura ambient de 11ºC i la I s obtinguda anteriorment s obté el rendiment. η =38% Segons l apartat del CTE [7] és correcte, perquè el rendiment ha de ser superior al 40% i el rendiment global del captador és del 50% Radiació absorbida pel captador Utilitzant l equació 5.2 R abs. capt =1.20 KWh/m²dia

6 Xavier Barcons Tejero Radiació aprofitada pel sistema El rendiment del sistema es suposa d un 85% Utilitzant l equació 5.3 R. =1.02 KWh/m²dia apr sistem Demanda energètica Per determinar el cabal d aigua calenta necessària en la taula 5.5 es mostren les diferents demandes d ACS a 60ºC, segons la taula 3.1 del CTE [7]. Com que la temperatura final del captador és de 45ºC s ha d utilitzar les següents expressions que també les facilita el CTE per determinar el cabal. Taula 5.5: Demanda d ACS a 60ºC Com en la vivenda hi han 4 persones el cabal d aigua és de l/dia pel mes de gener, els càlculs per obtenir el cabal es mostren al capítol 4 dels annexes

7 Sistema de climatització i aigua calenta sanitària d una vivenda unifamiliar La temperatura de subministrament és de 45ºC i la de la xarxa de 8ºC, utilitzant l equació 5.4 E= J/dia=7.257 KWh/dia Superfície del captador Amb l equació 5.5 s obté una la següent superfície S=7.11 m² Aquesta superfície és per una cobertura d un 100% segons el CTE [7] per aquesta localitat la demanda mínima ha de ser d un 60 % per la qual cosa s ha de posar una superfície més petita que garanteixi aquesta cobertura mínima. En la taula 4.6 del capítol 4 dels annexes es mostren els resultats del càlculs de tot l any. Per tant es pot veure que amb una captador de 2m² de superfície obtenim una cobertura del 60 % que ja és suficient per les característiques de la installació. El captador seleccionat és el PS 2.0, les seves característiques es poden veure al capítol 4 dels annexes. Figura 5.1: Captador PS 2.0 de la marca BAXIROCA

8 Xavier Barcons Tejero 5.2 estalvi energètic. Un cop ja es coneix la demanda energètica de tots els mesos i la cobertura del captador mensual es pot determinar l estalvi que hi ha d energia. Taula 5.6: Demanda energètica mensual G F Mç A Mg Jny Jul A S O N D E [KWh] % En el següent gràfic es pot veure l estalvi d energia amb la utilització del captador solar. Figura 5.2: Estalvi de potència mensual Es pot veure que en el mesos d estiu és on hi ha més estalvi, en canvi a l hivern molta demanda l ha de cobrir la caldera de recolzament

9 Sistema de climatització i aigua calenta sanitària d una vivenda unifamiliar 5.3 Dimensionament de les tuberies i caigudes de pressió del circuit primari. En la figura 5.2 es pot veure un esquema general de una installació d aigua calenta sanitària per plaques solars en una vivenda unifamiliar. Figura 5.2: Esquema d ACS per plaques Com es pot veure està comprés per: - Acumulador: el dipòsit on es manté i surt l aigua calenta de subministrament, també té incorporat el bescanviador de calor. - Central solar: és l encarregat d accionar la bomba quan detecta que la diferència de temperatures del captador i l acumulador ha variat. - Grup hidràulic: on està dipositada la bomba o circulador i la vàlvula de seguretat, disposa d una connexió pel vas d expansió. - Vas d expansió: petit dipòsit que absorbeix la sobrepressió ocasionada pels canvis de temperatura de l aigua. - Vàlvula termostàtica: vàlvula que permet que l aigua que surt de la caldera a una temperatura més calenta que la de subministrament es barregi amb l aigua freda. - Captador: escalfa el líquid del circuit primari - Caldera de recolzament: recolza al circuit primari quan no pot proporciona l ACS a la temperatura necessària

10 Xavier Barcons Tejero La metodologia a seguir pel càlcul de les tuberies i les caigudes de pressió és la següent: Càlcul del cabal - Potència: η S I = c pwl m T. [KW] Eq(5.6) η : Rendiment del captador. S: Superfície del captador. [m²] c : Calor específic del líquid primari KJ/KgK pwl m : Cabal màssic [Kg/s] T: Temperatura de sortida-temperatura d entrada [ºC] - Cabal volumètric:. V. m = 1000 [l/s] ρ Eq(5.7) ρ : Densitat del líquid del circuit primari a 55ºC Kg/m³ Càlcul del diàmetre interior Per calcular el diàmetre s ha d establir una velocitat constant del fluid en tota la installació, la velocitat ha de ser <1 per qüestions de soroll, per tant s agafarà un valor de c=1 m/s, ja que si per qualsevol motiu s ha de variar algun diàmetre es tingui un petit marge de seguretat. El diàmetre es determina amb la següent equació: V = c A V 2 D π = c D= V c π [mm] Eq(5.8)

11 Sistema de climatització i aigua calenta sanitària d una vivenda unifamiliar. V : Cabal volumètric [m³/s] C: velocitat [m/s] El diàmetre que s obté com és d esperar no és el nominal per tant s ha de mirar en taules normalitzades i agafar el diàmetre nominal que més s ajusti per damunt al calculat. En la taula 5.7 es pot veure la llista de tubs de coure normalitzats segons UNE-EN Taula 5.7: Tubs de coure nominals Càlcul de la pèrdua de càrrega de la tuberia Per determinar la pèrdua de càrrega per tram de tuberia s utilitza la següent equació: P m c 1 = ρ C D [Pa/m] Eq(5.9)

12 Xavier Barcons Tejero c: velocitat [m/s] C: constant. 150 pel coure D: Diàmetre [m] ρ : densitat del fluid. Pels conductes de retorn (T=55ºC) 1035 Kg/m³ Pels conductes d anada (T=45ºC) 1040 Kg/m³ Càlcul de la pèrdua de càrrega dels accidents Les K (factors de pèrdues dels accidents s han obtingut de la següent pàgina web [3] - colzes: El colze produeix una pèrdua de pressió, per calcular-la s utilitza la següent equació: 2 c P= K ρ 2 [Pa] Eq(5.10) K: factor de pèrdues en l accident. 0.5 ρ : densitat del fluid. Pels conductes de retorn (T=55ºC) 1035 Kg/m³ Pels conductes d anada (T=45ºC) 1045 Kg/m³ c: velocitat [m/s] Figura 5.3: Relació radi diàmetre d un colze de 90º La vàlvula de seguretat té un k de 2.5 segons el Catàleg de calefacció BAXIROCA [9] La caiguda de pressió del captador es calcula amb la següent equació 5.11 del Catàleg de calefacció BAXIROCA [9] X: cabal [Kg/h] P= (0.005x x 2 ) 100 [Pa] Eq(5.11) Per tant les pèrdues de càrrega del tram és la suma de les pèrdues de la tuberia més la pèrdua del accidents que hi han

13 Sistema de climatització i aigua calenta sanitària d una vivenda unifamiliar Segons els tècnics de BAXIROCA la caiguda de pressió del bescanviador és despreciable Càlcul del circuit primari. En el circuit primari hi ha anticongelant en un 20% i aigua en un 80%,ja que és la proporció que estableix el Catàleg de calefacció BAXIROCA [9], les propietats de la barreja són les següents: Taula 5.8: Propietats del líquid del circuit primari ρ [Kg/m³] 55ºC 45ºC Cp [KJ/Kg] Amb la superfície del captador de 2m², els valors mitjos de la irradiació i el rendiment del captador (taula 4.6 del capítol 4 dels annexes), T=55-45=10 i Cp= utilitzant l equació 5.6 s obté el cabal màssic. m= Kg/s Amb la densitat de 45ºC i el cabal màssic es calcula el cabal volumètric amb l equació V = l/s=1.17*10-5 m³/s Amb una velocitat de 1 m/s i l equació 5.8 es calcula el diàmetre interior D=3.85 mm Dn=8 mm S agafa aquest diàmetre perquè és el més petit que hi ha en el mercat. Es torna a calcular la velocitat, ja que s ha variat el diàmetre, amb l equació 5.8 C=0.23 m/s Utilitzant l equació 5.9 s obté la següent pèrdua de pressió per metre en la tuberia i al multiplicar-la per la seva longitud s obté la pèrdua de càrrega

14 Xavier Barcons Tejero - Tram de retorn: 20 metres P =118.9 Pa/m 2378 Pa m Amb l equació 5.10 es calcula la caiguda de pressió dels colzes, en aquest tram hi ha 8 colzes. P= Pa - Tram d anada: 17.5 metres P = Pa/m Pa m En aquest tram hi ha 7 colzes. P= Pa Amb l equació 5.10 es calcula la caiguda de pressió de la vàlvula de seguretat. P=68.44 Pa Amb l equació 5.11 es calcula la caiguda de pressió del captador. P=24.03 Pa La pèrdua de càrrega total del circuit primari és la següent: P= = Pa 5.4 Elecció de la bomba. Amb la caiguda de pressió ja calculada i el cabal en la gràfica facilitada en el Catàleg de calefacció BAXIROCA [9] P= Pa=0.53 m.c.a.. V = l/s=0.042 m³/h

15 Sistema de climatització i aigua calenta sanitària d una vivenda unifamiliar Figura 5.4: Corba característica de la bomba S està dintre de l àrea que forma la línia per tant és correcte. 5.5 Elecció de l acumulador. L acumulador escollit és el AS 160-1E, que té una capacitat de 160 litres, el bescanviador té un superfície de 0.66 m² i una capacitat de 4.3 litres Figura 5.5: Acumulador AS 160-1E de la marca BAXIROCA Segons el apartat del CTE [7] la relació de la superfície del bescanviador i la de captació ha de ser superior a /2=0.33 per tant és correcte 5.6 Elecció del vas d expansió. Per determinar el vas d expansió primer de tot es calcula el volum total de tota la installació - Volum de les tuberies= m³=1.78 l - Volum del captador=1.5 l

16 Xavier Barcons Tejero - Volum del bescanviador=4.3 l Volum total=7.58 l Segons en l apartat del CTE [7] el vas d expansió ha de tenir el volum total de tota la installació més un 10%, per tant Volum del total=8.33 l Llavors el volum del vas d expansió s obtindrà a partir de la següent expressió. Vv = Vt( h) [l] Eq(5.12) h: altura del punt més alt dela captador fins a vas d expansió: 9 m Vv = 2.42 l El vas d expansió Vasoflex del catàleg BAXIROCA [9], amb capacitat de 8 litres ja és correcte. Figura 5.6: Vas d expansió Vasoflex 5.7 Elecció de la caldera. Serà la mateixa que la de la calefacció, GAVINA GTI 30 de 33.7 KW Figura5.7: Caldera GTI

17 Sistema de climatització i aigua calenta sanitària d una vivenda unifamiliar 5.8 Components de la installació. - Central solar CS-10 BAXIROICA Figura 5.8: Central solar CS-10 - Vàlvula mescladora termostàtica BAXIROICA Figura 5.9: Vàlvula termostàtica - Purgador d aire BAXIROICA Figura 5.10: Purgador d aire

18 Xavier Barcons Tejero - Accessoris pel muntatge del collector a la teulada BAXIROICA Figura 5.11: Accessoris pel muntatge del collector PS Aïllant KAIMANFLEX