CAP. 5 - CÁLCULO DE PRESTACIONES ENERGÉTICAS CÁLCULO DE PRESTACIONES ENERGÉTICAS DE LOS SST

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1 5.1 CAP. 5 - CÁLCULO DE PRESTACIONES ENERGÉTICAS 5.2 CÁLCULO DE PRESTACIONES ENERGÉTICAS DE LOS SST Introducción Métodos de cálculo Parámetros de uso Parámetros climáticos Parámetros de funcionamiento de los SST Criterios de cálculo Aplicación de los métodos de cálculo 5.3 PRINCIPIOS BÁSICOS DEL CÁLCULO DE PRESTACIONES El cálculo tiene por objeto predecir y conocer el comportamiento térmico de una determinada instalación solar ubicada en un determinado lugar y atendiendo una determinada utilización ENERGÍA NECESARIA ENERGÍA DISPONIBLE PARÁMETROS CLIMÁTICOS RENDIMIENTO PARÁMETROS DE FUNCIONAMIENTO ENERGÍA APORTADA PARÁMETROS DE USO Instalación: Parámetros de funcionamiento Lugar: Parámetros climáticos Utilización: Parámetros de uso 1

2 5.4 MÉTODOS DE CÁLCULO MC simplificados: datos de entrada sin gran nivel de detalle salidas sobre comportamiento global basados en correlaciones experimentales MC detallados: utiliza modelos físicos o matemáticos de componentes o sistemas permiten contrastar resultados con datos de funcionamiento son más complejos de manejar requieren mayor esfuerzo en definir e interpretar 5.5 Ejemplos de MC simplificados: rendimiento medio f-chart CALCULASIT MÉTODOS DE CÁLCULO Ejemplos de MC detallados: T-Sol Polysun Retscreen Trnsys Transol Acsol PARÁMETROS DE USO Para el cálculo de la demanda de energía: DE ACS = Q ACS (T U ). r. c p. ( T U - T AF ) Valores a determinar: - Consumo de agua caliente - Temperatura de uso de agua caliente - Temperatura de agua fría Necesidad de estimar la demanda a largo plazo: - Edificios existentes y nuevos - Datos normalizados vs datos medidos - Uniformidad y posibilidad de comparación de cálculos 2

3 5.7 CONSUMOS UNITARIOS NORMALIZADOS a 45ºC Caso Consumo unitario (litros/pers.día) Nº personas por plaza (p) Hospitales y clínicas 8 1 Ambulatorio y centro de salud 6 1 Hotel (5 estrellas) 1 1 Hotel (4 estrellas) 8 1 Hotel (3 estrellas)/apartahotel 6 1 Hotel/Hostal/Apartahotel 5 1 Hostal/Pensión/Apartahotel 4 1 Camping/campamentos 3 1 Residencia (ancianos, estudiantes, etc.) 6 1 Centro penitenciario 4 1 Albergue 35 1 Vestuarios/Duchas colectivas 3 3 Escuela sin duchas 6,5 Escuela con duchas 3,2 Cuarteles 4 1 Fábricas y talleres 3 1 Oficinas 3,5 Gimnasios 3 1 Restaurantes 12 2 Cafeterías PERFILES DE CONSUMOS Diarios: no importantes 1 Perfil n ormalizado de con sumo d e agu a calien te sanitaria en viviendas,9,8,7,6 l / h,5,4,3,2,1 : 6: 12: 18: : Tie mpo Mensuales: muy importantes 5.9 PARÁMETROS CLIMÁTICOS - Datos geográficos: Latitud y altitud - Radiación solar Irradiancia (W/m 2 ) e Irradiación (MJ/m 2 ó kwh/m 2 ) Directa, difusa y global Radiación global sobre superficies inclinadas - Temperatura ambiente Valores desfasados Valores extremos (máximos y mínimos) Pérdidas térmicas - Otros factores climáticos Datos normalizados en Norma Técnica 3

4 5.1 RADIACIÓN SOLAR 9, 8, 7, 6, , 4, 3, 2, 1, , ENE FEB MAR ABR MAY JUN JUL AGO SEP OCT NOV DIC RADIACIÓN Y TEMPERATURA AMBIENTE TF RAD TA DEMANDA 3, 25, 2, 15, 1, 5,, E F M A M J J A S O N D PARÁMETROS DE LA INSTALACIÓN 1 Sistema de captación: Tipo de captador: superficie útil, factor de ganancia, coeficiente de pérdidas térmicas, modificador del ángulo de incidencia, pérdida de carga asociada. Número de captadores, forma de conexionado y caudales en circulación Sistema de acumulación: Tipo de acumulador: volumen, disposición, geometría, altura y diámetro, situación y diámetro de conexiones, espesor y conductividad del aislamiento térmico, mecanismos de estratificación. Número de acumuladores, forma de conexionado y caudales en proceso de carga y descarga Sistema de intercambio: Tipo de intercambiador: potencia térmica, efectividad, superficie de intercambio, coeficientes de transmisión de calor, pérdida de carga. Número de intercambiadores, forma de conexionado y caudales en proceso de carga y descarga. Sistema de transporte: Tipos de fluidos y sus características: calor específico, temperaturas de ebullición y congelación, densidad, viscosidad y coeficiente de expansión térmica. Tipo de tuberías, diámetros y longitudes y trazados, espesor y conductividad del aislamiento, potencia de bombas, etc. Sistema de control: Posición de sensores y estrategia de control, criterios de activación/parada, temperaturas de corte, histéresis, etc. Sistema de apoyo: Características, funcionamiento y estrategias de control del sistema, válvulas mezcladoras, bomba de recirculación, etc. 4

5 5.13 PARÁMETROS DE LA INSTALACIÓN 2 Superficie de captación Rendimiento de la instalación A c * H t * IST = CS * DE ACS Valores medios orientativos: Rendimiento medio: entre 3 y 5% Irradiación anual: entre 1.2 y 2. kwh/m2 Fracción solar: entre 6 y 8% PARÁMETROS CARACTERÍSTICOS Rendimiento y fracción solar: EDIS x REN = ESA = ENEC * FS Orden de magnitud: Diario: 5 x 4% = 2 kwh/m2.día = 3 x 66% Anual: 1.8 = 7 kwh/m2. año = 1. ENERGÍA NECESARIA ENERGÍA DISPONIBLE RENDIMIENTO ENERGÍA APORTADA PARÁMETROS CLIMÁTICOS PARÁMETROS DE FUNCIONAMIENTO PARÁMETROS DE USO 5.15 PROCEDIMIENTO BÁSICO DEL CÁLCULO PARÁMETROS DE USO CONFIGURACIÓN BÁSICA CONSUMO DE ENERGÍA ORIENTACIÓN E INCLINACIÓN PARÁMETROS CLIMÁTICOS 1. Definición y valoración de los parámetros de uso 2. Selección de la configuración básica 3. Cálculo de la demanda y el consumo de energía 4. Selección de la orientación e inclinación 5. Obtención de los datos climáticos 6. Selección de los parámetros funcionales del SST 7. Cálculo de las prestaciones PARÁMETROS FUNCIONALES NO CÁLCULO ÓPTIMO? SI Modificación de la configuración Ajuste de la orientación e inclinación de captadores Modificación y ajuste de los parámetros funcionales Nuevo cálculo de las prestaciones de la instalación INSTALACIÓN ÓPTIMIZADA 5

6 5.16 CRITERIOS DE CÁLCULO DE PRESTACIONES DE UN SST Requisito administrativo. Se exige el cumplimiento de una contribución solar mínima: - Base de datos de partida - Algoritmo de verificación Otros criterios de cálculo de prestaciones energéticas: - Minimizar costos de energía convencional de apoyo - Minimizar costos de inversión - Máxima rentabilidad de la inversión - Optimizar tamaño del SST Posibilidad de utilizar otros datos y métodos de cálculo 5.17 I.T DATOS RELEVANTES DE LA COMUNA La base de datos a utilizar es la que se indica en los Anexos I al VI de la RES.(E) N 52 del Ministerio de Energía, del 3 de septiembre de 21, información que está disgregada por comuna, siendo obligatoria la utilización de los datos de la comuna respectiva, para efectos de dimensionar los sistemas solares 5.18 CONTENIDO DE LOS ANEXOS I II III IV V VI Información comunal: Latitud media y zona climática. Factor modificador de la radiación incidente a una superficie inclinada. Radiación solar global, media mensual y media anual, sobre superficie horizontal. Radiación solar difusa, media mensual y media anual, sobre superficie horizontal. Temperatura ambiente media mensual y media anual de la comuna. Temperatura de agua de red media mensual y media anual de la comuna. 6

7 5.19 I.T. 1.2 ESTIMACIÓN DE LA DEMANDA DE AGUA CALIENTE Para dimensionar el SST, se estimará la demanda diaria de agua caliente sanitaria a una temperatura de referencia de 45 ºC y se considerarán los consumos diarios de agua caliente sanitaria por persona igual a 4 litros al día Se dimensionará el número de personas que habita o habitará en la vivienda, conforme al número de dormitorios de la vivienda, según la siguiente tabla: Nº de dormitorios >5 Nº de personas 1, Nº de dormitorios 5.2 I.T. 1.3 CONTRIBUCIÓN SOLAR MÍNIMA DEL SISTEMA Los SST deben aportar una Contribución Solar Mínima correspondiente a cada zona climática definida según su radiación solar, conforme a lo establecido en el artículo 23 del DS N 331 de 29, del Ministerio de Economía, que fija el reglamento de la Ley N Para verificar el cumplimiento de la contribución solar mínima exigida se utilizará el algoritmo de cálculo establecido en la norma técnica emitida a través de la RES.(E) N 52 del Ministerio de Energía, del 3 de septiembre de 21. La asociación de cada comuna con una de las zonas climáticas definidas, es la que se indica en la misma norma técnica referida CONTRIBUCIÓN SOLAR MÍNIMA POR ZONA Latitud Zona Contribución Media Climatica Solar Mínima 9-24º A 75% Antofagasta Valor a Verificar CSM*,85 64% Santiago Latitud Zona Contribución Media Climatica Solar Mínima 38-33º B 66% Valor a Verificar CSM*,85 56% Latitud Zona Contribución Media Climatica Solar Mínima 62-37º C 57% Concepción Latitud Zona Contribución Media Climatica Solar Mínima Puerto montt º D 48% Valor a Verificar CSM*,85 48% Valor a Verificar CSM*,85 41% Castro Latitud Zona Contribución Media Climatica Solar Mínima 32-42º E 39% Valor a Verificar CSM*,85 33% Latitud Zona Contribución Media Climatica Solar Mínima Punta Arenas239-54º F 3% Valor a Verificar CSM*,85 26% 7

8 5.22 VERIFICACIÓN DEL CUMPLIMIENTO DE LA CSM Se usa un algoritmo basado en el método de cálculo f-chart que calcula la contribución solar de una instalación solar de producción de agua caliente. Es un método, extraído de correlaciones de programas de simulación, muy utilizado para estimaciones medias anuales y se ha generalizado mucho uso aunque sus correlaciones sólo deberían ser aplicables en su rango de validez. Para su aplicación se utilizan los valores medios diarios mensuales y la instalación queda definida por sus parámetros más significativos PARÁMETROS CLIMÁTICOS Del Anexo II se obtiene el factor modificador de la radiación incidente en función de la latitud de la comuna (que se obtiene del Anexo I) y de la inclinación del SST Multiplicando el factor modificador anterior por la radiación sobre el plano horizontal (del Anexo III para cada comuna) se obtiene la radiación sobre el plano con la misma inclinación que los colectores. El valor anterior estará multiplicado por los factores de pérdidas por orientación y por sombras. El valor de la temperatura ambiente se obtiene directamente del Anexo V para cada comuna PARÁMETROS DE DEMANDA El consumo de agua caliente se obtiene en función del número de dormitorios de la vivienda, que determina el número de personas de cada vivienda y asignando el consumo unitario de 4 litros por persona y día resulta el consumo total La temperatura de agua caliente siempre es de 45ºC La temperatura de agua fría de la red se obtiene directamente del Anexo VI para cada comuna. 8

9 5.25 CÁLCULO DE LA DEMANDA DE ENERGÍA Con los parámetros anteriores se determina la demanda neta de energía (DE ACS ) que es la cantidad de energía necesaria para aumentar la temperatura del caudal de agua consumida (Q ACS ) desde la temperatura de entrada de agua fría (T AF ) hasta la temperatura de uso (T U ) en los puntos de consumo. Siendo r la densidad y c p el calor específico a presión constante del agua. DE ACS = Q ACS (T U ). r. c p. ( T U - T AF ) 5.26 PARÁMETROS DE LA INSTALACIÓN - Superficie útil de captación, definida por: Número de colectores Área útil del colector solar cada uno - Rendimiento del colector: Factor de eficiencia del colector. Coeficiente global de pérdida [W/(m2 ºC)]. - Volumen específico de acumulación [litros/m2] - Caudales e intercambio: Caudal en circuito primario [(litros/h)/m2] - [(Kg/h)/m2]. Caudal en circuito secundario [(litros/h)/m2] - [(Kg/h)/m2]. Calor específico en circuito primario [Kcal/(Kg ºC)]. Calor específico en circuito secundario [Kcal/(Kg ºC)]. Efectividad del intercambiador FACTORES ADIMENSIONALES Factor de ganancia Factor de pérdidas Y=F R.( ) n.f R/F R.( )/( ) n.h T.A/L X=F R.U L. F R/F R.(1-T a ). t.a/l F R (τα) n : Factor de eficacia del captador. F R U L : Coeficiente global de pérdidas del captador. F R /F R : Factor de corrección captador/intercambiador de calor. Tα : Temperatura ambiente media mensual Δ t : Número total de horas A : Superficie de captación L : Carga térmica mensual global (τα)/( τα) n : Modificador del ángulo de incidencia. H T : Radiación diaria media mensual incidente sobre la superficie de captación por unidad de área 9

10 5.28 FACTORES DE CORRECCIÓN Corrección por acumulación Corrección por temperaturas C v =((V/A)/75) -.25 C t =(11,6+1,18 T c +3,86 T f -2,32 T a )/(1-T a ) Cálculo del factor f: X c =C t.c v.x f=1,29 Y-,65 X c -,245 Y 2 +,18 X c2 +,215 Y 3 El valor f que resulta de la expresión anterior es el valor de la contribución solar en tanto por uno del periodo considerado 5.29 CURVAS f 5.3 APORTE SOLAR MENSUAL Y ANUAL CONTRIBUCIÓN SOLAR MENSUAL (f i ). Obtenido por el método f-chart. APORTE SOLAR = demanda energética x cobertura solar (f) AS i = f i * L i Mediante igual proceso operativo que el desarrollado para un mes, se operará para todos los meses del año. La relación entre la suma de las coberturas mensuales y la suma de las cargas caloríficas, o necesidades mensuales de calor, determinará la cobertura anual del sistema: F 12 i 1 12 i 1 f L i L i i 1

11 5.31 DISTRIBUCIÓN MENSUAL DE DEMANDAS Y APORTES ENE FEB MAR ABR MAY JUN JUL AGO SEP OCT N OV D IC mes 1% 9% 8% 7% 6% 5% 4% 3% 2% 1% % DEMANDA MENSUAL kwh C ONTRIBUCIÓN SOLAR kwh CONTRIBUCION SOLAR % 5.32 PARÁMETROS DE ENTRADA Y VERIFICACIÓN SST Unifamiliar 2 Demanda Diaria 12,lt VOLUMEN ALMACENAMIENTO : 8 [L] SUPERFICIE COLECTORES : 1 [m 2 ] INCLINACIÓN : 8 [ ] 35 ORIENTACIÓN CST (AZIMUT) : 37 [ ] FACTOR GLOBAL PÉRDIDAS (UL): 4 [W/m 2 K] EFICIENCIA ÓPTICA (η) : 8,% PERDIDAS POR SOMBRAS : % CONTRIBUCIÓN SOLAR DEL SST : 6,16% CUMPLE 5.33 AJUSTE Y OPTIMIZACIÓN DEL APORTE SOLAR DEMANDA MENSUAL kwh CONTRIBUCIÓN SOLAR kwh CONTRIBUCION SOLAR % ENE % FEB % MAR % ABR % MAY % JUN % JUL % AGO % SEP % OCT % NOV % DIC % TOTAL ,16% 11

12 5.34 ANÁLISIS DE SENSIBILIDAD 1. Superficie de colectores 2. Volumen de acumulación 3. Inclinación del colector 4. Orientación del colector 5. Factor global de pérdidas del colector 6. Eficiencia óptica del colector 7. Pérdidas por sombra 5.35 AS1 - SUPERFICIE DE COLECTORES % % 8% 7% 6% 5% 4% 3% 2% 1% ,5 1, 1,5 2, % ENE FEB MAR ABR MAY JUN JUL AGO SEP OCT NOV DIC SUPERFICIE COLECTORES m2,5 1, 1,5 2, CONTRIBUCIÓN SOLAR % 36,1 6,2 75,5 83, 5.36 AS2 VOLUMEN DE ACUMULACIÓN % 9% 8% 7% 6% 5% 4% 3% 2% 1% % ENE FEB MAR ABR MAY JUN JUL AGO SEP OCT NOV DIC VOLUMEN ACUMULACIÓN L CONTRIBUCIÓN SOLAR % 57,6 6,2 61,5 62,4 12

13 5.37 AS3 INCLINACIÓN DEL COLECTOR % % 8% 7% 6% 5% 4% 3% 2% 1% % ENE FEB MAR ABR MAY JUN JUL AGO SEP OCT NOV DIC INCLINACIÓN º CONTRIBUCIÓN SOLAR % 59,8 6,2 59,1 57, 5.38 AS4 ORIENTACIÓN DEL COLECTOR % 9% 8% 7% 6% 5% 4% 3% 2% 1% % ENE FEB MAR ABR MAY JUN JUL AGO SEP OCT N OV DIC ANGULO DE AZIMUT º CONTRIBUCIÓN SOLAR % 6,2 58,4 52,9 42, AS5 FACTOR DE PÉRDIDAS DEL COLECTOR % % 8% 7% 6% 5% 4% 3% 2% 1% , 4, 6, 8, % ENE FEB MAR ABR MAY JUN JUL AGO SEP OCT N OV DIC FACTOR DE PÉRDIDAS UL 2, 4, 6, 8, CONTRIBUCIÓN SOLAR % 67,3 6,2 53,6 47,5 13

14 5.4 AS6 EFICIENCIA ÓPTICA DEL COLECTOR % % 8% 7% 6% 5% 4% 3% 2% 1% % ENE FEB MAR ABR MAY JUN JUL AGO SEP OCT N OV DIC EFICIENCIA OPTICA CONTRIBUCIÓN SOLAR % 6,2 58,4 52,9 42, AS7 PÉRDIDAS POR SOMBRA % % 8% 7% 6% 5% 4% 3% 2% 1% % ENE FEB MAR ABR MAY JUN JUL AGO SEP OCT N OV DIC PÉRDIDAS POR SOMBRAS % CONTRIBUCIÓN SOLAR % 6,2 57,3 54,4 51, SENSIBILIDAD A LOS EFECTOS DEL CONSUMO % % 8% 7% 6% 5% 4% 3% 2% 1% ENE FEB MAR ABR MAY JUN JUL AGO SEP OCT N OV DIC % CONSUMO DE LA VIVIENDA L/d CONTRIBUCIÓN SOLAR % 85,5 6,2 44,3 34,9 14

15 5.43 EFECTO DEL CONSUMO EN LAS PRESTACIONES ENE FEB MAR ABR MAY JUN JUL AGO SEP OCT NOV DIC 5.44 EFECTO DEL CONSUMO EN LAS PRESTACIONES CONSUMO DE LA VIVIENDA L/d CONTRIBUCIÓN SOLAR % 85,5 6,2 44,3 34,9 DEMANDA DE ENERGÍA kwh APORTE SOLAR kwh APORTE AUXILIAR kwh Temperatura media solar ºC EFECTO DEL CONSUMO EN LAS PRESTACIONES 15

16 5.46 CAUDALES DE CONSUMO Y TEMPERATURAS Caudales de consumo y temperaturas: De preparación (45 T AF ) Q ACS ( T ) Q ACS (45) De distribución ( T T ) AF De uso Tp Td Tu Q pre Q dis Q uso T pre T dis T uso La demanda de energía no cambia - Si afecta al consumo de energía y al funcionamiento de las instalaciones 5.47 PÉRDIDAS TÉRMICAS ASOCIADAS A LA DEMANDA CASO 1 - PT alimentación CASO 2 - PTali + PT distribución CASO 3 - PTali + PTdis + PT recirculación 5.48 DEMANDA BRUTA DE ENERGÍA TÉRMICA Representa la energía térmica realmente consumida para la producción de acs: CE ACS = DE ACS + PT DEM = DE ACS + PT ALI + PT DIS + PT REC + PT ACU Pérdidas térmicas asociadas a la demanda: - PT ALI pérdidas de agua y energía de la red de alimentación del interior de la vivienda o del centro de consumo - PT DIS pérdidas de la red de distribución que incluye todos los circuitos de impulsión de agua caliente. - PT REC pérdidas térmicas del circuito de recirculación (junto con PT DIS constituyen las pérdidas por disponibilidad ) - PT ACU pérdidas térmicas del acumulador de ACS del sistema de apoyo 16

17 5.49 CASO 1 ACOPLAMIENTO DE LA INSTALACIÓN SOLAR CASO 2 CASO DEMANDAS DE ENERGÍA Y APORTE SOLAR ENE FEB MAR ABR MAY JUN JUL AGO SEP OCT NOV DIC