Dimensionado Energia Solar Termica

INSTALACIONES SOLARES TÉRMICASPredimensionado y Dimensionado

GRUPO FORMADORES ANDALUCÍA

DISEÑO DE UNA INSTALACIÓN SOLAR TÉRMICA

Para el diseño de la instalación se seguirán los siguientes puntos, los cuales deberán ir recogidos y justificados en la Memoria del Proyecto:

Predimensionado:

- Datos de Partida.- Esquema de Principio de la Instalación.- Cálculo de la carga de consumo.- Cálculo de la energía disponible.- Determinación de la superficie de captadores y del volumen de acumulación.

INSTALACIONES SOLARES TÉRMICAS

Grupo Formadores AndalucíaPlan de Formación del CTE – CSCAE

INSTALACIONES SOLARES TERMICAS

Dimensionado:

- Selección de la configuración básica.- Selección del fluido de trabajo.- Diseño del sistema de captación.- Diseño del sistema de acumulación.- Dimensionado del sistema de intercambio.- Diseño del circuito hidráulico.- Diseño del sistema de energía auxiliar.- Diseño del sistema eléctrico y de control.- Características técnicas de los componentes.- Materiales y protecciones.- Diseño de la estructura soporte.- Recepción y pruebas funcionales de la instalación.- Mantenimiento de las instalaciones.




PROCEDIMIENTO DE CÁLCULO




1. Datos de partida.2. Cálculo de la demanda de ACS

• Demanda de referencia unitaria a 60ºC• Número de unidades de consumo (personas, usuarios,…• Demanda de referencia a 60ºC• Demanda a la temperatura elegida.

3. Contribución solar mínima4. Demanda de energía térmica5. Energía solar aportada (F-chart)6. Superficie de captadores y volumen de acumulación7. Dimensionado del sistema de intercambio8. Cálculo de pérdidas por orientación e inclinación9. Cálculo de pérdidas de radiación por sombras10.Balance energético anual

1. Datos de partida




• Bloque de 20 viviendas(10 viviendas de 3 dormitorios y 10 de 4 dormitorios)

• Tipo de combustible sistema auxiliar: gas natural.• Temperatura del ACS: 45ºC• Situación: SEVILLA.• Latitud: 37ºN• Temperaturas AFS localidad según meses:

(Compañía suministradora o UNE 94002:2005)• Enero: 10ºC• Febrero: 11ºC• Marzo: 12ºC• Abril: 13ºC• Mayo: 14ºC• Junio: 15ºC• Julio: 16ºC• Agosto: 16ºC• Septiembre: 15ºC• Octubre: 13ºC• Noviembre: 11ºC• Diciembre: 10ºC

1. Datos de partida











2. Cálculo de la demanda de ACS




Viviendas multifamiliares:

22 litros/día·persona (60ºC)

1 por almuerzoCafeterías

5 a 10 por comidaRestaurantes

3 a 5 por kilo de ropaLavanderías

20 a 25 por usuarioGimnasios

3 por personaAdministrativos

15 por personaFábricas y talleres

20 por personaCuarteles

3 por alumnoEscuelas

15 por servicioVestuarios/Duchas colectivas

55 por camaResidencia (ancianos, estudiantes,…

35 por camaHostal/Pensión *

40 por emplazamientoCamping

40 por camaHotel/Hostal **

55 por camaHotel ***

70 por camaHotel ****

55 por camaHospitales y clínicas

22 por personaViviendas multifamiliares

30 por personaViviendas unifamiliares

Litros ACS/día a 60º CCriterio de demanda

• Demanda de referencia a 60ºC (Tabla 3.1.)





En este caso personas:Número de dormitorios: 10 x 3 + 10 x 4 = 70 dormitorios

Simultaneidad según tabla apartado 3.1.1.4. (sólo viviendas)

Más de 7 dormitorios » nº personas = nº dormitorios = 70

• Número de unidades de consumo

nºdormitorios9876431.5Número de

personas

más de 77654321Nº de dormitorios





nº personas = 70

• Demanda de referencia a 60ºC

22 litros/día·persona x 70 personas = Di(60ºC)=1540 litros/día

(Valores constantes durante todos los meses del año)

Demanda anual de ACS:

D(60ºC) = 1540 l/d x 365 días » D(60ºC) = 562.100 litros





donde:

D(T) = demanda de ACS a la temperatura TDi(T)= demanda de ACS para el mes “i” a la temperatura TDi(60ºC)= demanda de ACS para el mes “I” a la temperatura de 60ºCT = temperatura del acumulador final.Ti = Temperatura media del AFS en el mes “I”.

• Demanda a la temperatura elegida (45ºC)

∑=12

1)()( TDTD i ( ) ⎟⎟

⎠

⎞⎜⎜⎝

⎛−−

°=i

iii TT

TxCDTD 6060)(





d/l220070x43.31

43.311045106022D)Enero(

perperd/l

perd/li

=

=−−

⋅=

⋅

⋅


• Temperaturas AFS localidad según meses:• Enero: 10ºC• Febrero: 11ºC• Marzo: 12ºC• Abril: 13ºC• Mayo: 14ºC• Junio: 15ºC• Julio: 16ºC• Agosto: 16ºC• Septiembre: 15ºC• Octubre: 13ºC• Noviembre: 11ºC• Diciembre: 10ºC






826852DT =

68200312200.07031.43Diciembre

66582302219.47031.71Noviembre

70119312261.97032.31Octubre

69300302310.07033.00Septiembre

72435312336.67033.37Agosto

72435312336.67033.37Julio

69300302310.07033.00Junio

70841312285.27032.65Mayo

67857302261.97032.31Abril

69440312240.07032.00Marzo

62143282219.47031.71Febrero

68200312200.07031.43Enero

Total (litros)

nº días mes

Demanda mensualDi (l/d)

PersonasDemanda diaria (l/d)MES





Como la demanda total anual D(45ºC) = 862852 litros

la demanda diaria será: 862852 litros / 365 días = 2364 litros/días

Esta demanda supone un consumo por persona de:

frente a los 22 litros/día·persona a la temperatura de 60ºC


personadía/litrospersonas

día/litros 77,3370

2364⋅=








3. Contribución solar mínima




Datos necesarios:

• Demanda ACS = 2364 litros/día

• Localidad: SEVILLA

• Zona climática: (según Fig. 3.1. o tabla 3.3.) ZONA V

• Energía auxiliar: Gás natural (Tabla 2.1.)













Datos necesarios:

• Demanda ACS = 2364 litros/día

• Localidad: SEVILLA

• Zona climática: (según Fig. 3.1. o tabla 3.3.) ZONA V

• Energía auxiliar: Gás natural (Tabla 2.1.)

CONTRIBUCIÓN SOLAR MÍNIMA 70%








4. Demanda de energía térmica




)()( AFusopACS TTCTDD −⋅⋅⋅= ρ

Enero 10ºC Julio 16ºCFebrero 11ºC Agosto 16ºCMarzo 12ºC Septiembre 15ºCAbril 13ºC Octubre 13ºCMayo 14ºC Noviembre 11ºCJunio 15ºC Diciembre 10ºC

Temperaturas agua distribución en Sevilla

donde:

DACS = demanda de energía térmica para ACS (kW/día)D(T) = consumo de ACS en cada mes (litros/día)r= densidad del agua (1 Kg/litro)Cp = calor específico del agua (0.00116 kW/KgºC)Tuso = temperatura de uso (ºC)TAF = temperatura del agua fría (ºC)

4. Demanda de energía térmica




)()( AFusopACS TTCTDD −⋅⋅⋅= ρ

Enero 10ºC Julio 16ºCFebrero 11ºC Agosto 16ºCMarzo 12ºC Septiembre 15ºCAbril 13ºC Octubre 13ºCMayo 14ºC Noviembre 11ºCJunio 15ºC Diciembre 10ºC

Temperaturas agua distribución en Sevilla

En nuestro caso:

tomando una temperatura media del agua de 13ºC

DACS = 32029.36 kW/h

Usuario

Nota adhesiva

el resultado es 87,75








5. Energía solar aportada (F-chart)



















6. Superficie de captadores y volumen de acumulación




180AV50 <≤

donde:

V = volumen del depósito de acumulación solar (litros)

A = la suma de las áreas de los captadores

50: Relación de consumo en horas de captación80: Relación de consumo en horario nocturno

El área total de los captadores tendrá un valor tal que se cumpla la siguiente condición:





En nuestro caso:

Demanda = 2364 litros/día

luego:

V = 2500 litros

El volumen de acumulación debe ser acorde con la demanda a lo largo del día, luego:

V ≈ Demanda (litros/día)





60 ≤ M/A ≤ 100

0,8 ≤ V/M ≤ 1,2

1,25 ≤ 100A/M ≤ 2

Otras recondaciones (no establecidas en el HE-4):

donde:

V = volumen del depósito de acumulación solar (litros)

A = la suma de las áreas de los captadores (m2)

M = demanda diaria (litros/día)













7. Dimensionado del sistema de intercambio


7. Dimensionado del sistema de intercambio

En nuestro caso:

donde A = 36.96 m2

luego:

P = 18480 W

A500P ⋅≥









8. Cálculo de pérdidas por orientación e inclinación

Tabla 2.4 Pérdidas límite

50 %20 %40 %Integración arquitectónica

30 %15 %20 %Superposición

15 %10 %10 %General

TotalSombrasOrientación e inclinación

Caso



Objetivo es determinar los límites en la orientación e inclinación de los módulos de acuerdo conlas perdidas máximas permisibles. Las perdidas se calcularan en función del:

Angulo de inclinación ß y del ángulo de acimut α

ORIENTACIÓN ÓPTIMA: Sur

INCLINACIÓN ÓPTIMA: Demanda constante anual: la latitud geográfica.Demanda preferente en invierno: +10ºDemanda preferente en verano: - 10º





Objetivo es determinar los límites en la orientación e inclinación de los módulos de acuerdo conlas perdidas máximas permisibles. Las perdidas se calcularan en función del:

Angulo de inclinación ß y del ángulo de acimut α




Dimensionado gráfico en el quese obtienen directamente lasganancias para 41ºN de latitud. Para otras latitudes se aumentan o disminuyen los ángulos de inclinación











-7h

-6h

-5h

-4h

-3h

-2h

-1h0h

1h

2h

3h

4h

5h

6h

A 1

B 1

C 1

D 1

0 30 60 90 120-30-60-90-120A cim ut (º)

0

20

40

60

80E levación (º)

7h

A 2

B 2

C 2

D 2

A 4

B 4

C 4

D 4

A 6

A 8

A 10

B 6

B 8

B 10

B 12

C 6

C 8

C 10

C 12

D 6

D 8

D 10

D 12

D 14A 9

A 7

A 5A 3

B 9

B 7

B 5

B 3

B 11

C 3

C 5

C 7

C 9

C 11D 13

D 11

D 9

D 7

D 5

D 3 Sobre la cartasolar se perfila elobstáculo y con élse obtienen lasporciones afectadaspor sombra.

Se confecciona unaexpresión con la quese obtiene elporcentaje depérdidas


9. Cálculo de pérdidas de radiación por sombras















-7h

-6h

-5h

-4h

-3h

-2h

-1h0h

1h

2h

3h

4h

5h

6h

A 1

B 1

C 1

D 1

0 30 60 90 120-30-60-90-120A cim ut (º)

0

20

40

60

80E levación (º)

7h

A 2

B 2

C 2

D 2

A 4

B 4

C 4

D 4

A 6

A 8

A 10

B 6

B 8

B 10

B 12

C 6

C 8

C 10

C 12

D 6

D 8

D 10

D 12

D 14A 9

A 7

A 5A 3

B 9

B 7

B 5

B 3

B 11

C 3

C 5

C 7

C 9

C 11D 13

D 11

D 9

D 7

D 5

D 3 Sobre la cartasolar se perfila elobstáculo y con élse obtienen lasporciones afectadaspor sombra.

Se confecciona unaexpresión con la quese obtiene elporcentaje depérdidas


Porción: A10: 0.75Porción: B10: 0.75Porción: B12: 0.25Porción: B8: 0.25









Porción: A10: 0.75Porción: B10: 0.75Porción: B12: 0.25Porción: B8: 0.25


Luego las pérdidas por sombra serán:

P (%) = 0.75 x 0.11 + 0.75 x 0.42 + 0.25 x 0.02 + 0.25 x 0.99

P (%) = 0.65 %

50 %20 %40 %Integración arquitectónica

30 %15 %20 %Superposición

15 %10 %10 %General

TotalSombrasOrientación e inclinaciónCaso











BALANCE ENERGÉTICO ANUAL

0500

1.0001.500

2.0002.5003.0003.5004.000

4.5005.000

Ene Feb Mar Abr May Jun Jul Ago Sep Oct Nov Dic

Meses

Kw

*h

Demanda Energética Aporte Solar

10. Balance energético anual


SEPARACIÓN ENTRE CAPTADORES

hdk =

Dimensionado del circuito hidráulico

Igual que en una red de fontanería.

Dimensionado del sistema auxiliar

Calculado para el 100% de la demanda.




CIRCUITO HIDRÁULICO Y SISTEMA AUXILIAR



















Tabla 1. Datos Climáticos Mensuales

124,34 448,88 58,42 210,30 107,5 11,4 Diciembre

149,33 539,10 69,42 249,90 117,5 15,0 Noviembre

172,08 621,24 103,85 373,86 138,0 19,8 Octubre

190,13 686,40146,20 526,32 159,0 24,8 Septiembre

197,58 713,31 186,41 671,09 169,0 27,8 Agosto

194,50 702,15 204,79 737,24 169,5 27,9 Julio

179,75 648,90 195,75 704,70 159,5 24,8 Junio

186,34 672,70 192,89 694,40 149,0 19,9 Mayo

175,72 632,40 164,33 591,60 139,0 17,2 Abril

190,25 685,10 133,01 478,83 128,0 14,6 Marzo

143,47 517,94 86,94 312,98 118,0 12,3 Febrero

137,91 496,62 61,66 221,96 107,5 10,5 Enero

(Kwh /m2)(MJ/m2)(Kwh /m2)(MJ/m2)

Radiación Inclinada(45º)Radiación HorizontalTª agua

fría(ºC)

Horas diarias

Tª ambiente(ºC)Mes

Datos obtenidos de la Tabla II del punto 6 del “Texto Refundido de las especificaciones Técnicas de Diseño y Montaje de las Instalaciones Solares Térmicas para producción de Agua Caliente y las modificaciones de aplicación en el Programa Prosol”.




DATOS DE PARTIDA. DEMANDA:ESCALERA 1:Nº de unidades de consumo: 94 Uds.Consumo unitario: 40 litros/díaConsumo total máximo: 94x40=3760 litrosEn la siguiente tabla se muestran los consumos

1.372.40050.97545.12034.310100,00TOTAL AÑO

116.5604.73737602914100,00Diciembre

112.8004.45337602820100,00Noviembre

116.5604.33137602914100,00Octubre

112.8003.92937602820100,00Septiembre

116.5603.92537602914100,00Agosto

116.5603.92537602914100,00Julio

112.8003.92937602820100,00Junio

116.5604.19637602914100,00Mayo

112.8004.19137602820100,00Abril

116.5604.46637602914100,00Marzo

105.2804.15637602632100,00Febrero

116.5604.73737602914100,00Enero

Agua CalienteAgua Caliente (kW·h)(l/día)Uds

consumoOcupación %

Litros de Energía Final ÚtilA.C.S.Número de

Consumo




CÁLCULO DE LA CARGA DE CONSUMOESCALERA 1

Ver tabla de dimensionadoVariación mensual

3.760 litros/díaConsumo medio en temporada estival

1.372.400 litrosConsumo medio anual

3.760 litrosConsumo diario máximo




SUPERFICIE DE COLECTORES Y VOLUMEN DE ACUMULACIÓN

El dimensionado de la instalación deberá realizarse de forma que en ningún mes del año la energía producida por la instalación solar supere el 110 % de la demanda de consumo y no más de tres meses seguidos el 100 %.

Para el cálculo hemos utilizado tablas de cálculo de SODEAN basado en el método de las curvas F-Chart. En instalaciones solares térmicas para ACS, el área total de captadores “A”, el volumen de acumulación solar “V” y la carga de consumo diaria “M” deben cumplir ciertas condiciones:

50 < V/A < 120 (V en litros y A en m2). 60 < M/A < 100 (M en litros y A en m2). 0.8 < V/M < 1.2 Adimensional.

ESCALERA 1

97,92M/A:

91,15V/A:

0,93V/M

1,02Relaciones: 100*A/M:

3.500 litrosVolumen total de acumulación solar (V):

38,40 m2Superficie total de captación (A):

69,10%Fracción solar:

35.225 kW*hAporte solar anual:

50.975 kW*hDemanda anual de energía:

Curvas de F. ChartMétodo de cálculo utilizado:




BALANCE ENERGÉTICO ANUAL

0500

1.0001.500

2.0002.5003.000

3.5004.000

4.5005.000

Ene Feb Mar Abr May Jun Jul Ago Sep Oct Nov Dic

Meses

Kw

*h

Demanda Energética Aporte Solar










SELECCIÓN DE LA CONFIGURACIÓN BÁSICA

El sistema elegido para el calentamiento de ACS mediante energía solar térmica consistirá en un sistema de captación para calentar un depósito acumulador centralizado mediante un intercambiador exterior de placas por bloque. De este acumulador partirá un circuito de agua caliente cerrado que servirá a interacumuladores individuales por vivienda.

Termo de gas natural modulante por vivienda.Sistema de energía auxiliar:

Sistema de circulación forzada con intercambiador de calor de placas independiente.

Circuito primario:

Centralizada por camposConfiguración elegida:




SELECCIÓN DEL FLUIDO DE TRABAJO

AnticongelanteProtección contra heladas:

Etilen-glicol 30%Fluido seleccionado:

SiRiesgo de heladas:

A continuación se presentan las características de del fluido de resultante de trabajo. Agua glicolada (concentración del 30%), según RITE:

Tª de congelación: -14.1ºCDensidad: 1,05 kg/m3

Calor específico: 3,642 kJ/(kg K)Conductividad térmica 0,447 W/(m K)Viscosidad dinámica 2,99 mPa s




ESCALERA 1

1.500 + 2.000 = 3.500 litrosVolumen de cada depósito:

2Número de depósitos:

Datos técnicos de los acumuladores

Tipo: Acumulador directoModelo: MV-1500-RB de LapesaCapacidad: 1.500 litrosLongitud: 1.850 mmDiámetro: 1.360 mmPeso vacío: 373 kgPeso en servicio: 1.873 kg

Tipo: Acumulador directoModelo: MV-2000-RB de LapesaCapacidad: 2.000 litrosLongitud: 2.300 mmDiámetro: 1.360 mmPeso vacío: 446 kgPeso en servicio: 2.446 kg






















DIMENSIONADO DEL SISTEMA DE INTERCAMBIO

La potencia mínima de diseño del intercambiador independiente P, en W, en función del área de captadores A, en m2, cumplirá la condición:

P ≥ 500 A (W)

Tipo: Intercambiador de placasPotencia escalera 1: 500 x 38.40 = 19.200 W =19,20 Kw

ESCALERAS 1 (Intercambiador 1)Potencia: 26,45 KwRendimiento: 75%Aislamiento: poliuretanoEspesor de aislamiento: 5 cmNº de placas: 20Pérdida de carga: 1,89 mca < 3 mcaSuperficie de intercambio:




DISEÑO DEL CIRCUITO HIDRÁULICO

El sistema hidráulico de la instalación comprende varios circuitos:1.• Circuito primario: captador – intercambiador de placas.2.• Circuito secundario: intercambiador de placas – acumulador.3.• Circuito de consumo: acumulador – interacumuladores individuales en viviendas.

El caudal de circulación en el circuito primario se determinará en función de la superficie del captador instalado. Para aplicaciones de ACS se aconseja un parámetro de diseño de 55 l/h por cada m2 de captador.

La velocidad de circulación del fluido será inferior a 2 m/s. Las pérdidas de carga por metro de tubería han de ser en todos los tramos menores que 40 mmca/m.













DISEÑO DEL SISTEMA ELÉCTRICO Y DE CONTROL

SíActuación temperatura mínima:

Sí (35ºC)Limitación de temperatura mínima:

SíActuación temperatura máxima:

Sí (60ºC)Limitación de temperatura máxima:

Sí (El sistema de control actuará y estará ajustado de manera que las bombas no estén en marcha cuando la diferencia de temperatura sea menor de 2ºC y no estén paradas cuando la diferencia sea mayor de 7ºC. La diferencia de arranque y de parada del termostato diferencial no será mayor que 2ºC.)

Control diferencial:







AISLAMIENTO

(**) Se escoge la temperatura máxima de red

(*) Diámetro exterior de la tubería sin aislar

60 50 40 30 140 < D

50 50 40 30 90 < D ≤ 140

50 40 30 30 60 < D ≤ 90

40 40 30 20 35 < D ≤ 60

40 30 20 20 D ≤ 35

151 a 200 101 a 150 66 a 100 40 a 65 (mm) (*)

Temperatura del fluido (ºC) (**) Diámetro exterior

Fluido interior caliente

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Dimensionado Energia Solar Termica