CÁLCULO DE LA CONTRIBUCIÓN SOLAR TÉRMICA EN INSTALACIONES DE ACS EN EDIFICIOS.

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1 CÁLCULO DE LA CONTRIBUCIÓN SOLAR TÉRMICA EN INSTALACIONES DE ACS EN EDIFICIOS. COMPARACIÓN ENTRE EL MÉTODO DE SIMULACIÓN DINÁMICA Y F-CHART CONSIDERANDO PÉRDIDAS EN LOS CIRCUITOS. Guilló, J.F.*, Lucas, M.*, Lucas, R.*, Vicente, P.G. Departamento de Ingeniería de Sistemas Industriales. Grupo de Ingeniería Energética, Universidad Miguel Hernández de Elche, Avda. de la Universidad s/n, Ed. Torreblanca, 03202, Elche, España, Tel.: , pedro.vicente@umh.es RESUMEN Se ha analizado la influencia de las pérdidas por distribución en el dimensionado de instalaciones solares comparando dos métodos comúnmente empleados en el cálculo de la contribución solar de edificios de viviendas: f-chart y simulación dinámica. Se han analizado 3 esquemas tipo en un edificio modelo de 22 viviendas y 70 ocupantes situado en la zona climática IV y en la provincia de Alicante. Para la comparación entre ambas metodologías de cálculo se han empleado los mismos valores de entrada tanto de datos climáticos como de consumo de ACS. PALABRAS CLAVE: Dimensionado de instalaciones, energía solar térmica ABSTRACT It has analyzed the impact of distribution losses in the size of solar installations by comparing two methods commonly used in calculating the contribution of solar residential buildings: f-chart and dynamic simulation. 3 schemes have been analysed in a building 22 houses and 70 occupants located in the IV and climate in the province of Alicante. For comparison between the two methodologies have been used for calculating the same values input from climate data as consumption of ACS. KEYWORDS: Solar installations design, solar thermal energy

2 INTRODUCCIÓN Desde la entrada en vigor del Código Técnico de la Edificación, es obligatorio realizar el dimensionado de las instalaciones solares térmicas de forma que se garantice la contribución solar mínima exigida en la normativa. El actual Reglamento de Instalaciones Térmicas en los Edificios establece inspecciones de eficiencia energética que deberán corroborar el cumplimiento de esta contribución solar. En este sentido, uno de los métodos más utilizados para el cálculo de instalaciones solares en edificios es el método f-chart. Se trata de un método de fácil uso y programación pero que por haber sido ajustado en esquemas simples, su uso en esquemas tan distintos como ocurre en edificios de viviendas es arriesgado. Los programas que emplean esquemas piseñados y realizan los cálculos mediante la simulación horaria del comportamiento de la instalación son en principio más fiables, aunque debe tenerse en cuenta que las simulaciones no suelen modelizar con exactitud el comportamiento real de la instalación y que en todo caso se realizan hipótesis de cálculo que pueden estar muy lejos de la realidad. DESCRIPCIÓN DEL PROBLEMA Se ha realizado el cálculo de la contribución solar en 3 esquemas de funcionamiento de un edificio de 22 viviendas mediante los métodos de simulación dinámica (TRNSOL) y f-chart (CTE-Solar). La demanda de ACS es de 1540 litros al día a 60ºC, que se corresponde con una demanda energética de kwh En los 3 esquemas realizados se ha mantenido constante el área de captación (24 m 2 ) y volumen de acumulación tanto en esquemas centralizados como descentralizados (2400 litros). Con el objeto de comparar los resultados de ambos métodos, se han empleado datos equivalentes de radiación, temperatura ambiente y temperatura del agua de de la localidad donde se va ha emplazado la instalación (Elda, Alicante). Se han empleado valores cada media hora en la simulación dinámica y medias mensuales para el método f- Chart. Los datos medios mensuales empleados han sido los siguientes: Enero Feb. Marzo Abril Mayo Junio Julio Ago. Sept. Oct. Nov. Dic. Anual Tª. media ambiente [ºC]: 11,6 12,3 13,7 15,5 18,6 21,8 25,1 25, ,2 14,8 12,1 17,8 Tª. media agua [ºC]: 8,8 8,3 8,8 10,2 12,2 14,2 15,7 16,2 15,7 14,2 12,2 10,3 12,2 Rad. 45º [MJ/m 2 /día]: 16,4 18,6 21,4 20, ,3 22,4 21,8 21,3 19,1 14,8 15,1 19,5 La demanda energética de la instalación viene dada por el consumo mensual de ACS ((establecido por el BD-HE4) y el valor de las pérdidas en la distribución desde el sistema de apoyo. La instalación solar debe proporcionar una contribución solar mínima calculada como la energía producida por el campo solar considerando asimismo las pérdidas por distribución hasta el sistema de apoyo. E CS(%) E primario A. C. S. P P primario apoyo apoyo consumo A continuación se muestran los resultados de los 3 esquemas analizados.

3 RESULTADOS DEL ESQUEMA CON ACUMULACIÓN DISTRIBUIDA La Figura 1 muestra el esquema de acumulación distribuida para la producción de agua caliente sanitaria. En aplicaciones de pocas viviendas (< 6-8) se suele realizar la distribución de energía recirculando directamente el circuito primario. En este caso la contribución solar calculada es un 1% superior a la del caso del esquema. Fig. 1. Esquema con acumulación distribuida Se ha realizado un análisis del esquema mediante simulación dinámica y mediante el método f-chart teniendo presente las pérdidas energéticas por distribución. Las pérdidas por distribución se producen en las montantes de 75 metros de longitud y unos 20 metros de recirculación entre la montante y el sistema de apoyo de la vivienda. Para el cálculo de las pérdidas por distribución se considera que los depósitos están las 24 horas a una temperatura media mensual dada por: t deposito t CS(%) preparación Se ha considerado que el circuito distribución está en funcionamiento durante 8 horas al día a una temperatura media de 7 grados por encima de la de los depósitos distribuidos. Con estas consideraciones, los resultados obtenidos son los siguientes: TRNSOL CTE-SOLAR CONTRIBUCIÓN SOLAR DE PRIMARIO: PÉRDIDAS ENERGÉTICAS POR DISTRIBUCIÓN CONTRIBUCIÓN SOLAR: CONTRIBUCIÓN SOLAR % 59,59% 59,19% La contribución solar de primario es muy similar en ambos métodos de cálculo. Hay que destacar la importancia en la consideración de las pérdidas energéticas por distribución. Estas pérdidas dependen en gran medida de las características del hueco en el que se encuentren y su cálculo preciso requeriría de datos constructivos muy concretos del edificio.

4 RESULTADOS DEL ESQUEMA CON INTERCAMBIO INSTANTÁNEO La Figura 2 muestra el esquema de acumulación centralizada e intercambio de calor instantáneo en intercambiadores de calor distribuidos por las viviendas. En este caso el caudal a recircular es elevado y se dimensiona para poder aumentar la temperatura del agua de desde 12 a 45º cuando la temperatura del acumulador es de 50ºC. En este caso el agua retornaría a 30ºC. Fig. 2. Esquema con intercambio instantáneo Las pérdidas por distribución se producen en las montantes de 75 metros de longitud y unos 20 metros de recirculación entre la montante y el intercambiador de la vivienda. La temperatura media mensual del agua de consumo a la salida del intercambiador viene dada por: t salida_int erc t CS(%) preparación Se ha considerado que el circuito distribución está en funcionamiento durante 16 horas al día a una temperatura media de 9 grados por encima de la de la salida del intercambiador. Con estas consideraciones, los resultados obtenidos son los siguientes: TRNSOL CTE-SOLAR CONTRIBUCIÓN SOLAR DE PRIMARIO: PÉRDIDAS ENERGÉTICAS POR DISTRIBUCIÓN CONTRIBUCIÓN SOLAR: CONTRIBUCIÓN SOLAR % 64,00% 65,01% La contribución solar de primario es muy similar en ambos métodos de cálculo. Las pérdidas energéticas en la distribución son inferior que en el caso anterior debido principalmente a la eliminación de los depósitos. En este esquema las pérdidas energéticas por distribución son aproximadamente el 15% de la demanda de ACS.

5 RESULTADOS DEL ESQUEMA TOTALMENTE CENTRALIZADO La Figura 3 muestra el esquema de instalación solar totalmente centralizada. En este caso, la recirculación se realiza a una temperatura media de 51ºC (debe ser superior a 50ºC según RD 895/03). El caudal de recirculación se fija en un 10% del caudal de consumo de la instalación Fig. 3. Esquema totalmente centralizado Las pérdidas por distribución se producen en las montantes de 75 metros de longitud. Desde el contador de entrada de la vivienda hasta los puntos de consumo no se realiza recirculación de ACS. La recirculación de la montante se produce durante las 24 horas del día a una temperatura media de 51ºC. En este esquema las pérdidas energéticas incrementan la demanda de energía de la instalación (demanda para producción de ACS = kwh). La siguiente tabla muestra los resultados obtenidos: TRNSOL CTE-SOLAR CONTRIBUCIÓN SOLAR: DEMANDA DE ENERGÍA PARA DISTRIBUCIÓN DEMANDA TOTAL (ACS+DISTRIBUCIÓN) CONTRIBUCIÓN SOLAR % 54,59% 53,11% El esquema totalmente centralizado tiene las mayores pérdidas por distribución. Se trata de una recirculación de agua de 24 horas al día que además se produce siempre a una temperatura relativamente elevada (se ha considerado 51ºC). Otro de los problemas que tiene el esquema centralizado es que las pérdidas por distribución las debe vencer principalmente el sistema de apoyo.

6 CONCLUSIONES Los resultados muestran que cuando se tienen en consideración las pérdidas en los circuitos de distribución en el método f-chart, los resultados obtenidos son muy similares a los obtenidos mediante un método de simulación dinámica, con diferencias inferiores al 5%. Estas diferencias son similares a la propia incertidumbre de ambos métodos de cálculo empleados. Si no se tienen en consideración las pérdidas en los circuitos de distribución, con el método f-chart se obtiene una contribución solar muy superiores y la misma para todos los esquemas estudiados. El estudio muestra la importancia que tiene considerar de forma aproximada las pérdidas en los circuitos de distribución. Los métodos de simulación tienen siempre en consideración este tipo de pérdidas pero generalmente estas pérdidas no se consideran cunado se emplea el método f-chart. Por último debe tenerse en consideración que los resultados obtenidos, al evaluar una instalación con cualquier sistema de cálculo, son tan buenos como la modelización del sistema, los datos de partida y la habilidad con las herramientas de cálculo empleadas. La modelización de una instalación solar térmica no describe totalmente la instalación real pero sí da una aproximación lo suficientemente realista de lo que sucederá en la misma para unos datos de entrada. Todos los datos de entrada tienen incertidumbres apreciables: tanto los datos climatológicos como las hipótesis de demanda energética. REFERENCIAS Beckman, W.A., Klein, S.A., y Duffie, J.A. (1982). Proyecto de sistemas térmico-solares por el método de las curvas f. Editorial INDEX, ATECYR. Duffie, J.A. y Beckman, W.A. (1980). Solar Engineering of Thermal Processes. Editorial Wiley and Sons. Sección HE4, Contribución solar minima de agua caliente sanitaria. Documento DB-HE del Código Técnico de la Edificación. Sección HS4, Suministro de agua. Documento DB-HE del Código Técnico de la Edificación. Reglamento de Instalaciones Térmicas en los Edificios. Real Decreto 1027/2007 de 20 de julio Criterios Higiénico-Sanitarios para la prevención y control de la Legionelosis. Real Decreto 865/2003 de 4 de julio.