Mayo Instalaciones Solares Térmicas

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1 Mayo 2007 Guía Técnica Instalaciones Solares Térmicas

2 Índice pag. 1. Objetivos del documento y campo de aplicación 1 2. Tipología de las instalaciones 3 3. Criterios generales de diseño 7 4. Esquemas hidráulicos Requisitos generales de la instalación Especificaciones de la red hidráulica Especificaciones de los grandes elementos Especificaciones de los elementos menores Instrumentación de la instalación Sistema regulación y control Lógica de regulación del sistema Sistema de tele-alarma Recomendaciones de montaje Pruebas de la instalación Ajuste del funcionamiento y verificación final Mantenimiento de las instalaciones Anexo I Anexo II Anexo III 95 Todos los derechos reservados. Gas Natural Soluciones, S.L. 2007

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4 7 3. Criterios generales de diseño En este capítulo, se presenta una serie de criterios de diseño a tener en cuenta en la fase de proyecto de la instalación. El capítulo se estructura en varios apartados que van haciendo referencia a los diferentes temas de dimensionado, desde la estimación de la demanda hasta el diseño del sistema de apoyo. En la memoria del proyecto, se establecerá el método de cálculo especificando en base mensual, los valores medios diarios de la demanda de energía y de la contribución solar. Asimismo, el método de cálculo incluirá las prestaciones anuales definidas por: La demanda de energía térmica La energía solar térmica aportada Las fracciones solares mensuales y anuales El rendimiento medio anual Se tendrá especial cuidado con el dimensionado del sistema de acumulación solar y del sistema de intercambio, con el fin de asegurar una buena capacidad de extracción del calor del sistema de captación y conseguir, así, un buen rendimiento. Los criterios indicados corresponden a las normativas existentes, así como a documentación de recomendación y buenas prácticas. La bibliografía consultada es la siguiente: Código Técnico de la Edificación (CTE). Reglamento Instalaciones Térmicas en Edificios (RITE). Instrucción Técnica Complementaria ITE 10 RITE. Libro de Comentarios del RITE IDAE. Quadern Pràctic per Instal ladors Energia Solar Tèrmica ICAEN. Manual Solar-Gas GAS NATURAL. Decreto de Ecoeficiencia - Generalitat de Catalunya. UNE 94002:2005 Instalaciones solares térmicas para producción de agua caliente sanitaria. Cálculo de la demanda de energía térmica En el anexo III se adjunta el capítulo HE-4 del CTE, referente a la Contribución solar mínima de agua caliente sanitaria que será el complemento a este capítulo.

5 8 3. Criterios generales de diseño 3.1. Cálculo de la demanda de ACS A nivel de cálculo de la demanda en edificios multifamiliares, se sigue el procedimiento especificado en el CTE: Parámetros de entrada Número de dormitorios Número de viviendas Temperatura agua de red Temperatura producción ACS Proceso de cálculo 1. Se determina el número de personas por vivienda según la tabla siguiente: Número de Dormitorios Número de Personas 1, Se aplica el ratio de 22 litros / persona día (a una Tª de referencia de 60ºC) para viviendas multifamiliares. El resultado es el siguiente: Número de Dormitorios Demanda (litros / vivienda y día) Se aplica el número de viviendas y se obtiene la demanda diaria del edificio: 4. Considerando la temperatura de agua de red de la zona y la temperatura de suministro de ACS de 60ºC, se obtiene la demanda de energía de ACS: 5. Existen tablas que indican la temperatura de agua de red (TRED), para las distintas ciudades de la península (ver Anexo II). Para las principales ciudades, los valores son: Barcelona 12,3 ºC Bilbao 9,3 ºC Madrid 10,3 ºC Sevilla 12,3 ºC Valencia 12,3 ºC (fuente CENSOLAR) Pueden existir normativas específicas a nivel de Comunidad Autónoma o local (ordenanzas solares) que marquen un procedimiento distinto, con un ratio de consumo por persona diferente.

6 3. Criterios generales de diseño Contribución solar mínima Una vez calculada la demanda, hay que determinar la contribución solar mínima que debe tener el edificio para cumplir con los criterios marcados por la normativa. Se cita primero el criterio marcado por el CTE, para después indicar las otras normativas. Parámetros de Entrada Consumo Edificio Ubicación Proceso de Cálculo Según la demanda (en volumen )obtenida en la sección anterior (V en litros/día del edificio), y la zona de la península, se determina la contribución solar mínima (en porcentaje) que exige el CTE 1,a partir de la tabla siguiente: Zona Climática Demanda máxima edificio (litros / día) I II III IV V > Es importante destacar que esta tabla es sólo válida para aplicaciones con energía de apoyo gas. En caso de utilizar electricidad como energía de soporte, las coberturas serán mayores. 1 Se considera que la fuente energética de apoyo es gasóleo, propano, gas natural u otros combustibles. Para el caso de sistemas de apoyo basados en el efecto Joule, existe otra tabla de contribuciones solares mínimas, usualmente más restrictiva y por tanto con mayor cobertura.

7 10 3. Criterios generales de diseño 3.2. Contribución solar mínima Las zonas se determinan a partir del mapa siguiente: Mapa de radiación solar media anual de la Península Ibérica Las zonas se han determinado a partir del nivel de radiación solar global media diaria (H) sobre una superficie horizontal. Los valores límites para cada zona son: Zona 1 H < 3,8 kwh / m 2 Zona 2 3,8 H < 4,2 kwh / m 2 Zona 3 4,2 H < 4,6 kwh / m 2 Zona 4 4,6 H < 5,0 kwh / m 2 Zona 5 H > 5,0 kwh / m 2 (en el Anexo III se adjunta una tabla con las zonas climáticas correspondientes a las principales poblaciones de la península). Como ejemplos se citan, a continuación, las zonas correspondientes a las principales capitales de la península: A Coruña Zona I Barcelona Zona II Bilbao Zona I Madrid Zona IV Sevilla Zona V Valencia Zona IV Resulta muy recomendable que antes de empezar cualquier proyecto solar, se asegure que en la ciudad en la que se proyecta la instalación, no exista una Ordenanza Solar o Normativa equivalente que fije un nivel de contribución solar mínima distinto a los del CTE, aplicando siempre el valor más restrictivo.

8 3. Criterios generales de diseño Superficie de captación Una vez determinada la demanda de ACS y la contribución solar mínima a cumplir, es el momento de determinar la superficie de captación que permitirá, para la zona donde se está proyectando nuestra instalación, conseguir la cobertura solar requerida. Para ello, existen numerosos programas de cálculo y métodos científicos (tipo F-Chart). Dado que el carácter aplicado de este documento y que el diseño en detalle de la instalación lo realizará una ingeniería especializada, se presenta en este punto un gráfico que permite obtener un ratio específico de superficie de captación por vivienda, según el factor de contribución solar mínima deseado. Las hipótesis de trabajo que han permitido determinar estos gráficos son los siguientes: Ratio de consumo de 22 litros / persona y día (CTE) Número de personas en viviendas multifamiliares de 3 habitaciones (CTE) Campo de captación orientado a SUR y con 50º de inclinación. Datos de radiación solar por provincias de la península (CENSOLAR) Temperatura ambiente promedio durante horas solares por provincias (CENSOLAR). Temperatura agua de red por provincias (CENSOLAR) Horas solares por provincias (Instituto Nacional de Meteorología) Coeficiente para corrección por variación del ángulo de incidencia de la radiación solar en el captador del 94% a lo largo del día. Coeficiente de pérdidas del sistema de transferencia, de la energía captada a energía útil, del 85%. Se agrupan las provincias según los márgenes de valores de radiación sobre la superficie plana que marca el CTE para las distintas zonas. Se considera una curva de rendimiento de un captador de gama media: Donde: Ta = Temperatura del agua en ºC Text = Temperatura ambiente en ºC I = intensidad radiación solar en W / m 2 Las condiciones de temperatura de agua, en captadores, se consideran de 50ºC. A título orientativo y en base a las anteriores premisas, se puede realizar una caracterización simple para las diferentes zonas climáticas. Esta caracterización se ha elaborado en base al promedio de radiación solar incidente según las zonas consideradas en el CTE. (m 2 /viv) 4,0 3,5 3,0 2,5 2,0 1,5 1,0 0,5 0 Contribución Solar Anual (%) Zona I Zona II Zona III Zona IV Zona V

9 12 3. Criterios generales de diseño Una consideración muy importante que aporta el CTE es que, si una vez determinada la superficie de captación, resulta que en el balance energético mensual que realiza la ingeniería existe algún mes del año en que la contribución solar real es del 100%, se ajustará la superficie elegida de modo que la cobertura solar máxima mensual quede limitada a un 90% (siempre que se consiga la contribución anual mínima exigida por la normativa correspondiente). Esta consideración es muy válida. Experiencias reales han permitido constatar que, en los meses de máxima radiación (los meses de verano), la demanda de ACS del edificio es menor a los valores de diseño. Esto es debido a tres factores: Se trata de un periodo vacacional. La utilización es menor al tener una temperatura ambiente elevada. La temperatura de agua de red es mayor. Esta situación puede provocar temperaturas elevadas en el campo de captación, reduciéndose así su rendimiento Estimación pérdidas de captación Una de las exigencias del CTE es que se deben evaluar las pérdidas por orientación, inclinación y sombras de la superficie de captación. La orientación e inclinación y las posibles sombras se determinarán cuando las pérdidas sean inferiores a los límites indicados en la tabla siguiente: Por orientación e inclinación 10% Por sombras 10% Máximo total 15% En el anexo III se adjunta el capítulo referente al aprovechamiento solar térmico del CTE en el que se indica el método de cálculo Caudal del circuito de captación El caudal que debe circular por el circuito de captación, es un factor importante. Cada modelo de captador tiene un caudal de diseño que da el máximo de energía. En el caso de caudales excesivos, se obtendrá un menor salto térmico. Mientras que, para caudales bajos, la temperatura de los captadores será superior; incrementándose las pérdidas y reduciéndose la eficiencia. El caudal del fluido caloportador se fijará de acuerdo con las especificaciones del fabricante. Por ejemplo: si las conexiones de los captadores son en paralelo, el caudal nominal será igual al caudal unitario de diseño por la superficie total de captadores en paralelo. Cada fabricante especifica, en la hoja de características del captador, el caudal recomendado, y siempre se tendrá que trabajar con éste. En su defecto, el caudal estará comprendido entre los 43 y 72 litros/h m 2 de área de captadores. Es importante apuntar, ya en este momento, que el fluido que contendrá el circuito de captación contendrá algún aditivo químico para evitar el riesgo de congelación del agua durante el invierno. Una vez calculada la pérdida de carga del circuito, y como recomendación, se escogerá la bomba de modo que su curva esté un 20% por encima del punto de trabajo, para poder compensar posibles pérdidas de potencia de la bomba después de la puesta en marcha.

10 3. Criterios generales de diseño Volumen acumulación solar Se trata de un elemento clave, pues permite acumular la energía solar captada durante el día. Experiencias reales han permitido determinar la criticidad de su dimensionado. Para subdimensionamientos se puede llegar a valores de temperatura elevados, debido a ello el sistema de captación trabajará a mayor temperatura, reduciéndose así la eficiencia de captación y sus horas de funcionamiento, captando finalmente menos energía a pesar de que exista energía (horas de radiación solar) disponible. El Sistema de captación Solar se debe concebir en función de la energía que aporta a lo largo del día y no en función de la potencia del generador (captadores solares). Por tanto, se debe prever una acumulación solar acorde con la demanda al no ser ésta simultánea con la generación. Respecto a la superficie de captación, el volumen de acumulación solar será tal que cumpla la siguiente relación con el área total de los captadores (según CTE): Dónde: A es la superficie global de captación en m 2. V es el volumen de acumulación solar en litros. Esta relación indica que el volumen de acumulación solar será de 50 a 180 litros por unidad de superficie de captación. Como valor de referencia se propone el valor de 75 l/m 2 de captador. Cuanto más se concentre la demanda, en momentos en que el Sistema de captación Solar no funcione (habitualmente por la mañana y por la noche), el volumen de acumulación más se aproximará al ratio de los 180 litros. Mientras que en el caso que exista demanda durante el funcionamiento solar será más cercano al valor de los 50 litros. El volumen de acumulación solar deberá ser similar a la demanda diaria estimada, y se recomienda incrementar la estimación de la demanda diaria un 20%, de modo que se cumpla la condición: Dónde: M es la demanda del edificio en litros / día. V es el volumen del acumulador solar en litros. Se entiende que el valor de acumulación solar (V) es únicamente el relativo al Sistema de captación Solar. En el caso de que el sistema de apoyo cuente con una acumulación por no ser instantáneo, ésta deberá calcularse independientemente y sumarse a la solar dentro del conjunto total de acumulación de la planta. En el caso de la opción A (acumulación solar individual), el volumen determinado a través de las fórmulas anteriores se repartirá por el número de viviendas del edificio Sistema de intercambio solar El sistema de intercambio está basado en un intercambiador de placas que separa el circuito primario y el secundario solar. La potencia se determina para las condiciones de trabajo en las horas centrales del día, suponiendo una radiación solar de 1000 W / m2 y un rendimiento de la conversión de energía solar a calor del 60%, y cumpliéndose la condición siguiente:

11 14 3. Criterios generales de diseño Dónde: P es la potencia mínima del intercambiador en W A es la superficie de captación en m 2 Es básico recordar, en este punto, que el sistema de captación tendrá mayor efectividad cuanto menor sea la temperatura de retorno en el primario. Por lo que si el intercambiador no transfiere adecuadamente la energía del primario al secundario, se producirá un aumento en la temperatura de funcionamiento de captadores, con el efecto inmediato de reducción de su eficiencia. A modo orientativo, en el intercambiador de placas existirá una relación mínima entre la superficie útil de intercambio y la superficie de captación de 0,3. Para los casos en los que se utilicen interacumuladores (opción A), se recomienda una relación del orden de 0,15. Para el cálculo del intercambiador y como valor de referencia, se considerará que el salto térmico entre la entrada de primario y la salida a secundario será del orden de 8-10ºC Estimación pérdidas de captación 3.8. Caudal circuito secundario solar Una vez definidos el caudal del circuito primario y la potencia del intercambiador solar necesaria, se debe especificar el caudal del circuito secundario. El criterio es el siguiente: En el diseño se deben tener en cuenta unas temperaturas y el salto térmico de diseño en el circuito secundario (se puede trabajar con una temperatura de salida de 50ºC con un salto térmico de 5ºC). Es interesante, en este punto, recordar la ecuación de la eficiencia de un intercambiador de placas: Dónde: TSs es la temperatura de salida del intercambiador del lado del secundario (ºC) TEs es la temperatura a la entrada del intercambiador del lado del secundario(ºc) TEp es la temperatura de entrada del intercambiador del lado del primario (ºC) En el caso de la opción B, hay que tener en cuenta que el diámetro de tubería y la potencia de la bomba deberá ser el adecuado para poder suministrar la potencia instantánea necesaria a las distintas viviendas (recordemos que en esta opción la acumulación solar es centralizada). A continuación, se presenta una tabla dónde se indica, a título orientativo, el diámetro necesario de las tuberías de distribución en este caso. Las hipótesis de cálculo son las siguientes: Salto Térmico en vivienda: 20 ºC Caudal máximo en vivienda: 12 litros / minuto Salto Térmico Intercambiador solar: 5 ºC Velocidad máxima tubería 1,8 m/seg. Factor simultaneidad según la fórmula: (viv número de viviendas, a partir de 5) (Fórmula obtenida del capítulo Cálculo de sistemas de ACS del Curso de Instalador de Calefacción, Climatización y Agua Caliente Sanitaria, 11 Edición de 2005, publicado por CONAIF).

12 3. Criterios generales de diseño 15 Número Viviendas Simultaneidad 0,50 0,40 0,33 0,28 0,27 0,26 Potencia máxima edificio (kw) Caudal distribución (m 3 /h) 14,5 23,0 38,0 65,1 77,9 90,4 Diámetro (mm) Vaso de expansión Todo circuito cerrado deberá prever la instalación de un vaso de expansión que permita absorber las dilataciones del fluido. En el caso del vaso de expansión del circuito de captación, se sobredimensionará, considerando un volumen de agua de captadores y del circuito hidráulico, un 10% del valor real. El cálculo del vaso de expansión será según la fórmula: Dónde: VVASO es el volumen del vaso de expansión en litros VCIRCUITO es el volumen del fluido del circuito X 1,1 (factor de sobredimensión) en litros es el factor de incremento del fluido caloportador, desde los 4ºC hasta el valor máximo que se prevea en el circuito. Pf es la presión absoluta final del vaso de expansión en bar. Pi es la presión absoluta inicial del vaso de expansión en bar. Como valores se proponen los siguientes: = 0,043 en el caso de agua para una temperatura máxima de 100ºC. = 0,080 en el caso de agua con anticongelante y para una temperatura máxima de 100ºC. Como valores de presiones se proponen los siguientes: Pf se puede considerar la presión de tarado de la válvula de seguridad del circuito (3 bar + 1 bar de presión atmosférica = 4 bar). Pi debe tener en cuenta la presión de diseño del circuito, junto a la presión manométrica, en caso de existir desniveles entre la ubicación del vaso de expansión y el tramo más elevado del circuito (se puede considerar una presión absoluta de 1,5 bar). El vaso de expansión es un elemento de bajo coste, por lo que se recomienda elegir un volumen que esté por encima de las necesidades del circuito. En el caso del circuito primario solar se recomienda aplicar un factor de seguridad de 2, con el fin de dar mayor seguridad contra sobrecalentamientos. Además, así se favorece que la membrana interna tenga una vida útil mayor, al trabajar con menor flexión, se reducirá el riesgo de rotura. Una vez determinado el volumen, se escogerá el vaso de expansión de fabricación con el volumen más cercano, por la parte superior. En la tabla siguiente se indican algunos valores para varios volúmenes del circuito primarios de captación, según si contienen anticongelante o no: Volumen circuito Captación (litros) Volumen vaso expansión (litros) 5,5 8,3 11,0 13,8 16,5 19,3 22,0 24,8 27,5 30,3 (Agua sin aditivos) Volumen vaso expansión (litros) (Agua con anticongelante) 10,2 15,4 20,5 25,6 30,7 35,8 41,0 46,1 51,2 56,3

13 16 3. Criterios generales de diseño Sistema Auxiliar El sistema convencional de apoyo (tanto el individual como el centralizado), tendrá una potencia térmica suficiente para que pueda proporcionar la energía necesaria para la demanda total de ACS. Cuando el sistema auxiliar no sea instantáneo, se deberá prever un volumen de acumulación de apoyo. Esto ocurre en el caso de la opción C. Para la estimación del volumen de acumulación y la potencia de la caldera del sistema de apoyo, se deberá partir de la estimación del consumo punta del edificio o de la vivienda. Ésta se determina a partir de los ratios proporcionados por la Norma Básica para Instalaciones Interiores de Suministro de Agua. Los valores son: Lavabo Bidet Bañera Ducha Lavadero 6 litros / minuto 6 litros / minuto 18 litros / minuto 12 litros / minuto 12 litros / minuto Con estos valores, considerando la temperatura de utilización del ACS de 42ºC y la temperatura de preparación de 58ºC (según normativa), en el libro de Comentarios del RITE, se presentan un conjunto de tablas que permiten determinar la potencia del equipo auxiliar (P en kw). Así como el volumen de acumulación asociado (V en litros), según varios tiempos de preparación y para un número de viviendas distinto (N). Se indican los calores totales y los valores útiles (aparece el subíndice u). Tiempo de preparación: 1 hora N VU PU 22,0 30,6 38,6 46,3 53,6 67,7 81,2 94,3 119,6 144,1 V P 28,8 40,1 50,6 60,6 70,2 88,6 106,3 123,5 156,6 188,7 Tiempo de preparación: 2 horas N VU PU 16,6 23,9 30,8 37,4 43,7 55,9 67,6 79,0 100,9 122,2 V P 21,8 31,5 40,6 49,3 57,6 73,7 89,2 104,2 133,1 161,1 Tiempo de preparación: 3 horas N VU PU 13,3 19,6 25,6 31,3 36,9 47,6 57,9 67,3 87,3 106,0 V P 17,6 26,0 34,0 41,6 49,0 63,3 77,0 90,2 116,0 140,8 El sistema de control, en cada una de las opciones, deberá asegurar que el sistema auxiliar sólo entre en funcionamiento cuando sea estrictamente necesario y de forma que se aproveche al máximo la energía extraída del campo de captación.