Ejercicio 2. Materia 3

MSTER EN ENERGAS RENOVABLES

IMF CEU

INSTALACIN SOLAR

TRMICA PARA ACS. Materia 3. Ejercicio 2

Ana Enrquez Peral ABRIL 2010

Energas Renovables. Materia 3. Ejercicio 2. 2010

INSTITUTO TCNOLOGICO. USP CEU (ABRIL 2010) Pgina 2 de 33

PLANTEAMIENTO

Premisas de trabajo: en un chalet de 220 m2

en Boadilla del Monte vive la familia

Pastor Prez compuesta por 4 personas: padre, madre y dos hijos. Comprometidos con

el medio ambiente, han decidido contratar los servicios de una empresa fabricante de

colectores solares para que les solucione el tema del calentamiento del agua sanitaria

mediante energa trmica.

Descripcin de la vivienda: la vivienda tiene 2 plantas y buhardilla de 2,2 metros de

altura cada una. El cuarto de calderas se encuentra en el cuarto de calderas y los

colectores trmicos habran de ubicarse en el tejado, integrados arquitectnicamente en

el mismo. El tejado tiene 2 aguas y los colectores se instalaran en el agua que se

encuentra desviada +5 con respecto al sur. La inclinacin del tejado es 25.

Como ingenieros de esta empresa fabricante, tenemos que dimensionar la instalacin,

esto es:

- Realizar el esquema de la instalacin.

- Nmero de colectores (calculando prdidas por orientacin, inclinacin,).

- Volumen de acumulacin y superficie de intercambio (bien del serpentn,

bien del intercambiador de placas, segn el esquema elegido por del

alumno).

- Volumen del vaso de expansin del circuito primario.

- Bomba de impulsin del circuito primario (nicamente caudal y altura

manomtrica).

- Rendimiento de la instalacin, ahorros obtenidos.

La empresa te dice que tiene un stock importante almacenado de un modelo

determinado de colector y que por ello has de usarlo. Caractersticas del colector:

- Dimensiones: 1340 x 1800 mm

- Superficie del absorbedor: 2,2 m2

- De la curva de rendimiento del colector se extrae que el rendimiento ptico

del colector es: 0 = 0,790 y los coeficientes de prdidas son a1 = 3,756

W/m2W y a2 = 0,0073 W/m

2W.

- Volumen de fluido caloportado: 2,2 litros.



- Capacidad trmica: 7,4 kJ/m2K.

- Coeficiente de correccin del ngulo de incidencia: (Kdir50 = 0,95)

CONSIDERACIONES

El alumno podr utilizar la informacin del libro de texto, referencindolo en cada caso.

Si el alumno utiliza cualquier otra informacin que busque o conozca, sta debe de ser

incluida en el trabajo.

Los trabajos sern enviados en formato Word al siguiente correo electrnico:

[email protected]

El alumno debe reflejar en cada parte del ejercicio la justificacin de la operacin

realizada, y razonar cada suposicin, establecimiento de criterio o planteamiento de

resolucin.



NDICE

1.- DATOS DE ENTRADA

2.- ESQUEMA DE LA INSTALACIN SOLAR PARA SUMINISTRO DE ACS EN

LA VIVIENDA.

3.- CONTRIBUCIN SOLAR MNIMA SEGN EL CTE.

4.- ESTIMACIN DE LA DEMANDA DE ENERGA CALORFICA.

5.- ESTIMACIN DE LA DEMANDA ENERGTICA POR CONSUMO DE ACS.

6.- CONTRIBUCIN SOLAR MNIMA DE ACS.

7.- RADIACIN SOLAR INCIDENTE SOBRE EL PLANO DE CAPTADORES.

8.- ESTIMACIN DE PRDIDAS POR ORIENTACIN E INCLINACIN.

9.- DETERMINACIN DEL NMERO DE CAPTADORES Y VOLUMEN DE

ACUMULACIN.

10.- RENDIMIENTO DE LA INSTALACIN.

11.- POTENCIA DE INTERCAMBIO.

12.- DISEO DEL SISTEMA HIDRALICO.

13.- DIMENSIONAMIENTO DE LA BOMBA DE CIRCULACIN.

14.- DIMENSIONAMIENTO DEL VASO DE EXPANSIN.

15.- RENDIMIENTO TOTAL DE LA INSTALACIN Y AHORRO OBTENIDO.

16.- BIBLIOGRAFA



SOLUCIN

El ejercicio se desarrolla cumpliendo el R.D. 314/2006 Cdigo Tcnico de la

Edificacin, documento DB HE, Ahorro de energa, Seccin HE 4, Contribucin solar

mnima de agua caliente sanitaria.

1.- DATOS DE ENTRADA:

Localidad: Boadilla del Monte (Madrid).

Latitud: 40,23 40

Longitud: 3,52

Altura media: 677 m

Temperatura media: 13,6 C

Precipitacin media: 500,5 m3

Zona climtica: IV.

Tipo de edificio: edificio unifamiliar.

Tipo de integracin de captadores: superposicin, por tratarse de un edificio ya

construido.

Orientacin del campo de captadores: +5 al sur, ( (acimut) = 5).

Inclinacin del campo de captadores: 25, ( = 25).

Condiciones del entorno: sin sombras posibles (suposicin).

Los sistemas que forman parte de la instalacin trmica solar son:

- Sistema de captacin.

- Circuito hidrulico.

- Sistema de intercambio.

- Sistema de acumulacin y distribucin

- Sistema de regulacin y control.

- Equipo de energa auxiliar convencional.



2.- ESQUEMA DE LA INSTALACIN SOLAR PARA SUMINISTRO DE ACS EN

LA VIVIENDA.

PURGA

GENERADOR AUXILIAR

CAPTADOR SOLAR

ACUMULADOR

ACS

INTERCAMBIADOR

BOMBA AGUA DE RED

GRUPO DE SEGURIDAD

VASO EXPANSIN

VACIADO LLENADO PRIMARIO / FRIO

SECUNDARIO / CALIENTE

GRFICO 1: ESQUEMA DE LA VIVIENDA UNIFAMILIAR. FUENTE: ELABORACIN PROPIA



Los datos de entrada del proceso de dimensionado y diseo de la instalacin son:

Demanda energtica total requerida por el edificio, que se obtiene a partir

de la estimacin de demanda de agua y el salto trmico a aplicar.

Energa solar disponible en el lugar de la instalacin y para la posicin

del campo de captadores.

En la resolucin del ejercicio se tienen en cuenta los siguientes aspectos:

a. Demanda de energa trmica.

b. Energa solar trmica aportada.

c. Fracciones solares mensuales y anuales.

d. Rendimiento medio anual.



3.- CONTRIBUCIN SOLAR MNIMA SEGN EL CTE.

El CTE DB HE4 exige que toda instalacin acogida en su mbito de aplicacin

disponga de una instalacin solar trmica capaz de suministrar, en diseo, una

contribucin solar mnima a una temperatura de referencia de 60C.

Se establecen 2 categoras dependiendo de cul sea la fuente de generacin auxiliar,

en este caso GENERAL, la fuente energtica de apoyo es gasleo, propano, gas

natural, u otras.

TABLA 1: CONTRIBUCION SOLAR MINIMA EN % EXIGIDO POR EL CTE DB HE4. CASO GENERAL. FUENTE: CTE

Estamos en una zona climtica de grado IV (4,6 H



4.- ESTIMACIN DE LA DEMANDA DE ENERGA CALORIFICA.

El primer paso es conocer las necesidades trmicas de la vivienda en sus aplicaciones de

ACS, en este caso, en particular.

La demanda calorfica se obtiene a partir de los siguientes datos:

Demanda de ACS del edificio.

Temperatura final de calentamiento, normalmente 60C como referencia.

Temperatura fra del agua de red.

Clculo la demanda de agua prevista, en funcin del tipo de aplicacin y ocupacin. El

CTE propone una tabla de consumos unitarios previstos de ACS para aplicaciones. Para

el caso en el que nos encontramos:

Vivienda unifamiliar . 30 l ACS/da a 60 C

El nmero de personas que ocupan la vivienda dada es de 4 miembros de la familia. Por

tanto, la demanda de ACS es el producto del nmero de ocupantes por el consumo

unitario para vivienda unifamiliar propuesto por el CTE:

N viviendas 1

N personas por vivienda 4

Consumo por persona, segn CTE 30 l/da

Consumo total de ACS (Dda) 4*30 l/da = 120 l/da

120l/da/1000 l/m3 = 0,12 m

3

CONSUMO DE LA VIVIENDA

No se considera el consumo de agua fra de la vivienda, nicamente el de ACS.

La temperatura final de acumulacin se supone TACS =60 C.

Uniendo el punto 3 con este, se deduce que para zona climatica IV con una demanda de

ACS menor de 5 m3, la contribucin solar mnima exigida por el CTE DB HE4 es del

60%.



5.- ESTIMACIN DE LA DEMANDA ENERGTICA POR CONSUMO DE ACS.

Una vez dispongo de las necesidades de ACS, clculo cuanta energa es necesaria para

su calentamiento desde las condiciones del agua de red hasta su temperatura final.

DEmes,i (kWh/mes) = 1,16.10-3

. Ddia. Ndas,i. Cp. . (TACS - Tred,i)

donde Cp = 1 kcal/Kg.C y = 1.000 kg/m3.

Partimos de los datos de temperatura de agua de red de Madrid (datos tomados del

IDAE a partir de datos de CENSOLAR), que es la zona ms cercana de la que tenemos

valores, y obtenemos:

Mes T agua red

(C)

Dda a 60C

(m3/da)

N das mes Dmes(60C)

(m3/mes)

DEmes(60C)

(kWh/mes)

Enero 6 0,12 31 3,72 233,02

Febreo 7 0,12 28 3,36 206,57

Marzo 9 0,12 31 3,72 220,07

Abril 11 0,12 30 3,60 204,62

Mayo 12 0,12 31 3,72 207,13

Junio 13 0,12 30 3,60 196,27

Julio 14 0,12 31 3,72 198,50

Agosto 13 0,12 31 3,72 202,81

Septiembre 12 0,12 30 3,60 200,45

Octubre 11 0,12 31 3,72 211,44

Noviembre 9 0,12 30 3,60 212,98

Diciembre 6 0,12 31 3,72 233,02

Ao 10,25 0,12 365 43,80 m3/ao 2526,90 kWh/ao

TABLA 2: CLCULO DE LA DEMANDA ENERGTICA MENSUAL. FUENTE: ELABORACION PROPIA

La necesidad energtica es inferior en verano, debido a que el agua de red est ms

caliente y el salto trmico que debe realizarse es inferior.

El CTE limita el sobredimensionado en los meses de verano.



6.- CONTRIBUCIN SOLAR MNIMA DE ACS.

Depende del tipo de aporte auxiliar, de la demanda de agua y de la zona climtica en la

que nos encontremos.

En las condiciones del ejercicio planteado se obtiene una contribucin solar anual o

fraccin solar f = 60%.

Por tanto, la demanda mnima a cubrir con el sistema solar debe ser:

EUsolar,ao = f * DEao

EUsolar,ao = 0,6 * 2526,90 kWh/ao = 1516,14 kWh/ao



7.- RADIACIN SOLAR INCIDENTE SOBRE EL PLANO DE CAPTADORES.

Buscamos los datos reales de radiacin solar incidente para la orientacin e inclinacin

real de los captadores.

A su vez se deben verificar los lmites establecidos por el CTE DB HE4 de prdidas por

orientacin e inclinacin y por sombras.

En este caso, las sombras se suponen descartadas (no se disponen de datos), por lo que

no ocasionan perdidas.

La radiacin solar diaria sobre una superficie inclinada se obtiene a partir de:

Gdi () = k * Gdi (0)

La inclinacin de los captadores, en este caso, es la misma que la cubierta 25.

El factor de correccin k para superficies inclinadas, se obtiene a partir del anexo del

libro de Energa solar trmica, pg. 247, Fuente: CENSOLAR, para una inclinacin de

25 y una latitud de 40.

TABLA 3: FACTOR DE CORRECION K PARA SUPERFICIES INCLINADAS A 25 Y LATITUD 40. FUENTE: CENSOLAR



Segn las tablas de radiacin, los valores mensuales de radiacin solar diaria sobre

superficie horizontal Gdi (0) y su correccin k para la inclinacin de 25 son los

indicados en la tabla 4.

La energa solar mensual incidente, EImes,i, se obtiene sin ms que multiplicar la

irradiacin diaria de cada mes por el nmero de das:

EImes,i = Gdi () * Ndas,mes

Mes Gdi(0)

(kWh/m2da)

K (25) Gdi (25)

(kWh/m2da)

EImes

(kWh/m2mes)

Enero 1,86 1,30 2,42 75,02

Febrero 2,94 1,23 3,62 101,36

Marzo 3,78 1,16 4,38 135,78

Abril 5,22 1,08 5,64 169,20

Mayo 5,81 1,02 5,93 183,83

Junio 6,53 1,00 6,53 195,90

Julio 7,22 1,02 7,36 228,16

Agosto 6,42 1,09 7,00 217,00

Septiembre 4,69 1,19 5,58 167,40

Octubre 3,17 1,30 4,12 127,72

Noviembre 2,08 1,38 2,87 86,10

Diciembre 1,64 1,36 2,23 69,13

Ao 4,28 4,81 1756,60

TABLA 4: VALORES DIARIOS DE RADIACIN SOLAR Y ENERGA SOLAR MENSUAL INCIDENTE. FUENTE:

ELABORACIN PROPIA CON DATOS DEL IDAE Y CENSOLAR.



8.- ESTIMACION DE PERDIDAS POR ORIENTACION E INCLINACION.

Deben verificarse los lmites establecidos por el CTE DB HE4 de prdidas por

orientacin e inclinacin diferente de la ptima (orientacin Sur e inclinacin 30 35).

La inclinacin de los captadores toma como referencia la horizontal, mientras que para

la orientacin, se toma como origen de ngulos la direccin Sur (ngulo 0 de acimut),

con valores negativos hacia el Este y positivos hacia el Oeste. La lnea que marca la

orientacin es la perpendicular al plano captador.

El CTE DB HE4 ofrece una herramienta grfica para la estimacin de las prdidas en

valor anual. La interseccin de una radial con una circunferencia es una posicin

concreta del campo de captores. Las diferentes secciones indican el porcentaje de

energa anual recibida respecto al ptimo. Las prdidas anuales se obtienen restando

dicho porcentaje de 100.

A continuacin se muestra la herramienta grfica del CTE y el clculo de los valores

lmite de inclinacin, siguiendo las circunferencias concntricas, teniendo en cuenta las

prdidas lmite por orientacin e inclinacin de un 10% para el caso general, del 20%

para superposicin y del 40% para integracin arquitectnica

GRAFICO 2: HERRAMIENTA GRAFICA PARA LA ESTIMACION DE PRDIDAS. FUENTE: CTE



Para una inclinacin de 25 y una orientacin de +5 se tiene:

Caso Prdidas mximas por

orientacin e inclinacin

Inclinacin

mxima

Inclinacin

mnima

General 10% 55 10

Superposicin 20% 70 0 - 5

Integracin

arquitectnica 40% 88 0 - 5

RESUMEN DE PRDIDAS PERMITIDAS POR EL CTE.

Los captores se encuentran situados a +5 al Sur (esto es, orientacin 5 suroeste), con

una inclinacin de 25 (pendiente del tejado), que llevados al grfico (interseccin en la

zona blanca) ofrecido por el CTE, nos da unas prdidas de aproximadamente:

100 97 = 3% (aceptado por el CTE).

Considero una configuracin de superposicin de los mdulos.



9.- DETERMINACIN DEL NMERO DE CAPTADORES Y VOLUMEN DE

ACUMULACION.

Se parte de los siguientes datos acreditados del captador:

Dimensiones 1340*1800 mm

Superficie del absorbedor 2,2 m2

Rendimiento ptico 0,790

Coeficiente de prdidas a1 3,756

Coeficiente de prdidas a2 0,0073

Capacidad trmica 7,4 kJ/m2K

Kdir(50) 0,95

Volumen fluido caloportado 2,2 l

DATOS DEL CAPTADOR

Para calcular el nmero de captadores necesarios, adems de conocer los datos del

colector, necesitamos conocer los valores medios mensuales de temperatura ambiente

durante el da, segn lo recomendado por el IDAE sobre datos de CENSOLAR.

A continuacin se muestran los principales resultados del mtodo f-chart para el

supuesto de 1 captador.

Se definen 2 parmetros adimensionales D1 y D2, relacionados con la energa absorbida

por los captadores y con la energa perdida. Estos parmetros sirven para el clculo de la

fraccin solar mensual mediante la expresin emprica siguiente:

fmes = 1,029*D1 0,065*D2 0,245*D12 + 0,0018*D22 +0,0215*D1

3

D1 expresa la relacin entre la energa absorbida por el captador y la demanda

energtica mensual del sistema.

donde:

SC es la superficie de los captadores

mes

mesdiasdmC

mes

absorbida

DE

NGFCMAIS

DE

ED ,int01

.....



MAI es el modificador del ngulo de incidencia

0 es el rendimiento ptico del captador

FCint es el factor de correccin del conjunto captador-intercambiador. IDAE

recomienda tomar un valor de 0,95.

Mes SC 0 MAI FCint Gdm DEmes D1

Enero 2,2 0,79 0,95 0,95 75,02 233,02 0,50

Febrero 2,2 0,79 0,95 0,95 101,36 206,57 0,77

Marzo 2,2 0,79 0,95 0,95 135,78 220,07 0,97

Abril 2,2 0,79 0,95 0,95 169,20 204,62 1,30

Mayo 2,2 0,79 0,95 0,95 183,83 207,13 1,39

Junio 2,2 0,79 0,95 0,95 195,90 196,27 1,57

Julio 2,2 0,79 0,95 0,95 228,16 198,50 1,80

Agosto 2,2 0,79 0,95 0,95 217,00 202,81 1,68

Septiembre 2,2 0,79 0,95 0,95 167,40 200,45 1,31

Octubre 2,2 0,79 0,95 0,95 127,72 211,44 0,95

Noviembre 2,2 0,79 0,95 0,95 86,10 212,98 0,63

Diciembre 2,2 0,79 0,95 0,95 69,13 233,02 0,47

TABLA 5: CALCULO DELPARAMETRO D1. ELABORACION PROPIA

El parmetro adimensional asociado a las prdidas del captador se puede obtener a

partir de:

Con una relacin entre el volumen de acumulador y superficie de captadores que el CTE

DB HE4 sita entre:

mes

mesdasACSacumambglobalC

mes

perdida

DE

NFCFCTFCkS

DE

ED

,int

2

.24..).100.(..

2218050

m

l

S

V

m

l

C

solaracum



y adems se tiene:

kglobal = a1 + a2 (Tm Tamb) = a1 + 30*a2, recomendado por el pliego del IDAE.

De este modo, kglobal = 3,975.

El factor de correccin del acumulador es:

Con lo que Vacum-solar / SC = 54,54 l/m2, dentro de los lmites aceptados por el CTE,

siendo Vacum-solar = 120 l.

Para el FCACS partimos de los valores ya conocidos para su clculo:

Mes Tagua red (C) Tamb (C) FCACS

Enero 6 5 0,98

Febrero 7 6 1,01

Marzo 9 9 1,05

Abril 11 12 1,10

Mayo 12 16 1,09

Junio 13 20 1,07

Julio 14 23 1,07

Agosto 13 24 1,01

Septiembre 12 19 1,04

25,0

2/75

/

ml

SVFC Csolaracumacum

amb

ambredACSACS

T

TTTFC

100

32,286,318,16,11 min

08,175

2,2/12025,0

acumFC



Octubre 11 14 1,07

Noviembre 9 9 1,05

Diciembre 6 6 0,97

TABLA 6: CALCULO DEL FACTOR DE CORRECCION FCACS. ELABORACION PROPIA

Recordando la expresin de clculo para D2 pasamos a mostrar los resultados

encontrados:

Mes SC kglobal FCint FCacum FCACS Tamb,i Ndas,i DEmes D2

Enero 2,2 3,975 0,95 1,08 0,98 5 31 233,02 2,62

Febrero 2,2 3,975 0,95 1,08 1,01 6 28 206,57 2,64

Marzo 2,2 3,975 0,95 1,08 1,05 9 31 220,07 2,76

Abril 2,2 3,975 0,95 1,08 1,10 12 30 204,62 2,96

Mayo 2,2 3,975 0,95 1,08 1,09 16 31 207,13 2,76

Junio 2,2 3,975 0,95 10,8 1,07 20 30 196,27 2,56

Julio 2,2 3,975 0,95 1,08 1,07 23 31 198,50 2,35

Agosto 2,2 3,975 0,95 1,08 1,01 24 31 202,81 2,33

Septiembre 2,2 3,975 0,95 1,08 1,04 19 30 200,45 2,54

Octubre 2,2 3,975 0,95 1,08 1,07 14 31 211,44 2,81

Noviembre 2,2 3,975 0,95 1,08 1,05 9 30 212,98 2,76

Diciembre 2,2 3,975 0,95 1,08 0,97 6 31 233,02 2,55

TABLA 7: CALCULO DEL PARAMETRO D2. FUENTE: ELABOTRACION PROPIA

Una vez deducidos los parmetros D1 y D2 podemos calcular la fraccin solar mensual a

partir de la frmula indicada con anterioridad:

fmes = 1,029 D1 0,065 D2 0,245D12 + 0,0018 D2

2 +0,0215 D1

3

Se presentan los resultados en la siguiente tabla:

Mes D1 D2 fmes

Enero 0,50 2,62 0,30

Febrero 0,77 2,64 0,50



Marzo 0,97 2,76 0,62

Abril 1,30 2,96 0,79

Mayo 1,39 2,76 0,85

Junio 1,57 2,56 0,94

Julio 1,80 2,35 1,04

Agosto 1,68 2,33 1,00

Septiembre 1,31 2,54 0,82

Octubre 0,95 2,81 0,60

Noviembre 0,63 2,76 0,39

Diciembre 0,47 2,55 0,27

TABLA 8: CALCULO DE LA FRACCION SOLAR MENSUAL. FUENTE: ELABORACION PROPIA

Una vez calculada la fraccin solar mensual, se obtiene la energa solar til aportada a

partir de la expresin:

EUsolar,mes = fmes*DEmes

Mes DEmes fmes EUsolar,mes (kWh/mes)

Enero 233,02 0,30 69,90

Febrero 206,57 0,50 103,28

Marzo 220,07 0,62 136,44

Abril 204,62 0,79 161,65

Mayo 207,13 0,85 176,06

Junio 196,27 0,94 184,49

Julio 198,50 1,04 206,44

Agosto 202,81 1,00 202,81

Septiembre 200,45 0,82 164,00

Octubre 211,44 0,60 126,86

Noviembre 212,98 0,39 83,06

Diciembre 233,02 0,27 62,91

Ao 2526,90 1677,90

TABLA 9: CALCULO DE LA ENERGIA SOLAR UTIL. FUENTE: ELABORACION PROPIA



Vemos si se cumplen las exigencias del CTE y fao 60% :

Se cumple la exigencia del CTE.

A continuacin se muestra la relacin grfica entre la demanda energtica y la

aportacin solar mensual.

GRAFICO 3: RELACION ENTRE DEMANDA ENERGETICA Y APORTACION SOLAR MENSUAL.

FUENTE: ELABORACION PROPIA

A pesar de considerar constante el consumo de ACS durante todo el ao, la demanda

energtica no lo es, debido a la diferencia de temperatura del agua de la red a lo largo

del ao. Como en invierno est ms fra el salto trmico a suministrar es mayor, y

tambin influyen el nmero de das de cada mes considerado.

Se observa que en verano la demanda queda cubierta por la aportacin solar, mientras

que en invierno es necesaria la aportacin de una fuente auxiliar, segn el grafico 2.

Verificamos que la fraccin solar de la instalacin no supere en ningn caso el 110%,

ni en ms de 3 meses el 100%.

CTE

mes

messolar fDE

EUf %40,66

90,2526

90,1677100100 ,



GRAFICO 4: FRACCIN SOLAR MENSUAL. FUENTE: ELABORACIN PROPIA

Se verifica la exigencia del CTE, como se aprecia en el grfico 4.



10.- RENDIMIENTO DE LA INSTALACIN.

El CTE DB HE4 seala que en una instalacin de energa solar, el rendimiento del

captador, independientemente de la aplicacin y la tecnologa usada, debe ser siempre

igual o superior al 40%.

El rendimiento se obtiene como el cociente entre la energa solar til aportada al agua y

la radiacin solar incidente sobre los captadores, multiplicada por la superficie de

captacin.

Se puede calcular en valores mensuales:

Mes EUsolar,mes SC Gdm sistema ,mes (%)

Enero 69,90 2,2 75,02 42,35

Febrero 103,28 2,2 101,36 46,31

Marzo 136,44 2,2 135,78 45,67

Abril 161,65 2,2 169,20 43,42

Mayo 176,06 2,2 183,83 43,53

Junio 184,49 2,2 195,90 42,80

Julio 206,44 2,2 228,16 41,12

Agosto 202,81 2,2 217,00 42,48

Septiembre 164,00 2,2 167,40 44,53

Octubre 126,86 2,2 127,72 45,14

Noviembre 83,06 2,2 86,10 43,84

Diciembre 62,91 2,2 69,13 41,36

Mes 1677,90 1756,60

TABLA 10: RENDIMIENTO MENSUAL DE LA INSTALACION. FUENTE: ELABORACION PROPIA

O en media anual:

mesdiasdmC

messolar

messistemaNGS

EU

,

,

,..



De donde,

Queda demostrado que el rendimiento anual de la instalacin es superior al 40%, como

exige el CTE.

Se concluye que ser necesario un nico captador.

.

12:

1: ,

,

,..

mes

mes mesdasdmC

messolar

aosistemanGS

EU

%41,4360,1756.2,2

90,1677100, aosistema



11.- POTENCIA DE INTERCAMBIO.

El nmero de captadores a utilizar para la resolucin de este ejercicio es:

Segn el CTE, debe cumplirse la siguiente ecuacin:

La superficie de captacin considerada es de 2,2 m2, por lo tanto:

50 * 2,2 = 110 l

Con una demanda de ACS estimada de 120 l, seleccionamos un volumen de

acumulacin de 120 l, que cumple con lo exigido y se encuentra disponible en los

catlogos de fabricantes de acumuladores del mercado.

La superficie del intercambiador lo consideramos integrado en el depsito de

acumulacin a modo de serpentn, por lo que segn indicaciones del CTE debe

verificar que la relacin entre la superficie til de intercambio interno y la superficie

total de captacin no sea inferior a 0,15.

Sinter 0,15 * Sc =0,15 * 2,2 = 0,33 m2

> 0,15

Se cumple la condicin exigida por el CTE.

captadorV

CaptadoresN acum 1120

120

120

2218050

m

l

S

V

m

l

C

solaracum



12.- DISEO DEL SISTEMA HIDRALICO.

El diseo del circuito primario parte del dato de caudal que debe circular por los

captadores. El CTE indica un rango de valores entre 43 y 72 l/h.m2.

En esta instalacin consideraremos un valor medio de 54,54 l/h.m2 de colector, si el

fluido fuera agua, pero es recomendable utilizar una mezcla de agua-etilenglicol al 30%

debido a las condiciones climatolgicas, tenemos la siguiente relacin:

Calor especfico del agua (70%): 0,6 cal/g

Calor especfico del etilenglicol (30%): 1 cal/g

Calor especfico total: 0,60,7 + 10,3 = 0,72 cal/g

Considerando que:

Todas las tuberas del circuito sern de cobre.

Paso a calcular el dimetro de las conducciones D, el caudal Q, la velocidad de

circulacin v, con ayuda de la siguiente ecuacin:

1. Para el clculo del dimetro D:

Partimos de la base que la velocidad en nuestro caso debe encontrarse entre 0,5 y 1,5 m/s para evitar sedimentaciones y ruidos excesivos, ya que se trata de una instalacin en un local habitado, por ejemplo 0,6 m/s:

hmhlC

SQhlQ

especifico

Ccolectortotal /16665,0)/(65,166

72,0

2,2.54,54)/( 3

)(

)/(354,0)/(

2 mmD

hlQsmv

mmsm

hl

smv

hlQmmD 91,932,98

)/(6,0

)/(65,166.354,0

)/(

)/(.354,0)(



Optamos por el valor que podemos encontrar para el dimetro de una tubera, en este caso, 10 mm, a partir de los datos de la siguiente figura:

GRAFICO 5: GRAFICO DE PERDIDAS DE CARGA UNITARIAS EN CONDUCCIONES HIDRAULICAS. FUENTE: ASOCIACION DE FABRICANTES DE TUBOS Y ACCESORIOS

En el circuito secundario el tratamiento es similar, teniendo en cuenta que en este caso

el fluido es agua, por lo que no es necesario aplicar el factor de correccin por

viscosidad que se utilizo en el primario para el fluido caloportador.

Con la velocidad v (m/s) y el dimetro interior de la tuberia D (mm) podemos calcular

las prdidas de carga en las tuberas.

En primer lugar calculamos las prdidas unitarias (frmula de Flamant):

Planteamos que la longitud de las tuberas sea la menor posible, dado que no se nos

ofrece ningn dato al respecto. Se trata de una vivienda de 2 plantas y bajo cubierta, con

mmmcaD

QPdcunitaria /95,51

10

65,166378378

75,4

75,1

75,4

75,1



los captadores en la cubierta y el depsito de acumulacin en la planta baja. Trazamos

las tuberas lo ms rectas posibles y con una pendiente del 1% para evitar

acumulaciones de slidos, unos 15 m de tuberas, aproximadamente.

Para el circuito primario planteo las siguientes singularidades:

Accesorio Cantidad Leq por elemento Leq total

Vlvula antiretorno 1 0,20 0,20

Vlvula de asiento 2 1,10 2,20

Codo de 90 6 0,38 2,28

Vlvula de compuerta 3 0,14 0,42 TABLA 11: EQUIVALENCIA DE LAS SINGULARIDADES. FUENTE: P. PEREDA, 2006

Los valores estn tomados para Dint = 12 mm, ya que para 10 mm (nuestra medida),

carecemos de datos.

Adems:

Lequiv. total = Leqiv + Lreal

Lequiv. total = 15 + 10,34 = 25,34 m

Ahora ya podemos calcular las prdidas de carga en toda la instalacin.

Pdctuberas = Pdcunitaria.Leq total

Pdctuberas = 51,95 mmca.25,34 m= 1316,41 mmca

Una vez calculadas las prdidas en las tuberas, calculamos las prdidas en el captador,

del que no disponemos de datos, por lo que suponemos uno genrico de las siguientes

caractersticas:



GRFICO 6: PRDIDAS DE UN CAPTADOR SOLAR EN BASE AL CAUDAL

Para un caudal de 166,65 l/h, las prdidas de presin son de aproximadamente 20 mmca

por 1,3 para corregir la viscosidad del fluido caloportador: 26 mmca.

En el intercambiador tambin tenemos prdidas, pero tampoco disponemos de datos

acerca del mismo, tomamos por ejemplo un modelo SOLARIS 60-140 de 140 l en el

que fabricante nos ofrece las prdidas de carga, de valor 300 mmca por 1,3 para

correccin de la viscosidad del fluido caloportador: 390 mmca.

Para la estimacin de las prdidas de carga totales se toma el valor de las prdidas en

tuberas en su tramo ms desfavorable, adems deben sumarse las prdidas en el

intercambiador y las prdidas al paso por los captadores, ambos datos suministrados por

los fabricantes.

Con esto, las prdidas totales de carga de la instalacin ascienden a:

Pdctotal = Pdctuberas + (Pdccaptador + Pdcintercambiador)*1,3

Pdctotal = 1316,41 + (26 + 390)*1,3 = 1732,41 mmca



13.- DIMENSIONAMIENTO DE LA BOMBA DE CIRCULACIN.

Partimos de:

Q = 166,65 l/h = 0,16665 m3/h

Calculamos la altura manomtrica HT, como suma de las prdidas de tuberas,

intercambiador y captador:

HT = Pdctuberas + Pdccaptador + Pdcintercambiador

HT = 1732,41 mmca 1,73 m

Una vez conocidos el caudal de circulacin Q y la altura manomtrica HT, se selecciona

una bomba cuya caracterstica de funcionamiento cubra las condiciones de diseo.

GRFICO 7: EJEMPLO DE CURVA CARACTERISTICA DE BOMBA DE CIRCULACIN UPS 25-40 180.

FUENTE: GRUNDFOS



14.- DIMENSIONAMIENTO DEL VASO DE EXPANSIN.

El vaso de expansin del circuito primario se encarga de recoger el exceso de volumen

de lquido debido a la dilatacin por calentamiento.

Su tamao debe ser tal que permita guardar ese exceso de volumen.

Consideramos un vaso de expansin abierto, dado que la instalacin es inferior a 100

m2 de captadores, pero hay que situarlo 2,5 m por encima del punto ms alto del circuito

para evitar la entrada de aire y rebose.

Su volumen se puede estimar mediante:

Vvaso = Vcircuito*(0,2 + 0,1*h)

siendo:

Vcircuito = Vcaptador + Vintercambiador + Vtuberias

h: longitud de las tuberas

El Vtuberias se calcula como:

C (caudal del 1) = S*v

V = S*h

de donde: Vtuberias = C / (v*h)

siendo:

v: velocidad del fluido

Sustituyendo valores:

Vvaso = 2,2 + 3,3 + 54,54 / (0,6*18) = 2,2 + 3,3 + 5,05 = 10,55 l

En nuestro caso suponemos una expansin del 5%.



15.- RENDIMIENTO TOTAL DE LA INSTALACIN Y AHORRO OBTENIDO.

Comparando la demanda energtica frente a la cobertura obtenida mes a mes

observamos los ahorros obtenidos.

GRFICO 8: COMPARACIN DEMANDA ENERGTICA CON APORTACIN SOLAR. FUENTE: ELABORACIN

PROPIA

Se deduce que en los meses de invierno la instalacin solar no cubre la demanda

energtica, por lo que es necesaria la aportacin de una fuente auxiliar, la cual es

ayudada por la aportacin solar de la instalacin.

Pero en los meses de verano el rendimiento es mayor, llegando a sobrepasar el 100% en

julio, y la demanda energtica queda prcticamente durante estos meses con la

instalacin solar.

Se comprueba grficamente el ahorro que se logra al instalar esta instalacin solar para

cubrir las demandas de ACS.



16.- BIBLIOGRAFA

Reglamento Instalaciones Trmicas en Edificios RITE.

CTE DB HE4.

IMF - Libro Energa Solar Trmica.

Daz Villar, P., Pea Capilla, R.: Energa Solar Trmica. 2008, Ediciones

Roble.

Pliego de Condiciones Tcnicas de Instalaciones de Baja Temperatura. 2002,

MIT y C.

Datos de la base de CENSOLAR.

Ejercicio 2. Materia 3

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