ENERGÍA SOLAR TÉRMICA INSTRUCCIONES PARA PROYECTAR CALENTAMIENTO DE A.C.S. CON COLECTOR F1 Sistemas de calefacción, agua y fontanería
Planificación Principios básicos El diseño de una instalación solar depende de los siguientes factores: Consumo/Necesidades de A.C.S. Tasa de cobertura solar deseada Lugar geográfico y condiciones climatológicas La orientación e inclinación de los colectores El tipo ó modelo de colector Adaptabilidad concreta a la instalación (depósito ya existente, etc.) A continuación se trata exclusivamente de la aplicación de colectores solares planos modelo ROTH F1 para el calentamiento de agua sanitaria. En instalaciones de apoyo a la calefacción, p.e. con colectores de vacío R1, hay que tener en cuenta además las car- gas térmicas y la temperatura de diseño del sistema de calefacción, a la hora de dimensionar la superficie del campo de colectores. Para ello se aconseja consultar con nuestro Departamento Técnico. Más información sobre las distintas configuraciones de instalación puede encontrarse en las informaciones técnicas e instrucciones de montaje de los correspondientes productos ROTH. La influencia de la demanda de agua caliente sanitaria El factor más importante para el diseño de su instalación solar es el consumo de acs. Por ello debe ser considerado con especial precaución. La instalación trabajará de modo más efectivo cuanto mejor armonizada esté respecto del consumo y necesidades de acs. Valoración del número de personas En viviendas, el consumo se determina en función del número de habitantes. El consumo típico en una vivienda se sitúa entre los 35 y 50 litros de agua caliente a 45 ºC por persona y día. Considerar eventuales variaciones periódicas Además de las variaciones en el transcurso de la semana, (p.e. ausencia de consumo en escuelas el fin de semana, o puntas de consumo en campos de fútbol, sin consumo durante la semana) también debemos considerar las variaciones anuales o estacionales (vacaciones en colegios, residencias de estudiantes, consumos punta en lugares de ocio y recreo, etc.). Para el diseño en estos casos, no debemos de tomar el consumo máximo puntual, sino un simple valor medio durante el semestre de verano. * T*SOL 4.0: Dr. Valentin + Partner GbR Köpenicker Straße 9, 10997 Berlin Tel 030 / 61 79 17-89 Fax 030 / 61 79 17-88 fchart und polysun: ist Datentechnik GmbH Ritterweg 1, 79400 Kandern Tel 07626 / 91 54-0 Fax 07626 / 9154-30 www.istnet.de GetSolar 6.0: Ing.-Büro solar energie info Dipl.-Ing.(FH) Axel Horn Buchenstraße 38 82054 Sauerlach Fax 08104 / 66 99 05 www.getsolar.de Para la determinación del consumo habrá que considerar también otros puntos, como el tipo de grifos, (por ejemplo duchas de bajo consumo, aquastops, etc.) así como los posibles cambios en la estructura del consumo (por ejemplo, la ampliación, el aumento de la familia o del número de hijos, etc.). Cuando sea posible, deben hacerse lecturas de medición del caudal. Esto es especialmente necesario en in- dustrias, hoteles, instalaciones deportivas, edificios abiertos sólo de día, etc. Otros consumidores de a.c.s. En caso de existir electrodomésticos conectados al agua caliente, como lavadora o lavavajillas, se consideran entre ¼ y ½ consumo de una persona, en función del nivel ahorrativo o grado de consumo que tenga cada aparato. 2 / 6
Planificación Conceptos fundamentales Influencia de la tasa de cobertura deseada La tasa de cobertura solar deseada, esto es, la parte de necesidades caloríficas anuales que se quiere cubrir con la instalación solar, es una magnitud importante a la hora de proyectar. Puesto que se contempla la suma de todas las energías aplicadas, en la tasa de cobertura tam- bién se consideran todas las pérdidas de calor (acumulador, conducciones, circulación, en su caso, etc.) La tasa de cobertura se define como: D [%] = (energía solar / energía solar + energía de caldera) x 100 La radiación solar y las necesidades de calor no coinciden en el tiempo. Por ello, una cobertura solar del 100% sólo es posible con la acumulación adecuada, que suele ser incluso estacional. Diseño con el 60% de cobertura Con un 60% de cobertura solar anual, en los meses de verano (periodo de no calefacción) podemos cubrir toda la demanda, de manera que la caldera se puede apagar completamente durante ese periodo. Especialmente en viviendas unifamiliares se aspira a cubrir una tasa del 60% o superior. Eventualmente, durante largos periodos de mal tiempo, también en verano puede ser necesario poner en marcha la caldera. Rendimiento y tasa de cobertura son conceptos opuestos Los rendimientos típicos de instalaciones de colectores están entre el 30% y el 50%. Se puede observar que el rendimiento baja a medida que aumenta la tasa de cobertura (y viceversa). Debemos aclarar dos aspectos: 1. Con tasa de cobertura creciente también aumenta la temperatura media del colector, porque el agua no sólo tiene que ser precalentada, sino calentada hasta la temperatura de consigna. A medida que aumenta la temperatura del colector también aumentan las pérdidas, por ello baja el rendimiento. 2. Una tasa de cobertura elevada requiere superficies de colectores relativamente grandes, para poder ser también eficaz en momentos de transición, de cara al calentamiento de acs. En verano se producen entonces excedentes, es decir, una parte del calor solar no es en absoluto necesaria, por lo que el rendimiento entonces baja. Influencia de la oferta de radiación La radiación solar anual oscila en el interior de la Península Ibérica, dependiendo del correspondiente lugar geográfico. Valores típicos en el Sur de 1600-1700 kwh/m² y año superan en un 15 45% a los 1100 1500 kwh/m² típicos en el Norte. Además, pueden darse particularidades locales, que debemos tener en cuenta siempre a la hora de proyectar. (ver el mapa). Influencia del ángulo de inclinación y orientación respecto del Sur La mayor eficacia se consigue con pura orientación al Sur y un ángulo de 45. En la práctica, orientaciones entre el Sureste y el Suroeste, así como ángulos de inclinación entre 30-50º apenas tienen una incidencia significativa. Si la variación es mayor (tejados orientados hacia el Este o el Oeste), debemos compensarla aumentando la superficie de colectores. Guía práctica para el dimensionado de una instalación Con un consumo medio y buena orientación, para conseguir un 60% de cobertura solar se necesita aprox. entre 0,5 y 0,75 m² de colector F1 por persona. Para decidir la capacidad del acumulador, podemos tomar entre 1,5 y 2 veces las necesidades diarias de agua caliente. Rendimiento del sistema El rendimiento nos proporciona la valoración energética de un sistema solar. Significa el grado de aprovechamiento de la energía solar radiada, en su transformación y correspondiente acumulación del calor. El rendimiento se define como la relación entre el calor útil entregado por la instalación solar al sistema convencional, y la energía solar recibida durante el mismo tiempo en el campo de colectores. En instalaciones sencillas de un solo acumulador, se corresponde esencialmente con la energía que la instalación solar almacena en el depósito. Arriba: kwh/m² año. Abajo: horas anuales de sol 3 / 6
Diseño Nomograma sobre el diseño de una instalación solar Roth para el calentamiento de agua sanitaria con colectores F1 Consumo de acs / Persona y día 50l 40l 30l Capacidad acumulador 600l 500l Tasa de cobertura 40% 400l 300l 200l Personas 8 6 4 2 Punto de inicio 1500-1800 1100-1500 E/O 1000-1100 Orientación SE/SO Sur 1 2 900-1000 Lugar geográfico (kwh/m² año) 3 4 30 /45 60º 5 6 Inclinación Número de colectores Roth F1 Para un diseño rápido y detallado se puede utilizar el nomograma adjunto. En él ya se han considerado todas las circunstancias prácticas importantes. hacia abajo para la inclinación del tejado (colector). La línea finaliza aconsejando el número necesario de colectores. Empezando por el número de personas, siguiendo la flecha roja del ejemplo para 4 personas, primero vemos una línea perpendicular hacia arriba. En el corte con el eje del consumo diario sigue una línea horizontal para indicar la capacidad necesaria de acumulación. La flecha roja sigue hacia el eje de cobertura deseada y luego hacia abajo para determinar la radiación en función del lugar geográfico. Volvemos a la izquierda para la orientación y luego Indicaciones del ejemplo para 4 personas, con un consumo medio de acs, para dos lugares geográficos distintos, orientación de los colectores al Sur con 50º de inclinación del tejado. 4 / 6
Cálculo y selección del circulador En función del número de colectores y del diámetro de tubo utilizado, la pérdida de carga por metro de tubo se multiplicará por el número de metros de tubo empleados. El resultado se introdu- ce en la Tabla 1. En la Tabla 2 se calcula la pérdida de carga en todo el campo de colectores. En función del tipo de montaje, los colectores tendrán una pérdida de carga, que se sumará a la de la estación solar para obtener el valor total. Sobrepresiones máximas Circulador Altura [mca] a 280 l/h Altura [mca] a 500 l/h UPS 25-60 RP 1 Posición 1 1,8 1,2 Posición 2 4,0 3,5 Posición 3 5,8 5,5 Diagrama del circulador Con la suma de todas las pérdidas de carga y consultando el diagrama adjunto, podemos obtener el circulador necesario y su posición. La bomba alcanza su mayor rendimiento en la posición 2. Si la altura de la bomba no es suficiente, habrá que adaptar el tipo de unión de los colectores o aumentar la dimensión del tubo. En este sentido se debe atender ante todo al valor derivado del montaje en serie. del tubo (Tabla 1) Número de colectores Roth F1 Caudal l/h Tubo de cobre DN (40 % Glicol) Pa/m (mws) Longitud tubos m Pa 2 en serie 180 12 320 (0,032) x = 2 en serie 180 15 160 (0,016) x = 3 en serie 280 15 300 (0,030) x = 3 en serie 280 18 180 (0,018) x = 4 en serie 370 18 280 (0,028) x = 4 2 x 2 en serie 370 22 90 (0,009) x = 4 2 x 2 en serie 370 18 280 (0,007) x = 6 2 x 3 en serie 560 22 210 (0,021) x = 6 2 x 3 en serie 560 28 70 (0,007) x = 8 2 x 4 en serie 740 22 320 (0,032) x = 8 2 x 4 en serie 740 28 90 (0,009) x = 50% incremento por codos = * todos los cálculos se refieren a caudal normal, 40 l/m² xh en colectores, estación solar e intercambiador (Tabla 2) Número de colectores Roth F1 Caudal l/h Colectores Pa Estación solar Pa 2 en serie 180 5400 + 4300 = 3 en serie 280 13000 + 5000 = 4 en serie 370 23500 + 5700 = 4 2 x 2 en serie 370 5400 + 5700 = 6 2 x 3 en serie 560 13000 + 7000 = 8 2 x 4 en serie 740 23500 + 8500 = Suma de pérdidas de carga = 5 / 6
Cálculo Contenido de la instalación, Anticongelante, Vaso de expansión Para diseñar el vaso de expansión y obtener la cantidad necesaria de aditivo anticongelante, debemos obtener la capacidad total del circuito del colector. Para ello, debemos sumar la capacidad de los colectores, las tuberías de unión y el intercambiador del acumulador solar. Con ello tenemos la capacidad mínima residual del vaso de expansión. Para determinar la cantidad de anticongelante con una mezcla del 40%, multiplicar el contenido total por 0,4. (ATENCION, comprobar siempre la mezcla de anticongelante!). La capacidad de expansión se calcula a partir de la expansión del anticongelante, (aprox. 8% del contenido) y del volumen de vapor, que se puede llegar a contener en reposo, que debe ser asumido también por el vaso de expansión. Al volumen de vapor hay que añadir además la capaci- dad del tubo en los conductos de impul- sión hasta la altura del canto inferior del colector, y de los tubos de unión entre colectores. Tablas para el cálculo Contenido de la instalación Contenido colector 1,3 litros x Nº de colectores = l Tubo CU 12 x 1 0,08 l/m x metros de tubo = l Tubo CU 15 x 1 0,13 l/m x metros de tubo = l Tubo CU 18 x 1 0,20 l/m x metros de tubo = l Tubo CU 22 x 1 0,31 l/m x metros de tubo = l Tubo CU 28 x 1,5 0,50 l/m x metros de tubo = l Tubo CU 32 x 1,5 0,80 l/m x metros de tubo = l Contenido intercambiador¹ = l Propuesta vaso expansión = 3 l Contenido total instalación = l Necesidades de Aditivo F1 Para protección hasta -24 C, 40% Propilenglicol Contenido total de la instalación x 0,4 = l Capacidad del vaso de expansión El volumen de expansión tiene que ser asumido por el vaso de expansión, pero éste no es todavía la capacidad nominal del vaso de expansión! Esta depende de la presión de llenado y de la presión de reacción de la válvula de seguridad. con una altura estática de menos de 15 m, la presión de llenado deben ser 2 bar. La presión de reacción de la válvula de seguridad en la estación solar Roth son 6 bar. En este caso, la capacidad nominal del vaso de expansión es aproximadamente el doble del volumen de expansión. 1 Consultar instrucciones del acumulador 1. Expansión del aditivo en torno a un 8% Contenido total de la instalación x 0,08 = l 2. Volumen de vapor Contenido del colector 1,3 l x (Número) colectores = l Contenido de las conducciones por encima del canto inferior del colector = l Suma capacidad vaso expansión = I Capacidad nominal del vaso de expansión² Capacidad del vaso de expansión x 2 = l 2 con 1,5 bar de presión estática, 2 bar presión de llenado y 6 bar válvuladeseguridad Por favor, tener en cuenta: Este diseño sólo es válido para los parámetros considerados! Para otros casos, consultar al Departamento Técnico. ROTH INDUSTRIAS PLASTICAS, S.A. Apdo correos 75. 31500 Tudela(Navarra) Tel. 948 84 44 06, Fax 948 84 44 05 http://www.roth-spain.com E-mail: tecnico@roth-spain.com