Comparación de herramientas de cálculo para instalaciones de agua caliente sanitaria mediante energía solar

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Natalia Tebar Toledo
hace 5 años
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1 3. Modelo Base

2 3. MODELO BASE 3.1. Descripción general Para la realización del proyecto se ha realizado un caso base. Se trata del modelo de una instalación de agua caliente sanitaria con intercambiador independiente en Sevilla. Es una instalación de consumo único para viviendas multifamiliares con 140 personas, lo que significa que la demanda de ACS a 60ºC es de 3080 l/día (según HE ). La temperatura del agua de red se obtiene de la tabla 3 de la norma UNE Para Sevilla se tiene: Temperatura de red (⁰C) Enero 11 Febrero 11 Marzo 13 Abril 14 Mayo 16 Junio 19 Julio 21 Agosto 21 Septiembre 20 Octubre 16 Noviembre 13 Diciembre 11 Tabla 3.1. Temperatura del agua de red en Sevilla El perfil de consumo diario de ACS esta basado en el DTIE 1.01(Documentos Técnicos de Instalaciones en la Edificación) que gráficamente queda: 70 Figura 3.1. Perfil de consumo diario de ACS según DTIE 1.01

3 Los factores horarios representados, normalizados a 24, son: Hora Factor Hora Factor Tabla 3.2. Factores horarios normalizados a 24 El perfil de consumo se considera constante durante todo el año. A continuación se representa el modelo en TRNSYS del caso base. Figura 3.2. Modelo en TRNSYS del caso base 3.2. Datos meteorológicos y radiación Los datos meteorológicos que se han utilizado para el modelo han sido la temperatura ambiente y la radiación global y difusa sobre superficie horizontal. Estos datos, junto con la inclinación y orientación de la superficie son las entradas al procesador de radiación de TRNSYS para que calcule la radiación global sobre superficie inclinada que, junto con la radiación difusa sobre superficie horizontal son las necesarias para obtener la radiación incidente sobre los colectores. Para el cálculo en base horaria se ha utilizado la base de datos Meteonorm

4 3.3. Campo solar El campo solar está compuesto por 26 captadores con dos captadores en serie. Tienen una inclinación igual a la latitud de Sevilla (37.23º) y están mirando hacia el sur, es decir, una orientación de 0º. El modelo es el Termicol T10S cuyas características son: 72 Área (m 2 ) 2.4 n a1 (W/(m 2 K)) 4.1 a2 (W/(m 2 K 2 )) Caudal de ensayo (l/(hm 2 )) 72 k Tabla 3.3. Características del captador Termicol T10S Donde n0, a1 y a2 son coeficientes que se utilizan para calcular el rendimiento del colector mediante la ecuación: = Siendo la temperatura del fluido a la entrada del colector, la temperatura ambiente y la irradiación sobre la superficie. El parámetro k50 es el modificador del ángulo de incidencia del captador con una inclinación de 50º Intercambiador de calor El intercambiador de calor entre el circuito primario y secundario es de flujo cruzado. Como hipótesis, se ha asumido que trabaja con una eficiencia constante de 0.7, el cual es un valor típico en este tipo de instalaciones y que representa un compromiso entre funcionamiento y coste. Éste es un parámetro que no se puede variar en CHEQ4 y que se desconoce, por lo tanto no se tiene la seguridad de que el valor del modelo sea el mismo que el valor con el que se realizan los cálculos en CHEQ Circuitos primario y secundario El circuito primario está modelado por una bomba y una tubería. Con la bomba se controla el caudal que llega al colector, el caso del circuito primario. Con la tubería se modelan las pérdidas de energía térmica que tiene el fluido a su paso. Debido a que el circuito secundario normalmente es muy corto, la tubería se ha considerado despreciable. En ambos casos el material de las tuberías es cobre. Por el circuito primario fluye una mezcla de agua con propilenglicol al 30%. Por el secundario fluye agua. Las características del circuito son:

5 Circuito primario Diámetro interior (mm) 24 Longitud (m) 10 Aislante Lana de vidrio Conductividad aisl. (W/(mK)) Diámetro aislante (mm) 25 Tabla 3.4. Característica del circuito primario 3.6. Tanque de almacenamiento El sistema de acumulación está formado por un solo tanque de almacenamiento. Para reflejar adecuadamente la estratificación del sistema, se simula con 10 nodos. El tanque es cilíndrico vertical. Para determinar el volumen del mismo se ha tomado una capacidad de acumulación de 75 l/m 2 de captador. En este caso se tiene un acumulador de 4680 l. La altura se calcula a partir de la siguiente ecuación: h= Donde h es la altura en metros y es el volumen en m 3. La altura que se obtiene es de 3.15 m. La altura de las conexiones se ha calculado aplicando el siguiente criterio utilizado por CHEQ4: Altura relativa de la entrada del circuito secundario 0.8 Altura relativa de la salida del circuito secundario hacia el intercambiador de calor Altura relativa de la entrada de agua fría 0 Altura relativa de la salida de agua hacia el consumo 1 Tabla 3.5. Altura relativa de las conexiones al tanque de almacenamiento En la anterior tabla una altura relativa de 0 se refiere a la parte baja del acumulador mientras que 1 se refiere a la parte alta. El aislante del tanque es lana de vidrio al igual que las tuberías, con un espesor de 5 cm. El material del acumulador es acero Control de la temperatura de salida Para controlar la temperatura de salida se coloca una válvula de control de temperatura (tempering valve) junto con una pieza en T. El funcionamiento consiste en lo siguiente: A la válvula de control de temperatura, a la que le entra el agua de red, se le dice a qué temperatura se quiere mandar el agua al circuito de distribución (en este caso 60ºC). Si la temperatura a la salida del tanque es menor que 60ºC, todo el agua que llega a la 0 73

6 válvula de control de temperatura va al tanque. Si es mayor, se desvía agua fría hacía la pieza en T y se mezcla con el agua que sale del tanque para que nunca se sobrepase la consigna Control de las bombas del circuito primario y secundario El control de las bombas se lleva a cabo mediante un controlador diferencial todo/nada. El componente genera una señal de 0 o 1 dependiendo de la diferencia entre ciertos valores comparadas con una banda muerta superior y una banda muerta inferior. El valor también depende de la señal anterior creándose un efecto de histéresis. Si el control dependiera de la una diferencia de temperaturas: Donde: Temperatura de entrada superior Temperatura de entrada inferior Banda muerta superior Banda muerta inferior Señal de entrada Señal de salida Figura 3.3. Histéresis Los cuatro posibles casos que podrían darse son: 1. Si =1 y, entonces =1 2. Si =1 y >, entonces =0 3. Si =0 y, entonces =1 4. Si =0 y >, entonces =0 74

7 En el caso del circuito primario, la bomba se controla según la radiación incidente en un plano de inclinación igual al de los colectores del campo. También se controla por la diferencia de temperatura entre la salida del campo solar y la parte inferior del acumulador. La bomba del secundario, por otra parte, está controlada solo por temperatura. Así, los controladores estarán caracterizados por: - Controlador por radiación: Radiación global sobre superficie inclinada Entrada inferior (en este caso 0) Banda muerta superior con un valor de 300 W/m 2 Banda muerta inferior con un valor de 250 W/m 2 - Controlador por temperaturas: Temperatura del fluido caloportador a la salida del campo de captadores Temperatura en la parte baja del acumulador Banda muerta superior con un valor de 7ºC Banda muerta inferior con un valor de 3ºC 75

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